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 高調波とは!


第3高調波に挑戦

(1)高調波の被害から産業社会を守るために
我々の生活と産業を支えている、最も重要なエネルギー源である電力は、今や、高調波によって蝕まれつつある。
機器の電子制御化が急速に進展してきた1981 年以降の現代社会においては、大なり小なり高調波の含まれていない電力などは現実に存在しないにも拘らず、高調波はそのレベルがエスカレートした場合、甚大な損害を産業活動にもたらすことになる。従って、我々は、高調波の実態をよく把握しそれに対応する施策((5)項参照)を講じ、その被害を未前に予防しなければならない。


高調波の実態
近来クローズアップされて来た高調波は奇数高調波と偶数高調波に大きく分けられるが、この内被害をもたらすことの多いのが、奇数高調波である。
また、移相順序(移相回転シーケンス)から言って、高調波は、次の三つに分類される。


1) ゼロ移相のもの:第3、第6、第9、第12・・・高調波(3倍高調波とも言う。)
これらの高調波は、基本波と同相なので移相は起こらない。移相しないため、高調波は中性コンダクタの中で相殺されることなく、中性コンダクタの中に電流が積み上がっていく。

図1 ひずみ波形には、基本波と第3高調波が含まれている(総合高調波ひずみ率役30%)

それが中性コンダクタ中に電流が増大していく理由である。
その積み上がりの程度は、場合によっては、1位相電流値の約1.8倍にも達する。このうちでも、最も破壊力の大きいのが第3高調波で、これが過大になると変圧器を過熱し遂にはそれを破壊に至らしめる。また、その他にも中性フィーダー線を灼熱させ、絶縁被覆を焼損し、更にフィーダー線を溶断することもある。

図2 単相非線形負荷に高度な中性電流が流れることの図解


2)反時計回り移送のもの:第2、第5、第8、第11・・・高調波
移相順序は、3−2−1、あるいは、T−S−Rである。これは、反時計回りの電界を持っているので、モーターのトルクを減少させ、回転を阻害するばかりでなく、オーバーヒートに導く原因にもなる。


3)時計回り移相のもの:第1、第4、第7、第10・・・高調波
移相順序は、1-2-3、あるいは、R-S-T である。これは、時計回り電界を持つので、モーターの回転を助長する。

(2)高調波の定義
高調波を定義すれば、高調波は基本周波数の整数倍〔2倍、3倍、4倍〕、あるいは60Hz基本周波数 の地域では(120、180、240Hz)の周波数を持つ電流、または電圧を言う。


(3)高調波のもたらす悪影響
高調波は電力を虫食い状態にし、使用効率を低下させるばかりでなく、配電・受電設備や周辺工場の機器及びその部品を劣化させ、遂には破壊に導く有害な阻害要因である。例えば、その発生源となっている自家工場自らにも損害を逆流するばかりでなく、近隣の工場にも、配送電線を通じて有害な高調波を撒き散らすことにもなる。そして、その高調波電圧/電流のレベルが高くなると、それら近隣工場の機器を誤動作させ、ブレーカーをトリップさせる。ひいては、機器を破損するばかりでなく、他社が製造している製品の品質を低下させ、生産を阻害することもある。


(4)高調波の発生原因
高調波の発生原因は、先ず、各種用途のインバーター、周波数変換機、充電器、電気メッキ装置、調光器、アーク炉、鉄鋼圧延設備、UPS装置、等が挙げられる。
また、もうひとつ、見逃してならないのは、大型オフイスビルで、これらも大きな高調波の発生源である。この種の事業所の共通点は、非線形負荷(正弦波でない波形を持つ負荷)による機器で仕事をしていることである。ここで、最も、特徴的なことは、非線形負荷をもつ機器を、単相で使用していることである。これによって、電圧・電流の不平衡が発生するのである。
大型オフイスビルで使用されているのは、数千台のオフイスコンピュータ、プリンタ、複写機、蛍光灯などで、それらは、何れも有力な高調波の発生源である。
これらの各種の事務機器は、ランダムに、且つ急速にパルスを発生させるため、負荷からの電流を引き寄せ、電流波形に歪みを作り、その電流が電源方向に逆流することによって高調波が発生するのである。


(5)高調波の抑制法
第3・第5・第7・第9及びそれ以降の高調波は、L=13%のSCパックを導入することで吸収することが出来、共振も起こさせない。



高調波で汚染されていく電気

高調波を発生する機器

工場

  • 直流モータ電源装置
  • 電気炉
  • インバータ機器
  • 化学用整流器
家庭

  • エアコン
  • パソコン
  • テレビ
  • 洗濯機
  • 冷蔵庫
ビル

  • 無停電 電源装置
  • コンピューター
  • 蛍光灯
  • エレベータ
  • 空調機
その他

  • 直流電鉄用整流器
  • スキーリフト
  • ロープウェー

高調波成分




電流歪みの発生




電圧歪みの発生

高調波による正・逆トルク現象




コンデンサ設備による高調波吸収率




コンデンサ設備による高調波吸収率



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