高調波と高調波対策について

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1. 調和波とは何か？ 電力系統における高調波が発生する根本的な原因は、非線形負荷によるものです。電流が負荷を流れると、印加された電圧と線形な関係にならず、非正弦波の電流が生じ、それによって高調波が発生する。高調波の周波数は基本波の周波数の整数倍であり、フランスの数学者フーリエ（M. Fourier）の解析原理によって証明されているように、どんな繰り返し波形でも、基本波の周波数と、その整数倍である一連の高調波を含む正弦波成分に分解することができる。高調波は正弦波であり、各高調波は異なる周波数、振幅、および位相角を持つ。高調波は、偶数次と奇数次に分けられます。3次、5次、7次といった番号が付けられたものが奇数次高調波であり、2次、4次、6次、8次などが偶数次高調波です。例えば、基本波が50Hzの場合、2次高調波は100Hz、3次高調波は150Hzとなります。一般的に、奇数次高調波が引き起こす害は偶数次高調波よりも多く、大きい。平衡な三相系では、対称性のために偶数次の高調波は消去され、奇数次の高調波のみが存在する。三相整流負荷の場合、発生する高調波電流は6n±1次の高調波であり、例えば5、7、11、13、17、19などがあります。インバーターは主に5次および7次の高調波を生成します。 “「ハーモニック」という言葉は音響学に由来します。高調波に関する数学的分析は、18世紀から19世紀にかけてすでにしっかりとした基盤が築かれました。フーリエらが提唱した調和解析法は、今日でも広く利用されている。電力系統の高調波問題は、早くも20世紀の20年代および30年代にすでに人々の注目を集めていました。当時のドイツでは、静止水銀アーク変換器の使用によって電圧や電流の波形が歪んでいました。1945年にJ.C.リードが発表した変換器の高調波に関する論文は、高調波研究における初期の古典的な論文である。50年代から60年代にかけて、高圧直流送電技術の発展により、変換器が電力系統の高調波問題を引き起こすことに関する多数の論文が発表された。1970年代以降、電力電子技術の急速な発展により、さまざまな電力電子装置が電力系統、産業、交通、家庭でますます広く利用されるようになり、高調波がもたらす被害も日増しに深刻化している。世界各国は共に高調波問題に十分な注目を払っている。国際的には、高調波問題に関する学術会議が何度も開催されており、多くの**や国際的な学術団体が、電力系統の高調波や電気機器の高調波を制限するための基準や規定を定めています。高調波研究の意義は、その害が非常に深刻であるための道徳的な要請にある。高調波は、電力の生成、送配、利用の効率を低下させ、電気機器を過熱させたり振動や騒音を発生させたりし、絶縁体を劣化させて寿命を短縮し、場合によっては故障や焼損を引き起こします。高調波は電力系統に局所的な並列共振や直列共振を引き起こし、高調波成分を増幅させることで、コンデンサなどの機器が焼損する原因となります。高調波はまた、リレー保護装置や自動装置の誤作動を引き起こし、電力計測に混乱をもたらす。電力系統の外部では、高調波が通信機器や電子機器に深刻な干渉を引き起こします。 2. 高調波抑制について、電力電子機器やその他の高調波発生源による高調波汚染問題を解決するための基本的なアプローチは2つある。1つは高調波補償装置を設置して高調波を補償する方法で、これはあらゆる種類の高調波発生源に適用可能である；もう一つは、電力電子装置自体を改良して高調波を発生させないようにし、力率を1に制御する方法であり、これはもちろん主要な高調波の発生源となる電力電子装置にのみ適用される。 高調波補償装置を設置する従来の方法は、LCチューニングフィルターを使用することです。この方法は高調波と無効電力の両方を補償でき、構造もシンプルなため、長年にわたり広く使用されてきました。この方法の主な欠点は、補償特性が電力網のインピーダンスや運用状態の影響を受け、システムと並列共振を起こしやすく、それによって高調波が増幅され、LCフィルタが過負荷になったり焼損したりすることである。また、固定周波数の高調波しか補償できず、補償効果もそれほど理想的ではありません。 3. 非力率補償　人々は実力率については非常に容易に理解できるが、非力率を深く理解することは決して簡単なことではない。正弦波回路においては無効電力の概念は明確であるが、高調波を含む場合には、現在までに公認された無効電力の定義は存在しない。しかし、無効電力という概念の重要性や、無効電力補償の重要性についての認識は、一致している。 無効電力補償には、基本波の無効電力補償と高調波の無効電力補償が含まれるべきである。無効電力は、供給システムと負荷の運用の両方において非常に重要です。電力系統のネットワーク素子のインピーダンスは主に誘導性である。したがって、大まかに言えば、有効電力を送るためには、送電側と受電側の電圧に位相差が必要であり、これはかなり広い範囲で実現可能である；無効電力を送るためには、両端の電圧に振幅差が必要であり、これは非常に狭い範囲内でのみ実現可能である。ほとんどのネットワーク機器が無効電力を消費するだけでなく、ほとんどの負荷も無効電力を消費する必要がある。ネットワーク機器や負荷に必要な無効電力は、ネットワーク内のどこかから供給されなければならない。明らかに、これらの無効電力をすべて発電機で供給し、長距離で送電することは不合理であり、通常は不可能でもある。 合理的な方法とは、無効電力を消費する必要がある場所で無効電力を生成することであり、これが無効電力補償です。 無効電力補償の主な役割は以下の通りです：（1）供給・消費システムおよび負荷の力率を向上させ、機器容量を削減し、電力損失を低減する。 （2）安定した受電端および送電網の電圧を維持し、供給品質を向上させる。長距離送電線の適切な場所に動的無効電力補償装置を設置することで、送電システムの安定性も向上し、送電能力も高まる。 （3） 電化鉄道などで三相負荷が不均衡な場合、適切な無効電力補償によって三相の有効電力および無効電力負荷をバランスさせることができる。