産業オートメーションと電力制御の分野では、周波数コンバーター可変周波数ドライブ (VFD) が不可欠なツールとして浮上しています。モーターの速度、トルク、消費電力の制御において比類のない柔軟性を提供し、製造、HVAC、水処理などの業界のさまざまなアプリケーションの基礎となっています。ただし、VFD に関連する永続的な課題の 1 つは、電気システム内の高調波成分の存在です。高調波は、機器の過熱、敏感な電子機器への干渉、エネルギー損失の増加など、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。主役として周波数コンバーター VFDサプライヤーの皆様、当社は電気システムの信頼性が高く効率的な動作のために高調波歪みを最小限に抑えることの重要性を理解しています。このブログ投稿では、周波数コンバータ VFD の高調波成分を削減するためのいくつかの効果的な戦略を検討します。
VFD の高調波を理解する
緩和戦略を詳しく検討する前に、高調波とは何か、また高調波が VFD でどのように生成されるかを理解することが重要です。理想的な電気システムでは、電圧と電流の波形は単一周波数 (通常は 50 Hz または 60 Hz) の純粋な正弦波です。ただし、VFD は、ダイオード、サイリスタ、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) などのパワー エレクトロニクス デバイスを使用して、入力 AC 電力を DC に変換し、可変の周波数と電圧で AC に戻します。このスイッチング動作により電気回路に非線形性が生じ、その結果高調波が発生します。
高調波は基本周波数の整数倍です。たとえば、3 次高調波の周波数は 150 または 180 Hz (50 または 60 Hz の 3 倍)、5 次高調波の周波数は 250 または 300 Hz などとなります。これらの高調波電流は配電システムに逆流し、電圧歪みや他の電気機器への干渉を引き起こす可能性があります。
高調波成分を削減するための戦略
1. 反応器の使用
リアクトルは、VFD の入力または出力と直列に設置できる誘導デバイスです。これらはインピーダンス要素として機能し、電流の変化率を制限し、電気システム内の高調波成分を低減します。 VFD アプリケーションで一般的に使用されるリアクターには 2 つのタイプがあります。
- ACラインリアクトル: これらのリアクトルは VFD の入力ラインと直列に接続されています。これらは入力回路のインピーダンスを増加させるように設計されており、電源から引き出される高調波電流の削減に役立ちます。 AC ライン リアクトルは、VFD やその他の電気機器に損傷を与える可能性がある電圧スパイクや過渡過電流に対する保護も提供します。
- DCリンクリアクトル: DC リンク リアクトルは、整流器とインバータの間の VFD の DC バスに接続されています。これらは、DC 電流を平滑化し、リップル成分を低減するのに役立ち、その結果、VFD の出力電圧および出力電流の高調波成分が低減されます。
2. マルチパルス変換
マルチパルス変換は、VFD の整流段のパルス数を増やす技術です。標準の 6 パルス VFD では、整流器は 6 つのダイオードを使用して AC 電力を DC に変換します。この構成では、重要な 5 次および 7 次高調波が生成されます。パルス数を 12、18、さらには 24 に増やすことで、高調波成分を大幅に減らすことができます。
- 12パルスVFD: 12 パルス VFD は、並列に接続された 2 つの 6 パルス整流器を使用し、それらの間に 30 度の位相シフトがあります。この構成により、5 次と 7 次の高調波が打ち消され、全高調波歪み (THD) がより低いレベルに低減されます。
- 18パルスおよび24パルスVFD: これらの高パルス VFD は、追加の変圧器と位相シフトを備えたより複雑な整流器構成を使用します。さらに低いTHDレベルを達成できるため、厳格な高調波制限を満たす必要があるアプリケーションに適しています。
3. アクティブ高調波フィルター
アクティブ高調波フィルターは、高調波電流をリアルタイムで検出して打ち消すように設計された高度な電子デバイスです。これらは、電気システムに等しい逆向きの高調波電流を注入することによって機能し、VFD によって生成される高調波を効果的に中和します。
アクティブ高調波フィルタには、リアクトルやマルチパルスコンバータなどのパッシブフィルタに比べていくつかの利点があります。負荷条件が変化しても、高度な高調波補償を提供できます。また、よりコンパクトで、既存の電気システムに簡単に統合できます。ただし、アクティブ高調波フィルタは一般にパッシブ フィルタよりも高価で、より複雑な制御アルゴリズムとパワー エレクトロニクスが必要です。
4. VFD の適切なサイズ設定と選択
高調波歪みを最小限に抑えるには、VFD の適切なサイズ設定と選択が重要です。 VFD を選択するときは、モーター出力、速度範囲、トルク要件などの負荷特性を考慮することが重要です。 VFD がより低い負荷率で動作するため、VFD のサイズを大きくしすぎると高調波成分が増加する可能性があり、スイッチング デバイスの動作が非効率になる可能性があります。
THD 定格が低い VFD を選択することも重要です。最新の VFD の多くは、リアクトルやマルチパルス変換などの高調波緩和機能を内蔵して設計されており、追加の外部機器を必要とせずに高調波成分を低減できます。
5. システム設計と設置に関する考慮事項
電気システムの設計と設置も、VFD の高調波成分に大きな影響を与える可能性があります。以下に重要な考慮事項をいくつか示します。
- 機密機器の分離: コンピューター、PLC、通信装置などの敏感な電気機器は、VFD やその他の高調波発生源から物理的に隔離する必要があります。これにより、高調波電流や電圧歪みによって引き起こされる干渉を最小限に抑えることができます。
- 適切な接地とシールド: 電磁干渉 (EMI) と高調波電流を低減するには、VFD と電気ケーブルの適切な接地とシールドが不可欠です。 VFD シャーシは良質のアースに接続し、高調波信号の放射を防ぐために電源ケーブルをシールドする必要があります。
- フィルター付き電源の使用: 高調波成分を非常に低いレベルまで最小限に抑える必要があるアプリケーションでは、フィルタ付き電源の使用を検討できます。これらの電源は、入力 AC 電源から高調波成分を除去し、VFD やその他の電気機器にクリーンで安定した電源を提供するように設計されています。
結論
周波数コンバータ VFD の高調波成分を低減することは、電気システムの信頼性と効率的な動作に不可欠です。リアクトルの使用、マルチパルス変換、アクティブ高調波フィルタ、VFD の適切なサイズと選択、システム設計と設置の考慮事項など、このブログ投稿で説明した戦略を実装することで、高調波歪みを効果的に最小限に抑えることができます。
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参考文献
- モハン、N.、ウンデランド、TM、ロビンス、WP (2012)。パワー エレクトロニクス: コンバータ、アプリケーション、および設計。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- エリクソン、RW、マクシモビッチ、D. (2001)。パワーエレクトロニクスの基礎。シュプリンガーのサイエンス＆ビジネスメディア。
- IEEE 規格 519-2014、電力システムにおける高調波制御に関する IEEE 推奨実践および要件。