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高調波フィルターの概要

スーパーヒーローと同じように、高調波フィルターが電力システムを保護します。電源の品質を損なう可能性のある有害な高調波を防ぎます。これらのプロテクターには、アクティブ高調波フィルターとパッシブ高調波フィルターの 2 つの主なタイプがあります。

高調波と電力システムへの影響について

電力システムにおける高調波とは、基本電力周波数の整数倍の周波数を持つ電流または電圧を指します。たとえば、基本周波数が 60 Hz の場合、第 2 高調波は 120 Hz、第 3 高調波は 180 Hz になります。施設に供給される電気は常に「クリーン」であるとは限らず、施設では高調波が発生する可能性があります。これらの高調波は、滑らかな波ではなくパルス状に電流を流す電子機器などの非線形負荷から発生します。

この電流の流れの突然の変化により、電力システムに高調波電流が注入され、さまざまな電力品質の問題が発生する可能性があります。これらの問題は、電圧の低下や増大、電気相間の電圧または電流の不均衡、電気負荷の繰り返しのスイッチングによって引き起こされるフリッカー効果として現れることがあります。これらの問題は、照明のちらつき、変圧器の過熱、頻繁に落ちるブレーカーなどの兆候によって気づくことができます。

システム内の高調波の状態は、すべての高調波効果の尺度である全高調波歪み (THD) によって表されます。通常、電力システムの基本周波数の 50 の倍数 (3kHz)、またはガイドラインによっては 40 の倍数 (2.4kHz) まで測定されます。

高調波による電力品質の低下は、次のようないくつかの問題を引き起こす可能性があります。

消費電力の増加により、設置費用や光熱費が増加します。
機器の過熱。
収益性の低下。
機器が損傷する可能性があります。
中性線および配電変圧器の過熱。
機器の信頼性と寿命が低下します。
メンテナンス要求とダウンタイムの増加。
電気代が高くなる。

これらの追加周波数は電気回路内の AC 正弦波を歪め、機器の寿命を縮めるなどの重大な結果をもたらす可能性があります。電力システムに対する高調波の影響について説明したので、高調波フィルタがこれらの問題にどのように対処できるかについて説明します。

アクティブ高調波フィルターの基本

アクティブ高調波フィルタ (AHF) は、電力システムの高調波歪みの問題に対する現代的な答えを提供します。彼らは、ネットワーク内の高調波を検出して研究するために最先端のテクノロジーを採用しています。次に、中央処理装置 (CPU) が、測定されたスペクトルに逆らう高調波電流を生成します。この逆方向電流をリアルタイムでシステムに導入し、既存の高調波をすべて効果的に中和します。

アクティブ フィルターは 3 つのタイプに分類でき、それぞれに独自の利点があります。

シャントアクティブフィルター:

これらは負荷に並列に接続され、負荷からの高調波電流を推定します。高調波成分を中和する補償電流を生成します。
シリーズアクティブフィルター:

これらは電力システムに直列に接続され、システム内の高調波電圧を打ち消す電圧を注入します。これにより、負荷は安定した電圧を確実に受け取ることができます。
アクティブ フィルタの主な利点は、力率を向上できることにあります。これらは容量性無効電力と誘導性無効電力の両方を供給し、高調波フィルタリングのための高度なソリューションとなります。アクティブ フィルターは、変化する高調波の影響に適応し、複数の高調波周波数を同時に除去できます。これらは、高度なパワー エレクトロニクスと制御アルゴリズムを採用して、高調波歪みを動的に低減し、電力システムに補償電流を注入します。これにより、よりクリーンでより安定した電源が実現します。

アクティブ フィルターには、パッシブ フィルターに比べていくつかの利点があります。

複数の高調波を同時に消去できます。
これらは、電力システムの周波数と高調波スペクトルの変化に適応します。
パッシブフィルターとは異なり、電源システムに共振の問題を引き起こしません。
これらは、さまざまな高調波成分を打ち消す逆補償電流をアクティブに生成するため、電圧レギュレーションや不平衡などの電力品質パラメータが改善されます。
AHF はアクティブ パワー フィルタ (APF) としても知られ、新しい種類のパワー エレクトロニクス機器を代表します。高速DSPデバイスを採用

高調波を積極的に抑制し、無効電力を補償します。 AHF は適応性があり、広範囲の高調波周波数に対応できるため、さまざまな電力システム構成に対する多用途のソリューションとなります。電圧の変動や高調波は系統障害を引き起こし、過熱や電気代の高騰を引き起こす可能性があります。 AHF はこれらの問題を軽減し、負荷範囲全体で全高調波歪み (THD) が 5% を超える結果をもたらし、力率を改善し、必要に応じて 3 相すべての負荷のバランスをとります。

アクティブ高調波フィルタは、その適応性と優れた技術により、電力システムの高調波歪みによってもたらされる課題に対する効果的なソリューションを提供します。次に、パッシブ高調波フィルターの基本と、アクティブ高調波フィルターとの比較を見ていきます。

パッシブ高調波フィルターの基本

パッシブ高調波フィルター (PHF) は、基本的な電気回路理論の原理に基づいて動作します。抵抗、インダクタ、コンデンサを使用して不要な周波数を除去します。これらのコンポーネントはさまざまな方法で連携して、特定のフィルタリング効果を作成します。

PHF が高調波を除去できるかどうかは、PHF の設計と電力システム内での位置に大きく依存します。設計には、目的のフィルタ効果を生み出すために、抵抗、インダクタンス、および静電容量の適切な値を選択することが含まれます。高調波を最適に除去するには、フィルタを高調波発生源の近くに配置する必要があります。

PHF の仕事は、特定の周波数を許可し、他の周波数をブロックすることです。これは、さまざまな周波数に対するコンデンサとインダクタの固有の応答を利用することで実現されます。電力システムでは、PHF は高調波周波数を「トラップ」し、基本周波数のみを通過させるように設計されています。これは、フィルタのインピーダンスを高調波周波数で高くし、ベース周波数で低くすることによって実現されます。

PHF にはさまざまなタイプがあり、それぞれ周波数や回路設定に対する独自の応答があります。これらには次のものが含まれます。

単一調整フィルター
ダブルチューニングフィルター
ハイパスフィルター
PHF は比較的シンプルでコスト効率が高いですが、アクティブ高調波フィルター (AHF) のような柔軟性はありません。システム動作の変更もパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

PHF はリアクトルやコンデンサなどの受動部品を使用します。これらは特定の周波数に同調され、特定の高調波部分をフィルタリングして除去し、結果として生じる高調波を低減します。また、無効電力も補償し、力率を改善します。これらをアクティブな対応物と比較してみましょう。

効率の比較
システム内の特定の高調波周波数、負荷条件、フィルターの設計と位置など、いくつかの要因がアクティブ高調波フィルター (AHF) とパッシブ高調波フィルター (PHF) の両方の効率に影響を与える可能性があります。 AHF と PHF はどちらも電力システムの高調波を低減する上で重要な役割を果たしますが、その機能は異なり、提供する効率もさまざまです。これらの違いが効率にどのような影響を与えるかを見てみましょう。

AHF と PHF の主な違いは次のとおりです。

AHF は複数の周波数を同時に低減できます。
PHF は通常、個々の高調波をフィルタリングします。
AHF は、電力網の高調波電流の変化を特定の範囲内で積極的に調整できます。
PHF は、特定の周波数範囲内の固定次数 (3、5、7) の高調波のみを低減できます。
安全性に関しては、PHF とは異なり、AHF はアクティブ フィルターの制限に達したときの過負荷を回避します。さらに、AHF が動作不能になっても、電力を最適化するモーターには影響しません。このことは、2 つを比較する際に重要な考慮事項をもたらします。

したがって、AHF と PHF はどちらもそれぞれの役割を果たし、利点をもたらしますが、AHF が電力システムの歪みの管理において優れた効率と安全性を提供することは明らかです。

コスト比較

アクティブ高調波フィルター (AHF) とパッシブ高調波フィルター (PHF) のどちらを選択するかは、コストへの影響が異なるため、ビジネスにとって非常に重要です。それらのコストを調べてみましょう。

一見すると、AHF は単一ドライブのアプリケーションでは高価に見えるかもしれません。ただし、非線形負荷の数が増加するにつれて、その費用対効果は高まります。これは、1 つの AHF で複数の負荷を修正できるため、長期的にはより予算に優しい選択となるためです。

逆に、PHF は通常、大きな単一の非線形負荷を伴うアプリケーションの場合、よりコスト効率が高くなります。 1 つの AHF の資本支出は、通常、PHF の資本支出よりも高くなります。ただし、一定の出力が最も重要である場合は、AHF が推奨されるソリューションです。初期コストは高くなりますが、AHF はエネルギー支出を大幅に削減し、安定した生産量を確保し、ビジネスの純利益を向上させることができます。

AHF と PHF のどちらを選択するかを決定するときは、システムの特定の高調波周波数、負荷条件、フィルターの設計と配置などの要素を考慮する必要があります。

初期投資と将来のメンテナンスコストを考慮する必要がありますが、AHF と PHF のどちらを選択するかを決定する際には、電力システムの特定のニーズを考慮することも重要です。これらのフィルターのメンテナンスの側面に焦点を移しましょう。

メンテナンス

アクティブ高調波フィルタとパッシブ高調波フィルタの両方に、メンテナンスに関して特有の利点と欠点があります。外部高調波はパッシブ高調波フィルター (PHF) に影響を及ぼし、過熱を引き起こしたり、その影響が予測できないためサイジングに課題が生じたりする可能性があります。

技術者が Y 接続の電気サブパネルおよび接地アプリケーションのコールド側に設置する最新の PHF の一部は、受動型および誘導型です。これらのデバイスにはサードパーティの電気コンポーネントが必要ないため、メンテナンスの必要がありません。

高調波補正ユニット (HCU) としても知られるアクティブ高調波フィルター (AHF) は、電力システムの歪みを管理するためのより洗練されたソリューションを提供します。パッシブ フィルターとは異なり、AHF は広範囲の高調波周波数に適応し、反応することができます。この適応性により、さまざまな電力システム構成に柔軟なソリューションを提供できます。

アクティブ高調波フィルター システムは、次の 3 つの主要部分で構成されます。

- 高調波を検出するモジュール
- 制御モジュール
- インバータブリッジモジュール

ただし、AHF の維持はそれほど単純ではありません。 AHF は一般に PHF よりも洗練され、適応性がありますが、その複雑さとパワー エレクトロニクスの組み込みにより、より頻繁なメンテナンスが必要になる場合があります。このメンテナンスの具体的な頻度は、AHF モデルとメーカーの指示に大きく依存します。

一方、パッシブフィルターは、コンタクタースイッチングとして知られる遅い方法を採用しています。パッシブフィルターの周波数が変化すると、共振点が変化し、高調波フィルター効果が減少する可能性があります。

運用コストに関しては次のようになります。

アクティブ高調波フィルタは、継続的な監視とメンテナンスが必要なため、コストが高くなる可能性があります。電力システムの状態が時間の経過とともに変化する場合でも、フィルターが最適に動作し続けるようにするには、定期的なチェックと調整が非常に重要です。
各ドライブにパッシブ高調波フィルターを取り付けることは、継続的なメンテナンスを必要としないため、あまり煩わしくない補正方法となります。
メンテナンスの側面について説明した後、次に考慮すべきことは、これらのフィルターの適応性と柔軟性です。