電気システムにおける高調波現象：原因、効果、リスク

ハーモニクス重要でありながら、しばしば見過ごされがちな電気システムで見過ごされている現象です。それらは、基本周波数（50 Hzまたは60 Hzなど）の整数倍である周波数で発生する電圧または電流の理想的な正弦波波形の歪みを表します。高調波は現代の電力システムに固有のものですが、それらの制御されていない存在は、深刻な運用上および経済的結果につながる可能性があります。この記事では、それらの原因、効果、リスクを調査します。

ハーモニクスの原因は何ですか？

ハーモニクス主に非線形負荷、つまり電流が正弦波電圧波形と整列しないという定義に由来します。一般的な例は次のとおりです。

産業用モーター、スイッチモード電源（コンピューター、サーバー、LED照明など）、再生可能エネルギーインバーター（太陽/風力システム）、無停電電源（UPS）、電気自動車充電ステーションの可変周波数駆動（VFD）。これらの負荷は、電流の滑らかな流れを破壊し、歪んだ波形を生成します。たとえば、VFDは、連続した正弦波ではなく短いパルスで電流を引き出すことができ、3番目（150 Hz）、5（250 Hz）、または7（350 Hz）の高調波などの高調波をもたらします。

ハーモニクスの影響は何ですか？  

ハーモニクスは電力品質を低下させ、パワーインフラストラクチャに大きな隠れたコストを課します。  

ハーモニクスはエネルギー損失とコストの増加を引き起こします。たとえば、5次高調波電流は、流通システムで最大15％の追加エネルギー廃棄物をもたらす可能性があります（米国エネルギー研究省）。この非効率性は、より高い電気料金につながる可能性があります。  

高調波電流が渦電流とヒステリシス損失を生成し、過熱につながるため、機器の損傷と寿命の減少を引き起こす可能性があります。高調和性環境で動作するトランスは、評価された寿命よりも30〜50％速く失敗する可能性があります。さらに、高調波は共鳴を引き起こし、コンデンサの過負荷と潜在的な爆発または火災につながる可能性があります。さらに、3相システムでは、3次の高調波（3番目、9番目など）がニュートラルなラインに蓄積し、潜在的に過熱します。  

また、高調波は、特に医療機器、実験室機器、またはクリーンパワーに依存するデータセンターサーバーなどの敏感な機器で運用上の混乱を引き起こす可能性があります。高調波によって引き起こされる電圧の歪みは、機器の故障、データの腐敗、または計画外のダウンタイムをもたらす可能性があります。

高調波に関連するコンプライアンスと安全リスクも重要です。 IEEE 519-2022などの基準で指定された高調波制限を超えると、規制罰金が科せられる可能性があります。さらに、機器の過熱は、火災の危険と安全リスクを引き起こす可能性があります。

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