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1–2 · 高周波伝導エミッション

現代の工場における高周波伝導エミッション

現代の施設は高速スイッチングのパワーエレクトロニクスが主流です。その急峻な電圧エッジ(高dv/dt)はMHz帯に及ぶエミッションスペクトルを生じます。

施設内ネットワークにおける伝導エミッション

ホワイトペーパーv3.0.0に基づく説明:高周波伝導エミッション(150 kHz〜30 MHz)はスイッチング機器から注入され、低インピーダンスのDB・SMDB母線に広がり、近隣の機械へと循環します。施設の変圧器はこの周波数で高インピーダンスとなるため、ノイズの大部分は工場内にとどまります。そのため発熱は機械側に現れます:表皮効果によるケーブル・巻線の発熱と、コモンモード電流によるモーターベアリングの損傷です。

施設内ネットワークにおける伝導エミッション

電力系統受電盤設置対象外施設の変圧器高周波で高インピーダンス — ノイズの大部分は施設内にとどまるMDB-1MDB-2MDB-3SMDB1DBSMDB2DBSMDB3DBSMDB4DBSMDB5DBSMDB6DBSMDB7DBSMDB8DBSMDB9DBSMDB10DBM3~モーター(VFD)=~PVインバーター~=整流器~=SMPS負荷M3~モーター(VFD)=~PVインバーター~=整流器~=SMPS負荷M3~モーター(VFD)=~PVインバーターPE / 接地

01 · スイッチング機器が高周波を注入

VFD、PVインバーター、整流器、SMPSは急峻なdv/dtでスイッチングし、ディファレンシャルモードとコモンモードの高周波電流(150 kHz〜30 MHz)を電源ケーブルに注入します。

自前の変圧器を持たないサイトでは、このノイズの一部が受電盤や系統へ流出することがあります。その場合は別の例で説明します。

発熱が現れる箇所(相対値)

  • モーター巻線・ベアリング
  • 機械ケーブル
  • DB / SMDB母線
  • MDB幹線
  • 変圧器・系統側

発熱しきい値

機械ケーブル・巻線での表皮効果

50 Hz · δ ≈ 9.2 mm
HF · δ 0.012–0.17 mm

50 Hzの電流は銅断面のほぼ全体を使います(δ ≈ 9.2 mm)。高周波電流は表面の薄い層だけを流れる(150 kHzで0.17 mm、30 MHzで0.012 mm)ため、交流抵抗とI²Rによる発熱がはるかに大きくなります。

見やすさのため表皮の厚さを誇張しています。

ホワイトペーパーv3.0.0に基づく説明用アニメーション — 相対レベルであり、測定値ではありません。

エミッション源

インバーター(VFD)

PWMキャリア周波数2〜16 kHz。急峻なdv/dtエッジがMHz帯まで高調波を生成。

スイッチング電源(SMPS)

20 kHz〜数百kHzでスイッチングし、高速遷移が広帯域エミッションを生成。

太陽光インバーター・整流器

高周波スイッチング段が交流網に伝導ノイズを結合。

周波数領域

10 Hz100 Hz1 kHz10 kHz100 kHz1 MHz10 MHz100 MHz低次高調波< 2.5 kHz · IEEE 519スープラハーモニクス2 – 150 kHz · IEC 61000-2-2 / 研究段階伝導エミッション150 kHz – 30 MHz · CISPR 1150/60 HzVFD 2–16 kHzSMPS 20 kHz → 100s kHz
周波数領域HzStd.
低次高調波< 2.5 kHzIEEE 519高調波フィルターと力率改善コンデンサで対応
スープラハーモニクス2 – 150 kHzIEC 61000-2-2 / 研究段階規制整備が進む領域
伝導エミッション150 kHz – 30 MHzCISPR 11Denka® Platinum Plate の設計帯域
SCOPE
適用範囲:Denka® Platinum Plateは高周波フィルターです。IEEE 519の低次高調波フィルターやコンデンサによる力率改善を補完するもので、置き換えるものではありません。[1,2]

定量的影響 — 査読付き研究

設備高周波歪みの影響(文献値)出典
誘導電動機 — 総損失総損失 +8.7〜+19%、巻線平均温度 +8.3 °C、37 kWモーターで1 °C上昇ごとに約41 Wの追加損失[5,6]Aarniovuori et al., IECON 2013; Jiang et al., 2022
誘導電動機 — 鉄損負荷時 +29%、無負荷時 +86%、最大 +13 °C[7]Ding & Mi, 2011
配電用変圧器渦電流損 最大 +33%、絶縁劣化 22%加速[8]Yaghoobi et al., 2020
高圧/低圧ケーブルスープラハーモニクス損失は基本波損失の1.6〜2.4%(高調波損失の10〜20%超)、部分放電活動 +10%[9,10]Novitskiy et al., 2020; Mariscotti & Mingotti, 2024
絶縁(全設備)アレニウス則:温度が10 °C上昇するごとに絶縁寿命はほぼ半減[3]IEEE Std 1-2000
モーターベアリングモーター故障の約51%がベアリング起因。浮遊容量を通じた高周波コモンモード電流の放電がEDMピッティング・フルーティングを引き起こす[4,11,12,13]IEEE Std 493 (Gold Book); Liu, 2014; Erdman et al., 1996; ABB Technical Guide No. 5