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
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
| 周波数領域 | Hz | Std. | |
|---|---|---|---|
| 低次高調波 | < 2.5 kHz | IEEE 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 kHz | IEC 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 MHz | CISPR 11 | Denka® Platinum Plate の設計帯域 |
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[5] Aarniovuori et al., IECON 2013Induction motor losses under converter supply (+8.7% to +19% total losses).,6[6] Jiang et al., 2022Winding temperature rise and additional losses under high-frequency harmonics.] | 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[7] Ding & Mi, 2011Iron losses in induction motors under PWM supply (+29% under load, +86% at no load).] | Ding & Mi, 2011 |
| 配電用変圧器 | 渦電流損 最大 +33%、絶縁劣化 22%加速[8[8] Yaghoobi et al., 2020Distribution transformer eddy-current losses and insulation ageing under inverter harmonics.] | 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[9] Novitskiy et al., 2020Supraharmonic losses in MV/LV cables.,10[10] Mariscotti & Mingotti, 2024Supraharmonics, cable losses and partial-discharge activity.] | 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[3] IEEE Std 1-2000General principles for temperature limits in the rating of electrical equipment and for the evaluation of electrical insulation (Arrhenius thermal ageing).] | 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[4] IEEE Std 493 (Gold Book)Recommended practice for the design of reliable industrial and commercial power systems — motor failure statistics (bearings ≈51%).,11[11] Liu, 2014Bearing currents in inverter-fed motors.,12[12] Erdman et al., 1996Effect of PWM inverters on AC motor bearing currents and shaft voltages. IEEE Trans. Industry Applications.,13[13] ABB Technical Guide No. 5Bearing currents in modern AC drive systems.] | IEEE Std 493 (Gold Book); Liu, 2014; Erdman et al., 1996; ABB Technical Guide No. 5 |