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高調波とフリッカー ―― EN EN61000-3-2 & 3

by David Hambley MSc. C.Eng. MIEE Principal Engineer, York EMC Services Ltd

この記事は、高調波、及びフリッカーの試験の必要性をレビューする。また、それらの規格の策定の背景を示し、それらの試験におけるいくつかの問題を同定する。

なぜ試験するのか

高調波

電気機器が AC 電源網に非線形負荷を与える時、それは電源から無効電力を吸い込む。大抵の現代的な電気／電子機器はその中で何らかの AC/DC 電源を用いており、非線形負荷の大半を与えるのはそれらの電源である。双方のトポロジーが電源波形の半サイクルごとに AC 電源網から電流のパルスを吸い込むことから、俗信に反して、「リニア」電源はスイッチング電源よりも良くない。ある機器、例えば家庭用テレビが吸い込む無効電力の量は少ないかも知れない。しかし、典型的な通りには、同一の電源から無効電力を吸い込み、相当の量の無効電力が流れる結果となる 100台以上のテレビがあるかも知れない。この無効電流は家庭用電力量計では検出されないが、電力会社では発電されねばならない。この発電量と使用量との食い違いは、電力会社の収入の損失となる。

さらに、異なった通りが異なった相から給電されることから、３相不平衡が引き起こされ得る。３相システムが不平衡となると、その不平衡電流はスター結線の中性線を流れる。それは残留電流を運ばなければならないだけであるので、給電系の中性線は伝統的に電源導体よりも小さい断面積であった。しかし、近年の非線形電源を含む電気／電子デバイスの急増とともに、中性線電流の劇的な増加が発生した。この電流は中性線を過負荷として過熱を引き起こし、極端な場合にはその導体の焼損を生じることが知られている。

この無効電流は電源の電圧波形の歪みを生じる。共存している機器がそのような電圧歪みに敏感であれば、 EMC 問題が存在する。

機器が発生する高調波エミッションを評価する試験は、 EN (IEC) 61000-3-2 で規定されている。

フリッカー

電気機器が AC 電源に負荷の変動を与える時、それはその電源から変動する電力を吸い込む。そのような機器の良い例は、そのいずれもが相当の電流を吸い込む電熱器と電動機を含んでいる洗濯機である。その機械が洗濯サイクルに従って動作すると、そのプログラムの進行に従って変動する電源に対する負荷が生じる。この変化する負荷は、電源配線のインピーダンスを通して電源から変動する電流を吸い込む。従って、変動する電圧低下がその電源配線に現れる。もしその配線が近くの他の電気機器にも電力を供給しているならば、この変動電圧は共存している機器の機能に影響し得る。もしその共存している機器が白熱照明であれば、その変動はその照明からの光出力の変調、すなわちフリッカーとして現れ得る。

人の目／脳の組み合わせは、特に周辺視野からのそのような光の変動に特に敏感である。 Flicker Perception はこの敏感さの尺度であり、 60W 白熱電球に印加された異なった頻度での電源変動に基づいている。人の目／脳の組み合わせの応答は、8.33Hz の矩形波に相当する、毎分 500回のフリッカー頻度に最も敏感である。極端な場合には、この頻度は過敏な人々の癲癇の引金となり得る。

どのような現象の測定のためにも、１つ以上のパラメータを規定しなければならない。フリッカーの場合は、２つのフリッカー・インジケータが規定された。それらは、短時間 (P_ST)、及び長時間 (P_LT) である。短時間インジケータは 10分間にわたって測定されるが、長時間インジケータは 2時間にわたって測定される。

高調波歪みと同様、もし共存している機器が電圧変動に敏感であれば、 EMC 問題が存在する。

機器が発生する電圧変動を評価するための試験は、 EN (IEC) 61000-3-3 で規定されている。

試験における問題

EN61000-3-2

この規格は 1994年に EN60555-2 Issue 2 として採択され、EN555-2 を置き換えた。さらに、それは 1995年 7月に EN61000-3-2 として発行される前に番号が変更された。その後、89/336/EEC への適合性を示すためのものとして 61000-3-2 が EN555-2 を置き換える際に、相当の議論があった。これは最終的に、2001年 1月からは EN555-2 の適用範囲外の製品は EN61000-3-2 に対してのみ試験する必要があるという見解を受け入れることによって、 1997年 11月に解決された。

この規格が使われるようになると、それに関する深刻な問題があることが明らかとなった。これは、試験機器製造業者らが試験ソフトウェア／ファームウェアを異なった方法で実装する結果となった、規格の表現の解釈に関係していた。これらの解釈の不可避な帰結は、異なったテスト・ハウスでは異なった結果となり得るというものであった。

ある独立系コンサルタント、及び United Kingdom Accreditation Service (UKAS) の監査員は、この問題の同定で相当の作業を行なった。その後、EMC Test Laboratories Association (EMCTLA) は基準となる被試験装置 (EUT) を多数のテスト・ラボで試験する持ち回り試験を組織した。予期されたように、特に変動する高調波の試験が行なわれた際に、この作業は結果の顕著な変動を示した。

規格のそれらの解釈全てが正当であることが認識されており、 UKAS は Technical Policy Statement (TPS21) を発行した。この文書は個々の試験機器で用いられた解釈を試験報告書に示すことをラボに求めた。明らかに、これは異なったラボで得られる結果の違いの問題を解決せず、従って製造業者はあるラボで「合格」でも他では「不合格」という結果を得る可能性があった。

この問題を軽減する意図のもとに、欧州規格作成組織 CENELEC はアメンドメント A14 のドラフトを作成した。「やるか、やらないか」の２年の後、A14 は採択され、 2001年 1月 1日の即時発効のために半分の時間で発行された。このアメンドメントは規格を劇的に変え、大多数の機器を緩やかなクラス A 限度に対して試験する結果となった。そのあいだは製造業者が規格をそのままとするか A14 を適用するかを選択できる、３年間の移行期間がある。この期間は、試験機器製造業者とテスト・ラボがアメンドメントに対応するように彼らのシステムを更新することも可能とした。その後、この規格は EN61000-3-2 (2000) として発行され、この版は全てのアメンドメントを含んでいて 2004年 1月に必須となる。

EN61000-3-3

この規格は 1994年 7月に EN60555-3 Issue 2 として採択され、 EN555-3 を置き換えた。これも 1995年 7月に EN61000-3-3 として発行される前に番号が変更され、 2001年 1月から必須となった。アメンドメント A1 は、89/336/EEC に関する適合性の推定を失う日を 2004年 5月 1日として 2001年 6月に発行された。このアメンドメントは、実質的にスイッチ投入の際の突入電流試験を加えるように限度値を変更している。 EMC 試験コミュニティ内では、ソフト・スタートが取り付けられていないならば大抵の機器がこの試験に不適合となるであろうことがほぼ同意されている。再び、この異常に対する調査が行なわれている。製造業者に対する EMCTLA のアドバイスは、その機器にソフト・スタートが必要かどうかを調査できるように、移行期間中に突入電流試験を実施することである。

現実的な観点からは、規格によって必要となる試験に問題がある。

この試験は、フリッカー・メーター内で測定されたデータの統計的な分析に依存する。従って、試験を行なう人は、試験機器製造業者がその統計を正しく解釈していることに依存する。しかし、測定に大きく影響する他の要因がある。その中で最も重大なものは、その標準インピーダンスである。

フリッカー・メーターは、EUT への入力点における電圧を測定し、その値から様々なパラメータを計算する。従って、そのインピーダンスでの電圧降下がそのインピーダンスの値に直接比例することから、そのインピーダンスの絶対的な精度が重要である。その許容差は規定されていないが、測定の不確かさは 8% 以内でなければならない。そのインピーダンスの公称値は 0.47Ω であり、従ってそのシステム内での僅かな変化がこの値に顕著な影響を持ち得る。

経時変化に伴う長期的なものと環境温度に伴う短期的なものの双方のインピーダンスの安定性が考慮されねばならない。おそらくより重要なものは、その複素インピーダンスを構成するコンポーネントの自己加熱に伴うインピーダンスの変化である。これらのコンポーネントには 16A が流れる可能性もあり、適切な定格を持っていなければならない。最後に、配線とゼロでない電源インピーダンスとがそのインピーダンスの公称値に加わり、測定の誤差を増加させる。

解決

検証の必要性

これらの試験に関連する問題のため、試験システムの検証の手段を持つことの利益がある。この検証は、システム間のいかなる総合的な誤差も見付けられ、またシステムのいかなるドリフトでも追跡できるべきである。市販のシステムの一部は、組み込みの検証機能を持っている。しかし、もしこれらの検証機能がインピーダンス「基準」を使わないならば、誤差はマスクされるかも知れない。「標準」 EUT の使用は、組み込みのシステムへの異議を乗り越える。この必要性に対応するために、York EMC Services は自らの使用のための標準 EUT を設計した。 HFG01 はこの内部検証のために開発したものであり、今は EMC 試験コミュニティのために供給可能である。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2003-07-27