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翻訳: T.Sato
これらの高電力試験がより高い要求を持つことから、 相当たり 75A までの製品のための規格 ――電圧変動 (突入電流に伴う孤立した電圧ディップや、 往々にしてフリッカーを生じるランダムな、あるいは定常的な変動を含む) のための整合化された EN/IEC 61000-3-11、 及び高調波のための来るべき IEC 61000-3-12―― の承認によって、 システム構成問題は同様に、あるいは悪くさえなりそうである。
過去数年間にわたって観察された問題の一部は 望まれたように機能しない高調波や電圧変動の分析器に帰結させることができるが、 誤りの大半は主として不適切なシステム・セットアップや 正しくないシステム・インテグレーションに伴うものである。 この記事では、これらの誤りの議論と説明を試みる。 さらに、高調波や電圧変動の試験の実施において読者が誤りを防ぐことを可能とするであろう、 実際的な情報と簡単な検証法のガイダンスも示す。 最後に、同定された問題のいくつかが、 高調波と電圧変動の測定の双方に有害な影響を与えることが示されるであろう。
この「低問題確率クラス」に入る製品は、 自己バラスト・ランプ (CFL ― 小型蛍光灯)、ほとんどのテレビ、PC、モニタ、 照明用バラスト、そして主に抵抗性や線形の負荷を与えるその他の多くの家庭用電気機器 (コーヒー・メーカー、ミキサ、ヒータなど) である。 電源品質、測定インピーダンス、そして電源分析器自身が これらの製品の測定された高調波レベルに影響するかも知れないが、 誤差は通常は高次の高調波に限定されるであろう。 低次の高調波 ――例えば 13次以下の―― の測定精度は、 正しい合格／不合格評価のためには充分に正確である。 大きな性能問題を持つシステムのみが誤った評価を与え得るが、 以下に示すように、訓練を受けていないテクニシャンによってでさえも、 この誤りは容易に同定されるであろう。
勿論、これらの「問題ない」製品カテゴリーについても、 高次の高調波について生じ得る測定誤差は最小化する必要がある。 製品の電力が増加すると、良くないシステム構成に伴う問題は低次の高調波に移行し得る。 これは、そのシステムが IEC 61000-3-2 の第 6節と Annex A で規定された要求に適合しない場合には、 特にそうである。 また、これらの製品において懸念されるのは主として分析器の応答であるものの、 電子レンジ、洗濯機、乾燥機、そして空調機器のような電力消費が変動する製品は、 試験システムにより多くのことを要求する。 測定誤差の理由を理解するために、 高調波試験システムで起こり得る誤差のメカニズムを吟味しよう。 Fig. 1 は、電源、電源分析器、被試験装置、そして相互接続ワイヤから成る、 試験システム・セットアップを示す。 もしその電源分析器が IEC 61000-3-2 の第 2.1版と IEC 61000-4-7 の第 2版で与えられた要求に適合しないならば、 測定誤差が生じ得る。 これらのあり得る分析器の誤差については、後で扱うことにする。
それがより頻繁に生じることが知られていることから、 まずその分析器が規格に完全に適合しているものと仮定し、 システム・インテグレーションの問題に集中する。 既存のシステムの多くでは、 ユーザーは電源分析器を１つのベンダから購入し、 電圧変動 (そしてフリッカ) のための電源とおそらくは基準インピーダンスを 別の１つか２つの供給者から購入しているであろう。 多くのシステムが高調波と電圧変動の双方の試験のために用いられているので、 そのシステム・セットアップは往々にしてハード・ワイヤされた基準インピーダンスを含む。 高調波試験のためには、 これは配線、あるいは内部スイッチによってバイパスする必要がある。
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Fig. 1: 典型的な高調波／電圧変動試験システム・セットアップ |
日本版の IEC 61000-3-2 に従った高調波試験は
(日本向けの) 試験インピーダンスを必要とするが、
この記事は欧州 CE マーキング試験に、
そして非常に低い試験システム・インピーダンスを要求する
IEC 61000-3-2 高調波試験に集中する。
これらの要求は、以下の Table 1 に示す。
その電圧歪み要求は、その波高率からの最大許容偏差とともに、
非常に低いシステム・インピーダンスを要求することに注意されたい。
これを示すために、
1.5 × 1.14 = 1.71 A までの 200ms のウィンドウでの個々の測定結果とともに、
1.14A の平均５次高調波電流が許容される、クラス A 製品を考えよう。
最大５次高調波電圧歪みは、230V の 0.4%、すなわち 0.92V まで許容される。
0.4% 未満の電圧歪みを保証するためには、
電源と相互接続ワイヤの総インピーダンスは 250Hz で 0.92 / 1.71 = 0.538Ω
未満でなければならない。
これは、例えば、最大インダクタンスが 340μH 未満
(340μH は 250Hz で既に 0.534Ω を持つ) でなければならないことを意味する。
単純なライン・コンディショナや EMC 試験設備で見られる典型的な発電機は
遥かに高いインダクタンスを持つことから、
これは、明らかにそれらを使用することはできないことを意味する。
ちなみに、IEC 60725 基準インピーダンス (単相システム) は、798μH、
すなわち高調波試験の例で許容される値の倍以上の総インピーダンスを持つ。
クラス B 試験はより高い電流高調波を許容することから、
電圧歪みを Table 1 の限度内に維持するためにはより低いインダクタンスが必要である。
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Table 1: IEC 61000-3-2 高調波試験システムのための電源要求 |
適合性試験所は通常は全ての製品を試験できる必要があるので、 その電源と相互接続インピーダンスは最も厳しい要求に適合する必要がある。 特定の (低電力の) 製品を試験したいだけの製造業者においては、 往々にして電源と相互接続に対する要求は緩められ得る。 システムが適切であることを確かとするためのいくつかの単純な規則は：
試験される製品の電流をアンペアで示したものに マイクロ・ヘンリーで示した総システム (寄生) インダクタンスを乗じたものは、 4000 以内であるべきである。 言い替えると、TIP-L (total impedance product-L) と呼ばれるこのパラメータは、 8A の実効電流の製品に対して 4000 / 8 = 500μH 以内のインダクタンスを必要とする。
このシステム・インピーダンスの抵抗性の部分に電流を掛けたもの ――このファクタは TIP-R と呼ばれる―― は 400以内であるべきであり、 これは、8A の電流を消費する同一の製品が 400 / 8 = 50mΩ 以内のシステム・インピーダンスを必要とすることを意味する。
通常、これらのインピーダンス積への最大の寄与は電源にあるので、 第一歩はこの装置の特性が 上の方法で得られた値よりも充分に下にあることを検証することである。 次に、システム配線インピーダンスが最小であり、 また基準インピーダンス (もし使われていれば) が非常に低いインピーダンスで バイパスされていることを確認するのも、同程度に重要である。
これらのシステム特性、
そして Table 1 に示されている最大許容歪みレベル以内に保たれている電源によって、
システム特性の誤差への影響は僅かとなり、
高調波分析そのものに集中できるようになる。
UK の National Physical Laboratory (NPL) によって開発された試験法 (参考文献 1) は、 高調波分析器の性能をかなりの詳細まで検証し、評価するために用いることができる。 一部の電源 ――California Instruments の 5001 ix、Schaffner の NSG1007、 あるいは Agilent の HP6834B のような―― は、 分析器が何かを見落としていないことを検証するための「トランジェント」とともに、 正確に定義されたパターンで発生する高調波をユーザーがプログラムすることを可能とする。 分析器のギャップなしの取り込みを確認する第３の方法は、 著者の１人による IEC SC77A ワーキング・グループ 1 への寄稿で述べられたように、 所定のパターンで ON/OFF 変調することであろう。 これらのいずれの場合でも、そのゴールは変動する高調波電流パターンを発生させ、 高調波分析器がそのデータを規格に従って処理する (そして、できれば記録する) ことを検証することである。 この分析器検証プロセスはある意味複雑なものであり、 たとえ個々のユーザーが内部試験を行なえるとしても、 適合性評価に関しては認定試験機関に頼ることが推奨される。 だが、次に見るように、システムが定常状態高調波を正確に測定し、 また最も一般的な変動性負荷に正しく応答することを確かめる、 手早く、かつ大きな出費なしに行なうことができる単純な試験がある。
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Figure 2: 高調波分析精度の確認のための試験セットアップ |
それぞれの 10ms 半サイクルの最初のゼロ・クロスの
5ms 後に点弧するようにそれを調整できるので、
オシロスコープを用いて調光器を 90°に非常に近い点弧角に調整することは
難しすぎることではない。
点弧角の数度の誤差は、以下の Table 2 に示す高調波電流の振幅に多少影響する。
その電流波形が良く定義された特性 (Table 2、及び Fig. 3 を参照) を持つのみではなく、
電源にかなり要求の高い負荷パターンを与えもすることから、
調光器で抵抗性負荷を制御することは
ユーザーがいくつものパラメータを検証できるようにする。
そのピーク電流は実効値の２倍であり、その力率は理論的には正確に 0.707 である。
ユーザーが異なった負荷についての正確な結果を計算できるように、
90°の点弧角における基本波に対するそれぞれの高調波の比率を、Table 2 に示す。
さらに、5次と 7次といった高調波のペアは同一の振幅
(だが、基本波のゼロ・クロスでの位相は逆) であることに注意されたい。
従って、高調波測定結果を比較して、
典型的にはペアの一方の成分を他方から大きく異なったものとさせるであろう、
起こり得る共振やシステム・インピーダンス (電源) の問題を同定できる。
この方法はシステム校正試験として意図されたものではなく、
特殊な機器に多くの金を費すことなく
一次システム検証を実施する方法に過ぎないことに注意されたい。
電源の電圧歪み、及び電圧波高率を確認することもできる。
もしこれらの２つのパラメータが Table 1 の要求から大きく外れる、
すなわち電源がこの種の負荷に対して妥当な電圧品質を維持できないならば、
そのシステムは一般的な IEC 試験の目的のために適切ではない。
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| Table 2: 調光器の高調波エミッション |
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Fig. 3: 調光器で制御された公称 2.6A 600W 負荷の波形と電流スペクトラム |
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Fig. 4: 限度レベルの 600W クラス D 負荷の電圧と電流の波形 |
特に、電圧波高率は、電源の特性、及び／もしくは 配線、電圧変動インピーダンス・ユニット内のバイパス・リレー、 あるいはシステム・インピーダンスに悪影響を及ぼし得る他の要素の 過剰なシステム・インピーダンスを反映する。 このシステム・インピーダンスの影響の例として、 0.25Ω の総インピーダンス (電源、配線、及びバイパス・リレー) から給電された際に クラス D 負荷によって生じる電圧歪みを、Fig. 4 に示す。 その右側の図が示すように、0.25Ω インピーダンスによる電圧降下は 電流の流れに伴って電圧を著しく低下させる。 これは、EUT 入力における電圧 (赤の線) と理想的な波形 (青の線) を示す、 その詳細なグラフから明らかである。
勿論、上の例で、変動性の高調波パターンを発生させるために 調光制御を ON/OFF 変調することができるが、 これはより複雑で、管理が難しいものとなる。 既に言及したように、他の方法があり、 変動性高調波試験をより詳細に学びたい人は参考文献を調べると良いかも知れない。
おそらく、上記の調光器試験に関連していくつか注意しておくべきであろう。
Table 2 の計算値は理論的なものであり、
高次の高調波がこれらの理想的な値からある程度ずれるのは珍しくない。
調光器はある程度の立上り時間を持ち、
その負荷はある程度の寄生インダクタンスを持つかも知れない。
従って、高次の高調波のいくつかが理論的な値と異なっているとしても、
すぐに騒ぎ立てる必要はない。
だが、もし低次の高調波 (例えば 15次よりも下の) が 10mA を超える相違を示したならば、
当該のシステムをより詳細に調べなければならない。
IEC 61000-3-3 によれば、単相電源システムに対する IEC 60725 に従ったその総基準インピーダンスは (0.4Ω + j0.25Ω) でなければならない。 このインピーダンスは、電源、相互接続、 そしてインピーダンス・ボックスの内部インピーダンスを含む。 かなり普通の失敗は、 IEC 60725 規格に正確に従った基準インピーダンスを使用することである。 相互接続ワイヤが 20mΩ を加えるかも知れないだけではなく、 電源もある程度のインピーダンスを与える。 従って、もし基準インピーダンス自身が IEC 60725 の値に設定されているならば、 総システム・インピーダンスは確実に高すぎるものとなり、 それに比例して高い電圧変動測定値という結果となるであろう。
著者は、電源をある部屋に、 分析器を 20m 近く離れた他の (シールドされた) 部屋に置いていたユーザーのような、 システム・インピーダンス・エラーの例を見てきた。 これは相互接続ワイヤで 400mΩ 程を加えており、 従って電圧変動の読みを正しい値の２倍を超えるものとしていた。 他の事例では、ユーザーは システム電源プラグと電圧変動 (フリッカ) メータ入力のあいだに 100mΩ 電流シャントを挿入していた。 このシャントは高調波測定に用いられていたが、 電圧変動レベルに少なくとも 25% の誤差を引き起こした。 さらに別の事例では、ユーザーはフロント・パネルのボタンで インピーダンスを「バイパス」から「アクティブ」に切り替えなければならないことに 気付いておらず、そのユニットは常に「バイパス」のままとされていた。 勿論、その測定インピーダンスは相互接続ワイヤのみから成ることから、 これはおおよそ 75% 低い電圧変動の読みを生じていた。
さらに他の事例では、その EMC 試験所は 電圧変動試験のための電源として 230V 50Hz の発電機を使用していた。 このため、そのシステムは、 発電機、基準インピーダンス、そして電圧変動メータを含んでいた。 発電機と、基準インピーダンスへの相互接続ワイヤだけで、 既に IEC 61000-3-3 で与えられている値を超えているので、 電圧変動の読みが期待された値の倍以上となっていたことは明らかであろう。
稀ではあるものの、電圧変動 (フリッカ) メータの供給者が実現上の誤りを犯すこともある。 例えば、その製造業者のソフトウェア技術者が規格を誤って解釈したことから、 あるメータは望ましい読みの正確に 50% の結果を生じた。 それは高調波分析器の細部に関係するので、NPL のような組織、 あるいは精密に定められた電圧変動を発生させられる CNS Inc. Flicker Calibrator のような製品を使用しての、 外部の検証に頼るのが最良である。 しかしながら、上記のものは、電源やインピーダンスがその目的のために適切でないならば、 完璧なフリッカ・メータでさえも誤った結果を与え得ることを明らかとしたことであろう。 だが、高調波試験と同様、 電圧変動測定のためのシステムの適切性を評価するいくつかの簡単な方法があり、 それらの方法は複雑、ないしは高価なものである必要はなく、 以下の説明に従って行なうことができる。
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| Fig. 5: 電圧変動測定のための単純なシステム試験の構成 |
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| Fig. 6: 電圧変動のインピーダンスと電圧精度の確認のための試験回路 |
明らかに、もし電圧降下が 3.2V であるならば、 電圧変動メータは 3.2 / 230 = 1.39% の dc 値を示すべきである。 さらに、負荷を 7秒間隔で ON/OFF することによって 簡単な Pst 試験を行なうことができる。 言い替えると、負荷を 7秒間 ON に保ち、OFF とし、 7秒間 OFF に保ち、再び ON とすることを繰り返す。 もしこれが 10分間繰り返されたならば、 Pst 値は 1.00 をやや超える (おおよそ 1.03) 筈である。 もし負荷がこの 8A の例と異なるならば異なった電圧変動を生じるので、 予期される読みを単純にそれに比例して調整する。 そのパターンを 10分間繰り返したならば、 報告された dt と dmax の値が 報告された dc の値に非常に近くなる可能性は非常に高くなる ――すなわち、それらは全て 1.39% の近くにある筈である。 電熱器は抵抗性負荷を代表するので、dmax と dt の値は dc の値にかなり近くなければならない。 もし報告された値が ±10% 以上異なるならば、 電源、電圧変動メータ、あるいは双方のダイナミック応答を疑うべきである。 Pst の読みは、システムの確かさの確認には充分な、 1.03 ±5% である筈である。
もしその人が非常に正確ではない、
すなわちその 7秒が時には 6秒に、また時には 8秒になるとしても、
その結果はそれほど大きくは変わらないだろう。
平均的な負荷変動が 8〜9回／秒
(正確な 8.79回／秒は厳密に 1.03 の Pst を与えるであろう)
である限り、Pst の読みは
システムの確かさの確認としては充分な 1.03 ±0.05 を与える筈である。
フリッカ・メータが、1回の 10分間の Pst 値である 1.03 の結果として、
0.45 の Plt の読みを報告することも観察する。
IEC 61000-3-3 の第 6節は
電源安定性 (電圧と周波数) に関してより詳細に述べているが、
もしシステムが上の試験に合格するならば、第 6節の要求にも適合する可能性が高いであろう。
高調波試験と同様、この試験は
主として抵抗性の負荷を持つことに依存することに注意されたい。
その電熱器の些細な寄生インダクタンス (そしてキャパシタンス) 以外の
いかなるリアクタンスも、測定誤差をもたらすであろう。
より詳細な評価を行ないたい、 あるいは高調波や電圧変動 (フリッカ) の試験システムの オン・サイト自己確認をさえ実施したい人は、 より詳細な手続きを与える参照論文の入手に関して 著者のいずれかにコンタクトすることができる。 また、NPL は長年にわたって製品確認サービスを提供しており、 使用可能な試験法に関する詳細を論文の形で用意している。
さらに、様々な機器供給者はアプリケーション・ノートを用意しており、一部のもの ――California Instruments Application Note 119、 Agilent や Schaffner の様々なトレーニング・ドキュメントなどのような―― は、適合性試験システムの使用者が留意すべき細かい点や罠の全て、 もしくはほとんどを詳細に述べている。
最後に、読者は単に該当する IEC 規格のコピーを購入し、 自分自身の詳細な評価を実施することができる。 勿論、後者はかなりの時間を要する、 計測やデータの分析や処理に関する詳細な知識を必要とするものであり、 これらの低周波エミッション試験の背後にある原理の深い理解を持つことを望む、 あるいは必要としている人にのみ適切である。
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: 2004-12-20