低周波EMC規格対応の電源試験 高調波測定

1.概要

欧州市場に出荷する製品には均一な安全性が要求されており、EU加盟国政府は自国の法令をEC指令に整合しなければなりません。指令には、
   機械指令(Machinery Directive)、
   EMC指令(Electro-Magnetic Compatibility Directive)、
   低電圧指令(Low Voltage Directive)
があり、EMC指令の項目の中に低周波EMC規格(IEC61000-3-2など)が含まれています。

このような背景から、欧州に出荷される一般消費者に販売されるほとんどの製品は、低周波EMC規格試験を実施し、規格に定められた限度値以内であることを確認する必要があります。
低周波EMCには、高調波とフリッカ/電圧変動がありますが、ここでは、16A以上の機器の規制が新たに適応され試験方法も移行期間中である、高調波について説明します。

2.高調波規制の概要

スイッチング電源などのコンデンサインプット型の電源では、高調波電流が発生します。 このような電源の普及により、商用電源に高調波ひずみが生じ、機器の誤動作、電源系統の コンデンサの発熱などの問題を発生します。 そのため、高調波電流を発生させる機器に対して限度値が決められており、これらの試験は、 機器の最も高調波の発生する試験条件で実施する必要があります。

2.1. IEC61000-3-2  16A以下の限度値

機器によってA,B,C,Dのクラスに分けて、最大40次までの高調波電流の限度値が規定されています。
各クラスの限度値は、測定観測期間内の平均値と最大値に適用され、平均値が限度値以内であること、最大値が限度値の1.5倍以下であることが求められます。

IEC61000-3-2のクラス分けフロー
図1. IEC61000-3-2のクラス分けフロー

 

表1. 限度値の例 クラスDの限度値
限度値の例 クラスDの限度値

規格は限度値の適用以外に、緩和処置の条件を設けるなど、若干の 見直しが行われています。
例えば、21次以上の奇数時高調波については、部分奇数高調波電流POHCが限度値以下であれば、各次数の限度値の150%までが緩和処置として許容されます。

式

2.2. IEC61000-3-12 16A以上75A以下の限度値

IEC61000-3-12では、13次までの各高調波と40次までの高調波電流から算出した、総合高調波ひずみTHDおよび部分加重高調波ひずみPWHDで限度値が決められています。

式

16A以上の大型機器では、その機器をつなぐ系統の高調波電流に対する強さの指針である短絡比Rsceの大きさごとに限度値のレベルが規定されています。
系統インピーダンスが低くて高調波電流が発生しても、電圧ひずみが起こりにくい電源系統につなぐことを限定すれば、機器の発生する高調波限度値が大きくても構わないという考え方をします。
もっとも厳しいRsce=33による限度値を満たした場合は、どのような系統にも接続可能です。
Rsce=33の限度値を越えても、短絡比Rsceを大きくすれば限度値に入る場合にはそのRsceを決めて、そこから算出できるSsc値を対象製品に明記すれば規格適合させることができます。
偶数次高調波は短絡比Rsceによって限度値のレベルが変わらないので注意が必要です。

表2. IEC61000-3-12の限度値例 平衡三相機器以外の機器の限度値
IEC61000-3-12の限度値例 平衡三相機器以外の機器の限度値

 

2.3. IEC61000-4-7 高調波の試験手法

IEC61000-3-2およびIEC61000-3-12はいずれも高調波の限度値を取り決めた規格です。
試験方法はIEC61000-4-7で取り決めされています。
試験方法は1991年版から2002年版で大きな改訂がされています。

規格 第1版:1991 第2版:2002
DFT解析ウインドウ幅 16波(50Hz,60Hz) 10波:50Hz
12波:60Hz
中間高調波 測定値に反映させない 測定値に反映させる(グルーピング)
附属書A(参考) 中間高調波グループ化、中間高調波
サブグループ化の演算式

図2と図3で測定原理を説明します。
DFT解析ウインドウ幅はIEC61000-4-7第1版:1991では16波固定で、基本波の整数倍のみの高調波のみを測定します。
第2版:2002から50Hzは10波測定、60Hzは12波測定に変更、中間高調波の測定も必要となっています。
これは消費電流特性が変動する機器やスイッチング制御の多用により基本波成分の整数倍以外の高調波が無視できなくなってきたための対応です。

IEC61000-4-7 1991の測定原理
図2. IEC61000-4-7 1991の測定原理


IEC61000-4-7 2002の測定原理
図3. IEC61000-4-7 2002の測定原理

規格試験では、ノーギャップ, ノーオーバーラップが求められため、高速なフーリエ変換を実現する必要があります。また高調波電流の測定精度も大変厳しい仕様が求められます。そのため専用のアナライザが必要になります。
現在は移行期間中であり、1991年版による方式のアナライザでも、試験結果にその旨明記すれば使用が認められていますが、いずれ置き換えが必要になります。原理的な違いから測定結果が根本的に異なる可能性もあるため、予備試験も含めて2002年版による試験を実施したほうが望ましいと思われます。

3. 低周波EMC規格試験向けの機器の構成

図4に、IEC試験の構成を示します。 IEC試験では、試験用電源にも精度および電源ひずみ率の上限などの条件が決められています。そのため、低ひずみ高精度交流電源が必要です。
またフリッカ/電圧変動試験では系統のインピーダンスを模擬する(リファレンス)インピーダンスネットワーク機器が必要です。
図中のプレシジョンパワーアナライザWT3000は、IEC61000-4-7 2002年版に対応した高調波測定機能とフリッカ測定機能を有した高精度電力計です。
規格試験だけではなく、機器の電源関連評価に幅広く使うことができます。
専用電流センサーと組み合わせることで、大電流規格であるIEC61000-3-12にも対応が可能です。
前述の通り、規格ではクラス分けや限度値、緩和処置の適用など面倒な設定や規格の調査が必要です。ソフトウエア 761921は、クラス分け, 限度値判定, 緩和処置の適応から試験レポートの作成までをサポートするソフトウエアです。これにより、規格試験時間の大幅な削減が可能になります。

IEC規格試験の構成
図4. IEC規格試験の構成

*:写真は、株式会社NF回路設計ブロック製電源です。

4. まとめ

ここで紹介したプレシジョンパワーアナライザWT3000は省エネ機器の開発、設計から完成品検査まで幅広く使用されています。
省エネ機器の電源関連試験で幅広く活用されることを期待します。

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