電圧低下とは何ですか?

電圧低下とは、半サイクルから 1 分間続く、公称電圧の 10% ～ 90% の間の電圧の一時的な低下です。この電力品質障害は、-モーターの始動、短絡、またはシステム障害による突然の高電流需要により、電圧が通常のレベルに戻る前に一時的に低下する-場合に発生します。

この現象は世界中の産業運営に影響を与えるため、電圧低下を理解することが重要です。プログラマブル ロジック コントローラーから可変速ドライブに至るまで、最新の製造装置は、こうした短期間の電圧降下に対してますます敏感になっています。わずか数サイクル続く単一の低下イベントによって、生産ライン全体が停止したり、データ システムが破損したり、敏感な電子機器が損傷したりする可能性があります。

電圧低下の一般的な原因

電圧低下は、施設の内部電源と外部送電網の障害の両方から発生します。 3 つの主な原因は、回線障害、誘導電動機の始動、変圧器の通電です。

外部グリッドの原因

電力システムの障害は、電圧低下の最も深刻な原因です。単線-対-の地絡が電力網のどこかで発生すると、半径 100- 以内のユーザーに影響を与える可能性があります。落雷、木の枝の落下、電柱に関わる交通事故、送電線の風による損傷などはすべて、配電ネットワークを通じて障害状態を引き起こし、伝播します。これらの電力会社側のイベントは、電圧が公称値の 50% を下回る、より深い電圧低下の大部分を占めます。

天候に関連したイベントは、特に問題のあるたるみを引き起こします。{0}}雷が電力線に直接落ちなくても問題が発生するわけではありません。{2}近くに落雷が発生すると、地域の電源から大量の電力が供給され、送電網に負担がかかり、周囲のユーザーに電圧低下状態が生じます。嵐中に強風が続くと、送電線が倒れたり、樹木と接触したりする可能性があり、保護装置が作動して、並列フィーダの回路が通電している場合でも、並列フィーダに電圧降下が発生します。

内部設備の原因

電圧低下イベントの多くは、電力会社ではなく、建物や工場内の機器に起因します。モーターの始動電流は、産業環境で最も一般的な内部低下を引き起こします。大型の誘導モーターは起動時に定格電流の 5 ～ 7 倍を消費する可能性があり、システム インピーダンス全体で大幅な電圧降下が発生し、同じ回路上の他の機器に影響を与えます。

金属加工施設のアーク炉は、電力需要が高く変動するため、特に深刻で頻繁なサグを発生します。これらの負荷は、個々の相に異なる影響を与える非対称な電圧低下を引き起こす不平衡状態を生み出します。変圧器への通電は、特に再通電前に変圧器コアが完全に消磁していない場合にサグを引き起こし、システム電圧を一時的に低下させる突入電流を引き起こします。-

住宅環境では、冷蔵庫、エアコン、または炉のファンが作動すると電圧低下が発生します。産業用のサグほど深刻ではありませんが、これらの現象は壊れやすい家電製品に影響を与え、目に見える照明の暗さを引き起こす可能性があります。

電圧低下がさまざまな機器に与える影響

電圧低下の影響は、機器のタイプ、設計、電圧低下の大きさと期間によって大きく異なります。ほとんどの電圧低下は 2 ～ 10 サイクル (60 Hz システムでは 33 ～ 167 ミリ秒) 続きますが、たとえ短いイベントでも連鎖故障を引き起こす可能性があります。

産業機器の感度

可変速ドライブと可変周波数ドライブは、電圧低下に対して高い感度を示します。これらのデバイスは、安定した動作を維持するために DC バス コンデンサに依存しています。サグ時には、低下した入力電圧を補償するためにコンデンサが放電します。サグが十分に深い場合、またはこれらのコンデンサがドライブの最小動作しきい値を下回るほど長く続く場合、ドライブはオフラインになります。製造業の調査によると、電圧低下による計画外のダウンタイムにより、産業施設には 1 時間あたり平均 26 万ドルのコストがかかることがわかっています。

プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) およびプロセス制御システムも、耐サグ性が低くなります。これらのマイクロプロセッサ-ベースのデバイスは、メモリを維持し、制御アルゴリズムを実行するために安定した DC 電圧を必要とします。電圧低下により、データが破損したり、プロセッサがリセットされたり、PLC が障害状態になり、生産プロセスを再起動するために手動介入が必要になる可能性があります。

モータースタータコンタクタとリレーは、コイル電圧がドロップアウトしきい値（通常は定格電圧の約 70-80%）を下回る電圧低下時にドロップアウトします。これにより、電力がまだ利用可能な場合でも、接続されているモーターの電源が切れ、不必要なシャットダウンや再起動の遅延が発生します。

コンピュータおよびデータ システム

コンピュータやサーバーの電源は、コンデンサに蓄えられたエネルギーを使用して入力変動を平滑化します。電圧低下が発生すると、これらの電源は出力電圧を維持するために消費する電流が増加し、コンデンサのエネルギーがより早く消耗します。電圧低下が電源の保持時間（一般向け機器の場合は通常 8-20 ミリ秒）を超えると、システムは電力を失い、クラッシュし、保存されていないデータが失われます。

サーバーのクラッシュは同時に数千のユーザーに影響を与える可能性があるため、データセンターは特にリスクに直面しています。 1 回の電圧低下により、データベースの破損、トランザクションの失敗、およびサービスの中断が引き起こされる可能性があり、電圧が正常に戻った後でも解決するまでに数時間かかります。

48V eBike リチウムバッテリーの電圧低下の隠れたコスト

電動自転車は、送電網ベースの問題とは異なる、特定のタイプの電圧低下の課題に直面しています。{0}}リチウム-イオン電池を使用する 48V eBike システムでは、モーターからの高電流引き込みにより電池の内部抵抗により一時的な電圧降下が発生し、電圧低下が発生します。

一般的な 48V eBike バッテリー パックは、直列の 13 セル (13S 構成) で構成され、完全充電電圧は約 54.6V、低電圧カットオフは 39 ～ 42V 付近です。-ライダーが急加速したり、坂を登ったり、最大アシストレベルで動作したりすると、モーターはバッテリーから 20 ～ 30 アンペアを消費することがあります。この大電流により、内部抵抗により電圧が 3 ～ 6 ボルト低下し、バッテリ電圧がバッテリ管理システム (BMS) の低電圧保護をトリガーするレベルまで一時的に低下します。

実際の影響は、バッテリーの残量が中程度であっても、ライダーが予期せぬ停電に遭遇することを意味します。静止電圧が約 43 ～ 46 V (約 20 ～ 40% の充電状態) にある場合、突然のスロットル入力によって電圧がコントローラーのカットオフしきい値である 40 ～ 42 V を下回り、モーターが停止する可能性があります。その後、ライダーは電力需要を減らし、電圧が回復するまで待ってから続行する必要がありますが、登りや渋滞中にイライラする可能性があります。

バッテリーの老朽化により、この問題はさらに悪化します。リチウム電池は通常の使用サイクルによって劣化するため、内部抵抗が増加し、同一負荷下でより顕著な電圧降下が発生します。新品時には良好に動作していたバッテリーでも、容量測定値が許容範囲内の健全性を示していたとしても、300 ～ 500 回の充電サイクル後に問題のある低下動作が見られる場合があります。

技術的な定義と標準

専門規格は電圧低下パラメータを正確に定義し、電力システム間で一貫した測定と比較を可能にします。

IEEE および IEC 規格

IEEE 1159 規格では、電圧低下を、0.5 サイクルから 1 分間続く、公称値の 10% ～ 90% の間の RMS 電圧の低下として定義しています。 0.5 サイクルより短いイベントは過渡現象として分類され、1 分より長く続く電圧低下は持続的な低電圧またはブラウンアウトとみなされます。瞬低状態と持続的な低電圧状態では、異なる緩和アプローチが機能するため、この区別は重要です。

IEC 61000-4-30 規格も同様の定義を提供していますが、測定方法としきい値に関する追加のガイダンスが含まれています。 IEC では、サグを、電圧が 1 半サイクルから 1 分間の継続期間で宣言された電圧の 90% 未満に低下し、その後 90% 以上に回復するときに発生すると定義しています。

どちらの規格も、電圧低下が 2 つの重要なパラメータ、大きさ (または深さ) と持続時間によって特徴付けられることを強調しています。 6 サイクル続く公称電圧の 70% への低下は中程度のイベントを表しますが、2 サイクル続く 30% への低下は、最も敏感な機器をトリップさせる重大なイベントとなります。

電圧低下の測定

電力品質アナライザは、5 kHz 以上のサンプリング レートで RMS 電圧を継続的に監視することでサグ イベントを捕捉します。これらの機器は、三相イベント中の最小電圧、継続時間、発生時間、および位相角を記録します。-。データは、サグがバランスがとれているか (3 つのフェーズすべてに均等に影響を与える)、またはアンバランスがとられているか (個々のフェーズに異なる影響を与える) を明らかにします。

電圧低下の大きさは通常、公称値に対するパーセンテージまたは単位当たりの値で表されます。{0}}ユニットあたり 0.7 までのサグは、電圧が公称値の 70% に低下したことを意味します。継続時間はサイクル (60 Hz で 1 サイクルは 16.67 ミリ秒に相当) またはより正確に測定するためにミリ秒で測定されます。

配電システム障害の 80% 以上を占める単線-対-地絡事故は、特徴的な不均衡なサグ パターンを引き起こします。これらのパターンは、電力品質アナリストが、各相の相対的な電圧の大きさとイベント中に発生する位相角のシフトに基づいて、障害の場所と種類を判断するのに役立ちます。

電圧低下と関連現象の比較

電圧低下を同様の電力品質イベントと区別することは、適切な保護戦略を選択するのに役立ちます。

電圧低下とブラウンアウト

電圧低下と電圧低下は両方とも電圧の低下を伴いますが、継続期間が根本的に異なります。ブラウンアウトとは、数分または数時間続く意図的または非意図的な持続的な電圧低下であり、システム全体の崩壊を防ぐために需要のピーク時に電力会社によって実施されることがよくあります。電圧低下は、故障または突然の負荷変化によって生じる数秒以下の短期間の意図しないイベントです。

緩和アプローチは大きく異なります。電圧低下を解決するには、電力会社の調整、負荷制限、または発電量の増加が必要になる場合があります。電圧低下には、数ミリ秒以内に補償電圧を注入できる高速動作の電力調整装置が必要です。-

電圧低下と停電

中断は電圧の完全な損失 (公称値の 10% 未満) を表しますが、サグはイベント全体を通じてある程度の電圧を維持します。機器の動作は大きく異なるため、この区別は重要です。中断中、電源は完全に放電され、システムは完全に電力を失います。停電中、一部の機器は、残りの電圧が最小しきい値を超えたままであれば動作を継続する場合があります。

中断は、保護装置の動作によって発生します。{0}}障害を解消するために回路ブレーカーまたは再閉路が開く。サグは、障害が存在するが保護装置が動作する前、または保護が作動せずに高い突入電流によって電圧降下が発生した場合に発生します。

電圧低下と電圧上昇

電圧スウェルは、電圧が公称値の 110% を超えて瞬間的に増加する逆の現象です。{0}}スウェルはサグよりも発生頻度が低く、通常は非接地システムでの単線地絡から発生します。この場合、故障していない相の電圧が上昇するか、大きな負荷が突然切断され、その負荷によって以前に吸収されていた無効電力によって電圧が急上昇します。

サグは機器のトリップや誤動作の原因となる一方、スウェルは絶縁定格を超えて半導体接合部にストレスを与えることにより、コンポーネントに永久的な損傷を引き起こす可能性があります。たとえ個々の事象が直ちに故障を引き起こさなかったとしても、繰り返されるうねりの累積的な影響により、機器は徐々に劣化します。

予防および軽減戦略

電圧低下に対処するには、電力会社側の改善、施設レベルの保護、設備レベルの強化を組み合わせた多層的なアプローチが必要です。{0}

電力システム設計の改善

接続点での短絡容量を増やすと、電圧低下の大きさが減少します。これは、より大きな導体サイズを使用してインピーダンスを低減するか、故障電流が大きい場合はより高い電圧レベルに接続するか、追加の変圧器容量を取り付けることで実現できます。これらのソリューションは効果的ではありますが、多額の設備投資が必要となるため、既存の施設では実現できない可能性があります。

大型モーター用のソフトスタート装置は突入電流を制限し、施設内の自己誘導電圧低下を軽減します。-ソフトスターターはモーターへの電圧を数秒かけて徐々に上昇させ、ピーク始動電流を定格の 600% から 200{6}}300% に減らします。このコスト効率の高いソリューションは、最も一般的な内部たわみの原因の 1 つに対処します。

動的電圧復元

動的電圧復元装置 (DVR) は、高度な緩和テクノロジーを代表します。 DVR は入力電圧を継続的に監視し、電圧低下が発生した場合に電源と直列に補償電圧を注入します。エネルギー貯蔵 (通常はコンデンサ) と高速スイッチング パワー エレクトロニクスを使用することで、DVR は、敏感な機器が外乱を検出する前に、1 ～ 2 ミリ秒以内に電圧を修正できます。-

DVR システムは、通常のバイパス モードで 96 ～ 99% の効率で動作し、追加される損失は最小限に抑えられます。サグ補正中は、エネルギー貯蔵容量とサグの深さに応じて、出力電圧を 0.5 ～ 5 秒間維持できます。これにより、一般的な電圧低下イベントの 90% 以上がカバーされます。 DVR は、他のソリューションでは実用的ではない生産ライン全体や重要なプロセス機器の保護に優れています。

無停電電源装置

UPS システムは、バッテリのエネルギー貯蔵とインバータ技術を使用して、電圧低下と完全な停電の両方に対する保護を提供します。停電中、UPS は電圧を調整しながら AC 電源から負荷を供給し続けるか（オンライン ダブル変換設計の場合）、4-8 ミリ秒以内にバッテリ電源に切り替えます（ライン インタラクティブ設計の場合）。

電圧低下保護だけを考えても、UPS システムは大きすぎて高価になることがよくあります。低下イベント中のバッテリーの循環はバッテリー寿命を縮め、メンテナンスコストを増加させます。 UPS ソリューションは、中断保護も必要な場合、または UPS の経済性が合理的である小規模な負荷の場合に最適に機能します。

施設-レベルのソリューション

電圧低下補正装置を戦略的なポイント{0}}引き込み口、配電盤、または個々のマシン コントローラー-に設置すると、対象を絞った保護が提供されます。最適な位置は、たわみの原因、負荷の感度、経済性に依存します。

複数の敏感な負荷がある施設の場合、引き込み口保護は設備全体をユーティリティ側のサグから保護しますが、大規模なモーター始動による内部サグには対処しません。{0}}機器-レベルの保護では、保護される負荷あたりのコストは低くなりますが、複数のデバイスが必要であり、たるみによる他の保護されていない機器への影響は防止できません。

電力品質のモニタリングは、緩和に投資する前に、電圧低下の周波数、規模、原因を特定するのに役立ちます。データによると、垂れ下がりの 80% が公共施設の故障と内部の故障に起因することが示されており、その保護戦略は大きく異なります。モニタリングはまた、ベースライン条件を確立し、緩和実施後の改善を測定します。

特殊な用途における電圧低下

特定の業界は、特殊なソリューションを必要とする特有の電圧低下の課題に直面しています。

半導体製造

チップの製造には、非常にクリーンで安定した電力が必要です。たった一度の電圧低下で、数百万ドル相当のウェーハのバッチ全体が台無しになる可能性があります。半導体工場では通常、高速転送スイッチを備えた冗長電源システム、重要な機器の DVR 保護、制御およびデータ システム用の UPS システムを設置します。

SEMI F47 などの業界標準は、半導体製造装置の電圧低下ライドスルー要件を規定しています。-ツールは、最長 200 ミリ秒間、50% までの電圧降下が発生しても中断することなく動作する必要があり、持続時間の短いイベントに対してはより寛大な許容曲線が必要です。

データセンターとクラウドコンピューティング

最新のデータセンターは 99.999% の可用性目標で運用されており、年間ダウンタイムは 5.26 分未満に抑える必要があります。電圧低下は、この目標にとって重大な脅威となります。大規模なデータセンター運営者は通常、複数の保護層を導入しています。つまり、ユーティリティ-グレードの電力調整、施設用 UPS システム、ホールドアップ時間を延長した機器-レベルの電源-です。

データセンターにおける高電圧 DC 配電への移行 (従来の 208V AC から 380V DC) により、入力電圧低下が発生する AC{3}}DC コンバータよりも DC 電源が AC{2}} 側電圧低下を効果的に乗り越えることができるため、固有の電圧低下耐性が実現します。

医療施設

病院では生命安全システムのために無停電電源が必要です。{0}非常用発電機は完全な停電には対応しますが、電圧低下の影響を防ぐほど早く作動するわけではありません。手術室、画像診断室、集中治療室の重要な機器には、継続的な動作を維持するためにサグ補正または UPS 保護が必要です。

最新の医療機器には、電圧障害に非常に敏感なマイクロプロセッサ ベースの制御装置が搭載されています。{0}手術中に電圧が低下すると、機器のディスプレイがフリーズしたり、診断データが破損したり、機器がリセットされ、完全な機能を回復するのに数分かかる可能性があります。

48V リチウム電池システムを使用する施設で電圧低下を防止するには、-eBike、通信バックアップ、または再生可能エネルギー貯蔵-のいずれであっても、リチウムイオン電池の電気的特性と特定の負荷プロファイルの両方に注意する必要があります。{3}}より高容量のバッテリー（アンペア-時間で測定）は、負荷がより多くの並列セルグループに分散され、セルあたりの電流が減少し、したがって総内部抵抗が減少するため、等価電流引き込み下での電圧降下が当然少なくなります。

分散型発電、再生可能エネルギーの普及拡大、自動化の進展により電力システムがより複雑になるにつれて、電圧低下は電力品質の重大な問題として残ります。機器が外乱に対してより敏感になり、同時に運用にとってより重要になるにつれて、課題は増大しています。

最新の緩和テクノロジーは、機能と費用対効果の両方で向上し続けています。{0}パワー エレクトロニクスの進歩により、応答時間が短縮され、より効率的な電圧補正が可能になります。エネルギー貯蔵技術、特にキャパシタとバッテリー システムの改善により、低コストでより長いライドスルー時間が実現します。{3}}電力品質機器とスマート グリッド システムを統合することで、複数のデバイス間で調整された対応が可能になり、いつどこで電力供給の低下が発生するかをより適切に予測できるようになります。

電圧低下のリスクを評価する組織の出発点は、監視を通じて施設の実際の電力品質を理解することです。サグ周波数に関する一般的な業界データは、各場所が公共施設の接続、内部負荷、および機器の感度に基づいて固有の条件を経験するため、提供できる値が限られています。 30 ～ 90 日間の監視により、典型的な状況が把握され、包括的な保護アプローチではなく、対象を絞った軽減策で対処する特定の脆弱性が特定されます。

よくある質問

電圧低下と電圧低下の違いは何ですか?

電圧低下は、数ミリ秒から数秒続く一時的なイベントであり、自動的に修正されます。電圧降下とは、抵抗と電流の流れによって導体に沿って発生する定常状態の電圧の低下を指します。-。電圧降下は負荷動作中に一定であり、システム設計時に適切な導体サイズを設定することで対処されます。電圧低下は、保護装置の緩和が必要な動的な電力品質イベントです。

電圧低下により機器に永久的な損傷が生じる可能性がありますか?

電圧は通常の範囲内にとどまるため、電圧低下自体が永久的な損傷を引き起こすことはほとんどありません。ただし、-突然のシャットダウン、再起動、突入電流、破損した制御シーケンス-の低下に対する機器の反応は、間接的に損傷を引き起こす可能性があります。サグ現象が繰り返されると、コンタクタ、リレー、およびモータ巻線の摩耗が促進されます。より大きな経済的影響は、機器の交換コストよりも、生産損失、データ破損、再稼働の遅延によるものです。

私の施設に電圧低下の問題があるかどうかを確認するにはどうすればよいですか?

症状としては、原因不明の機器のトリップ、自然に解消される生産ラインの停止、コンピューターのクラッシュ、モーター始動時の照明のちらつき、制御システムのメンテナンスの増加などが挙げられます。電力品質モニタリングは、時間の経過に伴う低下イベントを捕捉して特徴付けることで、最終的な答えを提供します。敏感な機器がトリップしたにもかかわらず、電気テストで異常が見つからなかった場合は、電圧低下が原因である可能性があります。

ソーラーパネルとバッテリーシステムは電圧低下の問題に役立つのでしょうか、それとも悪影響を及ぼしますか?

太陽光発電のような分散型発電は、実装によっては役立つこともあれば害を及ぼすこともあります。グリッドに接続されたインバータが IEEE 1547 標準に従って電圧低下を乗り越えるようにプログラムされている場合、無効電流を注入することで電圧低下時の電圧をサポートできます。ただし、電源低下時に切断される古いインバータでは、必要なときにすぐに発電が停止されるため、問題がさらに悪化する可能性があります。適切な制御を備えたバッテリーエネルギー貯蔵システムは、イベント中に有効電力と無効電力を注入することで電力低下を積極的に軽減できますが、これは単純なバックアップ電力ではなく、この目的のために特別に設計された場合に限ります。

48V eBike バッテリーが充電中であるにもかかわらず電力が供給されていないのはなぜですか?

この一般的な問題は、電源の電圧低下が原因で発生します。48v電動自転車リチウムバッテリー大電流引き込み時。バッテリーは 45V の静止電圧 (30 ～ 40% の充電を示す) を表示することがありますが、負荷がかかると電圧がコントローラーのカットオフ ポイントである 40 ～ 42V を下回って低下し、シャットダウンが引き起こされます。ペダルアシストレベルを下げるか、バッテリーを一時的に休ませると、電圧が十分に回復して走行を続けることができます。