インバータはファンやポンプの回転数を落として電気代を減らす省エネの定番ですが、電源側から見ると電流の波形をひずませる「高調波」の代表的な発生源でもあります。進相コンデンサがうなる、変圧器が妙に熱いといった工場のトラブルの原因が高調波だった例は、今も毎年報告されています。
高調波は目に見えず、テスターで電圧を測っても数字はほとんど変わらないため、原因が分からないまま部品交換を繰り返しがちです。
この記事では、高調波が何で、なぜインバータから出て、工場の設備に何を起こすのかを、波形と数字で整理します。続けて、確認の手順、経済産業省のガイドラインで求められる検討、インバータ側と設備全体の対策を順に説明します。
高調波とは｜基本波の整数倍の周波数をもつ波
電力会社から届く電気は、1秒間に50回（西日本は60回）向きが変わるなめらかな正弦波で、これを基本波と呼びます。高調波は、この基本波の整数倍の周波数をもつ正弦波で、50Hzの地域なら5倍の250Hzが第5次、7倍の350Hzが第7次の高調波です。
基本波に高調波が重なると、電流の波形は正弦波の形を保てなくなり、山の形が崩れた「ひずみ波形」になります。逆に言えば、どんなにいびつな波形でも、基本波といくつかの高調波の足し算として分解でき、それぞれの次数ごとに大きさを測れます。
50Hzの電流に、第5次と第7次の高調波が重なった場合の模式図です。
※波形は説明用の模式図で、高調波の大きさは基本波の約2割（第5次）と約1.4割（第7次）として描いています。三相のインバータでは、第5次・第7次・第11次・第13次（6の倍数±1）の高調波が中心になります。
次数が奇数ばかりなのは、プラスとマイナスで対称にひずむ波形では偶数次の成分が打ち消し合うためです。三相の整流回路では、第5次と第7次が最も大きく、次数が上がるほど小さくなるのが一般的で、対策もまずこの2つを狙います。
高調波とノイズの違い
高調波と混同されやすいのが電気ノイズで、どちらも機器の誤動作を起こすため同じものとして扱われがちです。ところが周波数の帯域も伝わり方も異なり、対策の部品もまったく別物になります。
高調波は電源に同期した低い周波数、ノイズはそれよりずっと高い周波数の乱れです。
※三菱電機「高調波対策機器」カタログの比較をもとに作成。ノイズの量はスイッチングが速いほど大きくなります。
インバータは両方の発生源になるので、ノイズフィルターを付けたから高調波も大丈夫、とはなりません。高調波は計算で量を見積もれるため、後で触れるガイドラインでも数式で発生量を求めて判定します。
インバータが高調波を出す理由
汎用インバータは、電源の交流を整流器で直流に変えて平滑コンデンサにため、インバータ部で好きな周波数の交流に作り直してモータへ送ります。インバータで省エネになる仕組みはこの「作り直し」にあり、高調波は入口の整流とコンデンサの部分で生まれます。
平滑コンデンサを充電できるのは電圧の山の頂点付近だけなので、入力電流はとがった形になります。
※日本電機工業会「汎用インバータ及びサーボアンプの高調波抑制対策について」（2022年）の説明をもとにした模式図です。
平滑コンデンサには常に直流の電圧が残っているため、電源の電圧がそれを上回る山の頂点付近の短い時間にだけ、まとめて電流が流れ込みます。その結果、電圧はなめらかな正弦波なのに、入力電流は細いパルスが並んだ形になり、これを分解すると第5次・第7次を中心とした高調波が大量に含まれます。
ひずんだ電流が電源の配線や変圧器のインピーダンス（交流に対する抵抗）を流れると、そこで電圧も少しひずみます。電源側のインピーダンスは小さいので電圧のひずみは電流のひずみよりずっと小さいものの、同じ電源につながったほかの機器には、このひずんだ電圧が届きます。
高調波を出すほかの機器
交流をいったん直流に変えて使う機器は、基本的にすべて高調波の発生源です。工場で台数や容量が大きくなりやすいのは次のような機器です。
- 汎用インバータ、サーボアンプ（搬送・加工機・空調・ポンプ）
- 直流電源装置、整流器、UPS（無停電電源装置）
- 空調機のインバータ、LED照明やパソコンなどの電源回路
- アーク炉、高周波誘導炉、溶接機などの大電力の変換装置
1台ずつの高調波は小さくても、同じ変圧器の下に何十台も並ぶと合計は無視できない量になります。省エネのためにインバータ化を進めた工場ほど、高調波の総量も増えている点は押さえておきたいところです。
工場で起きる高調波の影響
高調波の電流は電線を伝わって構内に広がり、周波数が高いぶん、基本波を前提に作られた機器の中で余計な発熱や振動を起こします。症状は機器ごとに違うので、どの機器に何が起きているかを手がかりに高調波を疑うのが近道です。
うなり・過熱・誤動作が、高調波を疑うきっかけになります。
※日本電機工業会の技術資料と三菱電機「高調波対策機器」カタログの障害例をもとに作成。同じ症状は劣化や過負荷でも起きるため、症状だけで高調波と決めつけないことが大切です。
変圧器やモータでは、高調波の電流が鉄心や巻線の損失を増やし、同じ負荷でも温度が高くなります。漏電遮断器や電力量計のように電流の形を前提に判定・計測する機器は、波形がひずむと誤差や誤動作を起こし、制御装置の思わぬ停止として表面化します。
中でも被害が集中するのが、受変電設備の進相コンデンサと直列リアクトルです。三菱電機のカタログが送配電網協議会の報告書をもとにまとめた集計では、2020年に報告された高調波障害の機器159台のうち、73.6%がこの2つでした。
2020年に報告された障害機器159台の構成比を、10台に置き換えて示しています。
受変電設備（直列リアクトル・進相コンデンサ）73.6%、家電・汎用品13.8%、その他12.6%（2020年、159台）
※三菱電機「高調波対策機器」カタログ（送配電網協議会報告書「電力系統における高調波の実態」より作成）。件数ではなく、障害が出た機器の台数の構成比です。
進相コンデンサが高調波で傷みやすい理由
コンデンサが交流を妨げる度合い（リアクタンス）は周波数に反比例し、第5次の250Hzでは50Hzのときの5分の1になります。つまりコンデンサは周波数の高い高調波ほど通しやすく、構内で出た高調波電流が力率改善用の進相コンデンサへ集まり、過熱やうなりの原因になります。
さらにコンデンサと電源側のインダクタンス（コイル成分）の組み合わせは、ある周波数で共振します。その周波数が第5次などの高調波に近いと電流が増幅され、直列リアクトルの焼損やヒューズの溶断に至るため、後で触れる直列リアクトルの容量選びが大事になります。
高調波トラブルを疑ったときの確認手順
コンデンサのうなりや変圧器の温度上昇は、経年劣化や過負荷でも起きます。いきなり対策機器を買う前に、症状の記録、発生源の洗い出し、測定、切り分けの順に確かめると、効かない対策に費用をかけずに済みます。
症状から始めて、原因を絞り込んでから対策を選びます。
※測定は電気主任技術者や設備メーカーと相談して進めます。キュービクル内の測定は高圧の充電部に近づくため、資格と保護具が必要です。
測定には高調波の計測機能をもつ電力計やマルチ指示計器を使い、次数ごとの電流と電圧の総合ひずみ率を読みます。目安は電力利用基盤強化懇談会が1987年に示した「高調波環境目標レベル」で、6.6kVの配電系統で総合電圧ひずみ率5%、特別高圧の系統で3%を保つことが目標とされています。
注意したいのは、受電点の計器だけでは高調波が構内から出ているのか、電力系統から流れ込んでいるのかを区別できない点です。発生源のインバータを止めた時間帯と動かした時間帯で値を比べ、変化が小さければ近隣の需要家など外部からの流入を疑い、電力会社に相談します。
自分の工場がガイドラインの対象かを確認する
高調波は構内だけでなく、同じ電力系統につながる近隣の需要家にも影響します。そこで1994年9月に通商産業省（現在の経済産業省）資源エネルギー庁が「高圧又は特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」を定め、2004年1月に改正しました。
ガイドラインは基本的な考え方を示したもので、実務の計算方法は日本電気協会の技術指針JEAG 9702にまとめられています。
東京電力パワーグリッドのように、需要家が高調波を出す機器を新設・増設・更新するときに、ガイドラインに基づく「高調波流出電流計算書」の提出を求める電力会社があります。流出する電流が上限値を超える場合は、対策を依頼されます。
ガイドラインの対象になる条件
対象は、高圧または特別高圧で受電する需要家のうち、高調波を出す機器を新設・増設・更新するときや、契約電力・受電電圧を変えるときです。キュービクルで6.6kVを受電する一般的な工場は、インバータを入れ替えるだけでも検討の対象になります。
一方で、1相あたりの入力電流が20A以下の機械・装置は、JIS C 61000-3-2（高調波電流の発生限度値）で機器ごとに規制されるため、ガイドラインの計算から外せます。インバータ単体と20Aを超える装置は、容量にかかわらずすべて計算の対象です。
まず機器の容量で判定し、超えたときだけ流出する電流を詳しく計算します。
※日本電機工業会の技術資料（2022年）と三菱電機のカタログをもとに作成。細かな判定条件は JEAG 9702 で確認してください。
第1ステップ：等価容量で判定する
等価容量は、機器ごとの高調波の出やすさを「換算係数Ki」で重み付けし、標準的な6パルス整流器の容量に置き換えて合計した値です。受電電圧が6.6kVなら50kVA、22kV・33kVなら300kVA、66kV以上なら2,000kVAを超えると、次の流出電流の計算に進みます。
| インバータの入力回路（三相・コンデンサ平滑） | 換算係数Ki |
|---|---|
| リアクトルなし | 3.4（K31） |
| 交流側にリアクトル（ACL） | 1.8（K32） |
| 直流側にリアクトル（DCL） | 1.8（K33） |
| 交流側・直流側の両方にリアクトル | 1.4（K34） |
たとえば6.6kV受電の工場で、定格入力容量が合計20kVAのインバータをリアクトルなしで使うと、等価容量は3.4×20＝68kVAで限度値の50kVAを超えます。同じ20kVAに直流リアクトルを付ければ1.8×20＝36kVAとなり、第1ステップで検討を終えられます。
この計算は既設を含めた構内の対象機器すべての合計で行うのが前提で、上の例は1つの判定の考え方を示したものです。換算係数は各メーカーのカタログや仕様書に載っているので、機器を選ぶ段階でリアクトルの有無まで指定しておくと、後の計算がぐっと楽になります。
第2ステップ：流出電流と上限値を比べる
等価容量が限度値を超えたら、機器ごとの高調波電流に稼働率などを掛けて、受電点から系統へ流れ出る電流を次数ごとに計算します。上限値は「契約電力1kWあたりの値×契約電力」で決まり、受電電圧が高いほど1kWあたりの値は小さくなります。
| 受電電圧 | 第5次 | 第7次 | 第11次 | 第13次 | 第17次 | 第19次 | 第23次 | 第25次 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6.6kV | 3.5 | 2.5 | 1.6 | 1.3 | 1.0 | 0.90 | 0.76 | 0.70 |
| 22kV | 1.8 | 1.3 | 0.82 | 0.69 | 0.53 | 0.47 | 0.39 | 0.36 |
契約電力500kW・6.6kV受電の工場なら、第5次の上限は3.5mA/kW×500kW＝1,750mA、つまり6.6kV側に換算して1.75Aです。第7次は2.5×500で1.25Aとなり、計算した流出電流がこれを超える次数があれば追加の対策が要ります。
2023年の指針改定で変わった点
JEAG 9702は2023年12月に改定され、2024年9月に発行されました。日本電機工業会の資料によると、計算を省略できる「検討要否の判定」の条件に「高調波発生機器比率35%以下」が加わり、条件が厳しくなっています。
高調波発生機器比率は、対象機器の定格入力容量の合計を契約電力相当値で割った割合です。あわせて、簡易計算で第5次に0.7、第7次に0.9の低減係数を掛けられるのは、高圧受電で進相コンデンサがすべて6%の直列リアクトル付きの場合に限られました。
インバータ側でできる対策｜リアクトルと高力率コンバータ
最も手軽で効果がはっきりしているのは、発生源のインバータにリアクトル（電流の急な変化を抑えるコイル）を付ける方法です。電源とインバータの間に入れるACリアクトル（ACL）と、整流後の直流回路に入れるDCリアクトル（DCL）の2種類があります。
どちらもコンデンサへの急な充電電流をなだらかにし、とがったパルスの幅を広げることで高調波を減らします。換算係数は3.4から1.8に下がり、リアクトルなしに比べて高調波の発生量はおよそ半分の扱いになります。
第5次・第7次はDCリアクトルの方が小さく、第11次以上はACリアクトルの方が小さくなります。
※値は基本波電流に対する高調波電流の含有率（%）で、三菱電機 INVテクニカルニュース「ACリアクトル、DCリアクトル比較表」（2011年）がガイドラインの値として示したもの。実際の値は電源の条件や負荷率で変わります。
実務での違いは、高調波よりも力率・電圧降下・設置スペースに表れます。三菱電機の比較では、定格負荷時の入力力率がACLで約88〜90%、DCLで約93〜95%に改善し、電圧降下はACLの約3〜6%に対してDCLは1%以下です。
DCLは据付面積・質量・価格も小さめですが、整流器より後ろに入るため、電源側から来るサージ（瞬間的な過電圧）から整流部を守る効果はありません。電源事情が悪い現場ではACL、省スペースと力率を優先するならDCLという選び方が基本で、両方を付ければ換算係数は1.4まで下がります。
さらに減らしたい場合は、整流器をスイッチングで制御して入力電流を正弦波に近づける高力率コンバータ（PWMコンバータ）を使います。入力力率はほぼ1になり、三菱電機の製品では組み合わせるインバータの換算係数を0として扱えるため、台数が多い設備では有力な選択肢です。
設備全体での対策｜直列リアクトル・フィルタ・多パルス化
個々のインバータにリアクトルを付けても上限値に届かない場合や、既設の機器が多くて1台ずつ手を入れにくい場合は、受変電設備や配電盤の側でまとめて抑えます。選ぶときは、どの次数に効くか、どこに付けるか、効果の目安と注意点を同じ物差しで比べます。
| 対策 | 効く次数 | 設置する場所 | 効果の目安 | 注意点 |
|---|---|---|---|---|
| 直列リアクトル付き進相コンデンサ | 主に第5次・第7次 | 高圧側または低圧側の受変電設備 | 高圧側で約50〜70%、低圧側で約35〜50%の抑制 | 力率が進みすぎると電圧が上がるため自動力率調整が要る |
| 受動フィルタ（LCフィルタ） | 第5次・第7次・第11次の組み合わせが標準 | 発生源の機器・装置の近く | 狙った次数を大きく抑制 | 想定以上の高調波が流れるとフィルタ自体が過熱する |
| 能動フィルタ（アクティブフィルタ） | 第25次以下をまとめて | 設備全体、特別高圧の設備 | 波形全体を補正し、抑制効果が大きい | 容量を超えた分は補償しない。費用は大きめ |
| 変圧器の多相化（12パルス） | 第5次・第7次・第17次・第19次 | 変圧器が複数台ある受変電設備 | 第5次・第7次は条件しだいで1/20〜1/4程度 | 第11次・第13次・第23次・第25次には効かない |
多くの工場が最初に見直すべきなのは、力率改善のために置いている進相コンデンサの直列リアクトルです。国土交通省の仮設電力設備のガイドラインでも、直列リアクトルがないと共振回路ができて高調波が増幅されるため、特段の理由がなければ容量を6%とする設計の扱いになっています。
直列リアクトルが「6%」である理由
6%とは、50Hzでの直列リアクトルのリアクタンスがコンデンサのリアクタンスの6%という意味です。リアクトルは周波数に比例して、コンデンサは反比例して値が変わるので、両者が等しくなる共振点は√(1÷0.06)≒4.1倍、つまり第4次付近になります。
第5次の250Hzでは、リアクトル側が6%×5＝30%、コンデンサ側が100%÷5＝20%となり、回路全体がコイルの性質になります。共振点を第5次より下に置くことで、第5次以上の高調波で共振して電流が増幅される事態を避けられるわけです。
既設の進相コンデンサがある場合の注意
古い受変電設備には直列リアクトルなしの進相コンデンサが残る例もあり、インバータを増やすと共振で過熱しやすくなります。東京電力パワーグリッドも、直列リアクトルなしの進相コンデンサは高調波を増幅させるとして、開放（切り離し）を依頼することがあると案内しています。
ただしリアクトルだけを後から足すとコンデンサにかかる電圧が上がるため、コンデンサの定格が合うかを含め、電気主任技術者や設備メーカーと確認してから更新します。
コンデンサを投入した直後に過大な高調波電流が流れ続ける「高調波引込み現象」にも注意が要ります。電圧ひずみ率が高い場所で起きやすく、直列リアクトルの異常な過熱やヒューズの不要な溶断を招くため、抵抗を介して投入する専用の開閉器で防ぐ方法があります。
高調波や進相コンデンサは電験三種の学習範囲にも入ります。通信講座で学ぶ場合は、SATの電験三種講座の内容と受講料も比較材料にできます。
高調波のよくある質問
高調波の次数はなぜ奇数ばかりなのですか？
整流回路の電流はプラス側とマイナス側で対称にひずむため、偶数次の成分が打ち消し合って奇数次だけが残ります。三相ブリッジの整流回路では「6の倍数±1」の第5次・第7次・第11次・第13次が中心になります。
単相の機器が多い事務所や工場でも高調波は出ますか？
出ます。単相ブリッジの整流回路は「4の倍数±1」の次数、つまり第3次・第5次・第7次の高調波を出すため、パソコンやLED照明などの単相機器が多い建物では第3次も見ておく必要があります。
低圧で受電している小さな工場もガイドラインの対象ですか？
ガイドラインの対象は高圧または特別高圧で受電する需要家なので、低圧受電は対象外です。ただし日本電機工業会は、対象外の需要家にも入力電流20A以下のインバータ向けの抑制指針を示し、リアクトルなどによる対策を勧めています。
インバータを1台増やすだけでも計算書は必要ですか？
高圧受電の需要家が高調波を出す機器を新設・増設・更新するときは、台数にかかわらずガイドラインに沿った検討の対象になります。等価容量が限度値以下なら流出電流の計算は不要ですが、提出の要否や書式は契約している電力会社に確認してください。
まとめ
- 高調波は基本波の整数倍の周波数の波で、重なると電流がひずむ
- インバータは平滑コンデンサの充電で電流がパルス状になり、第5次・第7次を中心に高調波を出す
- 被害は進相コンデンサと直列リアクトルに集中し、2020年の障害機器の73.6%を占めた
- 高圧受電の工場は、等価容量と流出電流の2ステップでガイドラインの検討が必要
- 対策はインバータのリアクトルから始め、6%直列リアクトルやフィルタで設備全体を抑える
高調波は、インバータで省エネを進める工場ほど避けて通れない電気の品質の問題です。受変電設備の点検や更新を担う設備保全、インバータ盤や装置の仕様を決める電気設計の仕事と深く関わります。
高調波を出す側の機器については三相交流の基本とあわせて読むと、整流回路の次数の決まり方まで理解が深まります。
出典
出典・参考資料（6件）を開く出典・参考資料を閉じる
- 高調波の定義・発生原理・換算係数・JIS C 61000-3-2の扱い：一般社団法人 日本電機工業会「汎用インバータ及びサーボアンプの高調波抑制対策について」（2022年4月）
- JEAG 9702 の2023年改定の内容：一般社団法人 日本電機工業会「高調波抑制対策技術指針の合否判定条件が一部追加され厳しくなった！」（2025年3月）
- 等価容量の限度値・流出電流の上限値・障害の構成・対策機器の効果・高調波とノイズの違い：三菱電機「高調波対策機器」カタログ
- ACリアクトルとDCリアクトルの比較：三菱電機 INVテクニカルニュース MF-H-018B「ACリアクトル、DCリアクトル比較表」
- 直列リアクトル6%・共振障害：国土交通省「仮設電力設備 電力負荷対策算定ガイドライン」（令和4年3月）
- 高調波流出電流計算書の提出・直列リアクトルなし進相コンデンサの扱い：東京電力パワーグリッド「高調波流出電流計算書の提出」
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