パワーエレクトロニクスと電動機駆動:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

DC-DC コンバータ

降圧形
Vo = D·Vin
昇圧形
Vo = Vin/(1 − D)
反転形昇降圧
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
理想的な電力の釣り合い
VinIin = VoIo
インダクタのリプル
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
インダクタ電流の平均値
降圧形 Io;昇圧形と昇降圧形 Io/(1 − D)
出力リプル
降圧形 ΔIL/(8fC);昇圧形と昇降圧形 Io·D/(fC)
CCM の境界
降圧形 (1 − D)R/(2f);昇圧形 D(1 − D)²R/(2f);昇降圧形 (1 − D)²R/(2f)

解き方

  1. 電圧比から、コンバータの種類(降圧、昇圧、昇降圧)とデューティ比 D を判断します。
  2. インダクタのボルト秒平衡を使いましょう:1 周期にわたるインダクタの平均電圧は 0 です。
  3. スイッチがオンの間のインダクタ電圧を求め、次に ΔIL = VL·D/(L·f) を求めます。
  4. 出力リプルでは、コンデンサに出入りする電荷を求めます。CCM の境界では、インダクタ電流の平均値を ΔIL/2 とおきます。

直流モーター

電機子回路
V = E + IaRa
逆起電力とトルク
E = k·ω, T = k·Ia
速さ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
無負荷速度と拘束トルク
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
電力
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
始動
Istart = V/(Ra + Rst)
速度変動率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大発生電力
Pmax = V²/(4Ra)
チョッパ駆動
Va = D·Vdc

解き方

  1. 電機子回路を描きます:電源 V、抵抗 Ra、逆起電力 E が直列につながります。
  2. 電圧、電流、逆起電力を結びつけるには V = E + Ia·Ra を使います。
  3. 速度には E = k·ω、トルクには T = k·Ia を使います。ω = 2π·n/60 です。
  4. 電力と効率では、V·Ia から始めて、銅損 Ia²·Ra を引き、次に回転損を引きます。

交流電力と力率

有効電力
P = V·I·cos φ
無効電力
Q = V·I·sin φ
皮相電力
S = V·I = √(P² + Q²)
力率
pf = cos φ = P/S
力率改善用コンデンサ
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相電力

Y 結線
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 結線
VL = Vph, IL = √3·Iph
全有効電力
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
皮相電力と無効電力
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
力率改善用コンデンサ
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
各コンデンサにかかる電圧
Δ:VL Y:VL/√3
モーターの入力
Pin = Pout/η

2演習問題

1.DC-DC コンバータふつう
+−9 VSL = ?CR+−6.3 V

理想的な降圧コンバータが、スイッチング周波数 50 kHz で 9 V を 6.3 V に変換します。インダクタのリプル電流のピーク間の値を 0.5 A に抑えるインダクタンス L を求めなさい。

Vin​ = 9 VVo​ = 6.3 Vf = 50 kHzΔIL = 0.5 A
L = µH
2.DC-DC コンバータむずかしい
+−48 VSL = 68 µHC = ?R+−14.4 V

降圧コンバータが、100 kHz、L = 68 µH で 48 V を 14.4 V に変換します。出力のピーク間リプルを 10 mV に抑える出力容量 C を求めなさい。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 100 kHzL = 68 µHΔVo = 10 mV
C = µF
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

k = 0.75 V·s/rad の直流モーターが 220 V で動作します。無負荷時の損失をすべて無視して、無負荷速度 n0 を rpm で求めなさい。

V = 220 Vk = 0.75 V·s/rad
n0 = rpm
4.直流モーターむずかしい
+−120 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 300 rpmT = 14.4 N·m

直流チョッパが、120 V の直流母線からモーター(k = 1.2 V·s/rad、Ra = 1 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·120 V です。負荷 14.4 N·m で 300 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 120 Vk = 1.2 V·s/radRa = 1 ΩT = 14.4 N·mn = 300 rpm
D = %
5.交流電力と力率ふつう
P = 23 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 23 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 23 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
240 V60 Hz負荷11 kW, 0.6C220 µFI = ?

単相負荷が 240 V、60 Hz の電源から、遅れ力率 0.6 で 11 kW を消費する。220 µF のコンデンサを負荷と並列に接続する。 新しい線電流 I を求めよ。

P = 11 kWpf1 = 0.6V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M110 kW, η = 90%cos φ = 0.8

三相誘導電動機が全負荷で 110 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 90%、力率は遅れ 0.8 である。電源の線間電圧は 480 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0.8VL = 480 V
IL = A
8.三相電力むずかしい
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、400 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.72 で 60 kW を消費している。負荷と並列に三相コンデンサバンクを接続し、全体の力率を遅れ 0.92 に改善する。有効電力は変わらない。 コンデンサバンクが供給すべき全無効電力 QC を kvar で求めよ。

P = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: L = 75.6 µH

DC-DC コンバータ:スイッチ S は、各周期 T = 1/f のうち割合 D だけオンになります。定常状態ではインダクタの平均電圧は 0 になり(ボルト秒平衡)、連続導通モードでの理想的な変換比が得られます:降圧形 Vo = D·Vin、昇圧形 Vo = Vin/(1 − D)、反転形昇降圧 |Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想的なコンバータでは電力が保存されます:Vin·Iin = Vo·Io。S がオンの間、インダクタ電流は ΔIL = VL·D·T/L だけ増加します。VL は、降圧形では Vin − Vo、昇圧形と昇降圧形では Vin です。出力リプルは、降圧形では ΔVo = ΔIL/(8fC)、昇圧形と昇降圧形では Io·D/(fC) です。インダクタ電流がちょうど 0 に触れる(CCM の境界)のは、インダクタの平均電流が ΔIL/2 に等しいときです。

デューティ比

D = 6.3/9 = 0.7

インダクタンス

L = 2.7·0.7/(0.5·50·10³) = 75.6 µH

答え

L = 75.6 µH
2.DC-DC コンバータ

答え: C = 185.3 µF

DC-DC コンバータ:スイッチ S は、各周期 T = 1/f のうち割合 D だけオンになります。定常状態ではインダクタの平均電圧は 0 になり(ボルト秒平衡)、連続導通モードでの理想的な変換比が得られます:降圧形 Vo = D·Vin、昇圧形 Vo = Vin/(1 − D)、反転形昇降圧 |Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想的なコンバータでは電力が保存されます:Vin·Iin = Vo·Io。S がオンの間、インダクタ電流は ΔIL = VL·D·T/L だけ増加します。VL は、降圧形では Vin − Vo、昇圧形と昇降圧形では Vin です。出力リプルは、降圧形では ΔVo = ΔIL/(8fC)、昇圧形と昇降圧形では Io·D/(fC) です。インダクタ電流がちょうど 0 に触れる(CCM の境界)のは、インダクタの平均電流が ΔIL/2 に等しいときです。

デューティ比

D = 14.4/48 = 0.3

インダクタのリプル電流

ΔIL = (48 − 14.4)·0.3/(68·10⁻⁶·100·10³) = 1.482 A

静電容量

C = 1.482/(8·100·10³·10·10⁻³) = 185.3 µF

答え

C = 185.3 µF
3.直流モーター

答え: n0 = 2801 rpm

直流モーター:電機子は、逆起電力 E と直列の抵抗 Ra と見なせるので、V = E + Ia·Ra です。逆起電力は速度に比例して E = k·ω、トルクは電流に比例して T = k·Ia となり、SI 単位では同じモーター定数 k (V·s/rad = N·m/A) を使います。速度は ω = 2π·n/60 で換算します。発生電力は E·Ia = T·ω です。入力電力は V·Ia で、その差は銅損 Ia²Ra と回転損です。速度はトルクに対して直線的に下がり、ω = V/k − Ra·T/k² です。無負荷速度 V/k から、拘束トルク k·V/Ra で 0 になります。停止時には E = 0 なので、抵抗で制限しないかぎり始動電流 V/Ra は大きくなります。

無負荷速度

ω₀ = V/k = 220/0.75 = 293.3 rad/s
n0 = 60·293.3/(2π) = 2801 rpm

答え

n0 = 2801 rpm
4.直流モーター

答え: D = 41.42 %

直流モーター:電機子は、逆起電力 E と直列の抵抗 Ra と見なせるので、V = E + Ia·Ra です。逆起電力は速度に比例して E = k·ω、トルクは電流に比例して T = k·Ia となり、SI 単位では同じモーター定数 k (V·s/rad = N·m/A) を使います。速度は ω = 2π·n/60 で換算します。発生電力は E·Ia = T·ω です。入力電力は V·Ia で、その差は銅損 Ia²Ra と回転損です。速度はトルクに対して直線的に下がり、ω = V/k − Ra·T/k² です。無負荷速度 V/k から、拘束トルク k·V/Ra で 0 になります。停止時には E = 0 なので、抵抗で制限しないかぎり始動電流 V/Ra は大きくなります。

必要な電機子電圧

Va = 1.2·31.42 + 12·1 = 49.7 V

デューティ比

D = 49.7/120 = 41.42 %

答え

D = 41.42 %
5.交流電力と力率

答え: Q = 30.67 kvar

交流電力:皮相電力 S = V·I (VA) は、有効な仕事をする有効電力 P = S·cos φ (W) と、電源と負荷の間を行き来する無効電力 Q = S·sin φ (var) に分かれます。力率は cos φ です。並列コンデンサは無効電力をその場で供給するので、同じ有効電力でも線電流が減ります。

位相角

φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

無効電力

Q = P·tan φ = 23·1.333 = 30.67 kvar

答え

Q = 30.67 kvar
6.交流電力と力率

答え: I = 61.63 A

交流電力:皮相電力 S = V·I (VA) は、有効な仕事をする有効電力 P = S·cos φ (W) と、電源と負荷の間を行き来する無効電力 Q = S·sin φ (var) に分かれます。力率は cos φ です。並列コンデンサは無効電力をその場で供給するので、同じ有効電力でも線電流が減ります。

改善前後の無効電力

有効電力 P は変わらず、電源から取る無効電力だけが変わります。

Q1 = 11·tan(arccos 0.6) = 14.67 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4.777 kvar
Q2 = 14.67 − 4.777 = 9.889 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(11² + 9.889²) = 14.79 kVA

新しい線電流

I = S2/V = 14792/240 = 61.63 A

答え

I = 61.63 A
7.三相電力

答え: IL = 183.8 A

平衡三相回路:Y(星形)結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、VL = √3·Vph で、線電流は相電流に等しくなります。Δ(三角)結線では線間電圧は相電圧に等しく、線電流は相電流の √3 倍、IL = √3·Iph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

電気入力

Pin = Pout/η = 110/0.9 = 122.2 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 122222/(√3·480·0.8) = 183.8 A

答え

IL = 183.8 A
8.三相電力

答え: QC = 32.27 kvar

平衡三相回路:Y(星形)結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、VL = √3·Vph で、線電流は相電流に等しくなります。Δ(三角)結線では線間電圧は相電圧に等しく、線電流は相電流の √3 倍、IL = √3·Iph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 力率改善:コンデンサは無効電力をその場で供給します:QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。3 個のコンデンサはそれぞれ QC/3 = V²·ω·C を供給します。V はそのコンデンサにかかる電圧で、Δ バンクでは VL、Y バンクでは VL/√3 です。

改善前後の無効電力

有効電力は変わらないので、それぞれの力率から無効電力が決まります:Q = P·tan φ。

Q1 = 60·tan(acos 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 32.27 kvar

答え

QC = 32.27 kvar

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