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
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

理想的な反転形昇降圧コンバータが、100 kHz、L = 47 µH で 24 V を −72 V に変換します。インダクタのピーク間リプル電流 ΔIL を求めなさい。

Vin​ = 24 VVo​ = −72 Vf = 100 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
+−15 VSL = 220 µHC = ?R+−6 V

降圧コンバータが、50 kHz、L = 220 µH で 15 V を 6 V に変換します。出力のピーク間リプルを 5 mV に抑える出力容量 C を求めなさい。

Vin​ = 15 VVo​ = 6 Vf = 50 kHzL = 220 µHΔVo = 5 mV
C = µF
3.直流モーターふつう
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

直流モーターが 3000 rpm で機械的な電力 1 kW を出力します。軸トルク T を求めなさい。

P = 1 kWn = 3000 rpm
T = N·m
4.直流モーターむずかしい
+−240 VD = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 400 rpmT = 2.25 N·m

直流チョッパが、240 V の直流母線からモーター(k = 0.15 V·s/rad、Ra = 0.2 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·240 V です。負荷 2.25 N·m で 400 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 240 Vk = 0.15 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 2.25 N·mn = 400 rpm
D = %
5.交流電力と力率ふつう
P = 7 kWQSφ

単相モーターが 240 V の電源から、遅れ力率 0.65 で 7 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 7 kWpf = 0.65V = 240 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 49 kWQ1​S1​φ

100 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.6 で 49 kW の負荷に電力を供給している。変圧器が kVA 定格に達するまでに、抵抗負荷(力率 1)としてあとどれだけの有効電力 ΔP を追加できるか。

Smax = 100 kVAP1 = 49 kWpf1 = 0.6
ΔP = kW
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VZ = 24 + j18 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 24 + j18 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 400 V の平衡三相電源に接続されている。 負荷が吸収する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 400 VZ = 24 + j18 Ω 1 相あたり
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、415 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 250 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 0.9 に改善する。有効電力は変わらない。 コンデンサは Δ 結線である。各コンデンサの静電容量 Cph を µF で求めよ。

P = 250 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 3.83 A

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 = 72/(24 + 72) = 0.75

オン時間中のインダクタ電圧

S がオンの間、インダクタは Vin に直接つながれます。

VL = 24 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0.75/(47·10⁻⁶·100·10³) = 3.83 A

答え

ΔIL = 3.83 A
2.DC-DC コンバータ

答え: C = 163.6 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 = 6/15 = 0.4

インダクタのリプル電流

ΔIL = (15 − 6)·0.4/(220·10⁻⁶·50·10³) = 0.3273 A

静電容量

C = 0.3273/(8·50·10³·5·10⁻³) = 163.6 µF

答え

C = 163.6 µF
3.直流モーター

答え: T = 3.183 N·m

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。

rad/s での角速度

ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

トルク

T = P/ω = 1000/314.2 = 3.183 N·m

答え

T = 3.183 N·m
4.直流モーター

答え: D = 3.868 %

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 = 0.15·41.89 + 15·0.2 = 9.283 V

デューティ比

D = 9.283/240 = 3.868 %

答え

D = 3.868 %
5.交流電力と力率

答え: I = 44.87 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。

線電流

仕事をするのは有効分だけなので、力率で割ります。

I = P/(V·cos φ) = 7000/(240·0.65) = 44.87 A

答え

I = 44.87 A
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 26.71 kW

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。

既存の負荷の無効電力

Q1 = 49·tan(arccos 0.6) = 65.33 kvar

最大の全有効電力

定格いっぱいでは S = Smax で、Q は抵抗負荷によって変わりません。

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 65.33²) = 75.71 kW

追加できる有効電力

ΔP = 75.71 − 49 = 26.71 kW

答え

ΔP = 26.71 kW
7.三相電力

答え: P = 12.8 kW

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。

相電圧

Vph = VL = 400 V

相電流

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 400/30 = 13.33 A

全有効電力

有効電力を吸収するのは、各インピーダンスの抵抗分だけです。

P = 3·Iph²·R = 3·13.33²·24 = 12.8 kW

答え

P = 12.8 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.8 で、√3·VL·IL·cos φ からも同じ電力が得られます。

8.三相電力

答え: Cph = 878.9 µF

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 = 250·tan(acos 0.65) = 250·1.169 = 292.3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 171.2 kvar

1 相あたりの静電容量

Δ バンクでは、各コンデンサは 2 本の線の間に接続されています。

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 57067/(377·415²) = 878.9 µF

答え

Cph = 878.9 µF

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