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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
理想的な降圧コンバータが、スイッチング周波数 20 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 0.4 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 = 20 kHzΔIL = 0.4 A
L = µH
2.DC-DC コンバータむずかしい
理想的な 昇圧形 コンバータが、250 kHz で 36 V を 60 V に変換し、負荷は 8 Ω です。連続導通となる最小のインダクタンス Lcrit を求めなさい。
Vin = 36 VVo = 60 Vf = 250 kHzR = 8 Ω
Lcrit = µH
3.直流モーターふつう
直流モーター(k = 0.5 V·s/rad、Ra = 0.2 Ω)が 48 V で動作します。全負荷時に 8 A が流れます。無負荷電流を無視して、速度変動率 SR = (n₀ − nFL)/nFL を百分率で求めなさい。
V = 48 Vk = 0.5 V·s/radRa = 0.2 ΩIFL = 8 A
SR = %
4.直流モーターむずかしい
固定の 240 V の電源で動作する直流モーター(k = 0.6 V·s/rad、Ra = 0.25 Ω)が、18 N·m の負荷を駆動しています。速度を 1200 rpm まで下げる直列抵抗 Rs を求めなさい。
V = 240 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 18 N·mn = 1200 rpm
Rs = Ω
5.交流電力と力率ふつう
インピーダンス Z = 7 + j24 Ω の負荷が 240 V(実効値)の単相電源に接続されている。 皮相電力 S を求めよ。
V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
S = VA
6.交流電力と力率むずかしい
230 V(実効値)、50 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 2 + j40 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 負荷に供給できる最大の有効電力 Pmax を求めよ。
Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j40 Ω
Pmax = W
7.三相電力ふつう
三相誘導電動機が全負荷で 18.5 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 93%、力率は遅れ 0.8 である。電源の線間電圧は 690 V である。線電流 IL を求めよ。
Pout = 18.5 kWη = 93%cos φ = 0.8VL = 690 V
IL = A
8.三相電力むずかしい
平衡三相負荷が、400 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.8 で 300 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。 コンデンサバンクが供給すべき全無効電力 QC を kvar で求めよ。
P = 300 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3溶液
1.DC-DC コンバータ
答え: L = 236.3 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。
インダクタンス
L = 2.7·0.7/(0.4·20·10³) = 236.3 µH
2.DC-DC コンバータ
答え: Lcrit = 2.304 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。
境界条件
インダクタ電流の平均値をリプル電流の半分とおき、L について解きます。
臨界インダクタンス
Lcrit = 0.4(1 − 0.4)²·8/(2250·10³) = 2.304 µH
3.直流モーター
答え: SR = 3.448 %
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。
無負荷速度と全負荷速度
n₀ = 60·48/(2π·0.5) = 916.7 rpm
nFL = 60·(48 − 8·0.2)/(2π·0.5) = 886.2 rpm
速度変動率
SR = (916.7 − 886.2)/886.2·100 = 3.448 %
4.直流モーター
答え: Rs = 5.237 Ω
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。
電流と逆起電力
Ia = 18/0.6 = 30 A
E = 0.6·125.7 = 75.4 V
直列抵抗
Ra + Rs = (240 − 75.4)/30 = 5.487 Ω
Rs = 5.237 Ω
この抵抗器は 4713 W を無駄にします。チョッパを使えば、ずっと少ない損失で速度を制御できます。
5.交流電力と力率
答え: S = 2304 VA
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。
電流
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9.6 A
皮相電力
S = V·I = 240·9.6 = 2304 VA
6.交流電力と力率
答え: Pmax = 6613 W
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。
共役整合
負荷のリアクタンスは電源のリアクタンスを打ち消し、負荷抵抗は電源抵抗に等しくなります。
最大電力
I = Vs/(2Rs) = 230/4 = 57.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·2) = 6613 W
7.三相電力
答え: IL = 20.81 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 = 18.5/0.93 = 19.89 kW
線電流
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19892/(√3·690·0.8) = 20.81 A
8.三相電力
答え: QC = 79.7 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 = 300·tan(acos 0.8) = 300·0.75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.9) = 300·0.4843 = 145.3 kvar