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​Io​DTT2T

降圧コンバータが 15 V を 7.5 V に変換し、負荷は 20 Ω です。スイッチング周波数は 50 kHz、L = 220 µH です。インダクタ電流のピーク値 Imax を求めなさい。

Vin​ = 15 VVo​ = 7.5 Vf = 50 kHzL = 220 µHR = 20 Ω
Imax = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
tiL​Imax​Io​DTT2T

降圧コンバータが、40 kHz、L = 22 µH で 48 V を 19.2 V に変換します。連続導通を保てる最小の負荷電流 Io,min を求めなさい。

Vin​ = 48 VVo​ = 19.2 Vf = 40 kHzL = 22 µH
Io,min = A
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

k = 0.8 N·m/A、Ra = 0.25 Ω の直流モーターを 220 V につなぎます。速度 0 でのトルク、すなわち拘束トルク Tstall を求めなさい。

V = 220 Vk = 0.8 N·m/ARa = 0.25 Ω
Tstall = N·m
4.直流モーターむずかしい
+−120 VD = ?Ra​ = 1.5 ΩM+−En = 600 rpmT = 6 N·m

直流チョッパが、120 V の直流母線からモーター(k = 1.5 V·s/rad、Ra = 1.5 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·120 V です。負荷 6 N·m で 600 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 120 Vk = 1.5 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 6 N·mn = 600 rpm
D = %
5.交流電力と力率ふつう
120 VZ6 + j8 ΩI

インピーダンス Z = 6 + j8 Ω の負荷が 120 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 = 120 VZ = 6 + j8 Ω
S = VA
6.交流電力と力率むずかしい
24 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

24 V(実効値)、60 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 25 + j3 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 最大電力を得る負荷を、抵抗とコンデンサの直列回路でつくる。静電容量 C を求めよ。

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j3 Ω
C = µF
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 208 VNZ = 3 + j4 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 3 + j4 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 208 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 = 208 VZ = 3 + j4 Ω 1 相あたり
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、690 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 200 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。 コンデンサは Y 結線である。各コンデンサの静電容量 Cph を µF で求めよ。

P = 200 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: Imax = 0.5455 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 = 7.5/15 = 0.5

平均電流とリプル電流

Io = 7.5/20 = 0.375 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.5·0.5/(220·10⁻⁶·50·10³) = 0.3409 A

ピーク電流

Imax = 0.375 + 0.3409/2 = 0.5455 A

答え

Imax = 0.5455 A
2.DC-DC コンバータ

答え: Io,min = 6.545 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 = 19.2/48 = 0.4

リプル電流

ΔIL = 19.2·0.6/(22·10⁻⁶·40·10³) = 13.09 A

境界での負荷電流

Io,min = ΔIL/2 = 6.545 A

答え

Io,min = 6.545 A

この電流より小さくなると、コンバータは不連続導通に入り、Vo は D·Vin を超えて上昇します。

3.直流モーター

答え: Tstall = 704 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。

拘束電流

Ia = V/Ra = 220/0.25 = 880 A

拘束トルク

Tstall = 0.8·880 = 704 N·m

答え

Tstall = 704 N·m
4.直流モーター

答え: D = 83.54 %

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 = 1.5·62.83 + 4·1.5 = 100.2 V

デューティ比

D = 100.2/120 = 83.54 %

答え

D = 83.54 %
5.交流電力と力率

答え: S = 1440 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| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

皮相電力

S = V·I = 120·12 = 1440 VA

答え

S = 1440 VA
6.交流電力と力率

答え: C = 884.2 µF

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。

ZL = Zs* = 25 − j3 Ω

静電容量

XC = 3 Ω → C = 1/(2π·60·3) = 884.2 µF

答え

C = 884.2 µF
7.三相電力

答え: P = 5.192 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 = 208/√3 = 120.1 V

相電流

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 120.1/5 = 24.02 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 = 3·24.02²·3 = 5.192 kW

答え

P = 5.192 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.6 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 = 828.1 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 = 200·tan(acos 0.65) = 200·1.169 = 233.8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.92) = 200·0.426 = 85.2 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 148.6 kvar

1 相あたりの静電容量

Y バンクでは、各コンデンサは線と中性点の間に接続されています。

V = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 49542/(377·398.4²) = 828.1 µF

答え

Cph = 828.1 µF

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