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
+−12 VSL = ?CR+−4.8 V

理想的な降圧コンバータが、スイッチング周波数 100 kHz で 12 V を 4.8 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 0.6 A に抑えるインダクタンス L を求めなさい。

Vin​ = 12 VVo​ = 4.8 Vf = 100 kHzΔIL = 0.6 A
L = µH
2.DC-DC コンバータむずかしい
tiL​Imax​IL​DTT2T

理想的な 降圧形 コンバータが、250 kHz で 15 V を 4.5 V に変換し、負荷は 4 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​ = 15 VVo​ = 4.5 Vf = 250 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)0.6 N·mn0​n = ?

直流モーター(k = 0.3 N·m/A、Ra = 0.8 Ω)が 24 V で動作し、負荷トルク 0.6 N·m を駆動します。速度 n を rpm で求めなさい。

V = 24 Vk = 0.3 N·m/ARa = 0.8 ΩT = 0.6 N·m
n = rpm
4.直流モーターむずかしい
+−48 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 0.6 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 0.15 V·s/rad、Ra = 1 Ω、V = 48 V)が、一定の負荷トルク 0.6 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 90 % に減らします。新しい速度 n を求めなさい。

V = 48 Vk = 0.15 V·s/radRa = 1 ΩT = 0.6 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.交流電力と力率ふつう
120 VR + jXP = 960 W16 A

誘導性負荷が 120 V(実効値)の単相電源から 16 A と 960 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 120 VI = 16 AP = 960 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
24 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

24 V(実効値)、60 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 50 + j15 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 = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j15 Ω
Pmax = W
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VNZ = 9 + j12 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 9 + j12 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 415 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 = 415 VZ = 9 + j12 Ω 1 相あたり
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、415 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 120 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 0.95 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 = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: L = 48 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 = 4.8/12 = 0.4

インダクタンス

L = 7.2·0.4/(0.6·100·10³) = 48 µH

答え

L = 48 µH
2.DC-DC コンバータ

答え: Lcrit = 5.6 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 = 4.5/15 = 0.3

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。

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

臨界インダクタンス

Lcrit = (1 − 0.3)·4/(2250·10³) = 5.6 µH

答え

Lcrit = 5.6 µH
3.直流モーター

答え: n = 713 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。

電機子電流

Ia = T/k = 0.6/0.3 = 2 A

逆起電力と速度

E = 24 − 2·0.8 = 22.4 V
ω = E/k = 74.67 rad/s → n = 713 rpm

答え

n = 713 rpm
4.直流モーター

答え: n = 3081 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。

弱めたあとのモーター定数

k₂ = 0.9·0.15 = 0.135 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 0.6/0.135 = 4.444 A

新しい速度

ω = (48 − 4.444·1)/0.135 = 322.6 rad/s → n = 3081 rpm

答え

n = 3081 rpm

界磁弱めは、直流ドライブが基底速度より高い速度で運転する方法です。

5.交流電力と力率

答え: R = 3.75 Ω

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。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 960/16² = 3.75 Ω

答え

R = 3.75 Ω
6.交流電力と力率

答え: Pmax = 2.88 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。

ZL = Zs* = 50 − j15 Ω

最大電力

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0.24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2.88 W

答え

Pmax = 2.88 W
7.三相電力

答え: P = 6.889 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 = 415/√3 = 239.6 V

相電流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 239.6/15 = 15.97 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 = 3·15.97²·9 = 6.889 kW

答え

P = 6.889 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 = 1864 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 = 120·tan(acos 0.65) = 120·1.169 = 140.3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.95) = 120·0.3287 = 39.44 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 100.9 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33618/(314.2·239.6²) = 1864 µF

答え

Cph = 1864 µF

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