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 降圧形 コンバータが、500 kHz、L = 68 µH で 9 V を 3.6 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​ = 9 VVo​ = 3.6 Vf = 500 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
+−48 VSLC = 100 µFR = 8 Ω−+−72 V

理想的な 昇降圧形 コンバータが、200 kHz で 48 V を −72 V に変換し、負荷は 8 Ω です。出力コンデンサは 100 µF です。出力電圧のピーク間リプル ΔVo を mV で求めなさい。

Vin​ = 48 VVo​ = −72 Vf = 200 kHzC = 100 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)6.4 N·mn0​n = ?

直流モーター(k = 0.8 N·m/A、Ra = 1 Ω)が 240 V で動作し、負荷トルク 6.4 N·m を駆動します。速度 n を rpm で求めなさい。

V = 240 Vk = 0.8 N·m/ARa = 1 ΩT = 6.4 N·m
n = rpm
4.直流モーターむずかしい
+−24 VRa​ = 0.4 ΩIa​: 6 → 9 AM+−En = ?T

24 V(Ra = 0.4 Ω)の他励直流モーターが、電機子電流 6 A で 1800 rpm で回転しています。負荷が変わり、界磁は変えないまま電流が 9 A になります。新しい速度 n2 を求めなさい。

V = 24 VRa = 0.4 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 6 AIa2 = 9 A
n2 = rpm
5.交流電力と力率ふつう
230 VR + jXP = 2174 W13.5 A

誘導性負荷が 230 V(実効値)の単相電源から 13.5 A と 2174 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 = 230 VI = 13.5 AP = 2174 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 240 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 25 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.92 に改善する。 コンデンサが供給すべき無効電力 QC を求めよ。

P = 25 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0.88

三相誘導電動機が全負荷で 75 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 0.88 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 = 75 kWη = 93%cos φ = 0.88VL = 690 V
IL = A
8.三相電力むずかしい
P = 200 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 0.72 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 0.9 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 = 0.72pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 0.06353 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 = 3.6/9 = 0.4

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 と Vo の間につながれます。

VL = 9 − 3.6 = 5.4 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 5.4·0.4/(68·10⁻⁶·500·10³) = 0.06353 A

答え

ΔIL = 0.06353 A
2.DC-DC コンバータ

答え: ΔVo = 270 mV

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/(48 + 72) = 0.6

負荷電流

Io = 72/8 = 9 A

出力リプル

ΔVo = 9·0.6/(200·10³·100·10⁻⁶) = 270 mV

答え

ΔVo = 270 mV
3.直流モーター

答え: n = 2769 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 = 6.4/0.8 = 8 A

逆起電力と速度

E = 240 − 8·1 = 232 V
ω = E/k = 290 rad/s → n = 2769 rpm

答え

n = 2769 rpm
4.直流モーター

答え: n2 = 1700 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。

変化前と変化後の逆起電力

E1 = 24 − 6·0.4 = 21.6 V
E2 = 24 − 9·0.4 = 20.4 V

新しい速度

n2 = 1800·20.4/21.6 = 1700 rpm

答え

n2 = 1700 rpm
5.交流電力と力率

答え: R = 11.93 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 = 2174/13.5² = 11.93 Ω

答え

R = 11.93 Ω
6.交流電力と力率

答え: QC = 14.86 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。

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 = P·tan φ1 = 25·tan(45.57°) = 25.51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23.07°) = 10.65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14.86 kvar

答え

QC = 14.86 kvar
7.三相電力

答え: IL = 76.68 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 = 75/0.93 = 80.65 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·690·0.88) = 76.68 A

答え

IL = 76.68 A
8.三相電力

答え: Cph = 1477 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 0.72) = 200·0.9639 = 192.8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 95.91 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31969/(377·239.6²) = 1477 µF

答え

Cph = 1477 µF

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