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 昇圧形 コンバータが、500 kHz、L = 47 µH で 36 V を 60 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​ = 36 VVo​ = 60 Vf = 500 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
tiL​Imax​IL​DTT2T

理想的な 昇圧形 コンバータが、250 kHz で 24 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​ = 24 VVo​ = 60 Vf = 250 kHzR = 8 Ω
Lcrit = µH
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

k = 1.2 N·m/A、Ra = 2 Ω の直流モーターを 120 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 = 120 Vk = 1.2 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
4.直流モーターむずかしい
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 600 rpmT = 24 N·m

固定の 120 V の電源で動作する直流モーター(k = 1.2 V·s/rad、Ra = 0.2 Ω)が、24 N·m の負荷を駆動しています。速度を 600 rpm まで下げる直列抵抗 Rs を求めなさい。

V = 120 Vk = 1.2 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 24 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 39 kWQSφ

単相モーターが 240 V の電源から、遅れ力率 0.7 で 39 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 39 kWpf = 0.7V = 240 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.8 で 30 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。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 30 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M18.5 kW, η = 95%cos φ = 0.9

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 95%、力率は遅れ 0.9 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 = 95%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
8.三相電力むずかしい
P = 60 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 0.75 で 60 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 0.98 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 = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 0.6128 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 = 1 − 36/60 = 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 に直接つながれます。

VL = 36 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0.4/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0.6128 A

答え

ΔIL = 0.6128 A
2.DC-DC コンバータ

答え: Lcrit = 1.536 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 = 1 − 24/60 = 0.6

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 = D(1 − D)²·R/(2f)

臨界インダクタンス

Lcrit = 0.6(1 − 0.6)²·8/(2250·10³) = 1.536 µH

答え

Lcrit = 1.536 µH
3.直流モーター

答え: Tstall = 72 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 = 120/2 = 60 A

拘束トルク

Tstall = 1.2·60 = 72 N·m

答え

Tstall = 72 N·m
4.直流モーター

答え: Rs = 2.03 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 = 24/1.2 = 20 A
E = 1.2·62.83 = 75.4 V

直列抵抗

Ra + Rs = (120 − 75.4)/20 = 2.23 Ω
Rs = 2.03 Ω

答え

Rs = 2.03 Ω

この抵抗器は 812 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: I = 232.1 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) = 39000/(240·0.7) = 232.1 A

答え

I = 232.1 A
6.交流電力と力率

答え: C = 193.4 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。

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 = 30·tan(36.87°) = 22.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23.07°) = 12.78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.72 kvar

静電容量

電源に並列につないだコンデンサは Q = V²·ωC を供給します。

C = QC/(2πf·V²) = 9720/(2π·50·400²) = 193.4 µF

答え

C = 193.4 µF
7.三相電力

答え: IL = 18.1 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 = 18.5/0.95 = 19.47 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19474/(√3·690·0.9) = 18.1 A

答え

IL = 18.1 A
8.三相電力

答え: Cph = 226.9 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 = 60·tan(acos 0.75) = 60·0.8819 = 52.92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 40.73 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) = 13577/(377·398.4²) = 226.9 µF

答え

Cph = 226.9 µF

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