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
降圧コンバータが 15 V を 10.5 V に変換し、負荷は 5 Ω です。スイッチング周波数は 50 kHz、L = 100 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 = 10.5 Vf = 50 kHzL = 100 µHR = 5 Ω
Imax = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
理想的な反転形昇降圧コンバータが、250 kHz で 36 V を −84 V に変換し、負荷は 25 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 = −84 Vf = 250 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.直流モーターふつう
直流モーターが 240 V の電源から 5 A を引き込みます。電機子抵抗は 1.5 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 93 W です。効率 η を求めなさい。
V = 240 VIa = 5 ARa = 1.5 ΩProt = 93 W
η = %
4.直流モーターむずかしい
固定の 24 V の電源で動作する直流モーター(k = 0.2 V·s/rad、Ra = 1 Ω)が、0.4 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 = 24 Vk = 0.2 V·s/radRa = 1 ΩT = 0.4 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
5.交流電力と力率ふつう
2 つの負荷が 400 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.7 の 21 kW の負荷と、進み力率 0.85 の 3 kW の負荷。 電源から見た全体の力率 cos φ を求めよ。
V = 400 VP1 = 21 kW, pf1 = 0.7 遅れP2 = 3 kW, pf2 = 0.85 進み
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
150 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.7 で 54 kW の負荷に電力を供給している。変圧器が kVA 定格に達するまでに、抵抗負荷(力率 1)としてあとどれだけの有効電力 ΔP を追加できるか。
Smax = 150 kVAP1 = 54 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.三相電力ふつう
平衡三相負荷が、線間電圧 415 V の電源から線電流 120 A を流している。力率は遅れ 0.8 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。
VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0.8
P = kW
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 0.72 で 80 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 Δ 結線である。各コンデンサの静電容量 Cph を µF で求めよ。
P = 80 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3溶液
1.DC-DC コンバータ
答え: Imax = 2.415 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。
平均電流とリプル電流
Io = 10.5/5 = 2.1 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4.5·0.7/(100·10⁻⁶·50·10³) = 0.63 A
ピーク電流
Imax = 2.1 + 0.63/2 = 2.415 A
2.DC-DC コンバータ
答え: Lcrit = 4.5 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 = (1 − 0.7)²·25/(2250·10³) = 4.5 µH
3.直流モーター
答え: η = 89.13 %
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。
電力
Pin = 240·5 = 1200 W
Pdev = 232.5·5 = 1163 W
Pout = 1163 − 93 = 1070 W
効率
η = 1070/1200·100 = 89.13 %
4.直流モーター
答え: Rs = 4.717 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 = 0.4/0.2 = 2 A
E = 0.2·62.83 = 12.57 V
直列抵抗
Ra + Rs = (24 − 12.57)/2 = 5.717 Ω
Rs = 4.717 Ω
この抵抗器は 18.87 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: cos φ = 0.7751
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。
各負荷の無効電力
遅れ負荷は無効電力を消費し(Q > 0)、進み負荷は無効電力を供給します(Q < 0)。
Q1 = 21·tan(arccos 0.7) = 21.42 kvar
Q2 = −3·tan(arccos 0.85) = −1.859 kvar
合計
P = 21 + 3 = 24 kW
Q = 21.42 + (−1.859) = 19.57 kvar
S = √(24² + 19.57²) = 30.96 kVA
全体の力率
cos φ = P/S = 24/30.96 = 0.7751 遅れ
6.交流電力と力率
答え: ΔP = 85.52 kW
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。
既存の負荷の無効電力
Q1 = 54·tan(arccos 0.7) = 55.09 kvar
最大の全有効電力
定格いっぱいでは S = Smax で、Q は抵抗負荷によって変わりません。
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 55.09²) = 139.5 kW
追加できる有効電力
ΔP = 139.5 − 54 = 85.52 kW
7.三相電力
答え: P = 69 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。
皮相電力
S = √3·VL·IL = √3·415·120 = 86.26 kVA
有効電力
P = S·cos φ = 86.26·0.8 = 69 kW
8.三相電力
答え: Cph = 280.8 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 = 80·tan(acos 0.72) = 80·0.9639 = 77.11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.95) = 80·0.3287 = 26.29 kvar
コンデンサが供給する無効電力
QC = Q1 − Q2 = 50.81 kvar
1 相あたりの静電容量
Δ バンクでは、各コンデンサは 2 本の線の間に接続されています。
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16938/(377·400²) = 280.8 µF