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
+−48 VSL = ?CR+−14.4 V

理想的な降圧コンバータが、スイッチング周波数 40 kHz で 48 V を 14.4 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 0.3 A に抑えるインダクタンス L を求めなさい。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 40 kHzΔIL = 0.3 A
L = µH
2.DC-DC コンバータむずかしい
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

降圧コンバータが 36 V を 25.2 V に変換し、負荷は 10 Ω、周波数は 25 kHz、L = 330 µH、C = 47 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​ = 36 VVo​ = 25.2 Vf = 25 kHzL = 330 µHC = 47 µF
ΔVo = mV
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)15 N·mn0​nFL​

直流モーター(k = 1 V·s/rad、Ra = 1.5 Ω)が 240 V で動作します。全負荷時に 15 A が流れます。無負荷電流を無視して、速度変動率 SR = (n₀ − nFL)/nFL を百分率で求めなさい。

V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 1.5 ΩIFL = 15 A
SR = %
4.直流モーターむずかしい
+−240 VRa​ = 1 ΩIa​: 12 → 3 AM+−En = ?T

240 V(Ra = 1 Ω)の他励直流モーターが、電機子電流 12 A で 1440 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 3 A になります。新しい速度 n2 を求めなさい。

V = 240 VRa = 1 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 12 AIa2 = 3 A
n2 = rpm
5.交流電力と力率ふつう
P = 30 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.65 で 30 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 30 kWpf = 0.65V = 230 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.75 で 40 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.9 に改善する。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 40 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VZ = 5 + j12 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 5 + j12 Ω の平衡 Δ 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 = 5 + 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 0.75 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 0.9 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 = 120 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: L = 840 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 = 14.4/48 = 0.3

インダクタンス

L = 33.6·0.3/(0.3·40·10³) = 840 µH

答え

L = 840 µH
2.DC-DC コンバータ

答え: ΔVo = 97.49 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 = 25.2/36 = 0.7

インダクタのリプル電流

ΔIL = (36 − 25.2)·0.7/(330·10⁻⁶·25·10³) = 0.9164 A

出力リプル

ΔVo = 0.9164/(8·25·10³·47·10⁻⁶) = 97.49 mV

答え

ΔVo = 97.49 mV
3.直流モーター

答え: SR = 10.34 %

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。

無負荷速度と全負荷速度

n₀ = 60·240/(2π·1) = 2292 rpm
nFL = 60·(240 − 15·1.5)/(2π·1) = 2077 rpm

速度変動率

SR = (2292 − 2077)/2077·100 = 10.34 %

答え

SR = 10.34 %
4.直流モーター

答え: n2 = 1497 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 = 240 − 12·1 = 228 V
E2 = 240 − 3·1 = 237 V

新しい速度

n2 = 1440·237/228 = 1497 rpm

答え

n2 = 1497 rpm
5.交流電力と力率

答え: Q = 35.07 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。

位相角

φ = arccos(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169

無効電力

Q = P·tan φ = 30·1.169 = 35.07 kvar

答え

Q = 35.07 kvar
6.交流電力と力率

答え: C = 316.4 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 = 40·tan(41.41°) = 35.28 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25.84°) = 19.37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15.9 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) = 15904/(2π·50·400²) = 316.4 µF

答え

C = 316.4 µF
7.三相電力

答え: P = 15.29 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 = VL = 415 V

相電流

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31.92 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 = 3·31.92²·5 = 15.29 kW

答え

P = 15.29 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.3846 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 = 293.9 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 = 120·tan(acos 0.75) = 120·0.8819 = 105.8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.9) = 120·0.4843 = 58.12 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 47.71 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 = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15904/(314.2·415²) = 293.9 µF

答え

Cph = 293.9 µF

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