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
+−15 VSL = ?CR+−10.5 V

理想的な降圧コンバータが、スイッチング周波数 25 kHz で 15 V を 10.5 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 0.5 A に抑えるインダクタンス L を求めなさい。

Vin​ = 15 VVo​ = 10.5 Vf = 25 kHzΔIL = 0.5 A
L = µH
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、25 kHz で 36 V を 72 V に変換し、負荷は 10 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​ = 72 Vf = 25 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
3.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

k = 0.5 V·s/rad の直流モーターが 48 V で動作します。無負荷時の損失をすべて無視して、無負荷速度 n0 を rpm で求めなさい。

V = 48 Vk = 0.5 V·s/rad
n0 = rpm
4.直流モーターむずかしい
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0.4 ΩM+−En = 600 rpmT = 30 N·m

固定の 220 V の電源で動作する直流モーター(k = 0.75 V·s/rad、Ra = 0.4 Ω)が、30 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 = 220 Vk = 0.75 V·s/radRa = 0.4 ΩT = 30 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
5.交流電力と力率ふつう
240 V14 kW, 0.8224 kW, 0.95I

2 つの負荷が 240 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.8 の 4 kW の負荷と、進み力率 0.95 の 24 kW の負荷。 電源から見た全体の力率 cos φ を求めよ。

V = 240 VP1 = 4 kW, pf1 = 0.8 遅れP2 = 24 kW, pf2 = 0.95 進み
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 18 kWQ1​S1​φ

75 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.65 で 18 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 = 75 kVAP1 = 18 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = 150 Acos φ = 0.82遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 690 V の電源から線電流 150 A を流している。力率は遅れ 0.82 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0.82
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、400 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 75 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 = 75 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: L = 252 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 = 10.5/15 = 0.7

インダクタンス

L = 4.5·0.7/(0.5·25·10³) = 252 µH

答え

L = 252 µH
2.DC-DC コンバータ

答え: Lcrit = 25 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 − 36/72 = 0.5

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 = 0.5(1 − 0.5)²·10/(225·10³) = 25 µH

答え

Lcrit = 25 µH
3.直流モーター

答え: n0 = 916.7 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。

無負荷速度

ω₀ = V/k = 48/0.5 = 96 rad/s
n0 = 60·96/(2π) = 916.7 rpm

答え

n0 = 916.7 rpm
4.直流モーター

答え: Rs = 3.922 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 = 30/0.75 = 40 A
E = 0.75·62.83 = 47.12 V

直列抵抗

Ra + Rs = (220 − 47.12)/40 = 4.322 Ω
Rs = 3.922 Ω

答え

Rs = 3.922 Ω

この抵抗器は 6275 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 = 0.9851

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 = 4·tan(arccos 0.8) = 3 kvar
Q2 = −24·tan(arccos 0.95) = −7.888 kvar

合計

P = 4 + 24 = 28 kW
Q = 3 + (−7.888) = −4.888 kvar
S = √(28² + (−4.888)²) = 28.42 kVA

全体の力率

cos φ = P/S = 28/28.42 = 0.9851 進み

答え

cos φ = 0.9851
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 53.99 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 = 18·tan(arccos 0.65) = 21.04 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) = √(75² − 21.04²) = 71.99 kW

追加できる有効電力

ΔP = 71.99 − 18 = 53.99 kW

答え

ΔP = 53.99 kW
7.三相電力

答え: P = 147 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 = √3·690·150 = 179.3 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 179.3·0.82 = 147 kW

答え

P = 147 kW
8.三相電力

答え: Cph = 799.6 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 = 75·tan(acos 0.7) = 75·1.02 = 76.52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.9) = 75·0.4843 = 36.32 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 40.19 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 = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13397/(314.2·230.9²) = 799.6 µF

答え

Cph = 799.6 µF

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