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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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
+−24 VSL = ?CR+−6 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 24 V を 6 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 1 A に抑えるインダクタンス L を求めなさい。

Vin​ = 24 VVo​ = 6 Vf = 25 kHzΔIL = 1 A
L = µH
2.DC-DC コンバータむずかしい
tiL​Imax​Io​DTT2T

降圧コンバータが、20 kHz、L = 22 µH で 48 V を 14.4 V に変換します。連続導通を保てる最小の負荷電流 Io,min を求めなさい。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 20 kHzL = 22 µH
Io,min = A
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 110 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 = 110 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
+−240 VRs​ = ?Ra​ = 0.8 ΩM+−En = 600 rpmT = 24 N·m

固定の 240 V の電源で動作する直流モーター(k = 2 V·s/rad、Ra = 0.8 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 = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 24 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 18 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 18 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 18 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
120 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

120 V(実効値)、60 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 10 + j3 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 負荷に供給できる最大の有効電力 Pmax を求めよ。

Vs = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j3 Ω
Pmax = W
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = 150 Acos φ = 0.92遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 415 V の電源から線電流 150 A を流している。力率は遅れ 0.92 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 = 150 Acos φ = 0.92
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 150 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 0.72 で 150 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 = 150 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: L = 180 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 = 6/24 = 0.25

インダクタンス

L = 18·0.25/(1·25·10³) = 180 µH

答え

L = 180 µH
2.DC-DC コンバータ

答え: Io,min = 11.45 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 = 14.4/48 = 0.3

リプル電流

ΔIL = 14.4·0.7/(22·10⁻⁶·20·10³) = 22.91 A

境界での負荷電流

Io,min = ΔIL/2 = 11.45 A

答え

Io,min = 11.45 A

この電流より小さくなると、コンバータは不連続導通に入り、Vo は D·Vin を超えて上昇します。

3.直流モーター

答え: n = 1218 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 = 110 − 8·1 = 102 V
ω = E/k = 127.5 rad/s → n = 1218 rpm

答え

n = 1218 rpm
4.直流モーター

答え: Rs = 8.728 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 = 24/2 = 12 A
E = 2·62.83 = 125.7 V

直列抵抗

Ra + Rs = (240 − 125.7)/12 = 9.528 Ω
Rs = 8.728 Ω

答え

Rs = 8.728 Ω

この抵抗器は 1257 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: Q = 24 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(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

無効電力

Q = P·tan φ = 18·1.333 = 24 kvar

答え

Q = 24 kvar
6.交流電力と力率

答え: Pmax = 360 W

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。

共役整合

負荷のリアクタンスは電源のリアクタンスを打ち消し、負荷抵抗は電源抵抗に等しくなります。

ZL = Zs* = 10 − j3 Ω

最大電力

I = Vs/(2Rs) = 120/20 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·10) = 360 W

答え

Pmax = 360 W
7.三相電力

答え: P = 99.19 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 = √3·415·150 = 107.8 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 107.8·0.92 = 99.19 kW

答え

P = 99.19 kW
8.三相電力

答え: Cph = 133.6 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 = 150·tan(acos 0.72) = 150·0.9639 = 144.6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 71.93 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 = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23977/(377·690²) = 133.6 µF

答え

Cph = 133.6 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics