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
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

理想的な 昇圧形 コンバータが、40 kHz、L = 220 µH で 48 V を 80 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​ = 48 VVo​ = 80 Vf = 40 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
+−12 VSLC = 10 µFR = 5 Ω−+−36 V

理想的な 昇降圧形 コンバータが、40 kHz で 12 V を −36 V に変換し、負荷は 5 Ω です。出力コンデンサは 10 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​ = 12 VVo​ = −36 Vf = 40 kHzC = 10 µFR = 5 Ω
ΔVo = mV
3.直流モーターふつう
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

直流モーターが 1000 rpm で機械的な電力 0.75 kW を出力します。軸トルク T を求めなさい。

P = 0.75 kWn = 1000 rpm
T = N·m
4.直流モーターむずかしい
+−220 VRa​ = 0.5 ΩM+−En = ?T = 24 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 0.8 V·s/rad、Ra = 0.5 Ω、V = 220 V)が、一定の負荷トルク 24 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 70 % に減らします。新しい速度 n を求めなさい。

V = 220 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 24 N·mΦ = 70 %
n = rpm
5.交流電力と力率ふつう
P = 1 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.8 で 1 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 1 kWpf = 0.8V = 400 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
10 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

10 V(実効値)、50 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 20 + j15 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 最大電力を得る負荷を、抵抗とコンデンサの直列回路でつくる。静電容量 C を求めよ。

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j15 Ω
C = µF
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = 100 Acos φ = 0.88遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 480 V の電源から線電流 100 A を流している。力率は遅れ 0.88 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 480 VIL = 100 Acos φ = 0.88
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 50 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 0.65 で 50 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 0.92 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 = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 2.182 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 − 48/80 = 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 = 48 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0.4/(220·10⁻⁶·40·10³) = 2.182 A

答え

ΔIL = 2.182 A
2.DC-DC コンバータ

答え: ΔVo = 13500 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 = 36/(12 + 36) = 0.75

負荷電流

Io = 36/5 = 7.2 A

出力リプル

ΔVo = 7.2·0.75/(40·10³·10·10⁻⁶) = 13500 mV

答え

ΔVo = 13500 mV
3.直流モーター

答え: T = 7.162 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。

rad/s での角速度

ω = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s

トルク

T = P/ω = 750/104.7 = 7.162 N·m

答え

T = 7.162 N·m
4.直流モーター

答え: n = 3386 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。

弱めたあとのモーター定数

k₂ = 0.7·0.8 = 0.56 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 24/0.56 = 42.86 A

新しい速度

ω = (220 − 42.86·0.5)/0.56 = 354.6 rad/s → n = 3386 rpm

答え

n = 3386 rpm

界磁弱めは、直流ドライブが基底速度より高い速度で運転する方法です。

5.交流電力と力率

答え: Q = 0.75 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(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75

無効電力

Q = P·tan φ = 1·0.75 = 0.75 kvar

答え

Q = 0.75 kvar
6.交流電力と力率

答え: C = 212.2 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。

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* = 20 − j15 Ω

静電容量

XC = 15 Ω → C = 1/(2π·50·15) = 212.2 µF

答え

C = 212.2 µF
7.三相電力

答え: P = 73.16 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 = √3·480·100 = 83.14 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 83.14·0.88 = 73.16 kW

答え

P = 73.16 kW
8.三相電力

答え: Cph = 686.7 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 = 50·tan(acos 0.65) = 50·1.169 = 58.46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.92) = 50·0.426 = 21.3 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 37.16 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12386/(314.2·239.6²) = 686.7 µF

答え

Cph = 686.7 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics