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
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

理想的な反転形昇降圧コンバータが、500 kHz、L = 22 µH で 24 V を −36 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​ = 24 VVo​ = −36 Vf = 500 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.DC-DC コンバータむずかしい
+−9 VLSC = 220 µFR = 25 Ω+−18 V

理想的な 昇圧形 コンバータが、200 kHz で 9 V を 18 V に変換し、負荷は 25 Ω です。出力コンデンサは 220 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​ = 9 VVo​ = 18 Vf = 200 kHzC = 220 µFR = 25 Ω
ΔVo = mV
3.直流モーターふつう
+−48 VRa​ = 0.25 ΩIa​ = 25 AM+−EωT

直流モーターが 48 V の電源から 25 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.25 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 31 W です。効率 η を求めなさい。

V = 48 VIa = 25 ARa = 0.25 ΩProt = 31 W
η = %
4.直流モーターむずかしい
+−220 VD = ?Ra​ = 0.5 ΩM+−En = 900 rpmT = 0.2 N·m

直流チョッパが、220 V の直流母線からモーター(k = 0.1 V·s/rad、Ra = 0.5 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·220 V です。負荷 0.2 N·m で 900 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 220 Vk = 0.1 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 0.2 N·mn = 900 rpm
D = %
5.交流電力と力率ふつう
240 V125 kW, 0.723 kW, 0.85I

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 0.7 の 25 kW の負荷と、遅れ力率 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 = 240 VP1 = 25 kW, pf1 = 0.7 遅れP2 = 3 kW, pf2 = 0.85 遅れ
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 35 kWQ1​S1​φ

150 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.65 で 35 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 = 35 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M11 kW, η = 91%cos φ = 0.9

三相誘導電動機が全負荷で 11 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 91%、力率は遅れ 0.9 である。電源の線間電圧は 400 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 11 kWη = 91%cos φ = 0.9VL = 400 V
IL = A
8.三相電力むずかしい
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、480 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.75 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 0.95 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 = 150 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 1.309 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 = 36/(24 + 36) = 0.6

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 = 24 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0.6/(22·10⁻⁶·500·10³) = 1.309 A

答え

ΔIL = 1.309 A
2.DC-DC コンバータ

答え: ΔVo = 8.182 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 = 1 − 9/18 = 0.5

負荷電流

Io = 18/25 = 0.72 A

出力リプル

ΔVo = 0.72·0.5/(200·10³·220·10⁻⁶) = 8.182 mV

答え

ΔVo = 8.182 mV
3.直流モーター

答え: η = 84.4 %

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 = 48·25 = 1200 W
Pdev = 41.75·25 = 1044 W
Pout = 1044 − 31 = 1013 W

効率

η = 1013/1200·100 = 84.4 %

答え

η = 84.4 %
4.直流モーター

答え: D = 4.739 %

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。

必要な電機子電圧

Va = 0.1·94.25 + 2·0.5 = 10.42 V

デューティ比

D = 10.42/220 = 4.739 %

答え

D = 4.739 %
5.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.7152

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 = 25·tan(arccos 0.7) = 25.51 kvar
Q2 = 3·tan(arccos 0.85) = 1.859 kvar

合計

P = 25 + 3 = 28 kW
Q = 25.51 + 1.859 = 27.36 kvar
S = √(28² + 27.36²) = 39.15 kVA

全体の力率

cos φ = P/S = 28/39.15 = 0.7152 遅れ

答え

cos φ = 0.7152
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 109.3 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 = 35·tan(arccos 0.65) = 40.92 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 − 40.92²) = 144.3 kW

追加できる有効電力

ΔP = 144.3 − 35 = 109.3 kW

答え

ΔP = 109.3 kW
7.三相電力

答え: IL = 19.39 A

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。

電気入力

Pin = Pout/η = 11/0.91 = 12.09 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12088/(√3·400·0.9) = 19.39 A

答え

IL = 19.39 A
8.三相電力

答え: Cph = 382.2 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 0.75) = 150·0.8819 = 132.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.95) = 150·0.3287 = 49.3 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 82.98 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 = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27662/(314.2·480²) = 382.2 µF

答え

Cph = 382.2 µF

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