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、50 kHz、L = 150 µH で 12 V を −18 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​ = 12 VVo​ = −18 Vf = 50 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
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、25 kHz、L = 150 µH で 12 V を 3.6 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​ = 12 VVo​ = 3.6 Vf = 25 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.直流モーターふつう
+−120 VRa​ = 1 ΩIa​ = 8 AM+−EωT

直流モーターが 120 V の電源から 8 A を引き込みます。電機子抵抗は 1 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 54 W です。効率 η を求めなさい。

V = 120 VIa = 8 ARa = 1 ΩProt = 54 W
η = %
4.直流モーターむずかしい
+−120 VRa​ = 2 ΩM+−En = ?T = 2 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 0.4 V·s/rad、Ra = 2 Ω、V = 120 V)が、一定の負荷トルク 2 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 90 % に減らします。新しい速度 n を求めなさい。

V = 120 Vk = 0.4 V·s/radRa = 2 ΩT = 2 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.交流電力と力率ふつう
120 VR + jXP = 1122 W11 A

誘導性負荷が 120 V(実効値)の単相電源から 11 A と 1122 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 120 VI = 11 AP = 1122 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
24 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

24 V(実効値)、50 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 25 + j30 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 = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j30 Ω
Pmax = W
7.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = 12 Acos φ = 0.92遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 480 V の電源から線電流 12 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 = 480 VIL = 12 Acos φ = 0.92
P = kW
8.三相電力むずかしい
P = 100 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 100 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 0.98 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 = 100 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 0.96 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 = 18/(12 + 18) = 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 = 12 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.6/(150·10⁻⁶·50·10³) = 0.96 A

答え

ΔIL = 0.96 A
2.DC-DC コンバータ

答え: Io,min = 0.336 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 = 3.6/12 = 0.3

リプル電流

ΔIL = 3.6·0.7/(150·10⁻⁶·25·10³) = 0.672 A

境界での負荷電流

Io,min = ΔIL/2 = 0.336 A

答え

Io,min = 0.336 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: η = 87.71 %

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 = 120·8 = 960 W
Pdev = 112·8 = 896 W
Pout = 896 − 54 = 842 W

効率

η = 842/960·100 = 87.71 %

答え

η = 87.71 %
4.直流モーター

答え: n = 2888 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 = 0.9·0.4 = 0.36 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 2/0.36 = 5.556 A

新しい速度

ω = (120 − 5.556·2)/0.36 = 302.5 rad/s → n = 2888 rpm

答え

n = 2888 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: R = 9.273 Ω

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。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 1122/11² = 9.273 Ω

答え

R = 9.273 Ω
6.交流電力と力率

答え: Pmax = 5.76 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* = 25 − j30 Ω

最大電力

I = Vs/(2Rs) = 24/50 = 0.48 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·25) = 5.76 W

答え

Pmax = 5.76 W
7.三相電力

答え: P = 9.178 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 = √3·480·12 = 9.977 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 9.977·0.92 = 9.178 kW

答え

P = 9.178 kW
8.三相電力

答え: Cph = 1786 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 = 100·tan(acos 0.65) = 100·1.169 = 116.9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.98) = 100·0.2031 = 20.31 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 96.61 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) = 32202/(314.2·239.6²) = 1786 µF

答え

Cph = 1786 µF

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