見本パワーエレクトロニクスシステムのパクトクシム基礎と応用～実践システム設計システム設計・モデリング技術モデリング技術～長崎大学大学院工学研究科電気・情報科学分野准教授阿部貴志講義概要パワエレクトロニクスの概要パワーエレクトロニクスの概要直流－直流変換技術と直流電動機への応用直流直流変換技術と直流電動機への応用降圧形，昇圧形，双方向チョッパの原理直流電動機の原理直流ドライブシステムと制御直流－交流変換技術と交流電動機への応用単相三相インバータ PWM制御法の原理単相，三相インバータ，PWM制御法の原理永久磁石形同期電動機の原理交流ドライブシステムと制御見本見本パワエレの基礎ワの基礎スイッチングデバイス（IGBT） nチャネル形IGBT 等価回路構造概略図・バイポーラトランジスタとMOSFETを1チップ上に複合した素子。・ nチャネル形において，コレクタに正，エミッタに負の電圧を与え，ゲトにミタに対して正電圧を加えるとオゲートにエミッタに対して正電圧を加えるとオン，負(または0)電圧を加えるとオフ。オン時にコレクタ→エミッタと電流が流れる。・電圧制御形であり，駆動電力が小さい。・ MOSFETと同様に，高速スイッチングが可能。・トランジスタと同様に，オン抵抗が小さく，低損失，大容量。見本降圧チョッの基礎降圧チョッパの基礎インダクタは電流の変化に対し，起電力を生じ，電流の変化を妨げようとする。 IGBT : オン電流は増加し，それを妨げようとインダクタに起電力が生じる。この時，以下のようになる。 io = is， Ed = eL + eo 誘導性負荷降圧チョッの基礎降圧チョッパの基礎 IGBT : オフ電流は減少し，インダクタに起電力が生じ，電流は減少しインダクタに起電力が生じ電流を保持しようとするが，上図では電流の経路が無い。そこでダイオードを挿入。 io = iD， 0 = eL + eo 見本誘導性負荷降圧チョッ降圧チョッパ見本実際に使用される回路（出力にコンデンサ）十分に大きな C を挿入すると，を挿入すると LPFとして作用し，出力電圧 eo は常に一定値常に定値 Eo=DEd となる。となるまた，出力電流は iR = Eo / R となる。 R = 5 L = 20H, C = 100F Ed = 10V, T = 10s, D = 0.75 Eo = 7.5V, iR = 1.5A, iL = 0.9375A 昇圧チョッ昇圧チョッパ見本昇圧チョッパの実用回路昇圧形コンバータとも呼ばれ，昇圧形コンバタとも呼ばれ入力より高い出力電圧が得られる。十分に大きなCを挿入しており，出力電圧eoは常に一定値Eoとなる。 R = 10 L = 125H, C = 470F Ed = 24V, T = 10s, D = 0.6 双方向チョッ双方向チョッパ見本 A→B 降圧チョッパ Aに電源，Bに負荷を接続。 S2には常にオフ信号を与え，S1に対してスイッチング信号を供給する。 S1に対するスイッチング信号のデューティ比により出力電圧が決まる。 L = 125H, C1 = 470F, C2 = 100F R = 10 , Ed = 60V, 60V T = 10s, 10 D = 0.4 04 Eo = 24V, io = 2.4A, iL = 1.152A B→A 昇圧チョッパ Aに負荷，Bに電源を接続。 S1に常にオフ信号を与え，S2に対してスイッチング信号を供給するスイッチング信号を供給する。 S2に対するスイッチング信号のデューティ比により出力電圧が決まる。 L = 125H, 12 C1 = 470F, 4 0 C2 = 100F 100 R = 10 , Ed = 24V, T = 10s, D = 0.6 Eo = 60V, Io = 6A, IL = 15A , iL = 1.152A 直流電動機の原理 Ia 他励式を例に界磁鉄心回転速度界磁巻線 m 見本電機子電流電機子鉄心電機鉄心電機子巻線電源電流 I 界磁電流 If Vf V 電源電圧電源電界磁電圧発生トルク T = KaIa = Kt Ia 誘導起電力 E0 = Kam = Ke n dI a 電圧方程式 V  Ra I a  La  E0 dt d m  TL 運動方程式 T  J dt ここで，Ka = pNa = pZ / 2a ， Kt = 2Ke / 60 ，p:極対数，Na:電機子有効巻数 Z 電機子全導体数並有効巻数，Z:電機子全導体数，a:並列回路数，n:毎分の回転数[rpm]， m :回転角速度[rad/s] ，:1極有効磁束磁束[wb]，R 電機子抵抗 a:電機電機 a:電機子抵抗，L 子巻線インダクタンス，TL:負荷トルク， J:慣性モーメント直流ドライブシテ直流ドライブシステム見本降圧チョッパ＋直流電動機等価回路電動機の時定数 La / Ra が十分に大きく，周期 T も早く，電流が連続とする。も早く電流が連続とする発生トルク T = KaIa = Kt Ia ダイオード両端電圧の平均値は，誘導起電力 E0 = Kam = Ke n 1 T ED   eD dt T 0 dI a 電圧方程式 DEd  Ra I a  La  E0 Ton 1 T   Ed dt  Ed  DEd dt T 0 T Ra 回転角速度   DEd  T m 2 L これを電動機への入力電圧とする。 on K aΦ ( K aΦ ) 見本直流ドライブシテ直流ドライブシステム第2象限までの運転範囲拡大双方向チョッパの利用第1象限運転 1 S2に常にオフ信号を与え，S に常にオフ信号を与え S1に対して Ed スイッチング信号を供給する。 S1に対するスイッチング信号のデューティ比により出力電圧が決まるにより出力電圧Vが決まる。 ia > 0, V > E0 > 0 第2象限運転 S1に常にオフ信号を与え，S に常にオフ信号を与え S2に対してスイッチング信号を供給する。 S2に対するスイッチング信号のデューティ比により電源 Ed への回生割合が決まる。の回生割合が決まる ia < 0, E0 > V > 0 1 ia m 2 DCM 2 V E0 インインバータの基礎タの基礎 t0 ～ t1：S1とS4をオン， S2とS3をオフ負荷負荷Rに正の電源電圧電電 Ed ac 1 見本 2 eac d 3 4 t1 ～ t2：S2とS3をオン，をオン S1とS4をオフ負荷Rに負の電源電圧 -Ed 単相電圧形方形波イン単相電圧形方形波インバータタ見本出力電圧実効値  2Ta 1 2 ( )  ( 1  ) Veff  f t dt E d     T 出力電圧基本波実効値 T 2 2 V1  E d cos( a )  T R = 2 L = 8mH, 8mH  = 4ms, Ed = 50V, T = 10ms , Ta = 2/5 三相電圧形方形波インバータ相電圧形方形波インタ 180度通電方形波方式基本構成のレグを3つ並列に接続し 3相構成とする接続し，3相構成とする。各スイッチを180度期間オンし，各相は120度ずらして点弧する。平衡三相負荷が接続。 R = 2 L = 2mH,  = 1ms Ed = 50V, T = 10ms 見本三相電圧形正弦波インバータ相電圧形正弦波インタ見本指令電圧：実効値Vs = 30V，周波数 fs =100Hz u相指令 = 2 Vs /Ed sint, v相指令 = 2 Vs /Ed sin((t – 2/3), ), w相指令 = 2 Vs /Ed sin(t – 4/3), 搬送波：振幅：1, 周波数 fc =900Hz, 入力Ed = 50V 永久磁石形同期電動機見本交流電動機には，誘導電動機と同期電動機があるが，高効率，小型軽量制御性能などの理由で永久磁石形同期電動機が小型・軽量，制御性能などの理由で，永久磁石形同期電動機が，家電用，工作機器，ロボット，鉄道車両に多く利用され，最近は，自動車用の主機として応用されてる。自動車用の主機として応用されている。永久磁石形同期電動機の構造 1) 電機子 2/3の位相差を持つ三相固定子電機子巻線平衡三相電機子電流を流機子巻線。平衡三相電機子電流を流し，図のように，各相巻線軸を定義。 2) 界磁永久磁石を持つ回転子。円周方向の磁束密度を正弦波状に工夫。N極の向きをd軸，回転方向90度先をq軸。