パワーエレクトロニクス 第四回全波整流回路 - osaka...
TRANSCRIPT
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パワーエレクトロニクス第四回 全波整流回路
2020年5月13日
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授業の予定
• パワーエレクトロニクス緒論• パワーエレクトロニクスにおける基礎理論• パワー半導体デバイス• 整流回路• 整流回路の交流側特性と他励式インバータ• 交流電力制御とサイクロコンバータ• 直流チョッパ• DC-DCコンバータと共振形コンバータ• 自励式インバータ• 演習
2020/05/13 パワエレ-4 2
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全波整流回路
• 負荷条件• 抵抗負荷• 誘導負荷• 容量負荷
• 導通状態• 点弧角• 消弧角
• 出力• 電圧• 高調波• 歪率• 力率
• 可制御素子• サイリスタを用いた点弧位相制御
• 誘導負荷• 起電力付誘導負荷
2020/04/30 パワエレ-3 3
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
2020/05/13 パワエレ-4 4
• 電源交流電圧:𝑣 𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡
• 𝑣 𝑡 0 0 𝑡• 導通D1, D2, 遮断:D3,D4
• 𝑣 𝑡 0 𝑡• 導通D3, D4, 遮断:D1,D2
𝑣 𝑣
𝑖𝐷
𝐷
𝐷
𝐷
𝑖
-1.2
-0.7
-0.2
0.3
0.8
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
v
vd
-1.2
-0.7
-0.2
0.3
0.8
0 60 120 180 240 300 360電流[p.u.]
ωt[deg]
id
電圧
電流
-
ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 直流電圧平均値
• 𝑉 𝑣 𝑡 𝑑𝑡 𝑣 𝑡 𝑑𝑡 𝑣 𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇
1𝜔 cos𝜔𝑡
2𝑉𝜔𝑇 cos𝜋 cos 0
2𝑉2𝜋 1 1
2𝑉𝜋
• 直流電流の平均値• 𝐼
2020/05/13 パワエレ-4 5
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 出力電圧に含まれる高調波• 𝑣 𝑡 ∑ 𝑎 cos 𝑖𝜔𝑡 𝑏 sin 𝑖𝜔𝑡
• 𝑎 𝑣 𝑡 𝑑𝑡 𝑉
• 𝑏 0
• 𝑎 𝑣 𝑡 cos𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 cos𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡 cos𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 cos𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇
sin 2𝜔𝑡2 𝑑𝑡
𝑉𝑇
cos 2𝜔𝑡2𝜔
𝑉2𝜔𝑇 cos 2𝜋 1
𝑉4𝜋 1 1 0
2020/05/13 パワエレ-4 6
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 𝑏 𝑣 𝑡 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇
cos 0 cos 2𝜔𝑡2 𝑑𝑡
𝑉𝑇 𝑡
sin 2𝜔𝑡2𝜔
𝑉𝑇𝑇2 0
𝑇2 𝑇
sin 2𝜋 0 sin 2𝜋 sin 4𝜋2𝜔 0
2020/05/13 パワエレ-4 7
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 𝑎 𝑣 𝑡 cos 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 cos 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡 cos 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 cos 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇
sin 1 𝑖 𝜔𝑡 sin 1 𝑖 𝜔𝑡2 𝑑𝑡
𝑉𝑇
cos 1 𝑖 𝜔𝑡1 𝑖 𝜔
cos 1 𝑖 𝜔𝑡1 𝑖 𝜔
2𝑉𝜔𝑇
cos 1 𝑖 𝜋 11 𝑖
cos 1 𝑖 𝜋 11 𝑖
𝑉𝜋1 1
1 𝑖1 1
1 𝑖
2020/05/13 パワエレ-4 8
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 𝑏 𝑣 𝑡 sin 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 sin 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡 sin 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 sin 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝑡
2𝑉𝑇
cos 1 𝑖 𝜔𝑡 cos 1 𝑖 𝜔𝑡2 𝑑𝑡
𝑉𝑇sin 1 𝑖 𝜔𝑡1 𝑖 𝜔
sin 1 𝑖 𝜔𝑡1 𝑖 𝜔
2𝑉𝜔𝑇
sin 1 𝑖 𝜋 01 𝑖
sin 1 𝑖 𝜋 01 𝑖
02020/05/13 パワエレ-4 9
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ダイオード整流回路全波整流回路 抵抗負荷
• 直流電圧脈動率• (最大電圧-最小電圧)/平均電圧
•
2020/05/13 パワエレ-4 10
基本波周波数成分 𝑖 1 は現れない高調波に対応する𝑏 𝑖 1 の成分は無い高調波成分𝑎 は 奇数は𝑎 0,偶数は存在
出力波形が上下非対称振幅は高調波の次数𝑖に反比例
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ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 11
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
v
vd
vR
vL
• 直流電流が0とならない連続導通動作
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 60 120 180 240 300 360電流[p.u.]
ωt[deg]
i
id
電圧の応答(Q=1)
電流の応答(Q=1)
𝑣𝑣
𝑖
𝐷
𝐷
𝐷
𝐷
𝑖
𝑅 𝑣
𝐿 𝑣
-
ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 12
• 電源電圧 はRとLで分担•
•
• 導通状態のKVL•
•• 電流初期値:𝑖
•
𝑣 𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡
-
ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 13
•
•
• 𝑡 の時点で導通ダイオードのペアが交代
• 周期定常状態では初期値に一致する𝑖
-
ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 14
•
•
•
• 𝑖 0となり連続導通の条件が成り立つ
-
ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 15
• の解析解
• 𝑖 𝑡 𝜔𝐿 𝑒 cos𝜔𝑡 𝑅 sin𝜔𝑡
𝑒
𝑉𝑅 𝜔 𝐿 𝜔𝐿 𝑒 cos𝜔𝑡 𝑅 sin𝜔𝑡 𝜔𝐿
1 𝑒
1 𝑒𝑒
𝑉𝑅 𝜔 𝐿
2𝜔𝐿
1 𝑒𝑒 𝜔𝐿 cos𝜔𝑡 𝑅 sin𝜔𝑡
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ダイオード整流回路全波整流回路 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 16
• 抵抗に印加される電圧•
• インダクタに印加される電圧
•
•
-
ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 17
• 負荷の直流電圧源• 直流モータの起電力• 直流電流が不連続となることがある
𝑣𝑣
𝑖
𝐷
𝐷
𝐷
𝐷
𝑖
𝑅 𝑣
𝐿 𝑣
𝐸
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
v
vd
vR
vL
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 60 120 180 240 300 360電流[p.u.]
ωt[deg]
i
id
電圧の応答(Q=1)
電流の応答(Q=1)
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ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 18
• RとLにかかる電圧•
•
• 導通状態のKVL•
•
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ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 19
• ダイオードがターンオンする時点•
•
• を時間の原点においた を考える•••
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ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 20
•
•
•
•
-
ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 21
•
• cos 𝑧
• sin 𝑧
-
ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 22
•
• 連続導通の場合• 𝑖 𝑖
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ダイオード整流回路全波整流回路 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 23
•
𝑖
• 𝑖 1 𝑒 sin 𝜃 𝑧 1 𝑒
𝑒 1
• 𝑖 sin 𝜃 𝑧
• 𝑖 0の場合不連続導通となる
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ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 24
• コンデンサにより直流電圧脈動を低減
-1.2
-0.7
-0.2
0.3
0.8
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
vd
v
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 60 120 180 240 300 360
電流[p.u.]
ωt[deg]
iR
iC
id
𝑣
𝑖
𝑖
𝐷
𝐷
𝐷
𝐷
𝑖
𝑅 𝑣𝐶
𝑖
電圧の応答(Q=1)
電流の応答(Q=1)
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ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 25
• ダイオードの導通状態は電源電圧 とコンデンサの充電電圧 によって決まる
• 半波整流回路と同様• 𝑣 𝑡 𝑉 sin𝜔𝑡• 負の半波は逆極性で出力される
• 電源電流• 𝑖 𝑖 𝑖 𝐶 𝑉 𝐶𝜔 cos 𝜔𝑡
• コンデンサ充電電流𝑖 ,負荷電流𝑖
-
ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
• ダイオードの導通期間• 導通終了時点 (消弧角 )
• 半波整流と同じ
•
•
•• 電源電圧𝑣が最大値をとった後 𝜃 𝜋
• 𝜃 𝜋 tan 𝜔𝐶𝑅
2020/05/13 パワエレ-4 26
-
ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
• ダイオードの導通期間• 導通開始時点 (点弧角 )
• コンデンサ電流 が負荷電流 と等しい大きさ• 𝑖 𝑖 𝐶
• 𝐶 𝑠𝑉 𝑣
• 𝑣 𝑉 sin𝜃
• 𝑣 𝑡 𝑣 𝑒
• 次の半サイクルで非導通状態から導通状態に遷移• 𝑡 𝑡 ←この項が半波整流と異なる
2020/05/13 パワエレ-4 27
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ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
• ダイオードの導通期間• 導通開始時点 (点弧角 )
•
•• 数値解
2020/05/13 パワエレ-4 28
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ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
• 出力電圧平均値(半周期分で求める)
• 𝑉 𝑣 𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑣 𝑡 𝑑𝑡 𝑣 𝑡 𝑑𝑡
2𝑇 𝑉 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑉 sin𝜃 𝑒 𝑑𝑡
𝑉𝑇 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡 sin𝜃 𝑒 𝑑𝑡
2020/05/13 パワエレ-4 29
-
ダイオード整流回路全波整流回路 容量性負荷
• 出力電圧平均値
• 𝑉 cos𝜔𝑡 sin𝜃 𝐶𝑅𝑒
2𝑉𝑇
1𝜔 cos𝜃 cos𝜃 𝐶𝑅 sin𝜃 𝑒 1
𝑉𝜋 cos 𝜃 cos 𝜃 𝜔𝐶𝑅 sin𝜃 𝑒 1
2020/05/13 パワエレ-4 30
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
2020/05/13 パワエレ-4 31
• 順電圧印加状態でゲートに点弧パルスが与えられるまで遮断状態を維持• 直流出力を制御可能• (S1,S2)および(S3,S4)の組
み合わせで動作
-1.2
-0.7
-0.2
0.3
0.8
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
v
vd
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 60 120 180 240 300 360
電流[p.u.]
ωt[deg]
𝑣𝑣
𝑖
𝑆
𝑆
𝑆
𝑆
𝑖
𝑅 𝑣
𝐿 𝑣
電圧の応答
電流の応答
𝛼 𝛼 𝜋
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
• 交流電圧:• 点弧遅れ角:
• の時点でサイリスタをターンオン• 消弧角:
• の時点でサイリスタをターンオフ• 連続導通時:• 不連続導通時:
2020/05/13 パワエレ-4 32
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
• 導通状態のKVL•
• 時間の原点を において考える
•
•
•
2020/05/13 パワエレ-4 33
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
•
•
•
•
•
•2020/05/13 パワエレ-4 34
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
時間を に戻す
2020/05/13 パワエレ-4 35
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
• 連続導通の場合,電流初期値と終端値が等しい
•
•
•
2020/05/13 パワエレ-4 36
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
• 不連続導通となる場合
•
•• 消弧角 は より
•
• を数値解として求める
2020/05/13 パワエレ-4 37
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 誘導性負荷
• 出力電圧平均値• 連続導通時(半周期の平均)
• 𝑉 𝑉 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡
cos 𝛼 𝜋 cos𝛼 = cos𝛼
• 点弧角𝛼で出力電圧を制御できる• 不連続導通時
• 𝑉 𝑉 sin𝜔𝑡 𝑑𝑡 cos𝛽 cos𝛼
• 連続導通時より小さくなる
2020/05/13 パワエレ-4 38
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 起電力付誘導性負荷
2020/05/13 39
• 起電力があるため,直流から交流に電力を逆変換可能
-1.2
-0.7
-0.2
0.3
0.8
0 60 120 180 240 300 360電圧[p.u.]
ωt[deg]
v
vd
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 60 120 180 240 300 360
電流[p.u.]
ωt[deg]
𝑣
𝑖
𝑆
𝑆
𝑆
𝑆
𝑖𝑣
𝑅 𝑣
𝐿 𝑣
𝐸
パワエレ-4
電圧の応答
電流の応答
-
サイリスタHブリッジ回路位相制御 起電力付誘導性負荷
• サイリスタがターンオン可能な点弧角の条件•
• 導通状態のKVL•
• 連続導通時の出力電圧平均値•
• →
• →2020/05/13 パワエレ-4 40
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 起電力付誘導性負荷
•
•
•
2020/05/13 パワエレ-4 41
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 起電力付誘導性負荷
•
•
2020/05/13 パワエレ-4 42
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サイリスタHブリッジ回路位相制御 起電力付誘導性負荷
• 起電力がある場合の連続導通条件
•
•
• Lが十分大きい場合 (極性は不変)• → 順変換
• → 逆変換2020/05/13 パワエレ-4 43