パワーエレクトロニクス講義資料 第10回　ブレーキのかけられる回路

担当：古橋武 furuhashi@cse.nagoya-u.ac.jp

1

図8.1 降圧チョッパによるDCモータ の回転数制御回路

図8.2 モータの回転数制御と電機子電流

1

2

3

2 4 6 0

0

vω

t [s]

vωcom

0

100

200

300

4 6

[V]

t [s]

ia [mA]

Tdec

ω

Tr

D E R3

ia

ia 加速

2

p.117

図8.1 降圧チョッパによるDCモータ の回転数制御回路

図8.2 モータの回転数制御と電機子電流

1

2

3

2 4 6 0

0

vω

t [s]

vωcom

0

100

200

300

4 6

t [s]

ia [mA]

Tdec

ω

Tr

D E R3

ia

ia 加速

ブレーキはかけられているか？

3

[V]

図8.1 降圧チョッパによるDCモータの回転数制御回路

ω

Tr

D E R3

ia モータにブレーキを掛けるには であるので， としなければならない．

=τ

4

モータにブレーキを掛けるには であるので， としなければならない．

図8.1 降圧チョッパによるDCモータの回転数制御回路

ω

Tr

D E R3

ia

0 <ai

5

(7.12) aiKττ =

図8.1 降圧チョッパによるDCモータ の回転数制御回路

ω

Tr

D E R3

ia

図8.3 降圧チョッパによるDCモータ 駆動回路の等価回路

Ra

La

Ea

ia ×

× E R3

DCモータ

ブレーキ時 駆動時

6

p.118

図8.1 降圧チョッパによるDCモータ の回転数制御回路

ω

Tr

D E R3

ia

図8.3 降圧チョッパによるDCモータ 駆動回路の等価回路

Ra

La

Ea

ia ×

× E R3

DCモータ

逆方向に流す経路がない

ブレーキ時 駆動時

7

Ra

La

Ea

DCモータ

昔の（東山線の全身黄色の）電車 は

8

熱エネルギ 運動エネルギ 電気エネルギ

Ra

La

Ea

ia

DCモータ

昔の（東山線の全身黄色の）電車 は

ブレーキを掛けるときにスイッチオン

9

熱エネルギ 運動エネルギ 電気エネルギ

図8.4 昇圧チョッパ回路によるブレーキの原理

現代のチョッパ電車では

10

Ra

La

Vω

トランジスタ駆動回路

Tr E

D

DCモータ

Ra

La

トランジスタ駆動回路

Tr E

D

DCモータ

　　　　 であることに注意

Vω

p.118

図8.4 昇圧チョッパ回路によるブレーキの原理

現代のチョッパ電車では

11

Ra

La

Vω

トランジスタ駆動回路

Tr E

D

ia

DCモータ

Trオン

Ra

La

トランジスタ駆動回路

Tr E

D

ia

DCモータ

Dオン Trオフ Dオフ

VE > Vωであることに注意

Vω

E + C

R

LED

VE Tr

L D

昇圧チョッパ回路

Vo

Ra

La

Vω

Tr E

D

DCモータ DCモータにブレーキを掛ける回路

VE

電源と出力が入れ替わる．

電源と出力が入れ替わる．

E + C

R

LED

VE Tr

L D

昇圧チョッパ回路

Vo

VE < Vo

出力

電源

Ra

La

Vω

Tr E

D

DCモータ DCモータにブレーキを掛ける回路

出力 VE

VE > Vω

モータの逆起電力を電源とする．

図8.6 トランジスタのオン／オフと動作モード

La

Ea

E

D

La

Ea

Tr E

D

La

Ea Tr:オフ

E

D DCモータ

La

Ea Tr:オン

E

D DCモータ

電流の流れ

エネルギの流れ

電流の流れ

エネルギの流れ

14

p.118

図8.6 トランジスタのオン／オフと動作モード

La

Ea

E

D

La

Ea

Tr E

D

La

Ea Tr:オン

E

D

ia

DCモータ

電流の流れ

エネルギの流れ

電流の流れ

エネルギの流れ

＋

－ ＋

－

＋

－

＋

－

15

La

Ea Tr:オフ

E

D

電流の流れ

Trの損失

電磁エネルギとして蓄積

運動エネルギ →電気エネルギとして放出

DCモータ p.118

図8.6 トランジスタのオン／オフと動作モード

La

Ea

E

D

La

Ea

Tr E

D電流の流れ

エネルギの流れ

電流の流れ

エネルギの流れ

エネルギ回生

＋

－ ＋

－

＋

－

＋ －

16

運動エネルギ →電気エネルギとして放出

Trの損失

電磁エネルギを放出 電磁エネルギ

として蓄積

Dの損失

La

Ea Tr:オン

E

D

ia

DCモータ

＋

－

＋

－ La

Ea Tr:オフ

E

Dia

＋

－

＋ － DCモータ p.118

昇圧チョッパと降圧チョッパの共存

D1

Tr1 Tr2

D2

E

17

p.120

昇圧チョッパと降圧チョッパの共存

D1

Tr1 Tr2

D2

E

18

D1

Tr1 Tr2

D2

D1

Tr1 Tr2

D2

D1

Tr1 Tr2

D2

D1

Tr1 Tr2

D2

図8.6 トランジスタのオン／オフと動作モード

E E

E E

19

(a) ia > 0, Tr1: オン, Tr2 : オフ (b) ia > 0, Tr1: オフ， Tr2: オン

(c) ia < 0, Tr1: オン, Tr2: オフ (d) ia < 0, Tr1: オフ, Tr2: オン

Tr1はオンしているが，iaはD1を流れる．

Tr2はオンしているが，iaはD2を流れる．

p.120

D1

Tr1 Tr2

D2 ia

E

D1

Tr1 Tr2

D2

ia

D1

Tr1 Tr2

D2

ia

図8.6 トランジスタのオン／オフと動作モード

E E

20

Tr1はオンしているが，iaはD1を流れる．

D1

Tr1 Tr2

D2

ia E

Tr2はオンしているが，iaはD2を流れる．

(a) ia > 0, Tr1: オン, Tr2 : オフ (b) ia > 0, Tr1: オフ， Tr2: オン

(c) ia < 0, Tr1: オン, Tr2: オフ (d) ia < 0, Tr1: オフ, Tr2: オン

D1

Tr1 Tr2

D2

E

21

絶対にやってはいけないこと p.121

絶対にやってはいけないこと

D1

Tr1 Tr2

D2

E

22

同時にオンすること

D1

Tr1 Tr2

D2

E

23

同時にオンすること

電源短絡

絶対にやってはいけないこと

[V]

0

-0.7

0.7

図8.9 ベース・エミッタ間電圧とTr1, Tr2のオン／オフ

t [s]

図8.8 トランジスタ駆動回路 （電源短絡対策あり）

D1

Tr1 E

Tr2 D2

RB

VE

vref

三角波生成回路

- +

vtri

OP

vPWM

PWM制御回路

24

Tr2 　　

Tr1

[V]

0

-0.7

0.7 vBE

図8.9 ベース・エミッタ間電圧とTr1, Tr2のオン／オフ

t [s]

図8.8 トランジスタ駆動回路 （電源短絡対策あり）

vBE

D1

Tr1

E Tr2 D2

RB

VE

vref

三角波生成回路

- +

vtri

OP

vPWM

PWM制御回路 電源を短絡させない

Tr2 オン

オフ

オフ

Tr1 オフ オン

オフ

25

D

DCM1

6V

3V

vPWM = 0

3V PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615

P1B

510 RB

Tr1 Tr2

D1

2SC2120 2SA950

50 Rs

D

DCM1

6V

3V

vPWM≒6[V]

3V PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615

P1B

510 RB

Tr1 Tr2

D1

2SC2120 2SA950

50 Rs

Tr2オン時のTr2のベース電流の経路 Tr1オン時のTr1のベース電流の経路

図8.14 モータの回転数と電機子電流

vωcom vω

t [s]

ia [mA]

t [s]

vω t [s]

[V]

(a) ブレーキあり

(b) ブレーキなし

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

[V]

vωcom

1 3

27

p.127

vωcom

vωcom

図8.14 モータの回転数と電機子電流

vω t [s]

ia [mA]

t [s]

vω t [s]

[V]

(a) ブレーキあり

(b) ブレーキなし

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

[V]

1 3 ia < 0

28

ブレーキありでは減速時間が短い

ω

-

+

0.1µF 100k

VR2 C1

OP1

D DCM1

DCM2

510 R5

Step8 製作課題　ﾌﾞﾚｰｷのかけられるチョッパ回路によるDCモータの回転数制御 (1)  空白部分を設計せよ．ただし，オペアンプによるPI制御回路の比例ゲイン Kp = 5, 積分ゲイン KI = 1000の回路構成とせよ．また，オペアンプの電源は±3 [V]とせよ．チョッパ回路は，SW2オンのときブレーキがかけられ， SW2オフのときはこれまでの降圧チョッパ回路と同じ働きをする回路とせよ．設計した回路を製作し，次ページのことを確認せよ．

6V

3V

vPWM

510 R4

LED1

（A1 A0 = 10）

3V PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615

P1B

A2 A1 A0 1µF CS

-vωcom vcom

vω 510 RB

Tr1 Tr2

D1

2SC2120 2SA950

10k

10k

R2

R1

100 R6

2k VR1

SW1

SW2

50 Rs

SW1を押すとモータは止まる．

R5, R6を挿入する．

Step8 製作課題　（つづき） (2) ブレーキの効果を確認せよ．この効果は，モータの高速回転時にSW1を押すときの停止までの所要時間，ブレーキ音の差によって分かる．

Step8 レポート課題　 (1)  下図のDCモータのフィードバック制御回路において，指令電圧vωcom とモータDCM1の回転数に相当す

る電圧vω が一致している状態から， vωcom が大きくなったとする．各部の電圧はどのように変化する

か？ 　　　vωcom　→ 大　　vcom　→ ？　　vPWM → ？　vD → ？　 vω → ？ 　　

ω

-

+ 10k

10k 0.1µF 100k

R2

R1

VR2 C1

OP1

D DCM1

DCM2

2k VR1

6V

3V

vPWM

510 R4

LED1

（A1 A0 = 10）

3V PIC16F615 PIC12F615 PIC12F615

P1B

A2 A1 A0 0.1µF CS

-vωcom vcom

vω 100 RB

Tr1 Tr2

D1

2SC2120 2SA950

vD

Step8 レポート課題 (2) P制御では回転数指令値vωcom と回転数vωを一致させることはできず（（7.32）式），PI制御では両者を一致させることができる（（7.37）式）．このことを定性的に説明せよ．すなわち，図7.10では何故vωcom = vωを維持できないのか？図7.19では，何故vωcom = vωを維持できるのか？

（ヒント）モータの回転数を維持するには図7.2においてモータの印加電圧の平均値（チョッパ回路のダイオード両端電圧の平均値）vD > 0 としつづけなければならない．そうでなければモータの回転数は摩擦などにより低下し，やがて止まってしまう．図7.10と図7.19の違いはコンデンサC1である．

解答はコンデンサC1の役割に焦点を絞って論ぜよ．

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