熱との戦い
パワーエレクトロニクスは、負荷に対して電力を 最適に供給することが目的です。 回路を利用して電力を供給するので、途中で発生する 損失を、極力少なくします。 電力を供給する場合、損失エネルギーは、熱、音、光 等に変換されます。損失エネルギーが変換されると、熱、音、光等になり ますが、この中で最もやっかいなのが、熱です。 パワーエレクトロニクスの回路中には、必ずキャパシタが 含まれます。キャパシタは、温度による劣化や経年変化が 激しい部品なので、キャパシタ周辺の温度変化が激しいと 劣化の進行速度が大きくなり、故障発生の確率が高くなり ます。 回路での温度変化により、筺体の温度が上昇すると冷却を 必要とする装置では、無駄な電力消費が発生。 回路や筺体の温度上昇は、利用されている部品の劣化や破損 につながるので、故障発生の遠因になることもあります。 そこで、不要な熱の発生を抑える工夫をします。 発生する熱の低減に、次のような対策を考えます。
- 抵抗成分を減らす
- 周波数を下げる
- 与える電力を減らす
抵抗成分を減らす
電力は、W=IxIxRで計算できます。 この式を損失電力に当てはめると、抵抗分Rに 比例しています。従って、Rを小さくすれば 損失電力は減る方向に動きます。 抵抗分を減らすには、小さな積み重ねが必要に なります。どうしても減らせない抵抗分も存在。 減らせない抵抗分は、インダクタ、キャパシタ の中にある、直列か並列の抵抗。 また、トランスを利用する場合、巻線の抵抗分 は、減らせません。 それでは、減らせる抵抗分は、どこに存在するのか 探してみます。 最近のパワーエレクトロニクスでは、インバータの発振には マイコンを利用しています。ワンチップマイコンを利用して 実装面積を小さくしています。 実装面積を小さくするために、マイコンのピンには プルアップあるいはプルダウンの抵抗はつけません。 マイコンチップ中の抵抗を使います。 プルアップ、プルダウンの抵抗をなくしていけば 抵抗分は減ります。 微小な発熱量であっても、長時間動く回路には 「塵も積もれば山となる」で、無視できません。 パワーエレクトロニクスが使われる場所は、季節に よる温度変化もあります。夏の酷暑でエアコン停止 は生命に関わるので、許されません。 抵抗分は、直流、交流を問わずに、電力消費につながる ため、減らして熱損失を抑えなければなりません。周波数を下げる
インバータでは、周波数を可変にしてアクチュエータを 制御しますが、周波数が高いと、電圧や電流の変化が 大きく、W=IxVで表されるIやVが大きくなり、積分した 損失電力が増えます。損失電力の一部が熱になるので 損失電力→増加は、熱→増加に比例します。 インバータでは、商用周波数である50Hzや60Hzを使はずに 可聴帯域より、はるか上の周波数を使います。 40kHz〜200kHz程度が常用周波数帯域。 使う周波数帯域を、可聴帯域まで下げても問題ないなら 利用する周波数の1/2〜1/10にします。 スイッチング素子を利用する場合、デッドタイムと呼ぶ期間 を必要とすることがあります。デッドタイムはリアクタンス や半導体に流れる電流の切り替え時に設ける空白時間。 このデッドタイムがないと、逆起電力で素子破壊が起こります。 デットタイムが不適切だと、静電エネルギーや電磁エネルギー が素子の抵抗分を使って、熱になり損失電力になります。 周波数が低くなると、必要なデッドタイムを確実に用意できる ので、結果として損失電力が減ります。与える電力を減らす
パワーエレクトロクスを利用したシステム全体に 与える電力を減らすと、それに伴って、発熱量は 減ります。 電力はW=VxIで計算できます。 V、Iのどちらか一方あるいは両方を減らすと 与える電力を減らせるので、発熱量も減ります。 この式に基づいた制御方式が、PAM(Pulse Amplitude Modulation)です。 誘導電動機が動き始めて、定常状態になったときに 慣性で回転を維持できるまで、与える電力を減らす と全体の発熱量を減らせます。 始動するときには、ある程度の電力は必要ですが 運転しているときは、極力、与える電力を減らす 方式です。目次 前 次