令和6年度上期第三種電気主任技術者試験 機械（電気技術者試験センター）問16(a)
機械
電圧形インバータに関する問題
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図1 は，IGBT を用いた単相ブリッジ接続の電圧形インバータを示す。直流電圧Ed [V]は，一定値と見なせる。出力端子には，インダクタンスL [H]で抵抗値R [Ω]の誘導性負荷が接続されている。この電圧形インバータの出力電圧v₀，出力電流i₀ が図2 のようになった。インバータの動作モードを図2 に示す①～④として本モードは周期T [s]で繰り返されるものとする。なお，上下スイッチの短絡を防ぐデッドタイムは考慮しない。次の(a)及び(b)の問に答えよ。
(a) 図2 に示した区間①～④において電流が流れているデバイスの組合せとして正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
| ① | ② | ③ | ④ | |
|---|---|---|---|---|
| (1) | D₂－D₃ | Q₂－Q₃ | D₁－D₄ | Q₁－Q₄ |
| (2) | Q₂－Q₃ | Q₂－Q₃ | Q₁－Q₄ | Q₁－Q₄ |
| (3) | Q₁－Q₄ | Q₁－Q₄ | Q₂－Q₃ | Q₂－Q₃ |
| (4) | Q₁－D₃ | Q₁－Q₄ | Q₂－D₄ | Q₂－Q₃ |
| (5) | D₁－D₄ | Q₁－Q₄ | D₂－D₃ | Q₂－Q₃ |
- 1① D₂－D₃ ② Q₂－Q₃ ③ D₁－D₄ ④ Q₁－Q₄
- 2① Q₂－Q₃ ② Q₂－Q₃ ③ Q₁－Q₄ ④ Q₁－Q₄
- 3① Q₁－Q₄ ② Q₁－Q₄ ③ Q₂－Q₃ ④ Q₂－Q₃
- 4① Q₁－D₃ ② Q₁－Q₄ ③ Q₂－D₄ ④ Q₂－Q₃
- 5① D₁－D₄ ② Q₁－Q₄ ③ D₂－D₃ ④ Q₂－Q₃
答えと解説
✓ これが正解5① D₁－D₄ ② Q₁－Q₄ ③ D₂－D₃ ④ Q₂－Q₃
解説
①D₁－D₄、②Q₁－Q₄、③D₂－D₃、④Q₂－Q₃の組合せです。
図1で Q₁ と Q₄ をオンにすると、Q₁・Q₂ の接続点側の出力端子（負荷の L 側）が直流電源の正側、Q₃・Q₄ の接続点側の出力端子（負荷の R 側）が負側につながり、出力電圧は v₀＝Ed になります。Q₂ と Q₃ をオンにすると逆につながって v₀＝－Ed です。図2の区間①②では v₀＝Ed なので Q₁・Q₄ に、区間③④では v₀＝－Ed なので Q₂・Q₃ にオンの信号が出ています。ただし、実際に電流が流れる素子は出力電流 i₀ の向きで決まります。
区間②では i₀ が正で、図1の矢印の向きに負荷を流れます。電流は電源の正側から Q₁、負荷、Q₄ を通って負側に戻るので、流れているのは Q₁－Q₄ です。区間①では、直前の区間④で流れていた負の電流が、負荷のインダクタンスの働きで急には向きを変えられず、まだ負のまま残っています。IGBT は逆向きの電流を流せないので、この電流は逆並列のダイオードを通り、Q₁・Q₂ 側の出力端子から D₁ を通って電源の正側へ、電源の負側から D₄ を通って Q₃・Q₄ 側の出力端子へ流れます。このとき負荷のエネルギーが電源に戻されます。よって①は D₁－D₄ です。
区間③④も同じ考え方で、③では正の電流が残っていて D₂－D₃ を通り、i₀ が負になった④では Q₂－Q₃ が電流を流します。
電圧の向きはオンにした IGBT の組で決まり、電圧と電流の符号が異なる区間はダイオードが流す、と覚えると見分けられます。
ほかの選択肢の解説
- 1① D₂－D₃ ② Q₂－Q₃ ③ D₁－D₄ ④ Q₁－Q₄：区間①②と③④の組がそっくり入れ替わっています。区間①②は出力電圧が Ed なので Q₁・Q₄ の側が働き、電流は Q₁－Q₄ かその逆並列の D₁－D₄ を流れます。Q₂－Q₃ の側を通ると電圧は －Ed になります。
- 2① Q₂－Q₃ ② Q₂－Q₃ ③ Q₁－Q₄ ④ Q₁－Q₄：電圧の向きと素子の組が逆で、ダイオードが流す区間もありません。v₀＝Ed の区間①②は Q₁・Q₄ の側で、①のように電流の向きが電圧と逆の区間では、IGBT ではなく逆並列のダイオードが電流を流します。
- 3① Q₁－Q₄ ② Q₁－Q₄ ③ Q₂－Q₃ ④ Q₂－Q₃：オンの信号が出ている IGBT の組としては合っていますが、区間①③で電流を流す素子を IGBT としている点が誤りです。IGBT は逆向きの電流を流せないので、電流の符号が電圧と逆の区間は逆並列のダイオードが流します。
- 4① Q₁－D₃ ② Q₁－Q₄ ③ Q₂－D₄ ④ Q₂－Q₃：区間①③の組が誤りです。Q₁ と D₃ の組では負荷の両端がともに電源の正側につながり、出力電圧は0になってしまいます。図2の区間①は v₀＝Ed で、負の電流は D₁ と D₄ を通って電源に戻ります。
出典：令和6年度上期第三種電気主任技術者試験 機械 問16(a)（電気技術者試験センター）。1問ずつ解ける形に加工しています（B問題の共通の文と図を小問ごとに複写・図と式を問題冊子から切り出して画像で掲載・1行で書ける式を字に書き直し）。解説は当サイト独自のもので、電気技術者試験センターとは関係ありません。
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