電験三種 令和6年度上期 機械 問10｜パワーエレクトロニクス

電験三種「機械」の「パワーエレクトロニクス」に関する問題（令和6年度上期 問10）。正答は(3)です。

【基本公式】単相半波整流（純抵抗）：Vd=Vm/π≒0.318Vm。RL負荷では電流が電圧より遅れ導通期間が延びる。

正答(3)「波形1 波形5 波形2 長くなる」の根拠：

S開放（環流ダイオードなし）RL負荷：電圧波形=交流のうち電流が流れる間の部分（逆電圧でも電流継続→負電圧域に波形あり）=波形1。電流波形=正弦波より位相遅れの波形=波形5。

S閉鎖（環流ダイオードあり）：ダイオードが導通しない期間に環流ダイオードが通電→出力電圧の負値カット=波形2。電流の流れる期間は延長される（環流ダイオードがインダクタのエネルギーを循環させるため）。

【パワーエレクトロニクス（単相半波整流）の解法と要点】（令和6年度上期 問10）

【基本公式・定義】

単相半波整流（純R）：Vd=Vm/π（Vm=最大値）、Id=Vd/R

RL負荷：電流の遅れにより導通期間がπを超えて延長される

【各波形の判定】

S開放時（環流ダイオードなし）：

・de（電圧）波形：RL負荷ではインダクタ電流が流れ続ける間、電源電圧が負になっても出力電圧が一部負になる→波形1（負電圧域あり）

・di（電流）波形：電流が0になるまで流れ続ける→π以上導通→波形5

S閉鎖時（環流ダイオードあり）：

・de（電圧）波形：ダイオードDが逆バイアスになると環流ダイオードに電流が移行→負電圧カット→波形2

・電流期間：環流経路でインダクタのエネルギーが消費されるまで流れ続ける→更に「長くなる」

【環流ダイオードの効果まとめ】

①出力電圧の負値をカットして平均電圧を上げる

②電流リプルを低減（インダクタのエネルギーが環流路で維持される）

③電動機・誘導負荷の保護（逆起電力による素子破損防止）

【パワーエレクトロニクス（単相半波整流）の深層解析と電験三種合格戦略】（令和6年度上期 問10）

【核心論点と正答根拠】

単相半波整流RL負荷の消弧角β：インダクタンスが大きいほどβが大きくなり導通期間延長。

環流ダイオード追加で：①vd波形の負成分消去②電流継続③平均出力電圧増加。

正答(3)「波形1 波形5 波形2 長くなる」は上記の原理から導出。

【整流回路の種類と比較】

単相半波：Vd=0.318Vm、リプル大・変圧器直流磁化あり→小容量にしか使わない。

単相全波（中間タップ）：Vd=0.636Vm、変圧器2次巻線2分割必要。

単相ブリッジ：Vd=0.636Vm、ダイオード4個・変圧器不要→最もポピュラー。

三相半波：Vd=0.827Vm、三相不平衡→商用には不使用。

三相ブリッジ：Vd=1.35VL（VL:線間電圧）、リプル少・大容量直流電源に多用。

【サイリスタ（SCR）への発展】

サイリスタ位相制御：ゲートパルスタイミング（点弧角α）で出力電圧制御。

Vd=Vm/π×(1+cosα)（単相半波サイリスタ整流）→α=0でダイオード整流と等価。

電動機速度制御に直流サイリスタ可変速ドライブが多用（VSコンバータ・電力回生型）。

【最新パワエレ動向（2025年）】

SiC-MOSFET採用整流器：低損失・高温動作・高スイッチング周波数（数百kHz）→小型フィルタ。

GaNデバイス：オンオフ速度ナノ秒台→高周波DC-DCコンバータ・スマートフォン充電器。

電験二種：整流回路の高調波解析・THD（全高調波歪率）・力率改善回路設計が出題。