電験三種 令和4年度下期 機械 問10｜パワーエレクトロニクス

図の出力波形は、プラスの半分とマイナスの半分の両方が出ていて、どちらも途中から（少し遅れて）立ち上がっています。プラスもマイナスも出るので、交流のまま電圧を調整する回路です。そのために、サイリスタを逆向きに2個並べた回路を使います。サイリスタは、スイッチを入れるタイミング（位相）を遅らせると、電圧の出る時間を調整できる部品です。正答は(3)です。

(1)波形の特徴：プラスの半波とマイナスの半波の両方がある。どちらも、電源電圧が 0 になってから少し遅れて立ち上がり、次に 0 になるところで終わる。

(2)各回路の出力：

・(1) ダイオード1個：プラスの半波だけが出る（半波整流）。マイナス側は出ない。

・(2) サイリスタ1個：プラスの半波だけが、遅れて出る。マイナス側は出ない。

・(3) サイリスタ2個の逆並列：プラスの半波は一方が、マイナスの半波はもう一方が、それぞれ遅れて通す。プラスもマイナスも遅れて出る。

・(4) ダイオードブリッジ：全波整流で、マイナスの半波もプラスに折り返される。マイナス側には出ない。

・(5) サイリスタブリッジ：位相制御された全波整流で、出力はプラス側だけになる。

(3)図の波形はプラス側にもマイナス側にも出ているので、(3)が当てはまる。このように、交流のまま電圧の大きさを制御することを、交流電力調整（位相制御）という。正答は(3)です。

本問は、出力波形の特徴（極性・位相の遅れ）から、回路の種類を決める問題です。半導体素子の働きと回路の形を結び付けて覚えておくと、図を見るだけで決められます。

【素子の働き】

・ダイオード：順方向の電圧がかかると、自然に導通する。電流の向きは一方向だけ

・サイリスタ：順方向の電圧がかかっているときに、ゲートに信号（トリガ）を与えた時刻から導通する。いったん導通すると、電流が 0 になるまで導通を続ける。ゲートを与える位相角（制御角 α）を遅らせると、出力電圧の平均値を下げられる

【各回路の出力波形】

(1) ダイオード1個：プラスの半波が、0 から順に出る。マイナスの半波は出ない

(2) サイリスタ1個：プラスの半波が、制御角 α だけ遅れて出る。マイナスの半波は出ない

(3) サイリスタ2個の逆並列：プラス側の半波は一方が、マイナス側の半波はもう一方が、それぞれ制御角 α だけ遅れて導通する。出力はプラスもマイナスも出る（交流のまま電圧を調整する）

(4) ダイオードブリッジ：単相全波整流。プラスの半波も、マイナスの半波が折り返されたものも、プラス側に出る

(5) サイリスタブリッジ：位相制御された全波整流。出力はプラス側だけになり、マイナス側には出ない

【決め手】図の波形は「マイナス側に出ている」ことと「プラスの半波もマイナスの半波も遅れて立ち上がる」ことの2つが決め手です。マイナス側に出る回路は、交流のまま取り出す(3)だけです。

【出力電圧の大きさ】抵抗負荷のとき、制御角 α における出力電圧の実効値は

V ＝ V1 × √{(π − α ＋ sin2α／2) ／ π}（V1 は電源電圧の実効値）

で表されます。α ＝ 0 のとき V ＝ V1（電源電圧そのまま）、α を大きくするほど小さくなります。照明の調光器や電気ヒータの温度制御などで、この位相制御が使われています。

【注意】位相制御では、波形がひずむので、高調波が発生します。サイリスタの制御角を変えるときは、力率の低下や高調波対策も考える必要があります。正答は(3)です。