電験三種 令和3年度(2021) 機械 問16(b) 過去問解説

問16(b) 《パワーエレクトロニクス(単相半波整流の平均電圧)》
次の文章は,単相半波ダイオード整流回路に関する記述である。 抵抗RとリアクトルLとを直列接続した負荷に電力を供給する単相半波ダイオード整流回路を図1に示す。また図1に示した回路の交流電源の電圧波形 $v(t)$ を破線で,抵抗Rの電圧波形 $v_{\mathrm{R}}(t)$ を実線で図2に示す。ただし,ダイオードDの電圧降下及びリアクトルLの抵抗は無視する。次の(a)及び(b)の問に答えよ。 ただし,必要であれば次の計算結果を利用してよい。 $\displaystyle\int_0^{\alpha} \sin\theta\,\mathrm{d}\theta = 1 - \cos\alpha$,$\displaystyle\int_0^{\alpha} \cos\theta\,\mathrm{d}\theta = \sin\alpha$ (b) 小問(a)において,電源電圧の実効値 100 V,$\beta = \dfrac{\pi}{6}$ のときの出力電圧 $v_{\mathrm{d}}(t)$ の平均値 $V_{\mathrm{d}}$[V]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
問16(b)の図
  1. (1) 3
  2. (2) 20
  3. (3) 42
  4. (4) 45
  5. (5) 90
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正解は(3)
使う公式
出力電圧の平均値 $V_{\mathrm{d}} = \dfrac{1}{2\pi}\displaystyle\int_0^{\pi + \beta} \sqrt{2}V\sin\theta\,\mathrm{d}\theta$(V:電源電圧の実効値[V]、β:電流が遅れて流れる角度)
解説
【考え方】ダイオードが電流を流している 0〜π+β の間だけ、出力電圧は電源電圧と同じです。その面積を1周期 2π で割ります。 ■1 積分の式を作る 解説の図 電源電圧は $v = \sqrt{2}V\sin\theta$($\sqrt{2}V$ は最大値)です。 $V_{\mathrm{d}} = \dfrac{1}{2\pi}\displaystyle\int_0^{\pi + \beta} \sqrt{2}V\sin\theta\,\mathrm{d}\theta$ 問題の計算結果 $\int_0^{\alpha}\sin\theta\,\mathrm{d}\theta = 1 - \cos\alpha$ で、$\alpha = \pi + \beta$ とします。 $V_{\mathrm{d}} = \dfrac{\sqrt{2}V}{2\pi}\{1 - \cos(\pi + \beta)\}$ $\cos(\pi + \beta) = -\cos\beta$ なので $V_{\mathrm{d}} = \dfrac{\sqrt{2}V}{2\pi}(1 + \cos\beta)$ ■2 値を入れる $V = 100\,\mathrm{V}$、$\cos\dfrac{\pi}{6} = \dfrac{\sqrt{3}}{2} \fallingdotseq 0.866$ です。 $\dfrac{\sqrt{2} \times 100}{2\pi} = \dfrac{141.4}{6.28} \fallingdotseq 22.5$ $1 + 0.866 = 1.866$ $V_{\mathrm{d}} \fallingdotseq 22.5 \times 1.866 \fallingdotseq 42\,\mathrm{V}$ 答えは(3)ピヨ。
出典:令和3年度(2021) 第三種電気主任技術者試験(電気技術者試験センター)機械 問16(b)