電験三種 平成21年度(2009) 機械 問16(a) 過去問解説
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 $E_d$[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。
図2は,このインバータの動作波形である。時刻 $t = 0$[s]でIGBT $\mathrm{Q_3}$ 及び $\mathrm{Q_4}$ のゲート信号をオフにするとともに $\mathrm{Q_1}$ 及び $\mathrm{Q_2}$ のゲート信号をオンにすると,出力電圧 $v_a$[V]は $E_d$[V]となる。$t = \dfrac{T}{2}$[s]で $\mathrm{Q_1}$ 及び $\mathrm{Q_2}$ のゲート信号をオフにするとともに $\mathrm{Q_3}$ 及び $\mathrm{Q_4}$ のゲート信号をオンにすると,$v_a$[V]は $-E_d$[V]となる。これを周期 $T$[s]で繰り返して方形波電圧を出力する。
出力電流 $i_a$[A]は,$t = 0$[s]で $-I_p$[A]になっているものとする。負荷の時定数は $\tau = \dfrac{L}{R}$[s]である。$t = 0 \sim \dfrac{T}{2}$[s]では,時間の関数 $i_a(t)$ は次式となる。
$i_a(t) = -I_p\mathrm{e}^{-\frac{t}{\tau}} + \dfrac{E_d}{R}\left(1 - \mathrm{e}^{-\frac{t}{\tau}}\right)$
定常的に動作しているときには,周期条件から $t = \dfrac{T}{2}$[s]で出力電流は $I_p$[A]となり,次式が成り立つ。
$i_a\left(\dfrac{T}{2}\right) = -I_p\mathrm{e}^{-\frac{T}{2\tau}} + \dfrac{E_d}{R}\left(1 - \mathrm{e}^{-\frac{T}{2\tau}}\right) = I_p$
このとき,次の(a)及び(b)に答えよ。
ただし,バルブデバイス(IGBT及びダイオード)での電圧降下は無視するものとする。
(a) 時刻 $t = \dfrac{T}{2}$[s]の直前では $\mathrm{Q_1}$ 及び $\mathrm{Q_2}$ がオンしており,出力電流は直流電源から $\mathrm{Q_1}$→負荷→$\mathrm{Q_2}$ の経路で流れている。$t = \dfrac{T}{2}$[s]でIGBT $\mathrm{Q_1}$ 及び $\mathrm{Q_2}$ のゲート信号をオフにするとともに $\mathrm{Q_3}$ 及び $\mathrm{Q_4}$ のゲート信号をオンにした。その直後(図2で,$t = \dfrac{T}{2}$[s]から,出力電流が0[A]になる $t = t_r$[s]までの期間),出力電流が流れるバルブデバイスとして,正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

- (1) $\mathrm{Q_1}$,$\mathrm{Q_2}$
- (2) $\mathrm{Q_3}$,$\mathrm{Q_4}$
- (3) $\mathrm{D_1}$,$\mathrm{D_2}$
- (4) $\mathrm{D_3}$,$\mathrm{D_4}$
- (5) $\mathrm{Q_3}$,$\mathrm{Q_4}$,$\mathrm{D_1}$,$\mathrm{D_2}$
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正解は(4)
解説
【考え方】負荷にはコイルがあるので、電流は急に向きを変えられません。IGBT が切れると、電流はダイオードを通って流れ続けます。
■1 切りかえる直前の電流
$t = \dfrac{T}{2}$ の直前、電流は Q₁ → 負荷 → Q₂ と、負荷を正の向きに流れています。
■2 切りかえた直後
Q₁、Q₂ を切っても、コイルのため電流はすぐには0になりません。同じ向きに流れ続けます。
Q₃、Q₄ はオンになっても、逆向きの電流しか流せないので、この電流は流せません。
■3 電流の通り道
D₃、D₄ は、Q₃、Q₄ と逆向きに並べてつないだダイオード(帰還ダイオード:電流を電源へ戻す通り道)です。
電流は、D₃ → 負荷 → D₄ を通って、直流電源へ戻ります。
電流が0になる $t_r$ までこの状態です。
■4 ほかの選択肢
(1) Q₁、Q₂ はもうオフなので流れません。
(2)(5) Q₃、Q₄ は、電流が0になって向きが変わってから流れます。
(3) D₁、D₂ は、電流が負の向きのときに使う通り道です。
答えは(4)ピヨ。
出典:平成21年度(2009) 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(a)