第三種電気主任技術者（電験三種） 過去問
令和6年度（2024年）上期
問59 (機械 問16（a）)

単相ブリッジ接続回路の電流が流れる順が正しいものを選択する問題です。

この問題は、単相ブリッジ接続の電圧形インバータの動作に関するものです。

図2の区間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は以下のとおりです。

①D₁−D₄　　②Q₁−Q₄　　③D₂−D₃　　④Q₂−Q₃

区間①

v₀＝E_d、i₀＜0 であり、Q₁およびQ₄がONになった後の状態です。
よって、電流が電流が流れているデバイスはD₁−D₄です。

区間②

v₀＝E_d、i₀＞0 であり、Q₁およびQ₄がONになり、リアクトルのエネルギーが放出された後の状態です。
よって、電流が流れているデバイスはQ₁−Q₄です。

区間③

v₀＝ーE_d、i₀＞0 であり、 Q₂およびQ₃がONになった後の状態です。
よって、電流が流れているデバイスはD₂−D₃です。

区間④

v₀＝ーE_d、i₀＜0 であり、Q₂およびQ₃がONになり、リアクトルのエネルギーが放出された後の状態です。
よって、電流が流れているデバイスはQ₂−Q₃です。

この問題は電圧形インバータの出力電圧v₀、出力電流 i₀の変化に対してどのような経路で電流が流れるかを問われている問題となります。図1より、このインバータ回路で用いられている電力用半導体デバイスは自己消弧能力(素子自体でオン状態からオフ状態にできる)を備えたIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)と自己消弧能力を持たない整流ダイオードを組み合わせた形となり、IGBTをQ₁、Q₂、Q₃、Q₄、とし整流ダイオードをD₁、D₂、D₃、D₄とします。

問題では①～④の区間に分別されているので、各区間ごとに解説していきます。

【区間①】‥D₁−D₄

出力電圧v₀は+E_ｄ[V](正の電圧)が流れているのに対し、出力電流 i₀は－I_ｐ[A]、負の方向に電流が流れています。－I_ｐ[A]は①の区間では－から0[A]に向かう形となります。これは誘導性負荷のリアクトルLから発せられる電流が、入力電圧E_ｄの方向に向かって流れようとする動きがあり、リアクトルの特徴の一つでもある電流の変化を嫌う特性からくるものです。経路としてはD₁→+E_ｄ→－E_ｄ→D₄→誘導性負荷のループとなります。

【区間②】‥Q₁−Q₄

区間①と同様で出力電圧v₀は+E_ｄ[V](正の電圧)が流れていますが、出力電流 i₀は正の方向に電流が流れだし0[A]から定常状態の+I_ｐ[A]に向かう流れとなります。よって、入力電源E_ｄからの電流が勝り、I_ｐ[A]は①の区間とは逆の正の電流が流れます。経路としては+E_ｄ→Q₁→誘導性負荷→Q₄→－E_ｄのループとなります。

【区間③】‥D₂−D₃

③の出力電圧v₀の+E_ｄ[V](正の電圧)は－E_ｄ[V](負の電圧)に反転(急降下)していますが、これは半導体デバイスのIGBT(Q₁－Q₄)がONの状態からOFFに切り替わった事に伴うもので、その時に出力電流 i₀は定常状態の+I_ｐ[A]から0[A]に向かう流れとなります。経路は－E_ｄ→D₂→誘導性負荷→D₃→+E_ｄとなります。

【区間④】‥Q₂−Q₃

区間③と同様で出力電圧v₀は引き続き－E_ｄ[V](負の電圧)となりそこから半導体デバイス(Q₂－Q₃)をONにすることで誘導性負荷(リアクトルL)から負の電流を流します。なので出力電流 i₀も負の電流となります。経路は誘導性負荷→Q₂→－E_ｄ→+E_ｄ→Q₃→誘導性負荷の流れとなります。