《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H30:問3]電力変換装置に関する空欄穴埋問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
- 2.1 【関連する「電気の神髄」記事】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，交流電源と蓄電池との間で電力を双方向にやり取りする電力変換装置に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

電力変換装置の一例として，$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器，中間直流回路及びチョッパからなる構成を図1に示す。ここで，$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器は，$ \ \fbox {　（１）　} \ $と同じ主回路を交流電源側に適用したものである。

蓄電池を充電する場合，$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器を通過する電気エネルギーの流れは，交流電源から中間直流回路に向くことになる。図1において交流電源相電圧$ \ e_{\mathrm {S}} \ $，$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器交流側相電圧$ \ v_{\mathrm {C}} \ $，リアクトル電圧$ \ v_{\mathrm {L}} \ $及び交流電流$ \ i_{\mathrm {S}} \ $は矢印の方向を正とし，それぞれの基本波のフェーザを$ \ {\dot E}_{\mathrm {S}} \ $，$ \ {\dot V}_{\mathrm {C}} \ $，$ \ {\dot V}_{\mathrm {L}} \ $及び$ \ {\dot I}_{\mathrm {S}} \ $とする。これらの電圧，電流は三相対称交流の内の$ \ 1 \ $相分である。このとき，電源力率$ \ 1 \ $の$ \ {\dot I}_{\mathrm {S}} \ $を得る$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器の動作を表しているフェーザ図が$ \ \fbox {　（２）　} \ $である。目標とする$ \ {\dot I}_{\mathrm {S}} \ $を実現するために，結果として$ \ v_{\mathrm {C}} \ $の基本波のフェーザが$ \ \fbox {　（２）　} \ $に示す$ \ {\dot V}_{\mathrm {C}} \ $になるように制御している。特に三角波比較正弦波$ \ \mathrm {PWM} \ $制御は，電圧の$ \ \fbox {　（３）　} \ $によってスイッチング周期ごとの平均電圧を制御するものであり，スイッチング周波数を十分高くとれば正弦波状に変化する交流電圧波形に制御できることになる。そして，このような動作を行う$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器では，通常中間直流回路の電圧$ \ v_{\mathrm {dc}} \ $は交流電源線間電圧のピーク値$ \ \fbox {　（４）　} \ $している。

一方，チョッパは，$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器を通して交流電源と中間直流回路が授受する電気エネルギーを，中間直流回路と蓄電池の間で出し入れする。交流電源と蓄電池との間でやり取りする電力が$ \ \mathrm {PWM} \ $変換器によって制御されている場合，チョッパは，図1に示す中間直流回路の電圧$ \ v_{\mathrm {dc}} \ $，チョッパ出力直流電圧$ \ v_{0} \ $及び蓄電池の電圧$ \ v_{\mathrm {batt}} \ $のうち，$ \ \fbox {　（５）　} \ $を一定にする制御を行う。

〔問3の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　変化率　　　　　　　　&（ロ）&　よりも高く \\[ 5pt ] &（ハ）&　v_{\mathrm {dc}}　　　　　　　　&（ニ）&　電圧形インバータ \\[ 5pt ] &（ホ）&　図 \ 4　　　　　　　　&（ヘ）&　図 \ 2 \\[ 5pt ] &（ト）&　マトリックスコンバータ　　　　　　　　&（チ）&　波高値 \\[ 5pt ] &（リ）&　とほぼ同じに　　　　　　　　&（ヌ）&　v_{\mathrm {batt}} \\[ 5pt ] &（ル）&　v_{0}　　　　　　　　&（ヲ）&　よりも低く \\[ 5pt ] &（ワ）&　図 \ 3　　　　　　　　&（カ）&　パルス幅 \\[ 5pt ] &（ヨ）&　サイクロコンバータ \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

本問とは出題内容はだいぶ違いますが，近年，$ \ \mathrm {PWM} \ $制御に関する問題が増えてきている印象があります。本問は三角波による$ \ \mathrm {PWM} \ $制御がどのような制御であることを理解しているかどうかを問う問題です。確実に抑えておきましょう。

1.$ \ \mathrm {PWM} \ $制御
$ \ \mathrm {PWM} \ $制御は出力電圧をパルス幅で制御するもので，図5に示すような三角波(搬送波)と入力(線間電圧)との比較により，線間電圧の方が大きければ$ \ \mathrm {ON} \ $，三角波の方が大きければ$ \ \mathrm {OFF} \ $とするような制御を行います。オンオフ損失の少ない方式で，高効率で制御性が良いのが特徴です。

【関連する「電気の神髄」記事】

　　2象限チョッパ回路（可逆チョッパ回路）

【解答】

(1)解答：ニ
題意より，解答候補は（ニ）電圧形インバータ，（ト）マトリックスコンバータ，（ヨ）サイクロコンバータ，となると思います。交流電源側の回路は明らかにインバータの回路を示しており，帰還ダイオードもあるので電圧形インバータとなります。

(2)解答：ヘ
題意より，解答候補は（ホ）図 4，（ヘ）図 2，（ワ）図 3，となると思います。問題文中に「電源力率$ \ 1 \ $の$ \ {\dot I}_{\mathrm {S}} \ $」となっているので，$ \ {\dot I}_{\mathrm {S}} \ $と$ \ {\dot E}_{\mathrm {S}} \ $が同相になっている必要があります。したがって，図2が正答となります。

(3)解答：カ
題意より，解答候補は（イ）変化率，（チ）波高値，（カ）パルス幅，となると思います。図5の通り，$ \ \mathrm {PWM} \ $制御はパルス幅で平均電圧をコントロールします。

(4)解答：ロ
題意より，解答候補は（ロ）よりも高く，（リ）とほぼ同じに，（ヲ）よりも低く，となると思います。図5の通り，中間直流回路の電圧$ \ v_{\mathrm {dc}} \ $（三角波）は交流電源線間電圧（正弦波）のピーク値より大きくする必要があります。

(5)解答：ハ
題意より，解答候補は（ハ）$v_{\mathrm {dc}}$，（ヌ）$v_{\mathrm {batt}}$ ，（ル）$v_{0}$，となると思います。本回路において，一定に保っておかなければならないのは中間直流回路の電圧$ \ v_{\mathrm {dc}} \ $であり，チョッパは蓄電池の電圧を昇圧して$ \ v_{\mathrm {dc}} \ $を一定にするためのものです。