《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H27:問9]電力変換器の出力電圧制御に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

次の文章は,電力変換器の出力電圧制御に関する記述である。

商用交流電圧を入力とし同じ周波数の交流電圧を出力とする電力変換器において,可変の交流電圧を得るには\(\fbox {  (ア)  }\)を変える方法が広く用いられていて,このときに使用するパワーデバイスは\(\fbox {  (イ)  }\)が一般的である。この電力変換器は\(\fbox {  (ウ)  }\)と呼ばれる。

一方,一定の直流電圧を入力とし交流電圧を出力とする電力変換器において,可変の交流電圧を得るにはパルス状の電圧にして制御する方法が広く用いられていて,このときにオンオフ制御デバイスを使用する。デバイスの種類としては,デバイスのゲート端子に電流だけでなくて,電圧を与えて駆動する\(\fbox {  (エ)  }\)を使うことが最近では一般的である。この電力変換器はインバータと呼ばれ,基本波周波数の1サイクルの出力電圧が正又は負の多数のパルス列からなって,そのパルスの\(\fbox {  (オ)  }\)を変えて1サイクル全体で目的の電圧波形を得る制御が\(\mathrm {PWM}\)制御である。

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

【ワンポイント解説】

ダイオードとサイリスタの違いをよく理解しておきましょう。また,サイリスタの種類も良く出題される内容なので,本問で理解しておいて下さい。

1.ダイオードとサイリスタ
理論科目でも出てくる内容ですが,ダイオードは順方向の電圧がかかった時導通(オン)し,逆方向の電圧がかかった時非導通(オフ)となる素子です。
一方サイリスタは順方向の電圧がかかり,ゲートにオン信号が入った時導通(オン)し,ゲートがオフになっても導通し続けます。電流が保持電流以下もしくは逆方向に電圧がかかると非導通(オフ)になります。
したがって,正弦波交流を与えた場合,ゲートのオン信号を与えるタイミングによって,図3のように制御角\(\alpha \)を変えることができ,出力を調整できるので,電力変換器に広く用いられています。

2.サイリスタの種類
①GTO
 ゲートターンオフトランジスタの略で,通常のサイリスタの機能に加え,ゲートに負の信号を与えるとサイリスタがオフする機能を有するデバイスです。

②トライアック
 双方向に電流が流せる構造のサイリスタです。

②光トリガサイリスタ
 ゲート信号に光信号を与えることでオンできるサイリスタです。

【解答】

解答:(1)
(ア)
(イ)
ワンポイント解説「1.ダイオードとサイリスタ」の通り,可変の交流電圧を得るため,サイリスタの制御角を変える方式が一般的に採用されています。

(ウ)
電力変換器のことを交流電力調整装置と言います。サイクロコンバータは周波数を変換する装置です。

(エ)
デバイスのゲート端子に電流ではなく,電圧を与えて駆動するのは\(\mathrm {IGBT}\)です。\(\mathrm {IGBT}\)は\(\mathrm {MOSFET}\)とバイポーラトランジスタを組み合わせたものです。

(オ)
\(\mathrm {PWM}\)制御は下図のように,パルスの幅を変えて,1サイクル全体で目的の電圧波形を得る制御です。


出典:Energy Chord HP