《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H29:問11]単相ダイオードブリッジ整流器に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

図1は,平滑コンデンサをもつ単相ダイオードブリッジ整流器の基本回路である。なお,この回路のままでは電流波形に高調波が多く含まれるので,実用化に当たっては注意が必要である。
図1の基本回路において,一定の角周波数\(\omega \)の交流電源電圧を\(v_{\mathrm {s}}\),電源電流を\(i_{1}\),図中のダイオードの電流を\(i_{2}\),\(i_{3}\),\(i_{4}\),\(i_{5}\)とする。平滑コンデンサの静電容量は,負荷抵抗の値とで決まる時定数が電源の1周期に対して十分に大きくなるように選ばれている。図2は交流電源電圧\(v_{\mathrm {s}}\)に対する各部の電流波形の候補を示している。図1の電流\(i_{1}\),\(i_{2}\),\(i_{3}\),\(i_{4}\),\(i_{5}\)の波形として正しい組合せを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

【ワンポイント解説】

本問のようなブリッジ回路は毎年のように出題され,一種や二種試験でも出題される機械科目の中でも最重要項目です。過去問を何度も繰り返し,整流回路のメカニズムを理解するようにしましょう。

1.単相ダイオードブリッジのメカニズム
図1に単相ダイオードブリッジの回路図,図2に電圧波形を示します。
図1のように各ダイオードと電圧電流を定めると,\(v_{\mathrm {s}}>0\)の時は\(D_{2}\),\(D_{5}\)が導通して赤矢印のような電流の流れ,\(v_{\mathrm {s}}<0\)の時は\(D_{3}\),\(D_{4}\)が導通して桃矢印のような電流の流れることが分かると思います。しかしながら,平滑コンデンサ\(v_{\mathrm {C}}\)があるため,\(v_{\mathrm {D}}>v_{\mathrm {C}}\)にならないと電流が流れません。
図2に各部の電圧波形を示します。\(v_{\mathrm {D}}\)はダイオードによって整流されるため,正弦波が整流された電圧がかかり,\(v_{\mathrm {C}}\)は\(v_{\mathrm {D}}\)の大きさによって,\(v_{\mathrm {D}}>v_{\mathrm {C}}\)の時充電され,\(v_{\mathrm {D}} < v_{\mathrm {C}}\)の時放電されるため,図2下のような電圧がかかります。実際に導通するのは\(v_{\mathrm {D}}>v_{\mathrm {C}}\)の時なので,図2に示した箇所のみとなります。

※ 図2では\(v_{\mathrm {C}}\)の充放電を示しているため,若干傾きがありますが,静電容量が十分に大きい場合は\(v_{\mathrm {C}}\)はほぼ直線と近似できます。

【解答】

解答:(5)
図1のように\(v_{\mathrm {s}}\)が正の時は\(D_{2}\),\(D_{5}\)が導通して赤矢印のような電流の流れ,\(i_{1}\)が正,\(i_{2}\)が正,\(i_{5}\)が正の電流が流れ,\(i_{3}\),\(i_{4}\)は0のままとなります。
一方,\(v_{\mathrm {s}}\)が負の時は\(D_{3}\),\(D_{4}\)が導通して桃矢印のような電流の流れ,\(i_{1}\)が負,\(i_{3}\)が正,\(i_{4}\)が正の電流が流れ,\(i_{2}\),\(i_{5}\)は0のままとなります。