《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H30:問11]直流を交流に変換する電力変換器に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★☆☆☆☆(易しい)

次の文章は,直流を交流に変換する電力変換器に関する記述である。

図は,直流電圧源から単相の交流負荷に電力を供給する\(\fbox {  (ア)  }\)の動作の概念を示したものであり,\(\fbox {  (ア)  }\)は四つのスイッチ\(\mathrm {S}_{1}~\mathrm {S}_{4}\)から構成される。スイッチ\(\mathrm {S}_{1}~\mathrm {S}_{4}\)を実現する半導体バルブデバイスは,それぞれ\(\fbox {  (イ)  }\)機能をもつデバイス(例えば\(\mathrm {IGBT}\))と,それと逆並列に接続した\(\fbox {  (ウ)  }\)とからなる。

この電力変換器は,出力の交流電圧と交流周波数とを変化させて運転することができる。交流電圧を変化させる方法には主に二つあり,一つは,直流電圧源の電圧\(E\)を変化させて,交流電圧波形の\(\fbox {  (エ)  }\)を変化させる方法である。もう一つは,直流電圧源の電圧\(E\)は一定にして,基本波\(1\)周期の間に多数のスイッチングを行い,その多数のパルス幅を変化させて全体で基本波\(1\)周期の電圧波形を作り出す\(\fbox {  (オ)  }\)と呼ばれる方法である。

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。
\[
\begin{array}{cccccc}
& (ア) & (イ) & (ウ) & (エ) & (オ)\\
\hline
(1) & インバータ & オンオフ制御 & サイリスタ & 周期 & \mathrm {PWM}制御 \\
\hline
(2) & 整流器 & オンオフ制御 & ダイオード & 周期 & 位相制御 \\
\hline
(3) & 整流器 & オン制御 & サイリスタ & 波高値 & \mathrm {PWM}制御 \\
\hline
(4) & インバータ & オン制御 & ダイオード & 周期 & 位相制御 \\
\hline
(5) & インバータ & オンオフ制御 & ダイオード & 波高値 & \mathrm {PWM}制御 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

太陽光発電設備から系統に電力を送る際のパワーコンディショナーの簡易的な概念に関する問題とも言えると思います。直流から交流に変換する際は,直流電圧源→\(\mathrm {S}_{1}\)→交流負荷→\(\mathrm {S}_{4}\)→直流電圧源に流れる回路と直流電圧源→\(\mathrm {S}_{3}\)→交流負荷→\(\mathrm {S}_{2}\)→直流電圧源に流れる回路を周期的に入れ替え(スイッチング),交流負荷に電力を供給することになります。

【解答】

解答:(5)
(ア)
直流から交流に変換するものはインバータで,整流器は交流を直流に変換するものとなります。

(イ)
\(\mathrm {S}_{1}~\mathrm {S}_{4}\)の半導体デバイスはオン制御のみでなく回路がスイッチングする際のオフ制御も必要となるので,オンオフ制御となります。

(ウ)
スイッチングは理想的には同時に行われなければなりませんが,実際はタイムラグがあり,そのタイムラグ時に発生する電圧を逃がす役割をもつのが還流ダイオードと呼ばれるものになります。

(エ)
直流電圧源の電圧\(E\)を変化させると交流波形の波高値が変わります。

(オ)
直流電圧源の電圧\(E\)は一定にして,基本波\(1\)周期の間に多数のスイッチングを行い,その多数のパルス幅を変化させて全体で基本波\(1\)周期の電圧波形を作り出す方法を\(\mathrm {PWM}\)制御と言い,下図の赤線に示すような波形となります。


出典:Energy Chord HP