《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[R06上:問10]単相半波整流回路の出力波形に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

次の文章は，単相半波ダイオード整流回路に関する記述である。

抵抗とリアクトルとを直列接続した負荷に電力を供給する単相半波ダイオード整流回路を図1に示す。スイッチ\( \ \mathrm {S} \ \)を開いて運転したときに，負荷力率に応じて負荷電圧\( \ e_{\mathrm {d}} \ \)の波形は図2の\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)となり，負荷電流\( \ i_{\mathrm {d}} \ \)の波形は図2の\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)となった。次にスイッチ\( \ \mathrm {S} \ \)を閉じ，還流ダイオードを接続して運転したときには，負荷電圧\( \ e_{\mathrm {d}} \ \)の波形は図2の\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)となり，負荷電流の流れる期間は，スイッチ\( \ \mathrm {S} \ \)を開いて運転したときよりも\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)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。

\[
\begin{array}{ccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） \\
\hline
(1) & 　波形 \ 2　 & 　波形 \ 4　 & 　波形 \ 3　 & 　長くなる　 \\
\hline
(2) & 　波形 \ 1　 & 　波形 \ 5　 & 　波形 \ 3　 & 　短くなる　 \\
\hline
(3) & 　波形 \ 1　 & 　波形 \ 5　 & 　波形 \ 2　 & 　長くなる　 \\
\hline
(4) & 　波形 \ 1　 & 　波形 \ 4　 & 　波形 \ 2　 & 　長くなる　 \\
\hline
(5) & 　波形 \ 2　 & 　波形 \ 5　 & 　波形 \ 3　 & 　短くなる　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

単相半波整流回路の出力波形を考える問題です。
パワーエレクトロニクスは以下に示すような動作原理を理解しているかが最も重要です。丸暗記に頼らずに，各素子の役割を理解していくようにして下さい。
本問は平成26年問10からの再出題となります。

1.リアクトルを含む単相半波ダイオード整流回路の動作
単相半波ダイオード整流回路の動作を図3に示します。
正弦波の電源電圧\( \ v_{\mathrm {s}} ＞ 0 \ \)のときは，(a)のようにダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するため，出力側に電流が流れます。その際，リアクトル\( \ L \ \)にエネルギーが蓄えられます。
電源電圧が\( \ v_{\mathrm {s}} ＜ 0 \ \)に切り換わると，(b)のように電源からはダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)に対し逆方向の電圧が加わりますが，リアクトル\( \ L \ \)に蓄えられているエネルギーがあるため，リアクトル\( \ L \ \)から電源側に電流が流れます。
電源電圧が\( \ v_{\mathrm {s}} ＜ 0 \ \)に切り換わり，リアクトル\( \ L \ \)にエネルギーがなくなると，(c)のようにダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)に対し逆方向の電圧が加わるようになるため\( \ \mathrm {D} \ \)が導通せず，電流は流れなくなります。
以後，(a)～(c)を繰り返すようになります。

また，還流ダイオード\( \ \mathrm {D_{F}} \ \)がある場合の動作を図4に示します。
基本的な動作は図3の場合と変わりませんが，\( \ v_{\mathrm {s}} ＜ 0 \ \)に切り換わった後，還流ダイオード\( \ \mathrm {D_{F}} \ \)に電流が流れるので，\( \ e_{\mathrm {d}} = 0 \ \)となり，図3の場合よりもリアクトル\( \ L \ \)に蓄えられているエネルギーが放出される(b)の時間が長くなります。

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　　単相半波整流回路

【解答】

解答：(3)
(ア)
ワンポイント解説「1.リアクトルを含む単相半波ダイオード整流回路の動作」の通り，回路にリアクトル\( \ L \ \)があり，リアクトル\( \ L \ \)に蓄積されたエネルギーがあるので，電源電圧\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)が負になってもしばらくは負荷電流\( \ i_{\mathrm {d}} \ \)が流れ続けます。リアクトル\( \ L \ \)のエネルギーが放出され電流が流れ切った瞬間にダイオードが逆阻止となり電圧\( \ v_{\mathrm {d}} \ \)が零となるので，電圧波形は波形\( \ 1 \ \)となります。

(イ)
(ア)と同様に考えれば，負荷電流\( \ i_{\mathrm {d}} \ \)は電源電圧\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)が負になってもしばらくは流れ続けるので波形\( \ 5 \ \)となります。

(ウ)
ワンポイント解説「1.リアクトルを含む単相半波ダイオード整流回路の動作」の通り，還流ダイオードがある場合には，電源電圧\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)が負に切り替わった瞬間に還流ダイオード側に電流が流れ\( \ e_{\mathrm {d}} \ \)が零となるので，\( \ e_{\mathrm {d}} \ \)の波形は波形\( \ 2 \ \)となります。

(エ)
ワンポイント解説「1.リアクトルを含む単相半波ダイオード整流回路の動作」の通り，負の電圧が加わらない分，負荷電流\( \ i_{\mathrm {d}} \ \)の流れる期間は，スイッチ\( \ \mathrm {S} \ \)を開いて運転したときよりも長くなります。