電験2種過去問【2021年機械 問2】

【パワーエレクトロニクス】電圧形インバータの負荷電流《空所問題》

 次の文章は、インバータの動作に関する記述である。文中の\(\fbox{空所欄}\)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。
 図1にハーフブリッジ電圧形インバータに負荷を接続した回路図を示す。図2には負荷にかかる交流電圧\(\displaystyle v_0\)と負荷に流れる定常状態の交流電流\(\displaystyle i_0\)の波形を示す。電圧形インバータでは、スイッチングデバイス\(\displaystyle Q_1\)と\(\displaystyle Q_2\)に交互にオン信号とオフ信号を与える。図2の期間Bは\(\fbox{(1)}\)期間に相当する。
 ここで負荷が誘導性の場合を考える。図2の交流電流\(\displaystyle i_0\)の波形は、負荷の種類(抵抗、誘導性、容量性)に応じて流れる電流波形を順不同に示しているが、負荷が誘導性の場合に電圧\(\displaystyle v_0\)に対して流れる電流\(\displaystyle i_0\)としてとり得る波形は図2\(\fbox{(2)}\)である。このときに、負荷の内で抵抗Rにかかる電圧\(\displaystyle v_R\)の波形は図3\(\fbox{(3)}\)である。また、インダクタンスLにかかる電圧\(\displaystyle v_L=v_0-v_R\)の波形は図4\(\fbox{(4)}\)である。図2の電圧\(\displaystyle v_0\)と図2\(\fbox{(2)}\)の電流\(\displaystyle i_0\)において、高調波成分を除いた基本波成分の電圧\(\displaystyle v_f\)と電流\(\displaystyle i_f\)の関係は、\(\displaystyle v_f\)に対して\(\fbox{(5)}\)の電流\(\displaystyle i_f\)が流れている。

[問2の解答群]
(イ)\( \displaystyle \text{遅れ位相}\) (ロ)\( \displaystyle \text{進み位相}\)  (ハ)\( \displaystyle \text{同位相}\)

(ニ)\( \displaystyle \text{(a)}\)    (ホ)\( \displaystyle \text{(b)}\)   (ヘ)\( \displaystyle \text{(c)}\)

(ト)\( \displaystyle \text{(d)}\)    (チ)\( \displaystyle \text{(e)}\)   (リ)\( \displaystyle \text{Q2にオン信号を与える}\)

(ヌ)\( \displaystyle \text{(f)}\)     (ル)\( \displaystyle \text{(g)}\)   (ヲ)\( \displaystyle \text{Q1にオン信号を与える}\)

(ワ)\( \displaystyle \text{(h)}\)    (カ)\( \displaystyle \text{(i)}\)     (ヨ)\( \displaystyle \text{Q1に負荷電流が流れる}\)

解答と解説はこちら

解答

(1):(リ)
(2):(ヘ)
(3):(ト)
(4):(ワ)
(5):(イ)

解説

 図1にハーフブリッジ電圧形インバータに負荷を接続した回路図を示す。図2には負荷にかかる交流電圧\(\displaystyle v_0\)と負荷に流れる定常状態の交流電流\(\displaystyle i_0\)の波形を示す。電圧形インバータでは、スイッチングデバイス\(\displaystyle Q_1\)と\(\displaystyle Q_2\)に交互にオン信号とオフ信号を与える。図2の期間Bは\(\fbox{Q2にオン信号を与える}\)期間に相当する。
 ここで負荷が誘導性の場合を考える。図2の交流電流\(\displaystyle i_0\)の波形は、負荷の種類(抵抗、誘導性、容量性)に応じて流れる電流波形を順不同に示しているが、負荷が誘導性の場合に電圧\(\displaystyle v_0\)に対して流れる電流\(\displaystyle i_0\)としてとり得る波形は図2\(\fbox{(c)}\)である。このときに、負荷の内で抵抗Rにかかる電圧\(\displaystyle v_R\)の波形は図3\(\fbox{(d)}\)である。また、インダクタンスLにかかる電圧\(\displaystyle v_L=v_0-v_R\)の波形は図4\(\fbox{(h)}\)である。図2の電圧\(\displaystyle v_0\)と図2\(\fbox{(c)}\)の電流\(\displaystyle i_0\)において、高調波成分を除いた基本波成分の電圧\(\displaystyle v_f\)と電流\(\displaystyle i_f\)の関係は、\(\displaystyle v_f\)に対して\(\fbox{遅れ位相}\)の電流\(\displaystyle i_f\)が流れている。