令和6年度第三種電気主任技術者上期試験 機械科目 問100 解説 問10 問10
問10 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 $e_{\rm d}$ の波形は図2の [ (ア) ] となり,負荷電流 $i_{\rm d}$ の波形は図2の [ (イ) ] となった。次にスイッチSを閉じ,環流ダイオードを接続して運転したときには,負荷電圧 $e_{\rm d}$ の波形は図2の [ (ウ) ] となり,負荷電流の流れる期間は,スイッチSを開いて運転したときよりも [ (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。 [図1] 交流電源 $v_{\s}$ にダイオードが直列に接続され、その後にスイッチSと環流ダイオードの並列回路があり、負荷としてリアクトル $L$ と抵抗 $R$ が直列に接続されている。 [図2] ・波形1:負荷電圧 $e_{\rm d}$ が正の半周期の後、負の領域に少し入り込んでから0になる波形 ・波形2:負荷電圧 $e_{\rm d}$ が正の半周期のみで、負の期間は0になる波形 ・波形3:負荷電圧 $e_{\rm d}$ が常に正の側にある全波整流のような波形 ・波形4:負荷電流 $i_{\rm d}$ が0にならずに連続して流れる波形 ・波形5:負荷電流 $i_{\rm d}$ が0から立ち上がり、正の半周期を過ぎてしばらくした後に0に減衰する波形
- (ア)波形2, (イ)波形4, (ウ)波形3, (エ)長くなる
- (ア)波形1, (イ)波形5, (ウ)波形3, (エ)短くなる
- (ア)波形1, (イ)波形5, (ウ)波形2, (エ)長くなる ✓ 正答
- (ア)波形1, (イ)波形4, (ウ)波形2, (エ)長くなる
- (ア)波形2, (イ)波形5, (ウ)波形3, (エ)短くなる
解説
スイッチSを開いた状態ではリアクタンス成分による逆起電力で電圧が負の領域まで及び、環流ダイオードを接続すると電圧が0Vで制限されるため、選択肢(3)の「波形1、波形5、波形2、長くなる」が導かれます。
リアクタンス負荷とダイオードの動作
単相半波整流回路において、負荷に抵抗 とリアクトル が直列に接続されている場合、リアクトルの性質が電圧と電流の波形に大きく影響します。リアクトルには、流れる電流を一定に保とうとする「自己誘導作用」があり、電流が減少する際にはその減少を妨げる方向の電圧(逆起電力)を発生させます。
この回路では、電源電圧 が負になる期間においても、リアクトルに蓄えられたエネルギーが放出されることで電流 が流れ続けようとします。このとき、回路の電圧 は負の電圧値をとるか、あるいは環流ダイオードの有無によって回路構成が変化することで挙動が変わります。
スイッチS開放時と閉路時の挙動
- スイッチSを開放している場合、ダイオードは電源電圧が負になってもリアクトルに蓄えられたエネルギーによって電流を流し続けようとします。そのため、電源電圧 が負の区間でも負荷電圧 は負の電圧波形(波形1)となり、電流波形は電圧が正の期間を超えて長く流れ続ける波形(波形5)となります。
- スイッチSを閉じて環流ダイオードを接続すると、電源電圧が負になった瞬間に、環流ダイオードが順方向に導通します。これにより、負荷の端子間は短絡された状態となり、負荷電圧 は0Vでクランプされます(波形2)。
- この環流ダイオードを通じて負荷電流が流れることで、ダイオードが導通している期間中、負荷電流は減衰しながら流れ続けます。スイッチSがない場合と比較して、この環流経路があることで電流が流れる期間はより長くなります。
回路図のスイッチSの開閉に伴い、電源の負電圧が負荷に印加されるのか、それとも環流ダイオードにより電圧が0Vに固定されるのかを重ねてみると、電流の減衰過程と流れる時間の違いが見えてきます。