第三種電気主任技術者・2022年度上期・機械

2022年度上期機械問16(a)

問題文

図1は、IGBTを用いた単相ブリッジ接続の電圧形インバータを示す。直流電圧 $E_d$ [V]は、一定値と見なせる。出力端子には、インダクタンス $L$ [H]の誘導性負荷が接続されている。
図2は、このインバータの動作波形である。時刻 $t=0$ sでIGBT $Q_3$ 及び $Q_4$ のゲート信号をオフにするとともに $Q_1$ 及び $Q_2$ のゲート信号をオンにすると、出力電圧 $v_a$ は $E_d$ [V]となる。 $t=\dfrac{T}{2}$ [s]で $Q_1$ 及び $Q_2$ のゲート信号をオフにするとともに $Q_3$ 及び $Q_4$ のゲート信号をオンにすると、出力電圧 $v_a$ は $-E_d$ [V]となる。これを周期 $T$ [s]で繰り返して方形波電圧を出力する。
このとき、次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、デバイス (IGBT及びダイオード)での電圧降下は無視するものとする。

$t=0$ s において $i_a=-I_p$ [A]とする。時刻 $t=\dfrac{T}{2}$ [s]の直前では $Q_1$ 及び $Q_2$ がオンしており、出力電流は直流電源から $Q_1 \to \text{負荷} \to Q_2$ の経路で流れている。 $t=\dfrac{T}{2}$ [s] で IGBT $Q_1$ 及び $Q_2$ のゲート信号をオフにするとともに $Q_3$ 及び $Q_4$ のゲート信号をオンにした。その直後(図2で、 $t=\dfrac{T}{2}$ [s]から、出力電流が0Aになる $t=t_r$ [s]までの期間)、出力電流が流れるデバイスとして、正しい組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

出典：第三種電気主任技術者 2022年度上期機械問16(a)

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正答：(4)

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正解は(4)。半周期の切替直後でも誘導性負荷の電流は急変できません。 $Q_1,Q_2$ をOFFにした直後は、電流が同じ向きに流れ続けるため $D_3,D_4$ の還流経路を通ります。

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正解は(4)です。
$t=T/2$ の直前まで、電流は $Q_1 \to \text{負荷} \to Q_2$ の方向（正方向）に流れています。
$t=T/2$ で $Q_1, Q_2$ をOFF、 $Q_3, Q_4$ をONに切り替えます。
負荷は誘導性（ $L$ ）であるため、電流は急には止まらず、また向きも急には変わりません。したがって、電流は引き続き正方向（負荷の左から右）へ流れようとします。
このとき、 $Q_1, Q_2$ はOFFであり、 $Q_3, Q_4$ も逆方向には流せません。
電流は、負荷 $\to$ $Q_4$ に逆並列接続されたダイオード $D_4$ $\to$ 電源( $+$ ) $\to$ 電源( $-$ ) $\to$ $Q_3$ に逆並列接続されたダイオード $D_3$ $\to$ 負荷、という経路で還流します（電源へエネルギーを回生します）。
図では負荷電流の向きが左側から右側へ残るため、スイッチ名だけでなくダイオードの向きも読んで $D_3,D_4$ を選びます。
したがって、通電するデバイスは $D_3, D_4$ です。
以上より、選択肢(4)が正解です。

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2022年度 上期 機械 問16(a)

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正答：(4)

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