パワエレ18【電験3種 機械】降圧チョッパの電流経路の判定と負荷電流の平均値（パワエレ17の類題）！令和5年下期 B問題16 完全解説

今回は令和5年度下期 機械科目 B問題16を解説します。★パワエレ17（令和6年度下期B問題16）と全く同じ数値・同じ図の再出題で、選択肢の並びも同一です。降圧チョッパ回路で、電流経路の判定(a)と負荷電流の平均値(b)を求めます。

Sがオンの時刻t₁前後は電流が増加中（経路(A)）、Sがオフの時刻t₂前後は電流が減少中（経路(B)、ダイオード還流）です。

令和5年度下期 機械科目 B問題16：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 機械科目 【パワーエレクトロニクス】 令和5年度下期 B問題16

　図1に示す降圧チョッパの回路は，電圧Eの直流電源，スイッチングするパワー半導体デバイスS，ダイオードD，リアクトルL，及び抵抗Rの負荷から構成されている。また，図2には，図1の回路に示すダイオードDの電圧v_Dと負荷の電流i_Rの波形を示す。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

（a）降圧チョッパの回路動作に関し，図3〜図5に，実線で示した回路に流れる電流のループと方向を示した三つの電流経路を考える。図2の時刻t₁及び時刻t₂において，それぞれどの電流経路となるか。正しい組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

	時刻t1	時刻t2
(1)	電流経路(C)	電流経路(B)
(2)	電流経路(A)	電流経路(C)
(3)	電流経路(B)	電流経路(A)
(4)	電流経路(B)	電流経路(C)
(5)	電流経路(A)	電流経路(B)

（b）電圧Eが100〔V〕，降圧チョッパの通流率が50〔％〕，負荷抵抗Rが2〔Ω〕とする。パワー半導体デバイスSは周期Tの高周波でスイッチングし，リアクトルLの平滑作用により，図2に示す電流i_Rのリプル成分は十分小さいとする。電流i_Rの平均値I_R〔A〕として，最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）17.7　（2）25.0　（3）35.4　（4）50.1　（5）70.7

出題のポイント：負荷電流の傾きから経路を判定

本問は令和6年度下期B問題16と問題文・数値・図・選択肢が同一ですが、波形から独立に判定します。負荷電流が増加している時刻t1ではスイッチSが導通し、電源からリアクトルと負荷へ電流が流れる経路(A)です。負荷電流が減少している時刻t2ではSが非導通となり、リアクトルのエネルギーによってダイオードDを通る還流経路(B)が形成されます。平均値はV_R=Ed、I_R=V_R/Rで求めます。

ポイント解説：S導通の経路(A)とD還流の経路(B)

パワエレ17（令和6年度下期B問題16）と全く同じ数値・同じ図・同じ選択肢の並びの再出題です。Sオン中は経路(A)（電流増加）、Sオフ中は経路(B)（電流減少、ダイオード還流）です。

問題の解説：(a)経路A・B、(b)25.0A

STEP1　時刻t1：電流が増加する区間を判定する

t₁前後は電流が増加中＝Lが充電中なので経路(A)です。

STEP2　時刻t2：電流が減少する区間を判定する

t₂前後は電流が減少中＝Lが放電中なので経路(B)です。経路(C)は電源の向きが理論上おかしいため除外できます。よって(a)-(5)。

STEP3　（b）負荷電流の平均値を計算する

$$V_R=E\times d=100\times0.5=50\ [\text{V}]\ \Rightarrow\ I_R=\frac{V_R}{R}=\frac{50}{2}=25.0\ [\text{A}]$$

最も近いのは(b)-(2) 25.0です。

答え：(a)-(5)，(b)-(2)

まとめ

t1（電流増加）	経路(A)
t2（電流減少）	経路(B)
(a)	(5)
VR＝Ed	50V
IR＝VR/R	25.0A
答え	(a)-(5)，(b)-(2)

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