パワエレ20【電験3種 機械】可逆チョッパで駆動する他励直流機の電動・回生動作！令和7年上期 B問題16 完全解説

今回は令和7年度上期 機械科目 B問題16を解説します。可逆チョッパ（IGBT Q1・Q2）で他励直流機を駆動する問題で、電動機として動かすときのオン時間(a)と、回生制動時の電機子電圧(b)を求めます。

Q1をオンオフ制御する降圧チョッパ動作では V₁＝E×(T_ON/T)。Q2をオンオフ制御する昇圧チョッパ動作（回生）では V₁＝(T_ON+T_OFF)/T_OFF×V の関係式を使います。

令和7年度上期 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7年度上期 B問題16

　図のように他励直流機を直流チョッパで駆動する。電源電圧はE＝200〔V〕で一定とし，直流機の電機子電圧をVとする。IGBT Q₁及びQ₂をオンオフ動作させるときのスイッチング周波数は500Hzであるとする。なお，本問では直流機の定常状態だけを扱うものとする。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

（a）この直流機を電動機として駆動する場合，Q₂をオフとし，Q₁をオンオフ制御することで，Vを調整することができる。電圧V₁の平均値が150Vのとき，1周期の中でQ₁がオンになっている時間の値〔ms〕として，最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）1.75　（2）1.50　（3）1.25　（4）1.00　（5）0.7〔ms〕

（b）Q₁をオフしてQ₂をオンオフ制御することで，電機子電流の向きを(a)の場合と反対にし，直流機に発電動作（回生制動）をさせることができる。この制御において，スイッチングの1周期の間でQ₂がオンになっている時間が0.4msのとき，この直流機の電機子電圧Vの値〔V〕として，最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）1000　（2）250　（3）200　（4）160　（5）40〔V〕

出題のポイント：可逆チョッパの電動運転と回生制動

可逆チョッパでは、電動運転と回生制動で制御するIGBTとエネルギーの向きが変わります。電動運転ではQ2をOFFに固定してQ1を制御し、降圧動作により電源から直流機へ電力を送ります。回生制動ではQ1をOFFに固定してQ2を制御し、直流機側の電力を昇圧して電源へ戻します。周波数500Hzの周期は2.0msです。(a)はQ1の通流率、(b)はQ2のOFF時間を使う点が重要です。

ポイント解説：周期2.0msを降圧と回生で使い分ける

Q₂をオフしQ₁をオンオフ制御すると降圧チョッパとして動作し、V₁＝E×(T_ON/T)。回生時はQ₁をオフしQ₂をオンオフ制御すると昇圧チョッパとして動作し、V₁＝((T_ON+T_OFF)/T_OFF)×V となります（回生にはV₁>Eが必要）。

問題の解説：(a)1.50ms、(b)160V

STEP1　（a）周期Tを求め、降圧チョッパの式を立てる

$$T=\frac{1}{f}=\frac{1}{500}=2\times10^{-3}\ [\text{s}]=2\ [\text{ms}]$$

$$V_1=150=200\times\frac{T_{ON}}{T}=200\times\frac{T_{ON}}{2}$$

STEP2　（a）TON を求める

$$T_{ON}=\frac{150\times2}{200}=1.50\ [\text{ms}]$$

最も近いのは(a)-(2) 1.50です。

STEP3　（b）昇圧チョッパの式に代入して V を求める

回生時はQ₂がオンの時間0.4msなので、T_OFF＝2−0.4＝1.6ms。

$$V=\frac{T_{OFF}}{T_{OFF}+T_{ON}}V_1=\frac{1.6}{1.6+0.4}\times200=160\ [\text{V}]$$

最も近いのは(b)-(4) 160です。

答え：(a)-(2)，(b)-(4)

まとめ

T＝1/f	2ms
(a)TON	1.50ms
回生時TOFF	1.6ms
(b)V	160V
答え	(a)-(2)，(b)-(4)

▼あわせて解きたい関連問題
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