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

2026年7月7日2026年8月8日

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 電動と回生を切り替える！可逆チョッパの動作

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。

🔁 この問題は繰り返し出題されています
ほぼ同じ問題が【機械】平成26年度B問題16 でも出題されています。出題パターンが固定なので、セットで解けば確実な得点源になります。

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 問題文 — 令和7年度上期機械科目 B問題16 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「令和7年度上期第三種電気主任技術者試験」機械科目 B問題16

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：同じ回路が降圧にも昇圧にもなる

Q₁を制御すれば降圧チョッパ、Q₂を制御すれば昇圧チョッパ——1つの回路が2つの顔をもつのが可逆チョッパです。

	(a) 電動運転	(b) 回生制動
制御するIGBT	Q₁	Q₂
オフに固定するIGBT	Q₂	Q₁
回路としての働き	降圧チョッパ	昇圧チョッパ
エネルギーの向き	電源 → 直流機	直流機 → 電源
電機子電流の向き	正	逆

電機子電圧Vの向きは変わりません。変わるのは電流の向きだけ——電圧×電流の符号が反転するので、電力の向きが逆になるのです。

直流機側から見れば、電動機と発電機の切り替えです。逆起電力より電機子電圧が高ければ電流が流れ込んで電動機、低ければ電流が出ていって発電機——チョッパで電機子電圧を調整することで、どちらにもできるわけです。

可逆チョッパの電動運転と回生制動について制御IGBT、エネルギー方向、昇降圧式を比較した図 — 電動時はQ1を制御して電源から直流機へ、回生時はQ2を制御して直流機から電源へ電力を流します。

(a) Q1のオン時間を求める

\( T=\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{500}=2.0\ [\mathrm{ms}] \)

周期
スイッチング周波数500 Hz

\( V_1=\dfrac{T_{ON}}{T}E\ \Rightarrow\ 150=\dfrac{T_{ON}}{2.0}\times200 \)

降圧チョッパの式
—

\( T_{ON}=\dfrac{150}{200}\times2.0=1.50\ [\mathrm{ms}] \)

オン時間
通流率0.75

答え(a)の正解は (2) 1.50 msです。通流率が150/200＝0.75 なので、周期2.0 ms の75 %——暗算でも出せます。

(b) 回生時の電機子電圧——ここが本問の山場

与えられているのは「Q₂がオンになっている時間0.4 ms」。ところが昇圧チョッパの式に入るのはオフ時間です——この一手間が本問の難しさのすべてです。

なぜオフ時間なのか——昇圧チョッパでは、スイッチがオフの期間にエネルギーが高圧側へ送られるからです。オン中はリアクトルに蓄えているだけで、電源へは何も流れません。

昇圧チョッパの電圧関係

\( V_1=\dfrac{T_{ON}+T_{OFF}}{T_{OFF}}V=\dfrac{T}{T_{OFF}}V \)

低圧側がV（電機子電圧）、高圧側がV₁＝E（電源電圧）——回生では電機子側が低圧になります。

\( T_{OFF}=T-T_{ON}=2.0-0.4=1.6\ [\mathrm{ms}] \)

オフ時間
★与えられた0.4 ms はオン時間

\( V=\dfrac{T_{OFF}}{T}V_1=\dfrac{1.6}{2.0}\times200 \)

式を変形して代入
—

\( \phantom{V}=160\ [\mathrm{V}] \)

電機子電圧
—

答え(b)の正解は (4) 160 Vです。電源電圧200 V より低い——回生では電機子側が低圧側なので、当然の結果です。

⚠️ よくある間違い
(5) 40 Vは0.4 ms をそのまま代入した値（200×0.4/2）——オンとオフを取り違えたときに出る数字です。
(1) 1000 Vは200×2/0.4——式を逆向きに使った場合。電源電圧200 V を超える答えが出た時点で誤りだと気づけます。

回生できる条件

回生制動が成立するには条件があります。直流機が発電した電力を、電源側が受け取れることです。

条件	成立するか	理由
電源が他の負荷にもつながっている	する	返した電力を他が消費する
電源が蓄電池	する	充電される
電源がダイオード整流器だけ	★しない	電流を逆向きに流せない

ダイオード整流器で作った直流電源には、電力を返せません——ダイオードは一方向にしか流せないからです。行き場のない電力はコンデンサに溜まり、直流電圧が上がってしまう。

だから汎用インバータでは、回生時に抵抗で熱として捨てる（回生制動抵抗）か、電源へ返せる回生コンバータを追加する——どちらかの対策を取ります。電気鉄道の回生失効も、まったく同じ問題です。

⏱️ 本番での進め方
① T＝1/500＝2.0 ms をまず出す。
②(a) 通流率150/200＝0.75 →2.0×0.75＝1.50 ms。
③(b) 回生は昇圧。★式に入るのは T_OFF＝2.0−0.4＝1.6 ms。
④ 答えは必ず200 V より低い。超えたら式の向きが逆。

💡 覚え方
「電動は降圧でオン時間、回生は昇圧でオフ時間」——使う時間が違うのが引っかけどころ。どちらも電機子側が低圧という一点を押さえれば、式の向きを間違えません。

出題履歴：平成26年度と同一問題（答えの番号が逆順）

本問は平成26年度 B問題16と回路も数値も全く同じです（パワエレ：可逆チョッパの電動動作と回生動作）。違うのは選択肢の並び順だけです。

	平成26年度問16	令和7年度上期問16（本問）
(a)の選択肢	0.75／1.00／1.25／1.50／1.75	1.75／1.50／1.25／1.00／0.7（ほぼ逆順）
(a)の正解	(4) 1.50	(2) 1.50
(b)の正解	(2) 160 V	(4) 160 V

(a)と(b)で正解の番号がちょうど入れ替わっている——「(4)(2)」が「(2)(4)」になったわけです。番号で覚えることの危うさが、これ以上ないほどはっきり出た例だと言えます。

周期2.0msにおけるQ1降圧制御とQ2回生制御のオン・オフ時間と計算式を示した図 — (a)はQ1のON時間1.50ms、(b)はQ2のOFF時間1.60msを用いて求めます。

直流機側から見た電圧の関係

チョッパ側からは通流率で電機子電圧が決まりますが、直流機側にも電圧の関係式があります。両者を突き合わせると、何が起きているかが見えてきます。

他励直流機の電圧関係

電動：\( V=E_a+I_aR_a \)　／　回生：\( V=E_a-I_aR_a \)

E_a は逆起電力（＝速度に比例）——電動では電機子電圧が逆起電力より高く、回生では低くなります。

	電動運転	回生制動
V と E_a の大小	V ＞ E_a	V ＜ E_a
電機子電流	機械へ流れ込む	機械から流れ出す
トルク	回転方向と同じ（加速）	回転方向と逆（制動）