パワエレ32【電験3種機械】平滑コンデンサ付き整流器の各部電流波形の組合せ！平成29年 A問題11 完全解説

2026年7月8日2026年8月4日

電験3種機械科目パワーエレクトロニクス平成29年度 A問題11 各部を流れる電流波形！正しい組合せはどれ？

今回は平成29年度機械科目 A問題11を解説します。平滑コンデンサをもつ単相ダイオードブリッジ整流器で、電源電流i₁とダイオード電流i₂〜i₅の波形の組合せを選ぶ問題です。

コンデンサ電圧e_dが電源電圧の絶対値|v_s|より小さい間だけダイオードが導通し電流が流れます。v_s>0の期間はi₂とi₅が、v_s<0の期間はi₃とi₄がi₁と同じパルス状の電流を分担します。

平成29年度機械科目 A問題11：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平成29年度 A問題11 問題文 — 平成29年度機械科目 A問題11 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「平成29年度第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題11

電験3種機械科目【パワーエレクトロニクス】平成29年度 A問題11

　図1は，平滑コンデンサをもつ単相ダイオードブリッジ整流器の基本回路である。なお，この回路のままでは電流波形に高調波が多く含まれるので，実用化に当たっては注意が必要である。

　図1の基本回路において，一定の角周波数ωの交流電源電圧をv_s，電源電流をi₁，図中のダイオードの電流をi₂，i₃，i₄，i₅とする。平滑コンデンサの静電容量は，負荷抵抗の値とで決まる時定数が電源の1周期に対して十分大きくなるように選ばれている。図2は交流電源電圧v_sに対する各部の電流波形の候補を示している。

　図1の電流i₁，i₂，i₃，i₄，i₅の波形として正しい組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

電流i1〜i5の波形候補は、下の問題図（図2）を参照してください。

（1）i₁=波形1，i₂=波形4，i₃=波形3，i₄=波形3，i₅=波形4
（2）i₁=波形2，i₂=波形3，i₃=波形4，i₄=波形4，i₅=波形3
（3）i₁=波形1，i₂=波形4，i₃=波形3，i₄=波形4，i₅=波形3
（4）i₁=波形2，i₂=波形4，i₃=波形3，i₄=波形4，i₅=波形3
（5）i₁=波形1，i₂=波形3，i₃=波形4，i₄=波形4，i₅=波形3

出題のポイント：導通するのはピーク付近だけ

平滑コンデンサ付きの整流回路では、ダイオードは常に導通しているわけではありません。電源電圧の絶対値がコンデンサ電圧を上回る、ごく短い期間だけ——だから電流はパルス状になります。

状態	電源電圧の絶対値 \|v_s\|	ダイオード	電流
ピーク付近	コンデンサ電圧より高い	導通	パルス状に流れる
それ以外	コンデンサ電圧より低い	阻止	0（負荷はコンデンサから供給を受ける）

コンデンサは電源のピーク値近くまで充電されています。電源電圧がそれより低い間は、ダイオードに逆電圧がかかって導通しません——その間、負荷にはコンデンサから電流が供給されます。

時定数が電源の1周期より十分大きいので、コンデンサ電圧はほとんど下がりません——だから導通期間はごく短くなります。

平滑コンデンサ付き単相ブリッジ整流器でi1が波形1、i2とi5が波形3、i3とi4が波形4となる対応 — i1＝波形1、i2・i5＝波形3、i3・i4＝波形4で、答えは(5)です。

4つのダイオードの分担を追う

単相ブリッジでは、4つのダイオードが2個ずつペアで働きます。電源電圧の正負でペアが切り替わる——これが波形の違いを生みます。

電源電圧	導通するダイオード	電流の向き	本問での波形
\( v_s>0 \)	i₂ と i₅	正の向き	波形3
\( v_s<0 \)	i₃ と i₄	負の向き（負荷には正）	波形4

ペアになる2個は、必ず同じ電流を流します。直列につながって1つの経路を作っているからです——だから i₂ と i₅、i₃ と i₄ はそれぞれ同じ波形になります。

この「ペアは同じ波形」という性質だけで、選択肢がかなり絞れます。i₂＝i₅、i₃＝i₄ になっていない組合せは誤り——回路の構造から必然的にそうなるからです。

電源電流 i1 は正負両方のパルス

電源電流 i₁ は、交流側を流れる電流です。正の半サイクルでは正向き、負の半サイクルでは負向きにパルスが立つ——だから正負両方にパルスがある波形（波形1）になります。

各ダイオードの電流は、そのうち片方の向きだけです。i₁ を正の部分と負の部分に切り分けたもの——それが i₂〜i₅ の波形になります。

平成29年度機械A問題11のi1からi5までの波形番号と選択肢5 — 正しい組合せは選択肢(5)です。

答えi₁＝波形1、i₂＝波形3、i₃＝波形4、i₄＝波形4、i₅＝波形3——正解は (5)です。

☝️ ひっかけの作り方：i₂ と i₅、i₃ と i₄ のペアを取り違えるのが、本問で最も多い誤りです。ブリッジ回路の対角にあるダイオードどうしがペアになる——回路図で電流の経路を指でたどって確認してください。

なぜ高調波が問題になるのか

問題文が「この回路のままでは電流波形に高調波が多く含まれる」とわざわざ注意しているのには理由があります。

電源電流がパルス状になるということは、正弦波から大きくかけ離れているということ。フーリエ級数で分解すれば、基本波のほかに第3・第5・第7……の高調波が含まれます。

問題	影響
電源設備の過熱	実効値が大きくなり、変圧器や電線が余分に発熱する
力率の悪化	基本波力率は良くても、総合力率（ひずみ率を含む）は0.6程度まで落ちる
他の機器への影響	電圧波形がひずみ、コンデンサの過熱や機器の誤動作を招く

だから実用の機器では、対策が施されています。交流側にリアクトルを入れて電流の立ち上がりを鈍らせる（ACリアクトル方式）、直流側にリアクトルを入れる（DCリアクトル方式）、アクティブフィルタや力率改善回路（PFC）を組み込む——いずれも電流波形を正弦波に近づける狙いです。

本問が「基本回路」と断っているのは、これが対策前の素の姿だから。波形を正しく読めることが、対策の必要性を理解する前提になります。

⏱️ 本番での進め方
① 平滑コンデンサ付きなら、導通はピーク付近だけ。電流はパルス状。
② ブリッジの対角どうしがペア。同じ波形になる。
③ i₁ は正負両方のパルス、各ダイオードは片方だけ。
④ ペアが同じ波形になっていない選択肢は、その時点で誤り。

💡 覚え方
「コンデンサが電圧を保つから、電源はピークだけ働く」——だから電流はパルス状で高調波だらけ。そして「ブリッジは対角がペア」——この2点で波形の組合せは決まります。

コンデンサ入力形整流回路の導通条件と正負半周期でのダイオード電流の分担 — |vs|＞edの短い期間だけ導通し、正半周期はi2・i5、負半周期はi3・i4が流れます。

コンデンサインプット形とチョークインプット形

本問の回路は、整流後すぐにコンデンサが入っている「コンデンサインプット形」です。これに対し、先にリアクトル（チョーク）を入れる「チョークインプット形」もあります——両者は性質がまったく違います。

	コンデンサインプット形（本問）	チョークインプット形
最初に入る素子	コンデンサ	リアクトル
出力電圧	高い（ピーク値に近い）	低い（平均値に近い）
電源電流の波形	パルス状（高調波が多い）	方形波に近い（高調波が少ない）
力率	悪い（0.6前後）	良い（0.9前後）
負荷変動に対する電圧	変動が大きい	安定している

コンデンサインプット形の利点は、出力電圧が高いことです。ピーク値近くまで充電されるので、単相100 V なら約140 V の直流が得られます——同じ電源からより高い電圧を取り出せるのは大きな利点です。

代償が、パルス状の電流と悪い力率でした。短い時間に大きな電流を流すので、実効値が大きくなり、高調波も多く含まれます。

チョークインプット形では、リアクトルが電流を平滑するので、電源電流は連続的な方形波に近づきます——高調波が減り、力率も改善します。ただし出力電圧は平均値近くまで下がるのが欠点です。

近年の機器はコンデンサインプット形が主流ですが、高調波規制に対応するため、力率改善回路（PFC）を組み合わせるのが一般的です。PFCは電源電流を強制的に正弦波に近づける回路で、コンデンサインプット形の利点を保ちながら欠点を消す——問題文の「実用化に当たっては注意が必要」という一文は、まさにこの話を指しています。