パワエレ33【電験3種機械】単相サイリスタ整流回路の転流動作！令和元年 A問題10 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令和元年度 A問題10 サイリスタが切り替わる瞬間！転流とは何か？

今回は令和元年度機械科目 A問題10を解説します。純抵抗負荷に接続された単相サイリスタ整流回路で、サイリスタの導通の組合せと転流（ターンオフ）動作、直流側電圧の関係を問う空欄補充問題です。

π<ωt<2πの位相ではv<0なので、点弧する対はT₂とT₃です。純抵抗負荷では位相πで電流が0となり、T₄は保持電流を下回って自然にオフします。その後T₂を点弧するとT₄には逆電圧が印加されます。T₂,T₃導通中はA端子とN母線が同電位なのでv_d=−vです。

令和元年度機械科目 A問題10：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元年度 A問題10 問題文 — 令和元年度機械科目 A問題10 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「令和元年度第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題10

電験3種機械科目【パワーエレクトロニクス】令和元年度 A問題10

　次の文章は，単相サイリスタ整流回路に関する記述である。

　図1には純抵抗負荷に接続された単相サイリスタ整流回路を示し，T₁〜T₄のサイリスタはオン電圧降下を無視できるものとする。また，図1中の矢印の方向を正とした交流電源の電圧v＝√2V sinωt〔V〕及び直流側電圧v_dの波形をそれぞれ破線及び実線で図2に示す。

　図2に示した交流電圧の位相において，π＜ωt＜2πの位相で同時にオン信号を与えるサイリスタは（ア）である。

　交流電圧1サイクルの中で，例えばサイリスタT₄からT₂へ導通するサイリスタが換わる動作を考える。T₄がオンしている状態から位相πで電流が零になる。T₄はオフ状態となる。その後，制御遅れ角αを経てT₂にオン信号を与えると，電流がT₂に流れる。このとき既に電流が零になったT₄には，交流電圧vが（イ）として印加される。すなわち，（ウ）であるサイリスタは，極性が変わる交流電圧を利用してターンオフすることができる。

　次に交流電圧と直流側電圧の関係について考える。サイリスタT₂とT₃がオンしている期間は交流電源の（エ）と直流回路のN母線が同じ電位になるので，このときの直流側電圧v_dは（オ）と等しくなる。

上記の記述中の空白箇所（ア），（イ），（ウ），（エ）及び（オ）に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）
(1) T2とT3 順電圧オン制御デバイス A端子交流電圧の逆方向電圧-v
(2) T1とT4 逆電圧オン制御デバイス B端子交流電圧v
(3) T2とT3 逆電圧オン制御デバイス A端子交流電圧の逆方向電圧-v
(4) T1とT4 順電圧オンオフ制御デバイス B端子交流電圧の逆方向電圧-v
(5) T2とT3 逆電圧オンオフ制御デバイス B端子交流電圧v

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	T2とT3	順電圧	オン制御デバイス	A端子	交流電圧の逆方向電圧-v
(2)	T1とT4	逆電圧	オン制御デバイス	B端子	交流電圧v
(3)	T2とT3	逆電圧	オン制御デバイス	A端子	交流電圧の逆方向電圧-v
(4)	T1とT4	順電圧	オンオフ制御デバイス	B端子	交流電圧の逆方向電圧-v
(5)	T2とT3	逆電圧	オンオフ制御デバイス	B端子	交流電圧v

出題のポイント：サイリスタは「オンだけ」制御できる

本問の核心は（ウ）の「オン制御デバイス」です。サイリスタはゲートでオンにはできるが、オフにはできない——この一点がすべての記述につながっています。

	オンにする	オフにする
サイリスタ	ゲート電流を与える	★ゲートではできない
オフの条件	—	主電流が保持電流を下回る／逆電圧が加わる
呼び名	オン制御デバイス（片方向だけ制御できる）	自己消弧能力がない

だからサイリスタを使う回路では、「どうやってオフにするか」が設計の中心になります。交流電源につながっていれば、半周期ごとに電圧の極性が変わる——その極性変化を利用してオフさせるのが本問の自然転流です。

単相サイリスタブリッジで交流電圧の正負に対応する導通ペアと出力電圧を整理した表 — 正半周期はT1・T4、負半周期はT2・T3を点弧し、後者の導通中はvd＝−vです。

（ア）π＜ωt＜2π で点弧するのはどの対か

単相ブリッジでは、対角の2個を組にして点弧します。電源電圧vが正の半周期ではT₁・T₄、負の半周期ではT₂・T₃です。

位相	電源電圧v	点弧する対	直流側電圧 v_d
0＜ωt＜π	正	T₁・T₄	＋v
π＜ωt＜2π	負	★T₂・T₃	★−v

負荷には常に同じ向きに電流を流したい——だから電源の極性が反転したら、導通する対も入れ替えるのです。これがブリッジ整流の基本的な考え方になります。

（イ）（ウ）純抵抗負荷での転流の順序

純抵抗負荷では、電流は電圧に比例します。ωt＝π で電源電圧が0になれば、電流も同時に0——ここでT₄は保持電流を下回り、自然にオフします。

時点	起きること	T₄の状態
ωt＝π	電圧も電流も0になる	保持電流を下回って自然にオフ
π〜π＋α	まだ点弧信号を与えない	オフのまま（電流は流れない）
ωt＝π＋α	T₂に点弧信号	★逆電圧が加わり再導通しない

（イ）は「逆電圧」です。T₂が導通するとT₄の両端には交流電圧vが逆向きに加わる——だから再びオンすることはありません。

（ウ）は「オン制御デバイス」。ゲートではオフにできないサイリスタも、交流電圧の極性反転を借りればオフにできる——これを自然転流（電源転流）と呼びます。

逆に直流電源の回路ではこの手が使えません。極性が変わらないので、外部にコンデンサなどを付けて強制的に逆電圧を加える必要がある——強制転流です。回路が複雑になるので、いまではIGBTなど自己消弧形素子に置き換わりました。

（エ）（オ）直流側電圧の極性

T₂・T₃が導通している間、交流電源のA端子はN母線とつながります。もう一方の端子がP母線につながる——だから直流側から見ると、電源電圧が逆向きに現れるのです。

\( v_d=-v \)

T₂・T₃導通中の直流側電圧
A端子がN母線と同電位になるため

\( v\lt 0 \Rightarrow v_d\gt 0 \)

この期間はvが負
だからv_dは正になる

π＜ωt＜2π では v が負ですから、v_d＝−v は正——負の半周期でも直流側は正の電圧が出ることになります。これが全波整流です。

空欄アからオにT2とT3、逆電圧、オン制御デバイス、A端子、マイナスvを示す解答図 — 空欄の正しい組合せは(3)です。

答え（ア）T₂とT₃　（イ）逆電圧　（ウ）オン制御デバイス　（エ）A端子　（オ）交流電圧の逆方向電圧 −v——正解は (3)です。

⏱️ 本番での進め方
①（ア）vが負の半周期＝T₂・T₃。対角の組で点弧する。
②（イ）（ウ）サイリスタはオン制御デバイス。ゲートではオフにできない。
③ 純抵抗負荷はωt＝π で電流が0＝自然に消弧する。
④（オ）v_d＝−v。vが負なのでv_dは正＝全波整流。

💡 覚え方
「サイリスタはオンだけ制御、オフは電流0か逆電圧」——交流回路なら極性反転が自動でやってくれる（自然転流）。直流回路では強制転流が必要になり、それがサイリスタの限界でした。

純抵抗負荷の電流が0になってT4がオフしT2とT3へ自然転流する時系列図 — 電流が保持電流を下回ってオフし、その後の逆電圧で再導通が抑制されます。

制御遅れ角αで出力電圧が変わる

本問には制御遅れ角αが登場しました。この角度を変えると出力電圧が変わる——それがサイリスタ整流回路の存在意義です。

ダイオード整流では出力電圧が決まってしまいますが、サイリスタなら点弧を遅らせることで平均電圧を下げられる——可変直流電源として使えるのです。

単相全波・純抵抗負荷の平均出力電圧

\( V_d=\dfrac{\sqrt{2}V}{\pi}(1+\cos\alpha) \)

α＝0 なら \( 2\sqrt{2}V/\pi\fallingdotseq 0.90V \)——ダイオード整流と同じ値になります。

制御遅れ角 α	1＋cos α	平均出力電圧
0°	2	0.90V（最大）
90°	1	0.45V（半分）
180°	0	0（ゼロ）

αを0から180°まで動かせば、出力を最大から0まで連続的に調整できます——純抵抗負荷ならこの範囲すべてが使えるのがポイント。誘導性負荷では電流が連続してしまい、この式が成り立ちません。

位相制御の代償：力率の悪化

αを大きくすると電流が電圧より遅れて流れ始めます——基本波の力率が下がるのです。電圧を絞れば絞るほど力率が悪くなる——これが位相制御の宿命です。

さらに電流波形が方形波に近いので、高調波も多く含みます。系統に高調波を流し込む原因になるため、大容量では高調波対策（リアクトルやフィルタ）が求められます——近年はPWM整流器に置き換える動きもあるのはこのためです。

まとめ

（ア）	T2とT3
（イ）	逆電圧
（ウ）	オン制御デバイス
（エ）	A端子
（オ）	交流電圧の逆方向電圧-v
答え	(3)