パワエレ39【電験3種 機械】出力電圧波形から電力変換回路を選ぶ（双方向スイッチ）！平成18年 A問題9 完全解説

今回は平成18年度 機械科目 A問題9を解説します。与えられた出力電圧波形v_R（半波の正負が入れ替わる波形）を得ることができる電力変換回路を、5つの回路図から選ぶ問題です。

波形は制御遅れ角で制御されている（ダイオードのみの回路ではない）ことと、正負両方に現れる（全波整流や半波整流ではない）ことの2点から、逆並列接続された2個のサイリスタ（双方向スイッチ）による回路を選びます。

平成18年度 機械科目 A問題9：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。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成18年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題9

電験3種 機械科目 【パワーエレクトロニクス】 平成18年度 A問題9

　図に示す出力電圧波形v_Rを得ることができる電力変換回路として，正しいのは次のうちどれか。ただし，回路中の交流電源は正弦波交流電圧源とする。

回路候補(1)〜(5)は、下の問題図を参照してください。

出題のポイント：極性と立ち上がりの2点を見る

出力波形から回路を選ぶ問題は、2つの特徴だけで決着します。「正負どちらに現れるか」と「いつ立ち上がるか」——この2点で4通りに分類できます。

波形の特徴	そこから分かること	該当する回路
片側の極性だけ	整流している	整流回路（半波・全波）
正負の両方に現れる	整流していない	交流電力調整装置
電源電圧と同時に立ち上がる	制御していない	ダイオード
途中から立ち上がる（頭が欠ける）	位相制御している	サイリスタ

本問の波形は正負の両方に現れています——整流していないということ。整流回路の出力は必ず片側の極性だけですから、この一点で整流回路の候補がすべて落ちます。

さらに各半サイクルの途中から立ち上がっている——位相制御されているということです。ダイオードなら電源電圧が0を横切った瞬間から導通するので、頭が欠けることはありません。

2つの特徴を組み合わせる

候補	正負に現れるか	位相制御できるか	判定
ダイオード半波整流	片側のみ	できない	×
ダイオード全波整流	片側のみ	できない	×
サイリスタ整流	片側のみ	できる	×（極性で不一致）
逆並列サイリスタ	両方	できる	○

サイリスタは一方向にしか流せないので、交流の両方の半サイクルを制御するには2個を逆向きに並べる必要があります。正の半サイクルは一方が、負の半サイクルはもう一方が担当する——それぞれに制御角αを与えれば、対称な波形が得られます。

抵抗負荷だから自然に消弧する

抵抗負荷では、電圧が0になれば電流も同時に0になります。だからサイリスタは半サイクルごとに確実にオフする——これを自然消弧（自然転流）と呼びます。

オフのタイミングを制御する必要がないので、オフできないサイリスタでも問題なく使えます——交流回路がサイリスタの得意な舞台である理由がここにあります。

もし負荷が誘導性なら話が変わります。電圧が0になっても電流はまだ流れ続けるので、導通期間が半サイクルを超えて延びます——波形も本問のような単純な形にはなりません。

問題文が抵抗負荷を前提にしているのは、波形が素直な形になるようにするため——負荷の種類が波形を決めるという関係を押さえておきましょう。

出題履歴：令和4年度下期にも同じ型が出ている

まったく同じ考え方で解ける問題が、令和4年度下期 A問題10でも出題されています（パワエレ37：出力電圧波形から電力変換回路を選ぶ）。そちらも正解は (3)——16年隔てて、同じ判定手順が問われていることになります。

交流電力調整装置の出力はどれだけ下がるか

本問では波形を読むだけでしたが、制御角αと出力の関係も押さえておきましょう。抵抗負荷を双方向に位相制御した場合の実効値です。

制御角 α	出力電圧（電源電圧に対する比）	出力電力（最大に対する比）
0°	1.000	100 %
60°	0.897	80 %
90°	0.707	50 %
120°	0.446	20 %
180°	0	0 %

α＝90°でちょうど電力が半分になります。電圧は0.707倍（1/√2）——電力は電圧の2乗に比例するので0.5という関係です。

制御角と出力は直線関係ではありません。0°から60°まではあまり下がらず、90°付近で急に変化する——調光器のつまみが「最初は効きが鈍く、途中から急に暗くなる」のは、この特性のせいです。

実用の調光器では、この非直線性を電子回路で補正して、つまみの回転角と明るさが比例するように工夫されています——波形の理屈が、使い勝手の設計にまでつながっているのです。

波形問題で見るべき順序を決めておく

パワエレの波形問題は毎年のように出題されます。そのたびにゼロから考えるのではなく、見る順序を決めておく——それだけで解答時間が大きく変わります。

順	見るところ	分かること
①	出力は正負どちらに現れるか	片側＝整流／両方＝交流出力
②	いつ立ち上がるか	0を横切った瞬間＝ダイオード／途中＝サイリスタ
③	1周期に山がいくつあるか	1つ＝半波／2つ＝全波（三相なら3つ・6つ）
④	0になる期間があるか	ある＝断続／ない＝連続（リアクトル平滑）

①と②で回路の種類がほぼ決まります。③は整流回路のなかでの区別、④は平滑方式の区別——必要になったところまで進めばよく、全部見る必要はありません。

本問なら①だけで整流回路が全部落ち、②で答えが決まりました。2つ見ただけで終わり——回路図を1つずつ丁寧に読む必要はないのです。

逆に、回路図から波形を描かせる問題もあります。その場合は同じ観点を逆向きに使う——「サイリスタがあるから頭が欠ける」「逆並列だから正負に出る」という具合です。

どちら向きに問われても、着目点は同じ——この4つの観点を持っておけば、パワエレの波形問題は怖くありません。

まとめ

波形の特徴	位相制御され、正負に反転
該当回路	逆並列サイリスタ（双方向スイッチ）
答え	(3)

▼あわせて解きたい関連問題
・単相双方向サイリスタスイッチの運転判定：【機械】平成23年度A問題9
・出力電圧波形から電力変換回路を選ぶ（令和4年下期）：【機械】令和4年度下期A問題10