パワエレ41【電験3種機械】単相インバータの構成と電圧制御方式（PWM制御）の穴埋め！平成30年 A問題11 完全解説

2026年7月8日2026年8月9日

電験3種機械科目パワーエレクトロニクス平成30年度 A問題11 直流から交流をつくる！PWMで電圧を操る

今回は平成30年度機械科目 A問題11を解説します。直流を交流に変換する単相インバータ（4スイッチ+逆並列ダイオード構成）の動作と、電圧・周波数を変える2つの制御方式（波高値制御とPWM制御）に関する空欄補充問題です。

インバータのスイッチS₁〜S₄はオンオフ制御機能をもつデバイス（IGBT等）と逆並列ダイオードで構成されます。交流電圧を変える方法は、直流電圧Eを可変させて波高値を変える方法と、E一定のままパルス幅を変えるPWM制御の2通りです。

平成30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30年度 A問題11 問題文 — 平成30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30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30年度 A問題11

　次の文章は，直流を交流に変換する電力変換器に関する記述である。

　図は，直流電圧源から単相の交流負荷に電力を供給する（ア）の動作の概念を示したものであり，（ア）は四つのスイッチS₁〜S₄から構成される。スイッチS₁〜S₄を実現する半導体バルブデバイスは，それぞれ（イ）機能をもつデバイス（例えばIGBT）と，それと逆並列に接続した（ウ）とからなる。

　この電力変換器は，出力の交流電圧と交流周波数とを変化させて運転することができる。交流電圧を変化させる方法は主に二つあり，一つは，直流電圧源の電圧Eを変化させて，交流電圧波形の（エ）を変化させる方法である。もう一つは，直流電圧源の電圧Eは一定にして，基本波1周期の間に多数のスイッチングを行い，その多数のパルス幅を変化させて全体で基本波1周期の電圧波形を作り出す（オ）と呼ばれる方法である。

　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。

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) インバータオンオフ制御サイリスタ周期 PWM制御
(2) 整流器オンオフ制御ダイオード周期位相制御
(3) 整流器オン制御サイリスタ波高値制御
(4) インバータオン制御ダイオード周期位相制御
(5) インバータオンオフ制御ダイオード波高値 PWM制御

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	インバータ	オンオフ制御	サイリスタ	周期	PWM制御
(2)	整流器	オンオフ制御	ダイオード	周期	位相制御
(3)	整流器	オン制御	サイリスタ	波高値	制御
(4)	インバータ	オン制御	ダイオード	周期	位相制御
(5)	インバータ	オンオフ制御	ダイオード	波高値	PWM制御

出題のポイント：直流を交流にするのがインバータ

「直流電圧源から単相の交流負荷に電力を供給する」——直流から交流への変換ですから、（ア）はインバータです。整流器は逆（交流→直流）なので、その時点で2肢が落ちます。

変換器の名前	入力 → 出力	主なデバイス	制御方法
整流器（コンバータ）	交流 → 直流	ダイオード／サイリスタ	位相制御（サイリスタの場合）
インバータ（逆変換器）	直流 → 交流	IGBT＋逆並列ダイオード	PWM制御
チョッパ	直流 → 直流	IGBT／MOSFET	通流率（デューティ）制御
交流電力調整装置	交流 → 交流（同じ周波数）	逆並列サイリスタ／トライアック	位相制御
サイクロコンバータ	交流 → 交流（異なる周波数）	サイリスタ	位相制御

電力変換器の名前は、入力と出力で決まります。交流→直流が整流器（順変換）、直流→交流がインバータ（逆変換）——「逆変換器」という別名を知っていれば、方向を取り違えません。

直流電源から単相インバータを介して交流負荷へ給電する流れと4個のスイッチ構成 — 単相インバータは4個のオンオフ制御デバイスと逆並列ダイオードで構成されます。

（イ）（ウ）スイッチをどう作るか

インバータのスイッチには、オンもオフも自由に制御できるデバイスが要ります。サイリスタのように「オンしかできない」デバイスでは、任意の波形が作れない——だから（イ）はオンオフ制御機能です。

そして（ウ）は逆並列に接続するダイオードです。誘導性の負荷では、電圧と電流の位相がずれるので、電圧の向きと電流の向きが逆になる期間ができます——その電流を流す経路が必要になります。

状況	電流の向き	導通する素子
電源から負荷へ電力を送る	順方向	IGBT
負荷から電源へ返す（誘導性負荷）	逆方向	逆並列ダイオード

逆並列ダイオードは還流ダイオード（フリーホイールダイオード）とも呼ばれます。誘導性負荷のエネルギーを直流側へ戻す経路——これがなければIGBTに逆電圧がかかって破壊されます。

☝️ ひっかけの作り方：（ウ）に「サイリスタ」を入れる肢がありますが、逆並列に接続するのは制御不要な素子でよい——むしろ勝手に導通してくれるダイオードのほうが適切です。サイリスタでは点弧のタイミングを制御する必要があり、無駄に複雑になります。

（エ）（オ）電圧を変える2つの方法

インバータの出力電圧を変える方法は2つあります。直流電圧そのものを変えるか、直流は一定のままパルスの幅を変えるか——問題文はこの2つを順に説明しています。

方法	直流電圧 E	変えるもの	呼び名	特徴
①	可変	交流電圧波形の波高値	PAM制御（パルス振幅変調）	直流側に電圧調整器が要る
②	一定	パルスの幅	PWM制御（パルス幅変調）	インバータだけで完結。高調波も減らせる

直流電圧を変えれば、出力波形の高さ（波高値）が変わります——だから（エ）は波高値です。「周期」ではありません——周期は周波数の話であって、電圧とは別です。

PWM（パルス幅変調）の考え方

出力電圧の平均 \( \fallingdotseq E\times\dfrac{\text{パルス幅}}{\text{周期}} \)

直流電圧 E は一定のまま、パルスの幅で平均値を作る——幅を正弦波状に変えれば、平均は正弦波になります。

PWMでは、1周期の中で何回もスイッチングし、パルスの幅を刻々と変えます。幅を正弦波状に変化させれば、平均値としては正弦波が得られる——これがPWMの発想です。

平成30年度機械A問題11の空欄インバータ、オンオフ制御、ダイオード、波高値、PWM制御と選択肢5 — 空欄を順に埋めると正しい組合せは選択肢(5)です。

答え（ア）インバータ　（イ）オンオフ制御　（ウ）ダイオード　（エ）波高値　（オ）PWM制御——正解は (5)です。

PWM制御が主流になった理由

現在のインバータは、ほぼすべてPWM制御です。PAM制御が使われなくなった理由は、はっきりしています。

	PAM制御	PWM制御
必要な機器	可変直流電源（チョッパなど）＋インバータ	インバータのみ
応答の速さ	遅い（直流電圧の変化に時間がかかる）	速い（次のパルスから変えられる）
出力波形	方形波。高調波が多い	正弦波に近い。高調波が少ない
低速時の特性	直流電圧が下がり制御が不安定	安定

PWMなら機器が1つで済み、応答も速く、波形もきれい——あらゆる面で有利です。これが可能になったのは、高速にスイッチングできるIGBTが実用化されたから——デバイスの進歩が制御方式を変えた実例だと言えます。

⏱️ 本番での進め方
①「直流→交流」ならインバータ。整流器は逆。
② インバータのスイッチはオンオフ制御可能なデバイス＋逆並列ダイオード。
③ 直流電圧を変える＝波高値を変える（PAM）。
④ 直流一定でパルス幅を変える＝PWM。現在の主流。

💡 覚え方
「PAMは高さを変え、PWMは幅を変える」——AはAmplitude（振幅）、WはWidth（幅）。略語の意味がそのまま制御方法を表しています。

直流電圧Eを変えて波高値を制御する方法とE一定でパルス幅を変えるPWM制御の比較 — Eを変えると波高値が変わり、E一定でパルス幅を変える方法がPWM制御です。

4つのスイッチをどう動かすのか

単相フルブリッジインバータでは、4つのスイッチを対角のペアで動かします。S1とS4、S2とS3——この2組を交互にオンすることで、負荷にかかる電圧の向きが反転します。

状態	オンするスイッチ	負荷にかかる電圧
正の半サイクル	S1 と S4	＋E
負の半サイクル	S2 と S3	−E
ゼロ電圧期間（PWM時）	S1 と S3（または S2 と S4）	0