パワエレ28【電験3種 機械】単相半波ダイオード整流回路（環流ダイオードの有無）の波形！令和6年上期 A問題10 完全解説

今回は令和6年度上期 機械科目 A問題10を解説します。抵抗とリアクトルを直列にしたRL負荷の単相半波ダイオード整流回路で、環流ダイオードの有無による波形の違いを問う空欄補充問題です。

スイッチSを開いた状態（環流ダイオードなし）では、リアクトルLのエネルギー放出のため電流id・負荷電圧edの波形は電源電圧が負になっても流れ続けます。スイッチSを閉じる（環流ダイオードあり）と、電源電圧が負になった瞬間に環流ダイオードが導通してed≒0となり、電流が流れる期間はより長くなります。

令和6年度上期 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。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和6年度上期 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6年度上期 A問題10

　次の文章は，単相半波ダイオード整流回路に関する記述である。

　抵抗とリアクトルとを直列接続した負荷に電力を供給する単相半波ダイオード整流回路を図1に示す。スイッチSを開いて運転したときに，負荷力率に応じて負荷電圧e_dの波形は図2の（ア）となり，負荷電流i_dの波形は図2の（イ）となった。次にスイッチSを閉じ，環流ダイオードを接続して運転したときには，負荷電圧e_dの波形は図2の（ウ）となり，負荷電流の流れる期間は，スイッチSを開いて運転したときよりも（エ）。

上記の記述中の空白箇所（ア）〜（エ）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）
(1)	波形2	波形4	波形3	長くなる
(2)	波形1	波形5	波形3	短くなる
(3)	波形1	波形5	波形2	長くなる
(4)	波形1	波形4	波形2	長くなる
(5)	波形2	波形5	波形3	短くなる

出題のポイント：環流ダイオードの有無で何が変わるか

本問は「スイッチSを開いたとき」と「閉じたとき」を比べる問題です。環流ダイオードがあるかないか——その差が3つの空欄すべてに効きます。

	S開放（環流ダイオードなし）	S閉（環流ダイオードあり）
電源電圧が負の間	主ダイオードが導通し続ける	環流ダイオードが導通する
負荷電圧 ed	★負の区間が現れる（波形1）	ほぼ0になる（波形2）
平均電圧	負の分だけ下がる	純抵抗負荷と同じ0.45V
電流が流れる期間	短い	★長くなる

なぜ環流ダイオードがあると期間が長くなるのか——電流を減らす力が弱まるからです。

環流ダイオードがなければ、電源電圧が負になった後もその負電圧が負荷にかかります。負電圧は電流を押し戻す方向に働く——だから電流は急速に減り、早く0になります。

環流ダイオードがあれば、負荷にかかる電圧はほぼ0。電流を減らすのは抵抗Rによる自然減衰だけ——減り方がゆるやかなので、次の周期まで流れ続けることもあるのです。

（ア）（イ）S開放時の波形を読む

（ア）は負荷電圧 e_dです。主ダイオードが導通している間は e_d＝v_s——電源電圧が負になっても電流が0になるまで導通が続くので、負の区間が現れます。これが波形1です。

電流が0になる位相を消弧角と呼びます。負荷の誘導性が強いほど消弧角は大きく、負の区間も長くなる——問題文の「負荷力率に応じて」という一言がこれを指しています。

（イ）は負荷電流 i_d。電源電圧より位相が遅れて立ち上がり、なだらかに0へ戻る波形——電圧の山より遅れてピークが来るのが誘導性負荷の特徴です。これが波形5になります。

（ウ）（エ）環流ダイオードを付けたとき

（ウ）は環流ダイオードありの e_dです。電源電圧が負になった瞬間、環流ダイオードが導通して負荷を短絡——e_d≒0 になります。だから負の区間がない波形2が正解です。

（エ）は「長くなる」。電流を減らす負電圧がなくなるので、減衰がゆるやかになる——結果として電流が流れる期間は延びます。

直感に反すると感じるかもしれません。「ダイオードで切り離したのだから早く止まりそう」——しかし切り離すのは電源であって、電流を止める働きではないのです。

環流ダイオードのもうひとつの効果：力率の改善

環流ダイオードは、平均電圧を上げ、導通期間を延ばすだけではありません。電源から見た力率も改善します。

	環流ダイオードなし	環流ダイオードあり
電源電流が流れる期間	負の区間まで含めて長い	正の半周期だけ
電源から見た無効分	大きい	小さい
力率	悪い	★改善する

環流している間、電流は負荷側の閉ループを回るだけで、電源からは流れません。電源電流が正の半周期に限られる——電圧と電流のずれが小さくなるので力率がよくなるのです。

ダイオード1個で、平均電圧が上がり、電流が連続しやすくなり、力率も改善する——これほど費用対効果の高い部品も珍しいと言えます。誘導性負荷の整流回路では、ほぼ必須の部品です。

出題履歴：平成26年度と同一問題（答えの番号は違う）

本問は平成26年度 A問題10と同じ問題です（パワエレ：環流ダイオードの有無による波形の違い）。ところが正解の番号は (2) と (3) で異なります——選択肢の並びが変えられているからです。

10年ぶりの再出題で番号だけが変わる——「答えは(2)」と暗記していたら失点します。覚えるのは「波形1・波形5・波形2・長くなる」という中身です。

平均電圧はどれだけ違うのか

環流ダイオードの有無で平均電圧がどれだけ変わるか——式で確かめておきましょう。

条件	平均電圧	理由
純抵抗負荷	0.45E	正の半周期だけ出力
R-L負荷・環流あり	0.45E	負の区間が消えるので同じ
R-L負荷・環流なし	★0.45E より小さい	負の面積が差し引かれる

どれだけ下がるかは負荷の力率しだいです。誘導性が強いほど消弧角が大きく、負の区間も長くなる——その分だけ平均電圧が下がります。

環流ダイオードを付ければ、その損失分が丸ごと回復する——リアクトルが入っているせいで下がっていた電圧が、抵抗負荷と同じ値に戻ることになります。

チョッパ回路の還流ダイオードと役割は同じです。リアクトルの電流に逃げ道を用意する——回路が違っても「リアクトルがあるところには還流路が要る」という原則は共通しています。

まとめ

（ア）	波形1
（イ）	波形5
（ウ）	波形2
（エ）	長くなる
答え	(3)

▼あわせて解きたい関連問題
・同じ問題の類題（平成26年度）：【機械】平成26年度A問題10
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