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。

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2	長くなる
(3)	波形1	波形4	波形2	長くなる
(4)	波形1	波形4	波形2	短くなる
(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電圧と電流を比較

R-L負荷では、リアクトル電流が瞬時に0にならないため、環流ダイオードの有無で負荷電圧と負荷電流の導通区間が変わります。S開放時は、主ダイオード電流が消弧角まで続くため負荷電圧に負の区間が現れ、負荷電流は電源電圧より遅れます。Sを閉じて環流ダイオードを接続すると、電源電圧が負の間は負荷側で環流して負荷電圧がほぼ0となり、負荷電流の流れる期間は長くなります。

ポイント解説：R-L負荷の導通区間と消弧角を整理

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に蓄えたエネルギーの放出のため、電流i_dはv_sより位相の遅れた波形になり、v_sが負になってもi_dが0になるまでe_dに負電圧が現れます。

スイッチSを閉じる（環流ダイオードあり）と、v_s<0になった瞬間に環流ダイオードが導通してe_d≒0となり、電流が流れる期間はスイッチSを開いたときより長くなります。

問題の解説：波形1・波形4・波形2・長くなる

STEP1　（ア）（イ）S開放時の波形を判定する

S開放時、負荷電圧e_dは主ダイオードが導通している間は電源電圧v_sと等しく、i_dが0になる消弧角まで負電圧が現れる波形（波形1）となります。負荷電流i_dは電源電圧より位相が遅れて流れる波形（波形4）です。

STEP2　（ウ）（エ）S閉時の波形と電流の流れる期間を判定する

S閉時は環流ダイオードがv_s<0の瞬間に導通しe_d≒0となる波形（波形2）となり、電流の流れる期間はS開放時よりも長くなります（環流ダイオードがエネルギーを負荷側に還流し続けるため）。

STEP3　組合せを選ぶ

（ア）波形1，（イ）波形4，（ウ）波形2，（エ）長くなる、の組合せに一致するのは(3)です。

答え：(3)

まとめ

（ア）	波形1
（イ）	波形4
（ウ）	波形2
（エ）	長くなる
答え	(3)

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