インバーターの構造と原理の解説と例題【電験3種機械】

3種機械

電験3種の機械では、インバータの基本的な仕組みや構造を問われる問題が出題されます。

ここではインバータとは何か?というところから、仕組みや構造までを解説します。

またこのページの内容が分かると以下のような問題が解けるようになります。

例題1 電験3種機械 2018年問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)機能を持つデバイス(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)に当てはまる組み合わせとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

インバーターの構造や仕組みの解説

インバーターの構造や仕組みについては以下のページで解説しています。こちらの内容を読むと冒頭の例題が解けるようになります。

インバーターとは何か?インバーターの役割や仕組みをわかりやすく解説

インバータとPWM変換とキャリア周波数について解説

例題を解いてみる

以上の記事を読んだところで例題を解いてみます。

まず例題の図はインバーターの構造を描いたものです。そのため(ア)はインバーターが入ります。

次にインバーターはスイッチのオンオフのタイミングを制御して直流を交流に変換します。よって(イ)にはオンオフ制御が入ります。

(ウ)についてはダイオードが入ります。これは負荷からの回生電力を流すための経路になります。インバーターに接続する負荷とは大体モーターを指しますが、モーターは回生動作となる場合があります。回生とはモーターが発電機としての働きをすることを言います。この時はモーターからインバーターを通り、電源へ電力が供給されますが、電力を通す道がないとインバーターが壊れてしまうので、この電力を通すために、ダイオードが接続されます。

(エ)は直流電圧源、つまりコンバーターの部分で電圧の大きさを調整することができます。つまり波高値を調節できますが、この大きさによって変換した際の交流電圧の大きさも変わります。よって(エ)には波高値が入ります。

コンバーターから出る電圧の波高値を変える他に、インバーターから出る交流電圧を変化させるには、インバーターの出力であるパルス幅を変える方法があります。パルス幅を制御することをPWM制御といいます。よって(オ)にはPWM制御が入ります。

以上から例題の答えは(5)となります。

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