機械の分野で学ぶ部分に、パワーエレクトロニクスがあります。
これはパワー半導体デバイスを使用して電力の変換や制御を行う技術のことです。
本項ではパワー半導体デバイスと電力変換方式を取り上げ、その種類や特徴を説明します。
パワー半導体デバイスの種類には主に以下の3つがあります。
- ダイオード
- サイリスタ
- トランジスタ
これらの半導体の仕組みや働きについては別項で取り上げるので、ここではそれぞれの半導体素子が電力変換方式でどのように使用されるのかを説明していきます。
電力の変換や制御は以下の3つの方法に分類できるでしょう。
- 整流器
- インバータ
- 直流チョッパ
整流器は交流を直流に変換する装置です。
単相半波整流回路・単相全波整流回路・三相整流回路があり、電化製品のACアダプターや充電器などです。整流器の詳細については別項で取り上げます。
インバータは、直流から交流に変換する装置です。
エアコンや冷蔵庫、洗濯機などに使用されるモーター制御に使用されたり、蛍光灯の始動装置として使われており、他励式と自励式に分類されます。
他励式インバータは、別項で説明する単相全波整流回路を反対向きにした回路で、抵抗負荷が直流電源になり入力、交流電源が出力となっています。
他励式は出力周波数が交流電源の周波数に依存しているという意味です。
自励式インバータは、4組のダイオードとトランジスタをスイッチとして使った下記のような回路です。
対角線の2組のスイッチが交互にオンとオフを繰り替えることで直流電圧が交流電圧に変換される仕組みとなっています。このような電源が電圧源の自励式インバータを電圧型インバータ、電流源の場合は電流型インバータと言います。
直流チョッパは、直流を別の電圧の直流に変換する装置です。
多くの場合、ゲートターンオフサイリスタやパワートランジスタなど自己消弧の半導体を使用します。
別の電圧に変換するので、直流昇圧チョッパ・直流降圧チョッパの2つに分類できます。
直流昇圧チョッパは一例として以下のような回路図と式で表せます。
ポイントは、電流がインダクタンスに流れエネルギーが蓄積された状態でIGBTがスイッチングするとインダクタンスに逆起電力が起きて蓄積したエネルギーとともに大きな電流になって流れるという点です。
直流降圧チョッパについても下記に一例となる回路図と式を記します。
降圧の場合は、IGBTでスイッチオンとなると電流が抵抗に流れ、スイッチオフにすると電源が切り離され、抵抗からの電流がダイオードを通って抵抗に流れることになります。
この繰り返しによって電流、電圧ともに平均値が下がってくるので降圧できるという仕組みです。
パワーエレクトロニクスは身近なところでも使われているので作用を思い浮かべやすいかもしれません。
仕組み自体は難しくありませんがので、式だけを暗記できるまで練習問題を解くと良いでしょう。
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