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電力装置 (過去12年／10問出題)

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🛡️ 電力装置 のまとめ ▼

変圧器の基礎 💡

  • 変圧比：巻数比から二次電圧を算出（ $ V_1/V_2 = n_1/n_2 $ ）、電流は逆比（ $ I_1/I_2 = n_2/n_1 $ ）
  • 高周波化のメリット：周波数を上げると磁束が少なくて済む → 変圧器の小型・軽量化
  • チョッパ回路の出力電圧：入力電圧 × デューティー比（ $ V_{out} = E \times D $ ）

変圧器の損失と測定法 💥

損失 測定条件 負荷との関係 周波数との関係
鉄損（無負荷損） 二次側「開放」 無関係（常に一定） 周波数↑ → 鉄損↓
銅損（負荷損） 二次側「短絡」 負荷電流の2乗に比例 無関係
- 効率最大化：鉄損 ＝ 銅損 が成立するとき
- 絶縁油：絶縁・冷却のため「低粘度」が要求

コンバータ回路の特徴 💥

  • チョッパ回路（DC-DC）：還流ダイオードにより、スイッチOFF時に蓄積エネルギーを負荷へ放出
  • 降圧形コンバータ：出力電圧 = 入力電圧 × デューティー比（通流率）

※以下の国家試験問題・選択肢は学習支援を目的として引用しています。問題文および選択肢の著作権は厚生労働省に帰属します。解説・補足・分野分類・関連知識の整理は当サイトが独自に作成しています。

1.変圧器 (3問)

69AM77 【医用工学】
容量30kVA、巻数比 n1/n2＝30の変圧器で、定格負荷における次電流[A]はどれか。ただし、n1は1次巻線数、n2は次巻線数、1次電圧は6,000Vとし、損失は無視する。
1． 0.16
2． 1
3． 6
4．150
5．900
正解：4
巻数比の式から $V_2$ を計算
$\frac{V_1}{V_2} = \frac{n_1}{n_2} = 30$
$V_2 = \frac{V_1}{30} = \frac{6,000\,\text{V}}{30} = 200\,\text{V}$

電力の式 $P = V \cdot I$より
$P = V_2 \times I_2$
$30,000\,\text{VA} = 200\,\text{V} \times I_2$
$I_2 = \frac{30,000}{200} = 150\,\text{A}$
70AM77 【医用工学】
変圧器とコンデンサの回路を図に示す。変圧器の1次側に 200 V の正弦波交流電圧を加えたとき、ダイオード D にかかる逆電圧の最大値Vはどれか。ただし、1次側と2次側の変圧器の巻数比は1：2とする。
1．200
2．200√2
3．400
4．400√2
5．800√2
正解：5
実効値: 1次側が $200\,\text{V}$、巻数比が $1:2$ なので、二次側の実効値は $200\,\text{V} \times 2 = 400\,\text{V}$

最大値（ピーク値）: 正弦波交流の最大値は、実効値の $\sqrt{2}$ 倍
$V_{2peak} = 400 \times \sqrt{2} = 400\sqrt{2} \,\text{V}$

ダイオードとコンデンサの半波整流回路なので２倍する。（深追いしなくていいよ）
800√2
73AM77 【医用工学】
図の回路で、二次側抵抗で生じるジュール熱が最も低いのはどれか。ただし、一次電圧、巻線比および抵抗値はすべて同一とする。
1．a
2．b
3．c
4．d
5．e
正解：2 or 3
ジュール熱＝エネルギー消費
ジュール熱が最も低くなるのは負荷抵抗にかかる電圧の実効値が最も低くなる回路

交流（a）：そのまま（一番大きい）
全波（c, d）：電圧を整流して直流として活かす（大きい）
半波（b）：交流の半分を捨てている（最小）
倍電圧（e）：増幅している（最大）

2.損失・絶縁 (4問)

72PM76 【医用工学】
変圧器の損失で誤っているのはどれか。
1．銅損は負荷率の2乗に比例する。
2．鉄損と銅損が等しいときに効率は最大となる。
3．無負荷損は二次側を短絡したときの消費電力である。
4．周波数が一定のとき、渦電流損は電圧の2乗に比例する。
5．電圧が一定のとき、ヒステリシス損は周波数に反比例する。
正解：3
短絡（ショート）= 電流を流しまくる = 銅線（コイル）が熱くなる = 銅損（負荷損）
73PM76 【医用工学】
変圧器の電圧と負荷電流が一定のとき、周波数が高くなった場合の鉄損の変化と銅損の変化との組合せで正しいのはどれか。
鉄損
銅損
1．
減少する
変化しない
2．
増加する
変化しない
3．
増加する
増加する
4．
変化しない
減少する
5．
変化しない
増加する
正解：1
磁束密度 $B \propto V/f$
電圧一定で周波数が高くなった場合、磁束密度は減少するので鉄損は減少する。
銅損は周波数に無関係
76PM75 【医用工学】
変圧器の電圧及び負荷電流が一定で周波数が低下したときの鉄損と銅損との変化の組合せで正しいのはどれか。
鉄損
銅損
1．
減少する
変化しない
2．
増加する
変化しない
3．
増加する
増加する
4．
変化しない
減少する
5．
変化しない
増加する
正解：2
磁束密度 $B \propto V/f$
電圧一定で周波数が低くなった場合、磁束密度は増加するので鉄損は増加する。
銅損は周波数に無関係
77PM66 【医用工学】
変圧器に使用する絶縁油に求められる性状で適切でないのはどれか。
1．粘度が高い。
2．引火点が高い。
3．比熱が大きい。
4．絶縁耐力が大きい。
5．化学的に安定である。
正解：1
変圧器の絶縁油には、「熱を効率よく逃がす」という重要な役割（冷却作用）が求められます。
粘度が高い（ドロドロしている）と、油が鉄心やコイルの周りをスムーズに循環できず変圧器内部が過熱しやすくなります。

3.電力変換 (3問)

73AM75 【医用工学】
直流チョッパ回路の基本構成図で正しいのはどれか。ただし、スイッチング素子 S のオン時の動作時間を t1、オフ時の動作時間を t2とする。
1．昇圧チョッパ回路である。
2．VO は E と極性が反対になる。
3．t2 ＝ 3t1 のとき VO の平均値は E/3 となる。
4．VO の平均値は S のスイッチング周期に関係しない。
5．D は S がオフのときに R に電流を流す働きをする。
正解：5
1.の構成は入力電圧を下げて出力する「降圧チョッパ」
2.極性が反転するのは昇降圧チョッパ
3.$V_{O(ave)} = E \times \frac{t_1}{t_1 + 3t_1} = E \times \frac{t_1}{4t_1} = E/4$
4.平均値はオン時間比（デューティ比）に依存し、その比はスイッチング周期（$t_1+t_2$）に関連する
69AM76 【医用工学】
降圧形 DC-DC コンバータを図に示す。図中のTrはスイッチングトランジスタ、Dはダイオード、Cはコンデンサである。インダクタンスLに流れる電流が連続的で定常状態の場合、Ton=4Toffの関係のときのV0とV1の関係はどれか。ただし、入力電圧をV0、出力電圧をV1、スイッチングトランジスタTrがオンになっている時間をTon、Tr がオフになっている時間をToffとする。（解なし）
1．V1 ＝ 0.20 V0
2．V1 ＝ 0.25 V0
3．V1 ＝ 0.30 V0
4．V1 ＝ 0.35 V0
5．V1 ＝ 0.40 V0
正解：解無し
$$V_1 = V_0 \times \frac{T_{on}}{T_{on} + T_{off}}$$
条件: $T_{on} = 4T_{off}$
$$V_1 = V_0 \times \frac{4T_{off}}{4T_{off} + T_{off}}$$
$$V_1 = V_0 \times \frac{4T_{off}}{5T_{off}}$$
$$V_1 = V_0 \times \frac{4}{5}$$$$V_1 = 0.8 V_0$$
73AM76 【医用工学】
図Aの回路の電源に図 B の電圧波形を加えたとき、抵抗 R1を流れる電流 i(t)の波形に最も近いのはどれか。
1．①
2．②
3．③
4．④
5．⑤
正解：3
プラスの半サイクル（$0$〜$\pi$）:電源電圧がプラスのとき、ダイオード D は逆バイアスとなり、電流を流しません。
マイナスの半サイクル（$\pi$〜$2\pi$）:電源電圧がマイナスのとき、ダイオード D は順バイアスとなります。

波形の結論$0$〜$\pi$（プラス側）：抵抗が大きいので、電流の振幅は小さめ。$\pi$〜$2\pi$（マイナス側）：抵抗が小さいので、電流の振幅は大きめ。