令和3年度 電験3種 理論 問6の過去問解説

令和3年度 電験3種 理論 問6

直流の出力電流又は出力電圧が常に一定の値になるように制御された電源を直流安定化電源と呼ぶ。直流安定化電源の出力電流や出力電圧にはそれぞれ上限値があり、一定電流(定電流モード)又は一定電圧(定電圧モード)で制御されている際に負荷の変化によってどちらかの上限値を超えると、定電流モードと定電圧モードとの間で切り替わる。
図のように、直流安定化電源(上限値:$100\mathrm{A}$、$20\mathrm{V}$)、三つの抵抗($R_1=R_2=0.1\mathrm{Ω}$、$R_3=0.8\mathrm{Ω}$)、二つのスイッチ($SW_1$、$SW_2$)で構成されている回路がある。両スイッチを閉じ、回路を流れる電流$I=100\mathrm{A}$の定電流モードを維持している状態において、時刻$t=t_1\left[\mathrm{s}\right]$で$SW_1$を開き、時刻$t=t_2\left[\mathrm{s}\right]$で$SW_2$を開くとき、$I\left[\mathrm{A}\right]$の波形として、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

解答・解説

●正解(2)

$t=0$のとき、電流値$100\left[\mathrm{A}\right]$、抵抗$0.1\mathrm{Ω}$なので、電源電圧は、

$$100\times0.1=10\left[\mathrm{V}\right]$$

となり、$20\mathrm{V}$の上限値に達していません。

そのため、回路には$100\mathrm{A}$の電流が流れています。

$t=t_1$のとき、電流値$100\left[\mathrm{A}\right]$、抵抗値$0.2\mathrm{Ω}$なので、電源電圧は、

$$100\times0.2=20\left[V\right]$$

となり、ギリギリ上限値の$20\left[\mathrm{V}\right]$を維持できるので、回路に$100\mathrm{A}$の電流が流れます。

$t=t_3$のとき、仮に電流値$100\left[\mathrm{A}\right]$、抵抗値$1\mathrm{Ω}$とすれば、電源電圧は、

$$100\times1=100\left[V\right]$$

になり、上限の$20\left[\mathrm{V}\right]$を超過します。

そこで、電源電圧として$20\left[\mathrm{V}\right]$を維持する定電圧モードに切り替わるので、実際に回路に流れている電流は、

$$\frac{20}{1}=20\mathrm{A}$$

となります。

よって、回路を流れる電流は、$100\mathrm{A}$→$100\mathrm{A}$→$20\mathrm{A}$と変化するので、この波形を満たすのは、(2)となります。

参考に、選択肢(5)はあり得ません。

問題文において、「直流の出力電流又は出力電圧が常に一定の値になるように制御された電源を直流安定化電源と呼ぶ」と記載されており、スイッチを操作していない$t_2$~$t_3$の間で電流値が変化している時点で、直流安定化電源の条件を満たしていません。

題意から、そもそもあり得ない選択肢になります。

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