パワーエレクトロニクス：インバータ・チョッパ

種明かしは、スイッチを高速でON/OFFする「時間の比率」を変えれば、平均値としての電圧を 自在に作れるという発想にある。パワーエレクトロニクスは、この発想を土台に、直流を直流のまま 変換する「チョッパ」と、直流を交流に変換する「インバータ」を組み立てている。

チョッパ — スイッチのON時間比率で、直流電圧を作り変える

チョッパは直流を直流のまま、電圧の大きさだけを変える回路だ。スイッチを1周期 $T$ のうち $T_{on}$ の時間だけONにする。この比率をデューティ比 $\alpha$ と呼ぶ。

降圧チョッパ — 出力は必ず入力以下

降圧チョッパの出力平均電圧 $V_o$ は、入力電圧 $V_s$ にデューティ比をそのままかけた値になる。

例題

入力電圧100V、デューティ比α=0.3の降圧チョッパの出力電圧は何Vか。

昇圧チョッパ — 出力は必ず入力以上

回路の構成を変えると、逆に出力を入力より高くする昇圧チョッパも作れる。このときの式は 分母の形が降圧チョッパと違う。

例題

入力電圧24V、デューティ比α=0.4の昇圧チョッパの出力電圧は何Vか。

インバータ — 直流を交流に変え、周波数まで作り出す

インバータは直流を交流に変換する装置だ。スイッチを一定周期でON/OFFさせるだけのチョッパと 違い、インバータはスイッチの切り替えパターンそのものを周期的に反転させ、疑似的な正弦波の 交流を作り出す。実際の汎用インバータでは、ON/OFFのパルス幅を細かく変化させるPWM （パルス幅変調）という方式で、より滑らかな正弦波に近い波形を作っている。

インバータが作り出せるのは電圧の大きさだけでなく、周波数そのものだ。この性質が、 誘導電動機の回転速度を自在に変える「VVVF制御（可変電圧可変周波数制御）」の土台になっている。

変換の方向で名前が決まる — 整流器・チョッパ・インバータの整理

パワーエレクトロニクスの変換装置は、入力と出力が交流か直流かの組み合わせで呼び名が決まる。

• 交流 → 直流：整流器（コンバータ）
• 直流 → 直流：チョッパ
• 直流 → 交流：インバータ
• 交流 → 交流：サイクロコンバータ（周波数変換）

太陽光発電用パワーコンディショナ — チョッパとインバータの合わせ技

太陽光発電設備で太陽電池とセットになっているパワーコンディショナ（PCS）は、 ここまで見てきたチョッパとインバータを組み合わせた、実務でもっとも身近な変換装置の1つだ。

その前に、太陽電池そのものの構成を押さえておきたい。太陽光発電で最小の発電単位となる 1枚のシリコン結晶などが太陽電池セルだ。セル1枚が出せる電圧はごくわずかなので、 これを複数枚直列に接続して1枚のパネル状にまとめたものが太陽電池モジュール （一般に「ソーラーパネル」と呼ばれているのはこれにあたる）、モジュールをさらに 直列・並列に接続して必要な電圧・電流・出力に積み上げたものが太陽電池アレイになる。 セル→モジュール→アレイという順に、小さな単位を組み合わせて大きな単位を作っていく 構成だと覚えておく。

太陽電池が出す直流電圧は、日射量や温度によって絶えず変動する。PCSはまず降圧チョッパ （DC/DCコンバータ）でこの変動する直流電圧を扱いやすい電圧に調整し、その先のインバータで 電力系統に合わせた交流に変換する、という2段構成が基本になる。チョッパとインバータの間には 平滑用のキャパシタが入り、容量が大きいほどチョッパの出力電圧リプル（脈動）は小さくなる。

太陽電池には、電圧と電流の積（出力電力）が最大になる動作点が1つだけ存在し、しかも その点は日射や温度が変わるたびに移動する。PCSはこの動作点を常に追いかけ、太陽電池から そのときどきの最大の電力を引き出す最大電力点追従制御（MPPT）を行っている。

インバータの出力側には、PWM制御と組み合わせた高調波抑制用のフィルタが接続され、 電力系統に流出する高調波電流を少なくしている。さらに、系統側やPCS内部に異常が 発生した際にPCSの出力を遮断する系統連系保護装置も欠かせない要素だ。

自立運転と単独運転 — 似た言葉だが正反対の意味を持つ

PCSまわりの用語には、字面が似ているのに意味がまったく逆の2つの言葉が登場する。 自立運転と単独運転だ。

• 自立運転：停電時に、太陽光発電設備を系統から切り離し、非常用コンセントなど 限られた負荷にだけ電力を供給し続ける、意図的な運転モード。蓄電池付きのPCSなどに 搭載される、災害時に役立つ望ましい機能。
• 単独運転：配電線側で事故・停電が発生し、本来なら太陽光発電設備も系統から 切り離されるべき状況で、その切り離しが完了しないまま太陽光発電設備が配電線の 一部にだけ電力を送り続けてしまう、望ましくない異常状態。作業員の感電事故に つながる危険があるため、PCSは単独運転を検出したら速やかに出力を停止しなければならない。

PCSは単独運転を検出するために、電圧位相の急変・周波数の急変などを常時監視している。 ただし、配電線側で発生する瞬時電圧低下（雷などによる、ごく短時間の電圧低下）にまで 反応して太陽光発電設備を系統から切り離してしまうと、瞬時電圧低下のたびに発電が止まり、 系統にも太陽光発電設備側にも望ましくない。そのためPCSは、単独運転（の兆候）と瞬時電圧 低下を区別し、瞬時電圧低下に対しては不要な解列（系統からの切り離し）をしないよう対策 されている。

単相ブリッジ電圧形インバータ — スイッチの組合せで交流を作る

「インバータ — 直流を交流に変え、周波数まで作り出す」で見たPWM制御の元になっているのが、 4個の半導体スイッチ（IGBTなど）をブリッジ状に組んだ単相ブリッジ電圧形インバータだ。

直流電源$E_d$の両端に、上下2個ずつ計4個のスイッチを配置し、出力端子はこの2組の 中点から取り出す。対角に位置する2個のスイッチ（例えば「左上と右下」のペア、 「右上と左下」のペア）を交互にON/OFFすると、出力には$+E_d$と$-E_d$が交互に現れる 矩形波の交流電圧ができる。それぞれのスイッチには、逆方向に電流を流すための 逆並列ダイオードが並列に接続されている。

出力に誘導性負荷（コイルLと抵抗Rの直列）、たとえばモータの巻線をつなぐと、 電流の変化は電圧の反転にすぐには追いつかない。出力電圧が$+E_d$から$-E_d$へ切り替わった 直後も、それまで流れていた向きの電流はしばらく流れ続けようとする。このとき、 ゲート信号でONになっているスイッチ本体ではなく、その負荷電流の向きに合った 逆並列ダイオードの方が電流の通り道になる（電流がスイッチとダイオードのどちらを 流れるかは、電流の向きと出力電圧の向きが一致しているかどうかで決まる）。

RL回路の時定数 — 電流が変化する速さの目安

誘導性負荷（RL）に電圧を加えたとき、電流がどれくらいの速さで変化するかは 時定数$\tau$で決まる。

時定数が大きいほど、電流はゆっくり変化する（コイルのインダクタンスLが大きいほど、 また抵抗Rが小さいほど、電流の変化は遅くなる）。

例題（自作の数値例）

電源電圧$E_d$=200V、インダクタンス$L$=5mH、抵抗$R$=2Ωの誘導性負荷に電圧を加える。

この時定数が、単相ブリッジインバータの出力電圧が反転してから、負荷電流が 新しい向きに落ち着くまでのおおよその時間の目安になる。

なぜ電材業界の実務でこれが効いてくるのか

工場や設備の制御盤には、モータの速度をきめ細かく制御するためのインバータ盤が数多く 組み込まれている。電材商社としてインバータ盤や周辺機器を取り扱う場面では、「なぜこの 機器は周波数だけでなく電圧の設定値も一緒に変わるのか」「デューティ比を変えるだけで なぜ直流電圧が変わるのか」という問い合わせに、原理から答えられるかどうかが信頼に直結する。 チョッパとインバータの発想は、直流電源ユニットの出力調整からモータ制御盤の心臓部まで、 現場のあらゆるところで働いている。

冒頭のインバータユニットの中で何が起きていたか、答え合わせは理解度チェックの最後の問題で してみよう。