インバーター
① ストーリー性を取り入れた説明: インバータとは？
中学生のタカシは、技術の授業で「インバータ」という言葉を聞いたが、意味がよく分からなかった。放課後、科学クラブの先生に質問することにした。
タカシ：「先生、インバータって何ですか？」
先生：「いい質問だね。簡単に言うと、電気の流れをコントロールする装置のことだよ。」
タカシ：「電気をコントロール？スイッチみたいなものですか？」
先生：「スイッチに似ているけど、もっと細かく制御できるんだ。たとえば、扇風機の風の強さを調整するとき、インバータを使うと電気の流れを変えてモーターの回転を自由に制御できるんだよ。」
タカシ：「じゃあ、エアコンの温度調節もインバータのおかげなんですか？」
先生：「その通り！エアコンや冷蔵庫、電車のモーターにも使われているよ。インバータを使うと、電気の消費を抑えつつ、効率よく動作をコントロールできるんだ。」
タカシ：「なるほど！でも、どうやって電気を調整するんですか？」
先生：「インバータは、交流（AC）を直流（DC）に変換し、再び交流（AC）に戻すことで、周波数を自由に変えられるんだ。この仕組みのおかげで、電気の流れを細かく制御できる。」
先生：「では、具体的な計算問題をやってみよう。」
タカシ：「いいですね！」
先生：「ある電動モーターの定格電圧が200V、周波数が50Hzだとする。インバータを使ってこのモーターを70Hzで動かしたい場合、電圧はどれくらいになるかな？」
タカシ：「えっと…周波数が上がると電圧も変わるんですよね？」
先生：「そうだね。基本的に電圧は周波数に比例するから、計算式はこうなるよ。」
タカシ：「なるほど。具体的に代入をしてみると・・
280Vですね！」
先生：「正解！この計算によって、インバータを使ってモーターの周波数を50Hzから70Hzに上げると、対応する電圧は280Vになることがわかるね。インバータを使えば、こうやって電動機の動作条件を柔軟に変えることができるんだ。」
タカシ：「すごい！実際に使われている機器も知りたくなりました！」
先生：「例えば、エアコンや冷蔵庫、電気自動車、電車、太陽光発電のシステムなど、私たちの身近な場所で使われているよ。どれもインバータによって効率的に動作しているんだ。」
タカシ：「へぇ！じゃあ、インバータがないとこれらの機械はうまく動かないんですね！」
先生：「その通り！そして、インバータの性能を支えているのがパワー半導体なんだ。」
タカシ：「パワー半導体？」
先生：「そう。パワー半導体は、電気の流れを制御するための重要な電子部品なんだ。特に、SiC（シリコンカーバイド）やGaN（窒化ガリウム）といった新しい材料を使うことで、電力変換の効率が大幅に向上しているんだよ。」
タカシ：「つまり、パワー半導体があるからこそ、インバータはエネルギーを無駄なく使えるんですね！」
先生：「その通り！だから最近では、電気自動車や再生可能エネルギーの分野でも、パワー半導体を活用したインバータがどんどん進化しているんだ。」
インバータの定義
② 実際の事例
インバータは、さまざまな分野で使用されており、エネルギー効率を向上させる重要な技術となっている。
1. エアコン・冷蔵庫の省エネ化
- インバータを搭載することで、必要なときに必要な電力だけを供給し、消費電力を抑えられる。
- 例：最新のエアコンは、温度を一定に保つためにモーターの回転数を調整し、電気代を削減。
2. 電車やEV（電気自動車）への活用
- インバータによりモーターの回転数を自由に制御でき、スムーズな加減速が可能に。
- 例：電車の走行時に、インバータ制御でエネルギー消費を抑えながら快適な乗り心地を実現。
3. 再生可能エネルギー（太陽光発電・風力発電）
- 発電した電気を家庭で使える電圧・周波数に変換するのに活用。
- 例：太陽光発電システムでは、インバータが直流電力を交流電力に変換し、電力会社の送電網に供給可能にする。
③ クイズや小テスト
クイズ1 インバータの主な役割は何ですか？
A. 電気の流れを調整して機器を効率よく動かす
B. インターネットの通信速度を上げる
C. 乾電池の電圧を一定にする
クイズ2 インバータはどのような電気の変換を行いますか？
A. 交流（AC）→ 直流（DC）→ 交流（AC）
B. 直流（DC）→ 交流（AC）→ 直流（DC）
C. 交流（AC）→ 交流（AC）
クイズ3 インバータが特に活躍する分野はどれですか？
A. インターネットの通信機器
B. モーターを使う機器や省エネ家電
C. 時計の針の動作
④ 回答
クイズ1 正解：A. 電気の流れを調整して機器を効率よく動かす
インバータは、電気の周波数や電圧を変えて機器の動作を最適化する。
クイズ2 正解：A. 交流（AC）→ 直流（DC）→ 交流（AC）
インバータは、一度直流に変換し、制御後に再び交流へ変換することで、電力のコントロールを行う。
クイズ3 正解：B. モーターを使う機器や省エネ家電
エアコン、冷蔵庫、電車、EVなど、モーターを使う機器の動作制御に欠かせない技術。
応用情報技術者試験 令和6年春午前 問20
