Question 1

周波数60Hzの電力系統に接続され、1200min⁻¹で回転している同期発電機の極数は。

Accepted Answer

6。【詳細解説】同期発電機は、回転速度と周波数が Ns＝120f／p の関係で厳密に結び付いている。この式を極数について解くと p＝120f／Ns となる。p＝120×60÷1200＝6［極］である。2極では3600min⁻¹、4極では1800min⁻¹、8極では900min⁻¹となり、いずれも1200min⁻¹にはならない。誘導電動機と違ってすべりがないため、同期発電機や同期電動機の回転速度は必ずこの式どおりの値になる。火力発電所のタービン発電機は高速回転が適するため2極が多く、水力発電所の水車発電機は低速のため極数の多い機種が用いられる、という対応も押さえておきたい。【他の選択肢が不適切な理由】回転速度と極数の積は必ず120fすなわち7200になる。2極なら積は2400、4極なら4800、8極なら9600となり、いずれもこの関係を満たさない。同期機にはすべりがないので、速度からこの式で一意に決まる整数が答えになる。極数は磁極の対で数えるため必ず偶数になる点も、選択肢を絞る手掛かりになる。

Question 2

2台の同期発電機を並行運転するための条件として、正しいものは。

Accepted Answer

電圧の大きさ・位相・周波数が等しいこと。【詳細解説】同期発電機を系統や他の発電機と並列に接続するには、起電力の大きさ、位相、周波数、波形、そして相回転の向きが一致していなければならない。これらがそろわないまま並列にすると、発電機どうしの間に大きな横流（循環電流）が流れ、巻線の焼損や軸への衝撃を招く。定格容量や極数は同じである必要はなく、容量の異なる発電機どうしでも条件を満たせば並行運転できる。原動機の種類や界磁巻線の抵抗値も条件ではない。実際の投入操作では、同期検定器（シンクロスコープ）で位相の一致を確認してから遮断器を閉じる。この一連の操作を同期投入という。【他の選択肢が不適切な理由】原動機が水車でも内燃機関でも、端子に現れる起電力さえそろえば並列に接続できる。極数が違っていても、それぞれが同じ周波数になる回転速度で回っていればよい。界磁巻線の抵抗値は励磁回路の内部の事情にすぎず、端子電圧が規定どおりであれば問題にならない。条件はすべて端子に現れる量でそろえるべきものだと整理したい。

Question 3

同期発電機に遅れ力率の負荷を接続したときに現れる電機子反作用の作用は。

Accepted Answer

減磁作用。【詳細解説】電機子反作用とは、負荷電流が電機子巻線に流れることでつくられる磁束が、界磁がつくる主磁束に影響を与える現象である。その現れ方は負荷の力率によって変わる。遅れ力率の負荷では、電機子電流の磁束が主磁束を打ち消す向きに働くため減磁作用となり、端子電圧が下がる。逆に進み力率の負荷では増磁作用となって端子電圧が上がる。力率1の負荷では主磁束と直角方向に作用する交差磁化作用となる。偏磁作用は直流機の電機子反作用を説明するときに用いられる語で、同期発電機の力率による分類には含まれない。遅れ力率の負荷が多いほど端子電圧が下がるため、界磁電流を増やして電圧を保つ調整（自動電圧調整器の働き）が必要になる。【他の選択肢が不適切な理由】見分ける手掛かりは端子電圧が上がるか下がるかである。主磁束を助けて電圧を押し上げる働きは進み力率の負荷で現れるものであり、遅れ力率のときには当てはまらない。主磁束と直角に働いて大きさをほとんど増減させない状態は力率が1の場合である。整流子をもつ直流機の説明で使われる語を、同期機の力率による分類に持ち込むこともできない。

Question 4

短絡比の大きい同期発電機の特徴として正しいものは。

Accepted Answer

電圧変動率が小さく安定した運転ができる。【詳細解説】短絡比は、無負荷で定格電圧を出すのに必要な界磁電流と、短絡状態で定格電流を流すのに必要な界磁電流との比で、パーセント同期インピーダンスのおよそ逆数にあたる。短絡比が大きいということは同期インピーダンスが小さいことを意味し、負荷が変化しても端子電圧が変わりにくく、系統の安定度も高くなる。ただし短絡電流は大きくなる。短絡比の大きい機械は鉄心を大きくとる必要があるため「鉄機械」と呼ばれ、寸法が大きく重く、価格も高くなる。銅を多く使った小形の機械は短絡比の小さい「銅機械」である。界磁電流なしで電圧を発生できるのは永久磁石を用いた発電機であり、短絡比とは関係がない。【他の選択肢が不適切な理由】短絡比はパーセント同期インピーダンスのほぼ逆数であるから、短絡比が大きいこととインピーダンスが大きいことは同時には成り立たず、短絡電流もむしろ大きくなる。銅を多く使った小形軽量の機械は短絡比が小さいほうの特徴である。界磁を流さずに電圧を得られるのは永久磁石を用いた機械の話で、短絡比の大小とは結び付かない。

Question 5

三相同期電動機の運転上の特徴として正しいものは。

Accepted Answer

負荷が変わっても回転速度が変わらない。【詳細解説】同期電動機は、回転子の磁極が回転磁界と同じ速さで引き合いながら回るため、負荷が変化しても回転速度は同期速度のまま一定に保たれる。変化するのは回転磁界と磁極との角度（負荷角）だけである。負荷が重くなると速度が下がるのは誘導電動機の性質である。また同期電動機は、停止状態でいきなり電源を加えても回転磁界に追随できず自力では始動できない。制動巻線を利用した自己始動法や、始動用電動機による方法、インバータで周波数を低くして起動する方法などが必要になる。回転子は一般に界磁巻線に直流を流す構造で、永久磁石は必須ではない。速度が一定であることから、圧延機や送風機など一定速度が求められる用途に適している。【他の選択肢が不適切な理由】負荷が重くなるほど遅くなるのは、すべりによってトルクを得る誘導機の性質である。同期機では負荷が過大になっても速度が徐々に落ちるのではなく、引き込みの限界を超えた時点で脱調して回らなくなるという違いがある。静止した状態から自力で加速することはできず、始動には別の仕掛けが要る。回転子は界磁巻線に直流を流す構造が一般的である。

Question 6

三相同期電動機の始動に用いられる方法として、適切なものは。

Accepted Answer

自己始動法。【詳細解説】同期電動機は静止状態から自力で回り出すことができない。そこで回転子の磁極面にかご形と同じ構造の制動巻線（ダンパ巻線）を設け、始動時にはこれを誘導電動機の回転子として働かせて加速する。同期速度に近づいたところで界磁に直流を加え、磁極を回転磁界に引き込んで同期運転へ移す。この方法を自己始動法という。二次抵抗始動法は巻線形誘導電動機の方法である。スターデルタ始動法や始動補償器始動法は、かご形誘導電動機の始動電流を抑える方法であり、同期電動機を同期速度へ引き込む手段にはならない。制動巻線は始動のためだけでなく、運転中に負荷が急変したときの回転子の振れ（乱調）を抑える働きも持っている。【他の選択肢が不適切な理由】接続を切り換える方式やタップで電圧を下げる方式は、いずれもかご形誘導電動機の始動電流を抑えるための工夫であり、そもそも回り出せない同期機を同期速度まで引き上げる手段にはならない。回転子に外部抵抗をつなぐ方法は、スリップリングと巻線形の回転子を備えた誘導電動機に限られ、直流で励磁する構造の機械には当てはまらない。

Question 7

定格電圧で運転している三相同期電動機の界磁電流を、定格の値より大きくしていった（過励磁とした）ときに、電機子巻線に流れる電流はどうなるか。

Accepted Answer

進み力率の電流が流れる。【詳細解説】同期電動機では、界磁電流を変えることで電機子電流の大きさと力率を自由に調整できる。この関係を表したものが位相特性曲線（V曲線）である。界磁電流を定格より多く流す過励磁の状態では進み力率の電流が流れ、少なく流す不足励磁では遅れ力率の電流が流れる。電機子電流が最小になるのはちょうど力率1のときで、V字の底にあたる。負荷を掛けている限り電機子電流が零になることはなく、界磁を変えれば力率も必ず変化する。進み電流を流せるという性質は、電力用コンデンサと同じ働きをすることを意味する。工場でこれを利用し、動力を得ながら同時に力率を改善する運用が行われる。【他の選択肢が不適切な理由】界磁を強めると内部に生じる起電力が電源電圧を上回り、コンデンサを接続したときと同じ向きの電流が流れる。遅れ側になるのは界磁を定格より弱めた場合であって、強めた場合とは逆である。位相特性曲線は界磁を動かせば力率が必ず変化することを示しているので、変わらないとする記述は曲線の意味と矛盾する。負荷をかけている限り電流が消えることもない。

Question 8

電力系統に設置される同期調相機の役割として正しいものは。

Accepted Answer

無効電力を調整して電圧を制御する。【詳細解説】無負荷で回している同期電動機の界磁電流を加減すると、進み電流も遅れ電流も自由に取り出せる。これを利用して系統の無効電力を調整し、力率と電圧を制御する設備を同期調相機という。過励磁にすれば電力用コンデンサと同じ働きをして電圧を上げ、不足励磁にすれば分路リアクトルと同じ働きをして電圧を下げる。連続的に、しかも両方向に調整できる点がコンデンサやリアクトルにない長所である。直流を交流に変える装置はインバータ、周波数を変える設備は周波数変換所、短絡電流を抑える機器は限流リアクトルであり、いずれも別の設備である。近年は静止形無効電力補償装置に置き換えられることが多いが、原理として問われることがある。【他の選択肢が不適切な理由】この設備は回転する機械であって半導体による変換を行わないので、直流と交流を行き来させたり周波数を作り替えたりする働きはもたない。また系統に並列に接続して無効電力だけをやりとりする設備であるから、負荷へ有効電力を送り込む経路にも、短絡電流を制限するために直列に入る位置にもならない。

Question 9

パーセント同期インピーダンスが125％である同期発電機の短絡比に最も近い値は。

Accepted Answer

0.8。【詳細解説】短絡比とパーセント同期インピーダンスは、互いにほぼ逆数の関係にある。短絡比＝100／％Zs＝100÷125＝0.8 となる。0.5は％Zsを200％、0.2は500％として計算した場合の値であり、0.7は端数を大まかに扱った誤りである。短絡比の値は、水車発電機でおよそ0.9〜1.2、タービン発電機でおよそ0.5〜0.7が目安とされ、タービン発電機のほうが小さい。短絡比が小さいほど同期インピーダンスが大きく、電圧変動率が大きくなる一方、短絡電流は小さく抑えられる。二つの量が逆数の関係にあることを押さえておけば、どちらから問われても計算できる。【他の選択肢が不適切な理由】短絡比とパーセント同期インピーダンスは積が100になる関係にあるので、求めた値に125を掛けて100に戻るかで検算できる。0.7なら約143％、0.5なら200％、0.2なら500％の機械ということになり、与えられた条件に合わない。逆数の関係を押さえておけば、どちらから問われても一つの計算で答えを出せる。

Question 10

定格電圧6600V、定格電流100A、定格力率0.85（遅れ）の三相同期発電機の定格出力［kW］に最も近い値は。

Accepted Answer

972。【詳細解説】三相の有効電力は P＝√3×V×I×cosθ で求める。Vは線間電圧、Iは線電流である。P＝1.732×6600×100×0.85≒971600［W］≒972［kW］となる。1143kWは力率を掛け忘れた値（皮相電力に相当）、1683kWは√3の代わりに3を掛けた誤り、561kWは単相として√3を掛けずに計算した値である。三相の電力計算では√3を忘れないこと、そして力率を掛けるかどうかで有効電力と皮相電力が分かれることが要点である。この発電機の皮相電力は√3×6600×100≒1143［kV・A］であり、銘板にはこの値が定格容量として表示される。【他の選択肢が不適切な理由】まず皮相電力を求めると約1143kV・Aであるから、有効電力がこれを上回る値になることはありえない。1683kWは√3の代わりに3を掛けた場合の値で、正しい答えのちょうど√3倍にあたる。1143kWは力率を掛け忘れた皮相電力そのもの、561kWは√3を掛けずに単相として計算した値である。皮相電力に力率を掛けて答えに戻るかを確かめたい。

同期発電機と同期電動機の一問一答