令和6年度第三種電気主任技術者上期試験　機械科目 問70 解説 問7 問7

直流機と誘導機、変圧器、そして同期機の基本的な動作原理と回路上の特性を整理することで、各空欄には（ア）に直流機、（イ）に誘導機、（ウ）に変圧器、（エ）に同期機が当てはまります。

トルクと回転速度の特性

直流機と誘導機は、磁束が一定の条件下において、回転速度の変化に伴いトルクが変化する特性を持ちます。直流機においては、フレミングの左手の法則により発生する電磁力が回転の駆動力となりますが、負荷の変動で速度が変わると逆起電力が変化し、それに伴い電機子電流とトルクが変動します。誘導機においても同様に、同期速度と回転子速度の差である「すべり」が変化することで二次電流が変動し、トルクが変化します。この特性により、両者は速度の変化に応じたトルクの調整が必要となる回転機として分類されます。

等価回路の構成と励磁電流

変圧器と誘導機は、その等価回路の構造が非常によく似ています。いずれも一次側（または入力側）に電源電圧を印加し、そこへ負荷電流を供給するための回路と、磁束を発生させるための励磁電流を流す回路を並列に接続したモデルで表されます。変圧器は静止器であるため回転に関連する項はありませんが、誘導機は二次側を回転子として扱うことで、変圧器の二次側と実質的に同じ回路構成を持つため、特性計算において共通の考え方が適用されます。

電機子反作用と誘導起電力

同期機と直流機は、いずれも電機子反作用の影響を受ける回転機です。電機子巻線に電流が流れると、その電流によって生じる磁束（電機子反作用磁束）が、界磁によって作られる主磁束に影響を与えます。この際、実際に電機子巻線に誘導される起電力は、元の界磁磁束と電機子反作用磁束をベクトル的に合成した磁束を基準に決まります。同期機においては、この反作用を同期リアクタンスとして扱うことで、電圧変動率や負荷特性を計算します。

各項目への当てはめ

記述の空欄を、電気機器の性質に基づいて次のように決定します。

1. 回転速度の変化でトルクが変化する特性を持つ機器として、直流機を（ア）、誘導機を（イ）に割り当てます。
2. 特性計算用の等価回路が似ている機器として、誘導機と変圧器の組み合わせが記述されていることから、既に（イ）が誘導機であるため、（ウ）を「変圧器」と特定します。
3. 電機子反作用のベクトル和によって起電力が決まる機器として、残る（ア）の直流機と（エ）の同期機を確認します。（ア）が直流機であるため、（エ）には同期機が当てはまります。

機器の運転状態を思い浮かべながら、磁束の向きや電流の重畳という言葉に注目すると、それぞれの回路が描く閉路の構成が見えてきます。

参考リンク

• 電気主任技術者試験（電験三種）「機械」の電気機器の特性まとめ
• 【電験三種】直流機・誘導機・同期機・変圧器の特性比較と等価回路の基礎（YouTube）
• 電気機械の基本原理とベクトル図の基礎（電気学会 学術用語解説）