平成22年度 第1種 機械
目次
問1 かご形誘導電動機の始動時異常現象
誘導機のギャップの磁束密度分布は，基本波のほかに多くの高調波成分が含まれる。これらの高調波成分の作用によって下記のような始動時の電磁異常現象を発生することがある。
かご形回転子の固定子高調波回転磁界に起因する電流が流れ，その作用で誘導機性のトルクを生じる。このトルクを高調波非同期トルクという。このようなトルクが存在すると，これらが基本波によって発生するトルクと合成され，滑りの大きい付近でトルクの谷を生じることがあり，そのトルクの谷が負荷の要求するトルクよりも小さくなると，始動時にはこの付近の速度までしか加速できなくなる。このような現象をクローリングといい，この状態が持続すると，電動機には始動電流に近い大きな電流が流れ続けるので焼損に至る。
ある高調波の固定子回転磁界と同じ速度をもつ回転子高調波回転磁界が存在すると，その回転速度に相当する滑りにおいて同期機性のトルクが発生する。これを高調波同期トルクという。回転子高調波磁界の速度が固定子高調波磁界の速度から少しでも外れると，このトルクは失われる。このトルクが大きい場合はその滑りにおいて前述と同じような現象を生じる。
いずれの場合でも斜めスロットの採用はこの現象に対する有効な軽減策の一つである。
問2 同期発電機の飽和曲線と短絡曲線
準備中
問3 半導体電力変換装置に用いる変換装置用変圧器
三相ブリッジ接続の他励サイリスタ変換装置に用いる変圧器において，一次巻線（交流巻線）を三相とも短絡し，二次巻線（直流巻線）の任意の2端子間に定格周波数の正弦波電流を通電したときの電圧及び電流から算出される全リアクタンスは，転流リアクタンスである。この値が十分に小さく，かつ，変換装置の直流電流のリプルが十分に小さいとき，この変圧器を変換装置に用いたときの二次電流（直流側電流）波形は，120° 通電の方形波状になる。このため，二次電流の実効値は，その基本波の実効値 $\displaystyle \frac{\sqrt{6}}{\pi}I_\text{d}$（$I_\text{d}$ は直流電流の値）に対して約 4.7 [%] 大きくなる。
PWM 制御された三相ブリッジ接続の電圧形自励交直変換装置に用いる変圧器を考える。二次巻線に加わる線間電圧は，変圧器が変換器に直接接続されているとき，変換装置の直流電圧を振幅した PWM 波形となる。
電圧形自励交直変換装置に用いる変圧器は，変換器が発生する電圧で二次巻線が励磁されるので他励用に比べて直流偏磁する可能性が高い。直流偏磁を抑制するための対策の一つの方法は，変圧器が偏磁が生じないように二次電圧又は電流を変換器で制御することである。
問4 電力変換装置による高調波障害と対策
パワー半導体デバイスのスイッチングを利用して電力変換を行う電力変換装置の交流入力及び交流出力側には，種々の高調波が発生する。
交流入力側である電力系統では，コンデンサのような高い周波数でインピーダンスが低い機器に高調波電流が集中して加熱したり，高調波電流と系統側のインピーダンスによって高調波電圧が発生して，系統につながる機器全体に影響を及ぼすことがある。一方，交流出力側では，PWM 制御を行わない 180° 通電方式の三相ブリッジ接続インバータによって電動機を駆動する場合には，出力基本波周波数の 6 倍の周波数トルクリプルが発生し，電動機の振動などについて対策が必要となることが知られている。また，変圧器を介してインバータの出力を他の機器に接続する場合には，鉄心の磁気ひずみなどによって変圧器の損失及び騒音が増加し問題になることがある。
これらの対策としては，電力変換装置と直列にリアクトルを挿入して高調波電流を抑制する，又はフィルタを利用して高調波を除去するなどが一般的である。また，電力変換装置では生成する交流電圧波形を正弦波に近づける努力がなされている。
上記とは別に，電力変換装置の機能を利用して他の機器から発生する高調波を低減することも行われている。例えば，低減対象の高調波電流成分を検出して，それと逆位相高調波電流を発生させ，加算して相殺することが行われている。この電力変換装置は電力用アクティブフィルタと呼ばれる。
問5 電気鉄道システム
電気車の走行性能はレールと車輪路面との摩擦で決まる粘着係数によって制限されるが，限界を超えると車輪が空転・滑走（巨視滑り）を起こし，牽引力・ブレーキ力が著しく低下する。この空転・滑走は電動機制御系には負荷急変の外乱となり，速やかな制御応答が要求される。近年普及した誘導電動機のインバータ制御による駆動方式はその制御応答に優れ，なかでも小形化が求められる電車方式には電圧形 PWM 制御インバータ駆動方式が一般的に多数採用されている。また，エネルギーの有効利用を図るために電力回生ブレーキが採用されている。
電気車への電力供給方式には，直流き電方式と交流き電方式とがある。交流き電方式には数種類あるが，変電所間隔が大きくでき，かつ，通信誘導障害にも比較的有利な AT き電方式が多く採用されている。また，275 [kV] 系から受電する新幹線の変電所の場合には，き電変圧器に変形ウッドブリッジ結線変圧器を使用し，中性点を接地することによって経済的な絶縁レベルとしている。
問6 LEDランプの照度計算
A 及び B の 2 種類の LED ランプが，2 [m] の高さに下向きに設置されている。A の LED ランプは，その直下の床面の水平面照度が 500 [lx] であり，配光が $I_{A}(\theta)=I_{A}(0)\cos^{4}\theta$ なる軸対称配光である。B の LED ランプは，その直下の床面の水平面照度が A の 0.6 倍の 300 [lx] であり，配光が $I_{B}(\theta)=I_{B}(0)\cos\theta$ なる軸対称配光である。
ここに，$I_{A}(0)$，$I_{B}(0)$ は，それぞれ A 及び B の LED ランプの直下方向の光度，$I_{A}(\theta)$，$I_{B}(\theta)$ は，それぞれ A 及び B の LED ランプの鉛直角 θ 方向の光度とする。
また，$\sin60=0.866$，$\cos60=0.5$ とする。
A の LED ランプは，その直下の水平面照度が 500 [lx] なので，これを直下方向の光度 $I_{A}(0)$ に換算すると 2 000 [cd] であり，鉛直角 60° 方向の光度 $I_{A}(60)$ を求めると 125 [cd] になる。これより，鉛直角 60° 方向の床面の水平面照度を求めると 3.9 [lx] となる。
同様の手順で，B の LED ランプの鉛直角 60° 方向の床面の水平面照度を求めると，18.8 [lx] となる。
したがって，鉛直角 60° 方向の床面の水平面照度は，B が A の 4.8 倍の照度になる。
問7 電子計算機のオペレーティングシステム
ラウンドロビン
マルチタスクの実行順序に関するタイムスケジューリングの一方式で，優先度を設定せず，均等に CPU の実行時間をタスクに割り当て，CPU の使用権を開放されたタスクは，タスク郡の最後に回って実行順序を待つ方式。
スワッピング
限られた格納領域をもつ主記憶装置に，プログラムやデータをロードする領域を有効に割り当てる記憶管理の一方式で，主記憶と補助記憶の内容を入れ替えながら，優先順位の高いジョブを優先的に主記憶にロードする方式。
トランザクションファイル
業務処理などによって，イベントなど逐次発生するデータを一時的に保管しておくためのファイル。
ブート
電子計算機の電源を入れたときに，オペレーティングシステムを起動するまでの処理の流れ。
スプール
時間のかかる入出力装置などの入出力処理において，一時的にデータを補助記憶装置に出力し，少しずつ処理させることで，処理効率を高める機能。