平成17年度 第2種 機械

発電所の同期発電機には，同期速度で回転する界磁巻線に直流電流を供給する励磁方式が一般に用いられている。最近，新設されるものの多くには，同期発電機自身の出力あるいは専用交流発電機の出力を整流器によって直流に変換し，主発電機に供給する方式が採用されている。そのうちブラシレス励磁方式は，回転電機子形の励磁用発電機と整流器を主軸上に設置し，スリップリングを介すことなく直接界磁電流を供給する方式である。

揚水発電所における発電電動機に採用されつつある可変速発電電動機の固定子は，従来の発電電動機と同一の構造であるが，回転子は磁極の代わりに三相分布巻線を有し，スリップリングを介して三相交流電流によって励磁される。回転速度が変化しても励磁周波数を制御することにより回転子で発生する磁束の周波数を常に系統周波数に一致させることができるため，同期機と同じ特性で運転することができる。回転子に三相交流電流を供給するための励磁装置には，サイリスタを使用したサイクロンコンバータや GTO（Gate Turn Off）を使用したインバータが用いられている。

電力用の大形変圧器では，透磁率を高くするために，鉄心材料には方向性けい素鋼板が用いられ，その表面に絶縁皮膜処理を施して，これを短冊状に切り，積層して鉄心を構成する。方向性けい素鋼板は，製造時の圧延方向とその垂直方向とでは，磁気特性が非常に異なるので，鉄心の構成に当たっては磁束の方向と圧延方向とが一致するように留意する。また，絶縁電線を木製巻型又は絶縁筒の上にコイル状に巻き，絶縁処理を施した後，鉄心に組み込む。このような巻線方法は，型巻と呼ばれ，鉄心と巻線の製作が並行して進められる利点がある。

柱状変圧器などの小形変圧器の鉄心は，従来，大形変圧器と同様に，方向性けい素鋼板を短冊状に切って積層していたが，高効率化のために，最近では，方向性けい素鋼帯による巻鉄心からなるカットコアが広く用いられている。この鉄心の特長は，小型の割に継ぎ目が少なく，鋼帯の透磁率が高いので，励磁電流は小さく鉄損が少ないことである。さらに，現在では，一層の低損失化を図るためにアモルファス材の巻鉄心を使用した変圧器も実用化されている。巻線は，普通，低圧巻線を巻いて絶縁を施した後，その上に高圧巻線を巻いて作られる。

今日，高電圧遮断器の主流であるガス遮断器は，SF₆（六ふっ化硫黄）ガスを絶縁，消弧媒体として利用したもので，そのほとんどがアークに SF₆ ガスを吹き付けて消弧する方式であり，次の二つがある。

1. 二重圧力式は，1.5 [MPa] 程度の SF₆ ガスが封入された高圧ガス室と低圧ガス室を有し，高圧ガス室には吹付弁が，低圧ガス室には可動接触子と高圧ガス室に連接したノズル状固定接触子が収納されている。遮断動作時，接触子を開くと同時に吹付弁を開いて，高圧ガス室のガスをアークに吹付けて消弧する。この方式は，ガス圧縮機が必要である，高圧ガスの液化を防止するために冬季にヒータで加熱する必要があるなどの欠点がある。
2. パッファ式は，0.5 [Mpa] 程度のSF₆ ガスを満たした消弧室内に，固定接触子，可動接触子とともにシリンダとピストンが収納されており，遮断動作時，ピストンを連動させてガスを加圧し，この高圧ガスをアークに吹き付けて消弧する。この方式は，構造が簡単で保守が容易であるなどの特長があり，GIS（密閉形開閉装置）の普及と相まって急速に発達した

なお，ガス遮断器の構造には，がいしで遮断器全体を対地絶縁し，遮断部をがい管内に設けたがいし形と，接地した金属容器内に遮断部を収納した接地タンク形とがある。がいし形は耐震性を必要としないヨーロッパなどで広く用いられている。一方，接地タンク形は耐震性に優れている，GIS との組み合わせが容易である。ブッシング変流器を内蔵することができるなどの特長があるので，わが国で早くから発達し広く普及している。

IGBT は，MOSFET を入力段とし，バイポーラトランジスタを出力段とするダーリントン接続の構造を同一の半導体基板上に構成したパワートランジスタであり，入力信号によってオン・オフの二つの状態に制御できるバルブデバイスである。ゲートに正の電圧を加えるとオン状態となり，ゲートに零か負の電圧がかかるとオフ状態となる。このバルブデバイスには，n チャネルと p チャネル及び縦形と横形の構造があるが，電力用としては，主に縦形 n チャネル形が採用されている。

IGBT は，バイポーラトランジスタ並みの低いオン電圧，MOSFET の電圧駆動及び高速スイッチング特性を兼ね備え，かつ，バイポーラトランジスタに比べ破壊耐量が大きい。さらに並行動作時の安定性が優れているので，チップサイズの大面積化及び複数のチップを並列接続することによる大電流化が容易である。このような特長を有するため IGBT は，民生機器から汎用・大形インバータ，電車用電動機の制御装置，産業用大形プラント機器に至る広範囲の分野で用いられている。

準備中

電気鉄道用の電動機は，大きな始動トルクを必要とすることから，長い間，直流直巻電動機が使用されてきた。この制御に古くから使われているのが抵抗制御方式である。この方式は，制御そのものは簡単であるが，エネルギー効率が悪い欠点がある。

その後，パワーエレクトロニクス技術を使用したチョッパ制御によって，上述の方式と同等以上に直流電動機のきめ細かい制御が可能となり，しかもエネルギー効率も向上したので，この制御方式が広く用いられてるようになった。さらに現在では，大容量の可変電圧・可変周波数インバータが発達し，この装置1台で複数台の誘導電動機の運転が可能であることから，わが国では，この制御方式が急速に普及している。なお，誘導電動機は，直流電動機に比べ，小形・軽量化，信頼性の向上などの点でも優れている。

電線などに使用する銅は純度が低いと抵抗が大きくなり実用に適さない。高純度の銅を得るためには電解精錬法が用いられている。この製法では，電気分解プロセスを用いて純度の低い粗銅を高純度にしている。

このプロセスでは，原料である純度の低い粗銅をアノード（陽極）として電気分解を行う。高純度の銅は対極に生成する。電解液は硫酸水溶液である。ここで得られる高純度の銅の質量は電気分解に用いられた電気量に比例する。

粗銅が溶解する際に，銅とともに銅よりもイオン化傾向が大きい元素も電解液中に溶け出すが，対極である純銅には析出しない。粗銅中の溶け出さなかった元素は電気分解が進むにつれて粗銅電極の下に沈殿して残る。この沈殿物をアノード（陽極）スライムと呼び，これには銀，金，白金等の貴金属が多く含まれることがある。

高い信頼性が求められる計算機システムでは，障害が起こりにくいように，また，障害が発生した際には，柔軟に対応できるように，信頼性向上対策としていくつかのシステム構成が考えられる。

デュプレックスシステムやデュアルシステムなどは，計算機システムの一部に故障が生じても，システムを停止させないで正常に続行できるフェールソフトに分類される代表的なシステムの構成方法である。

システムの信頼性を表す指標の一つとして，稼働率が用いられ，これは平均故障間動作時間と平均修復時間の両者によって表される。あるユニットの稼働率の値が α であるとすれば，このユニットを二つ使用してシステムを構成したとき，システム全体の指標は，ユニットを直列に構成した場合には α² で表され，ユニットを並列に構成した場合には 1 - (1 - α)² で表される。