平成18年度 第2種 機械

2022年3月18日更新

目次

  1. 三相誘導電動機の制動
  2. 三相同期発電機の短絡比
  3. スイッチングレギュレータの動作
  4. 変圧器の騒音
  5. リニア誘導モータ(LIM)
  6. ディジタル制御システムの入力処理
  7. 発光ダイオード(LED)
  8. 電子計算機の主記憶及び補助記憶装置

問1 三相誘導電動機の制動

三相誘導電動機が負荷トルクにより同期速度以上で回転されると誘導発電機になり,発生電力を電源に返還することができる。同期速度を超えた点では,トルクはになり,誘導機のトルク - 速度曲線と負荷トルクとの交点で決まる回転速度で回転し,過速度になるのを防止する。これを回生制動と呼ぶ。もし,負荷トルクが発電機としての最大トルクの点を超えると逸走する。三相巻線形誘導機の二次側に抵抗を挿入すると,発電機動作の場合にも比例推移が成り立ち,同一負荷トルクで回転速度は上がる

三相誘導機の回転子と回転磁界の回転方向が逆の場合は,滑りが 1 より大きくなり,誘導制動機となる。実際の動作では,すべり $s$ で運転中の三相誘導電動機の一次側の 3 端子中 2 端子を入れ替えると,回転磁界の方向が逆転し,電動機の滑りが $s$ から急に $2-s$ になり,誘導制動機として動作する。これを逆相制動と呼ぶ。このままでは,大きな電流が流れる割に制動トルクが小さいので,三相巻線形誘導電動機では二次回路に抵抗を挿入し,比例推移を利用して負荷に適したトルクとし,同時に電流を制限する。

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問2 三相同期発電機の短絡比

同期機の特性を示すパラメータの一つに短絡比がある。短絡比とは,定格速度において,無負荷で定格電圧を発生するのに必要な界磁電流と,三相短絡の場合に定格電流に等しい短絡電流を発生するのに必要な界磁電流との比である。

短絡比が大きい機械は,同期インピーダンスが小さいので電機子反作用の影響が小さい機械である。このような機械とするには,電機子巻線の巻数を少なくするか,ギャップの長さを大きくするか又は両方である。この場合,一定の誘導起電力を得るには,磁束を増すため界磁起磁力を増やすか又は鉄心断面積を増加させることになり,いずれの場合でも,機械の寸法が大きくなる。所要巻線量(銅量)はほぼ寸法に比例し,所要鉄量は寸法の 3 乗に比例する。したがって,短絡比の大きい機械は鉄機械といわれ,電圧変動率が小さく,過負荷耐量も大きく,高価である。

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問3 スイッチングレギュレータの動作

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問4 変圧器の騒音

変圧器の騒音の一次的原因には,けい素鋼板の磁気ひずみによる鉄心の振動,鉄心の継ぎ目及び積層鉄心間に働く磁気吸引力による鉄心の振動,電磁力による巻線の振動,冷却ファンや冷却水循環用ポンプなどの補機の振動などがある。二次的原因には,鉄心,タンク,放熱器,附属器具,配管系の共振などがある。

これらの原因の中で,けい素鋼板の磁気ひずみによる鉄心の振動が変圧器の騒音の主原因である。けい素鋼板は,変圧器のように交番する磁界のもとでは,交流磁束が通る方向に磁界の強さに応じて振動する。この振動周波数は電源周波数の2倍を基本波としているが,けい素鋼板にはヒステリシス特性があるので,その整数倍の高調波を含んでいる。この振動が,変圧器の鉄心の締め付け金具,絶縁油などを介して,変圧器のタンク壁,タンク底板,放熱器に伝播し,これらを振動させて外部に騒音として放射される。このような騒音を低減するために,高配向性けい素鋼板を使用したり,鉄心の磁束密度を減らしたりする方策が採られている。さらに,変圧器の防音壁を取り付ける方法も採用されている。

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問5 リニア誘導モータ(LIM)

リニア誘導モータ(LIM:Linear Induction Motor)は,回転形誘導電動機を半径方向に切り開いて,平面展開したような構造となっており,工場内搬送装置や列車の駆動などに用いられている。

短一次片側リニア誘導モータでは,通常,一次側は積層鉄心に電機子巻線が施され,二次側は磁路を形成するための鉄心の上にアルミニウムか銅の非磁性導体板をかぶせたリアクションプレート形の二次導体から構成されている。

リニア誘導モータの動作原理は,回転形誘導電動機と同様で,一次側の電機子巻線に三相交流電流を供給すると,進行磁界を発生する。この磁束が変化すると,二次導体に磁束の変化を妨げる向きに渦電流を生じ,これと進行磁界との相互作用により,フレミングの右手の法則に従う方向に推力が発生する。

このようなリニア誘導モータは,二次側に導体のみを設備すればよく,構造が簡単であり,また,進行磁界と非同期で動くので,駆動のために必ずしも速度検知や位置検知を行う必要がない。

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問6 ディジタル制御システムの入力処理

マイクロプロセッサを用いたディジタル制御システムは,目覚しく発展している。

このようなディジタル制御においては,時間軸方向と振幅方向の成分を持つアナログ信号を,ある一定の離散時間間隔で取り出す標本化と,ビット列に数値化する量子化によってディジタル信号に変換する。この際,サンプリング定理で定まるナイキスト周波数よりも低い周波数帯域に,アナログ信号を限定する必要がある。アナログ信号にナイキスト周波数以上の周波数が含まれると,本来存在しない低周波数の信号としてディジタル信号に雑音がのることになる。これを折り返し現象という。この現象を防ぐには,あらかじめ低域通過フィルタを用いて,アナログ信号の周波数帯域を制限すればよい。

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問7 発光ダイオード(LED)

発光ダイオードは,半導体の pn 接合に拡散電圧以上の電圧を印加し,順方向電流を流すと,発光層に p 形から正孔,n 形からは電子が流れ込み,ここで再結合する。このとき半導体の禁止帯幅 $E_\text{g}$ [eV] に相当する $h\nu$ のエネルギーを持つ光子を放出して発光する。材料には,禁止帯幅の大きい周期表の Ⅲ 族と Ⅴ 族の半導体が主に使用され,発光色は,半導体の種類や構成を変えることにより種々のものを得ることができる。

白色 LED は,三原色の LED を組み合わせて白色化する方法と,LEDの色光と蛍光体とを組み合わせて得る方法とがあるが,後者では青色 LED に黄色の蛍光体を組み合わせて白色化したものが普及している。

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問8 電子計算機の主記憶及び補助記憶装置

  1. MOS 形ダイナミック RAM:MOSFET とコンデンサから構成され,コンデンサ内の電荷の有無でデータを記憶している。コンデンサの漏れ電流を伴い情報が消失するため,リフレッシュが必要となる。
  2. EEPROM:読み取り専用の不揮発性の記憶素子であるが,製造後にも使用者がデータを電気的に書き込みができ,また,電気的に消去できる半導体記憶装置。
  3. アクセス時間:中央処理装置(CPU)が記憶装置に対して,データの読み取り・書き込みを指令し,アドレスの選択を行い,読み取り・書き込み動作の後のデータ転送が終了するまでの時間。
  4. ランダムアクセス方式:補助記憶装置のデータファイル処理時におけるレコード処理方式の一つであり,記憶装置内のレコード格納場所にアドレスがつけられており,データ格納時アドレスを指定してデータが書き込まれる。読み取り時も,アドレスを指定してデータを読み取るので,レコードの並び順に関係なく,どのレコードもほぼ同じ速さで読み取り・書き込みができる。
  5. 光変調記録:光磁気ディスクへの記録方式の一つであり,一定方向に磁化された磁性薄膜に対して,一定の磁界をかけながらレーザ光の照射により情報ビットを記録する方式。

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