平成22年度 第2種 機械

2022年2月27日更新

目次

  1. 回転機の効率及び損失
  2. 変圧器の電源投入時の現象
  3. 電圧形自励インバータ
  4. 電気加熱の中の電磁波による誘電加熱
  5. 同期発電機のリアクタンス
  6. 安定器
  7. 電気化学システム
  8. 電子計算機の固定磁気ディスク装置

問1 回転機の効率及び損失

回転機の有効出力の有効入力に対する比を効率という。この効率は,一般に百分率で表記し,特に指定しない場合には有効出力として定格出力を用いる。

回転機に実際の負荷をかけて入力及び出力を直接測定して,これらから算出した効率を実測効率という。

また,大容量機など実際の負荷をかけることが困難な場合には,規定された方法に従って損失を測定又は算出し,これらに基づいて,ある出力に対する入力を求め,これらから効率を算出することがある。この方法によって算出した効率を規約効率という。

なお,この回転機の損失は次のように分類される。

  1. 無負荷鉄損,風損及び軸受摩擦損などの固定損
  2. 電機子巻線の抵抗損などの直接負荷損
  3. 界磁巻線の抵抗損などの励磁損
  4. 負荷に起因して導体,鉄心,金属部分などに生じる損失で2.に含まれない損失の漂遊負荷損

参考文献

問2 変圧器の電源投入時の現象

変圧器を電源に投入すると,鉄心の磁気飽和現象によって過渡的に大きな電流が流入する。この電流を励磁突入電流と呼び,その波高値は定格電流の 5 倍を超えることもある。鉄心内の磁束は印加電圧の積分値に応じて変化するので,例えば単相変圧器の場合,鉄心内の残留磁束 $\phi_r$ がない状態で,電圧 0 の瞬間に投入されると,最初の 1 サイクルの間に鉄心内磁束は定常状態の磁束最大値 $\phi_m$ の2倍に達し,飽和磁束密度を超えると過渡的に大きな電流が流入する。投入時,鉄心内に残留磁束 $\phi_r$ があり,それが印加電圧による磁束の変化方向と同一方向にあった場合には鉄心内の磁束が $2\phi_m + \phi_r$ となって,さらに大きな突入電流となる。磁束は徐々に定常状態に戻っていき,それとともに突入電流も定常値に落ち着く。この継続時間は,過色のインダクタンスと抵抗などによって決まり,大容量器ほど長く,数十秒以上に及ぶことがある。

この突入電流が大きいと比率差動継電器が誤動作するので,これを防止するために,変圧器投入後一定時間継電器をロックする方法や,突入電流が第二調波を多く含むことを利用して第二調波抑制付比率差動継電器を用いる方法が採られる。

また,突入電流による電圧変動を抑制するため,投入前に残留磁束の消去,抵抗挿入,投入位相の制御などを行うことがある。

参考文献

問3 電圧形自励インバータ

準備中

問4 電気加熱の中の電磁波による誘電加熱

電磁波による誘電加熱の原理は次のとおりである。被加熱物である誘電体に電磁波の高周波電界が加えられると誘電体内の分子は分極を生じる。この状態を生じる荷電体の移動が電界の時間的変化に追随できなくなると,変位電流が電界に対して遅れを生じて電力損失が発生する。この現象が誘電損による熱の発生であり,電磁波の誘電体内の浸透深さは周波数に反比例する。

電磁波による誘電加熱は,周波数帯によって次の2種類に大別される。その一つは 1 ~ 100 [MHz] 程度の周波数帯を使用する高周波加熱であり,他の一つは 300 [MHz] ~ 30 [GHz] 程度の周波数帯を使用するマイクロ波加熱である。

参考文献

  • 目指せ!電気主任技術者~解説ノート~「電気加熱

問5 同期発電機のリアクタンス

無負荷で電圧を誘起している同期発電機の端子を三相短絡させたとき,短絡初期に大きな短絡電流が流れ,時間の経過とともに次第に減少して持続する短絡電流になる。初期の短絡電流の大きさは,回転子回路に制動作用を生じるものがない場合は直軸過渡リアクタンス $X_d^{'}$ に支配されるが,制動作用を生じるものがある場合は直軸初期過渡リアクタンス $X_d^{''}$ によって支配される。

同期リアクタンスを直軸同期リアクタンス $X_d$ と横軸同期リアクタンス $X_q$ と分けて取り扱う場合,円筒形同期発電機のときには飽和の影響を無視すると $X_d$ と $X_q$ との大きさの関係は,$X_d \simeq X_q$ となるが,突極形同期発電機のときには直軸方向と横軸方向の磁気抵抗の大きさが異なるので $X_d \gt X_q$ となる。

同期発電機に不平衡電流が流れる場合,不平衡電流を対称分に分けて取り扱うことができる。逆相電流に対する逆相リアクタンス $X_2$ は近似的に $\frac{X_d^{''}+X_q^{''}}{2}$ として計算される。また,零相電流に対する零相リアクタンス $X_0$ の大きさを他のリアクタンスとの関係で表せば $X_0 \lt X_l$ とみなせる。

参考文献

問6 安定器

蛍光ランプや HID ランプ(高輝度放電ランプ)などのアーク放電を利用した光源は,放電を開始するとランプ電流(放電電流)が増加し続け,ランプが破壊する。これを防止するために,安定器が必要となる。安定器には,ランプ電流を制限する機能とランプを点灯するために必要な始動電圧を与える機能とがある。

電流を制限する回路としては,主にインダクタを利用した磁気式と,半導体デバイスを利用した電子式がある。一般に電子式は主にインバータ回路で構成されるために,磁気式と比較して,軽量,回路損失が少ない,50 [Hz] / 60 [Hz] 兼用,ちらつきが感じられないなどの特長がある半面,電磁ノイズや高周波漏えい電流が比較的大きくなるなどの課題がある。

安定器の寿命は,通常の使用状態では温度上昇による絶縁物やコンデンサなどの劣化が大きく影響し,一般に累積使用時間で 4 万時間とされている。

参考文献

  • 目指せ!電気主任技術者~解説ノート~「安定器

問7 電気化学システム

電気エネルギーと化学エネルギーの直接変換を担う電気化学システムは,基本構成として電子伝導体である二つの電極とイオン伝導体である電解質から構成されている。この二つの電極はアノードとカソードと呼ばれ,各々役目が異なる。アノードでは酸化反応が起こり,電気分解の際には,極となる。電解質としては酸又はアルカリの水溶液がよく知られており,鉛蓄電池では硫酸水溶液が用いられている。電気化学システムには室温付近で運転するものに限らず,高温のシステムもある。1000 [°C] 付近で運転するアルミニウム電解においては,高温でのイオン性融体である溶融塩が利用されている。

以上の電極,電解質といった基本要素のほか,二つの電極系の分離や二つの電極の接触防止のために両極間にセパレータが用いられることもある。

参考文献

問8 電子計算機の固定磁気ディスク装置

電子計算機の補助記憶装置として,固定磁気ディスク装置は広く使用されている。データは,表面に磁性体を塗ったアルミニウムやガラス製のプラッタと呼ばれる磁気ディスクを磁化させ,その磁化の方向で 0 と 1 の情報として記録される。読み書きの命令を受けてから読み書きの動作が終了するまでの時間をアクセス時間と呼び,次式で求められる。

アクセス時間 = シーク時間 + データ転送時間 + サーチ時間

最近では,補助記憶装置のアクセス速度の高速化や,耐障害性を確保することを目的として,複数台の固定磁気ディスク装置をまとめて管理するディスクアレイシステムが利用されている。これは RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)システムとも呼ばれ,各種のレベルがあり,次のような主要なものがある。

  • RAID0:一連のデータを複数の固定磁気ディスク装置に分割して書き込むストライピングと呼ばれる方法で,並行してデータの転送ができるのでアクセス時間を短縮できる。これは,高速化だけを目的としたレベルである。
  • RAID1:並列的に接続された 2 台の固定磁気ディスク装置に同じデータを同時に書き込むミラーリングと呼ばれる方法で,アクセス速度の向上は図れないものの,信頼性を確保できるレベルである。
  • RAID5:データを複数の装置に分割するとともに,データ回復用のパリティビットをそれぞれの装置に持ち合うことで,データの検証ができ,高速化だけでなく,信頼性も確保できるレベルである。

参考文献

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