平成29年度 第2種 機械

同期電動機は，定常運転時において，負荷の大小にかかわらず，極数と電源周波数とで定まる同期速度で回転する交流機であり，一般に定速度電動機として用いられる。同期電動機が一定の負荷にて定速運転を行っているとき，界磁電流を増加させると電機子電流の位相は界磁電流増加前よりも進み方向に変化し，減少させると逆方向に変化する。これにより，運転力率を任意に調整することができる。

同期電動機を原動機で駆動すれば，同期発電機として動作させることができる。電機子電流及び端子電圧の大きさ並びに同期速度及び回転方向は電動機運転時と変えず，同期発電機として遅れ力率で運転する場合の界磁電流は，遅れ力率で運転していた同期電動機の界磁電流より大きい。

同期電動機は，インバータ電源などを用いて電源周波数を制御することによって可変速運転を行うことができる。一般に，誘導起電力は回転速度に比例して増減する。したがって，回転速度を定格速度より低くする場合，電源電圧と電源周波数との比を一定に維持するように制御を行えば，磁束をほぼ一定に保つことができる。

永久磁石同期電動機で速度制御を行う場合，高速領域で誘導起電力が電源電圧より高くなり，そのままでは回転速度を上げることができなくなるときがある。このような場合に，電機子電流の位相を進み方向に制御し，電機子反作用によって磁束を弱めるようにすれば，運転領域を高速側に拡大することができる。

避雷器は，雷，回路の開閉などに起因するサージ電圧がある値を超えたときに，サージ電圧を抑制して電力設備の絶縁破壊事故を防ぐものである。避雷器に非直線の電圧－電流特性をもつ ZnO 素子を組み込むことで，サージ電圧抑制後の通常電圧による続流を遮断して系統を元の状態に復帰させる。

発変電所ではギャップレス避雷器を用いることが主流であるが，配電用や直流電気鉄道の電線路のがいし保護に用いられる避雷器では，万一 ZnO 素子が短絡状態になっても送電が可能なように，直列ギャップ付き避雷器も多く使用されている。

避雷器規格では，避雷器の保護性能を評価するために，8/20 μs の雷インパルス電流が公称放電電流として定められている。この電流が流れるときの避雷器の両端子間に発生する電圧を制限電圧といい，値はその避雷器が保護する機器や設備の耐電圧レベルよりも低くなければならない。

図 1 には電圧形ハーフブリッジインバータを示す。負荷は誘導性負荷 L で，今 Q₁ がオンして負荷電流が P-Q₁-L-O の経路で流れているとする。その後のある時刻で，Q₁ をオフして Q₂ にオン信号を与えた。この直後に流れる電流の経路は N-D₂-L-O となる。実際の電圧形インバータでは，Q₁ にオフ信号を与えてから Q₂ にオン信号を与えるまでに所定の時間をとっている。この時間をデッドタイムといい，ターンオフ信号の遅れなどによって短絡電流が流れるのを未然に防止する目的で設けている。電圧形インバータでは，直流電源とインバータからなる回路のインダクタンスを小さくしてあるので，もし短絡すると大きな短絡電流が流れてしまう。

図 1 のインバータの出力電圧波形を図 2 に示す。この電圧 v_a は，直流電源の中間電位点 O 端子から a 端子を見たときの電圧である。図 1 のハーフブリッジインバータを 2 台使用したのが，図 3 の電圧形フルブリッジインバータである。このときの出力電圧 v_ab は，v_ab = v_a - v_b と表せる。インバータ 1 とインバータ 2 が位相差 120 ° で運転したときの出力電圧波形は図 4 となり，この電圧 v_ab の波高値は E となる。

一般に，被加熱物が絶縁体の場合，直流電界を印加しても電流が流れず，加熱されない。しかし，被加熱物中の電子，イオン，電気双極子のような荷電体おいては，印加される直流電界によって誘電分極を生じる。電界が交番電界の場合には，電界の往復的な変化に応じて，誘電分極も往復的に連続して発生する。

絶縁体の誘電率 ε は複素数を用いて，一般に次式で表される。

交番周波数を上げていくと，交番電界の時間変化に誘電分極が追いつかなくなり，遅れが生じ始める。この遅れによって電力損失が発生し，被加熱物が加熱される。①式において， ε'' はこの遅れを表している。発生する熱量は ε'' が一定と見なせる場合には交番周波数に比例する。また，印加する交番電界強度の 2 乗に比例する。

マイクロ波を利用する電子レンジは誘電加熱の代表的な例の一つである。電子レンジでは，被加熱物を構成する荷電体のうち，電気双極子による発熱によって加熱される。

巻線形三相誘導電動機の二次端子を開放した状態で，一次巻線に一定周波数 f₁ の三相正弦波交流電圧を印加すると，励磁電流は流れるが，二次電流が流れないので回転子は回転しない。二次電流を短絡すると二次電流が流れ，これと一次電流により発生する回転磁界とによって，回転子にトルクが発生し，回転子は回転し始める。

回転子が滑り s で回転している場合，回転速度を n₀ とすれば回転子の回転速度は (1 - s)n₀ で表され，このとき，二次巻線に発生する起電力の周波数は sf₁ である。

回転子に負荷を接続し，その負荷を増大させると回転速度は低下する。すなわち，滑りは増加することになり二次巻線に発生する起電力が大きくなる。その結果，二次電流が増加し，負荷トルクと平衡するだけの大きさのトルクを発生する。

図に示すように点光源が水平な机上面上の高さ h にあり，その鉛直角 θ 方向の微小立体角 Δω 内を光束 Φ が通過している。ここで，点光源とは，光源から照射を受ける面までの距離に比べて，光源の大きさが無視できる程度に小さなものをいう。逆 2 乗の法則による照度計算は，この点光源を前提としている。

この条件において，ある点 P の水平面照度 E_b が，その点 P に対応する微小面の平均照度 E_av であることを以下に説明する。

まず，光源からある方向に向かう光束の単位立体角当たりの割合を光度という。逆 2 乗の法則による机上面上の点 P の水平面照度 E_b は，逆 2 乗の法則に従って，光度 I，高さ h，鉛直角 θ を用いて表すと I·cos³θ / h² となる。点光源の鉛直角 θ（点P）方向の光度 I は， Δω とΦ を用いて表すと Φ/Δω で求まるので，h と θ とが分かれば E_b を求めることができる。

次に，微小立体角 Δω が机上面に投影して作る微小面の面積 ΔA の平均照度 E_av を求める。照度の定義に従えば，ΔA の平均照度 E_av は Φ/ΔA で表せる。ΔA は微小立体角Δω，高さ h，鉛直角 θ を用いて表すと Δω·h²/cos³θ となるので，これを Φ/ΔA に代入すれば E_av を求めることができる。

この E_av を求める関係に，I = Φ/Δω を代入して Φ ，Δω を消去し，光度 I を用いて表せば I·cos³θ / h² となる。よって，ある点の水平面照度 E_b は，その点に対応する微小面の平均照度 E_av と同一である。

電力を大量に貯蔵・輸送するために水を電気分解して水素を製造することが検討されている。水酸化カリウム水溶液などの塩基性の電解質を用いたときのカソード上の反応は，

であり，水素の製造量は電気分解中に通電した電気量に比例する。これは電気分解に関するファラデーの法則に従った現象である。電気素量を 1.602 × 10^-19 C ，アボガドロ定数を 6.022 × 10²³ mol^-1 とすると，0 °C，1 気圧（ = 101.33 kPa）で22.4 L （ = 2.24 × 10^-2 m³）の水素を製造するのに必要な電気量は 1.93 × 10⁵ C である。アノードではカソードで生成した OH^- を酸化して酸素を生成する。

ソフトウェア開発には，いくつかのプロセスモデルがある。要求定義，設計，実装（プログラミング），テストなどの工程を上流工程から下流工程へ逐次的に遂行していくウォータフォールモデルにおいて，開発者のプログラムテストは，システムの最も小さな構成単位であるモジュールの単体テストから開始し，結合テスト，システムテストへとボトムアップ的に行う。しかしこの進め方においては，最上流の要求定義に起因する欠陥が，最後のシステムテストの段階にならないと検出されないという構造的問題がある。この開発リスクを回避するために，現在では比較的短時間で分析や設計，評価を繰り返し行う反復的なプロセスモデルも用いられている。

テスト工程では，静的解析ツールを用いたプログラム構造解析も行われるが，実行による正しさを確認するためには，実際にソフトウェアを実行環境で動作させる必要がある。単体テストの場面では，プログラムの一部モジュールだけを実行可能なようにテスト環境を整えなければならないため，本来のプログラムに代わって，被テストも受ウールを模擬的に呼び出すドライバや被テストモジュールから呼び出され模擬的な応答をするスタブを準備することが行われる。

テストを網羅的に行うためには，初めの段階ではプログラムの内部構造に基づいてテスト項目を選ぶ方法で行われる。その後，結合テスト，システムテストと進み，対象のプログラム量が大きくなるに従って，内部構造には関知せずに，インターフェースの仕様からテスト項目を選ぶブラックボックステストの比重が大きくなる。