目指せ！エネルギー管理士 電気分野
令和元年度 問題9 電気機器
(1) 電気機器の定格電圧
一般に電気機器は，機器に表示された定格電圧で使用する場合に最も効率が良い。大きな電圧変動や電圧降下は機器の効率低下を招くと共に，生産設備の場合には，製品不良の原因や製品生産能力の低下要因にもなる。
1) 工場の配電電圧を良好に維持するための電圧調整を変圧器で行う場合には，一般的に変圧器の巻線にタップを設けて，変圧比を切換えることによって行う。この切換方式としては，変圧器を負荷及び電源回路から切り離した状態でタップの切換を行う無電圧タップ切換方式と，負荷及び電源回路を接続した状態でタップ切換を可能とした負荷時タップ切換方式がある。さらに，負荷時タップ切換方式には直接式と間接式がある。
2) 負荷時タップ切換方式のうちの直接式は，変圧器の外部端子に接続される回路により変圧器巻線を流れる負荷電流が，タップ切換器に直接流れるようにする結線方式である。星形結線の三相変圧器では，各相の切換開閉器の相間電圧を小さくでき，かつ，三相の機構部が一体化できるので，変圧器巻線の中性点側に設けるのが一般的である。
3) 負荷時タップ切換方式のうちの間接式は，主変圧器の他に直列変圧器を，主変圧器の入力又は出力回路に直列接続する構成となっている。電圧の調整は，主変圧器から得られるタップ電圧を，タップ切換器を用いて直列変圧器の励磁巻線に印加することで行われる。間接式は，タップ切換器を設けようとする巻線の絶縁レベルが非常に高い場合，又は電流が極めて大きい場合などに適用される。
4) 負荷時タップ切換器によるタップの切換動作は，隣接する二つのタップ端子間を橋絡した後，所望のタップ端子に移動する動作となるので，橋絡されるタップ間の短絡電流を制限するために，抵抗又はリアクタンスが用いられる。
(2) 電圧形インバータ
汎用インバータの逆変換回路には，三相ブリッジ結線の電圧形インバータが一般的に使用される。出力電圧及び周波数の制御はパルス幅変調（PWM）方式が一般的である。
PWM 制御方式では，通常は正弦波の波形で出力電圧の基準となる信号波と，通常は三角状の波形をした搬送波を比較して，両者の大小関係でスイッチング素子のオン / オフを決定する。これにより，出力電圧の波形は幅可変の連続した方形波となる。この出力電圧波形は高周波成分を多く含んでいるが，誘導電動機では漏れインダクタンスのフィルタ作用により，電動機にはほぼ正弦波に近い波形の電流が流れる。
インバータの効率は，接続される負荷の大きさや力率などによって決まる。いま，インバータが出力電圧及び負荷力率が一定という条件で運転している。ここで，負荷電流が定格値からその 25 % の間を変動したとき，インバータの効率は一般的にはほとんど変化しない。
(3) 単相変圧器の無負荷試験と短絡試験
定格周波数 50 Hz，定格一次電圧 6 600 V，定格二次電圧 210 V の単相変圧器の無負荷試験と短絡試験を行い，次の結果が得られた。
1. 無負荷試験結果
二次側を開放し，一次側に定格周波数で定格電圧の 6 600 V を印加したとき，電流が 2.31 A，力率が 1.5 % となった。
2. 短絡試験結果
二次側を短絡し，一次側に定格周波数で 185 V の電圧を印加したとき，一次側及び二次側に定格電流が流れ，一次側の電流は 30.3 A，一次側入力電力が 2 150 W となった。
1) この変圧器の無負荷損は 229 [W] となるので，この変圧器が最高効率となるのは，変圧器定格容量の 32.6 [%] の負荷を接続したときとなる。
2) この変圧器の定格容量基準での短絡インピーダンスは 2.8 [%] であり，これは短絡試験時に印加した電圧値とそのときに流れた電流値から，一次側換算のオーム値で 6.11 [Ω] となる。
3) 短絡試験の結果より，一次側換算の巻線抵抗の値は 2.34 Ω となるので，一次側換算の漏れリアクタンスの値は 5.64 [Ω] となる。
1) 無負荷損と変圧器が最高効率となるとき
無負荷損は次式で求められる。
\[ 6600 \times 2.31 \times \frac{1.5}{100} = 228.69 \approx 229 \text{ [W]} \]無負荷損 $P_i$ [W] と 負荷損 $\alpha^2 P_c$ が等しくなるとき，変圧器が最高効率となる。
\[ \alpha =\sqrt{\frac{P_i}{P_c}}=\sqrt{\frac{228.69}{2150}}=0.32614 \]2) 短絡インピーダンス
短絡インピーダンスは，定格一次電圧 $V_{1n}$ と短絡試験時の一次側の印加電圧 （インピーダンス電圧）$V_p$ より求められる。
\[ \%Z = \frac{V_p}{V_{1n}}\times 100 =\frac{185}{6600}\times100= 2.803 \]短絡試験時に印加した電圧値 $V_p$ とそのときに流れた電流値 $I_{1n}$から，一次側換算のオーム値は，次式で求められる。
\[ Z=\frac{V_p}{I_{1n}}=\frac{185}{30.3}=6.1056\approx=6.11 \text{ [Ω]} \]3) 一次側換算の巻線抵抗と漏れリアクタンス
一次側換算の巻線抵抗を $r_{12}$，一次側換算の漏れリアクタンスを $x_{12}$ とすると，次式が成り立つ。
\[ Z=\sqrt{r_{12}^2+x_{12}^2} \]与えられた数値を代入し，$x_{12}$ を求める。
\[ x_{12}=\sqrt{Z^2-r_{12}^2}=\sqrt{6.1056^2-2.34^2}=5.6394\approx5.64 \text{ [Ω]} \]