機械 全18問の解説
第1問・直流機
直流電動機の速度・トルク特性
直流機の基本式T=kΦIₐと、直巻機の未飽和域でΦがIₐに比例することを組み合わせる。
公式正答(5) 誤っているのは(5)
T=kΦIa,Φ∝Ia ⟹ T∝Ia2
直巻電動機の未飽和域ではトルクは負荷電流の二乗にほぼ比例する。比例するとした(5)が誤りである。
各選択肢の判断理由
(1):正しい
直巻機は始動トルクが大きく、負荷で速度が大きく変わるため巻上用途に適する。
(2):正しい
界磁抵抗器で分巻界磁電流と磁束を変えれば速度を制御できる。
(3):正しい
分巻機は磁束がほぼ一定で、負荷増加時も速度変動が小さい。
(4):正しい
直巻界磁と分巻界磁の方向により和動・差動複巻となる。
(5):誤り
未飽和域のトルクは電流に一次比例せず、ほぼ二乗比例する。
第2問・直流機
永久磁石直流電動機の定格効率
静止時は逆起電力が零なので始動電流から電機子抵抗を求める。定格時は入力から銅損を引く。
公式正答(2) 75%
Ra=412=3 Ω,Pcu=12×3=3 W
η=12×112×1−3×100=75 %
第3問・誘導機
三相かご形誘導機の構造と用途
かご形回転子の製造法は容量帯で異なる。アルミダイカストは主に小・中容量機で、大容量機には導体バー構造を用いる。
公式正答(4) 誤っているのは(4)
大容量誘導電動機へアルミダイカスト回転子が広く用いられるとする(4)が誤り。かご形は簡単・堅ろうで、負滑りでは発電運転もできる。
第4問・誘導機
V/f一定制御時の電動機電流
簡略等価回路では一定トルク時の電流はV/f一定制御でほぼ一定になる。
公式正答(3) 80 A
電圧と周波数を同じ5%だけ下げるとV/f比、したがって磁束がほぼ一定に保たれる。トルク一定なら必要な二次電流もほぼ変わらないため80 Aとなる。
第5問・同期機
同期発電機の並列投入条件
並列する二電源は電圧の大きさ、周波数、位相が一致している必要がある。確認には同期検定器を使う。
公式正答(3) 周波数・位相・同期検定器
回転速度そのものではなく発生電圧の周波数を一致させ、同相となる瞬間を同期検定器で確認して投入する。
第6問・同期機
同期発電機の持続短絡電流
定格電流を容量・線間電圧から求め、短絡特性の界磁電流比例を使って240 A時へ換算する。
公式正答(2) 1,600 A
IN=3×33007500×103=1312 A Is=1312×200240=1575 A≃1600 A
各選択肢の判断理由
(1)1,100 A:誤り
界磁電流240/200の比例換算が逆である。
(2)1,600 A:正しい
定格電流1,312 Aを1.2倍した1,575 Aの近似値である。
(3)1,900 A:誤り
界磁電流比または三相電流を過大に扱っている。
(4)2,700 A:誤り
線間電圧と相電圧の換算が一致しない。
(5)3,400 A:誤り
定格電流1312 Aを界磁電流比240/200で換算した1575 Aと一致せず、持続短絡電流を過大に見積もっている。
第7問・特殊機
スイッチトリラクタンスモータの構造
SRMは固定子集中巻と無巻線の突極回転子を持つ。強固な回転子で高速回転に適し、希土類磁石を使わない。
公式正答(3) 集中巻・突極形・高速回転・希土類磁石
回転子は磁気抵抗が小さくなる位置へ引かれる。希土類磁石を使用しないという文なので、最後の空欄には使用しない対象である希土類磁石が入る。
各選択肢の判断理由
(1):誤り
回転子は円筒形ではなく突極形で、使用しない対象も異なる。
(2):誤り
固定子は集中巻で、高速回転に適する。
(3):正しい
集中巻、突極形、高速回転、希土類磁石の組合せが適切である。
(4):誤り
分布巻・円筒形ではリラクタンストルクを得る構造にならない。
(5):誤り
高速回転が適切で、使用しない対象は軟磁性体ではない。
第8問・太陽光発電
パワーコンディショナの単独運転防止
直流を交流へ変える装置、停電系統へ給電を続ける状態、その検出量、不要解列を避ける現象を対応させる。
公式正答(3) 逆変換装置・単独運転・周波数・瞬時電圧低下
パワーコンディショナは逆変換装置と系統連系保護装置を一体化する。単独運転は電圧位相・周波数などで検出し、瞬時電圧低下では不要解列を避ける対策を行う。
第9問・変圧器
力率低下時の全負荷効率
全負荷電流が同じなら鉄損・銅損は同じで、有効出力だけが力率に比例して低下する。
公式正答(3) 97.5%
Ploss=P(0.981−1)=0.020408P
η0.8=0.8P+0.020408P0.8P=0.9751≃97.5 %
第10問・直流変換
降圧チョッパの平均負荷電流
連続電流の降圧チョッパでは平均出力電圧が通流率と電源電圧の積になる。
公式正答(2) 24.0 A
V=dE=0.6×400=240 V
I=RV=10240=24.0 A
各選択肢の判断理由
(1)40.0 A:誤り
スイッチ常時オン時の電流で通流率を反映していない。
(2)24.0 A:正しい
平均出力電圧240 Vを10 Ωで割った値である。
(3)16.0 A:誤り
非通流率0.4を用いている。
(4)3.8 A:誤り
求めるのはリプルではなく負荷電流の平均値であり、平均出力電圧240 Vを10 Ωで割ると24.0 Aになる。
(5)2.5 A:誤り
平均電圧・抵抗の関係と一致しない。
第11問・機械力学
巻上機の一定速度
電動機出力へ機械効率を掛けて有効動力を求め、物体の重力mgで割る。
公式正答(2) 0.41 m/s
v=900×9.80.90×4000=0.408 m/s
第12問・照明
四隅の均等光源による中心照度
各ランプの光度、中心までの斜距離、水平面への入射角余弦を求め、4灯分を加える。
公式正答(4) 22.5 lx
I=4π5000=397.9 cd,r=32+42+52=50 m E=4r2Icosθ=450397.9(5/50)=22.5 lx 各選択肢の判断理由
(1)283 lx:誤り
距離二乗減衰または4π配光を反映していない。
(2)141 lx:誤り
斜距離と入射角余弦の扱いが不足する。
(3)31.8 lx:誤り
水平面照度のcosθを掛けていない値に近い。
(4)22.5 lx:正しい
1灯5.63 lxを4灯分加えた値である。
(5)5.6 lx:誤り
1灯分の照度で、4灯を合計していない。
第13問・自動制御
定常特性とステップ応答の評価量
制御系の評価を定常特性と過渡特性へ分け、ステップ応答の代表的な時間・振幅指標を選ぶ。
公式正答(3) 定常・ステップ・行過ぎ量
過渡特性ではステップ応答の遅れ時間、立上り時間、行過ぎ量、整定時間などを用いる。定常偏差は定常特性の評価量である。
第14問・論理回路
論理回路の選択入力波形
ゲートを論理式へ変換すると、C=1ではA、C=0ではBを出力する選択回路になる。
公式正答(3) 波形(3)
X=AC+BC
Cが0の区間はBの波形、Cが1の区間はAの波形をつなぐと波形(3)になる。
各選択肢の判断理由
波形(1):誤り
最後のC=1の区間で、Aにある二つのパルスのうち最初のパルスが欠けている。
波形(2):誤り
後半のC=1区間でAの二つのパルスを再現していない。
波形(3):正しい
C=0でB、C=1でAとなる全区間の切替えを満たす。
波形(4):誤り
C切替え後の一部区間でAまたはBと一致しない。
波形(5):誤り
C=1区間でB側のパルスを選んでいる箇所がある。
第15問・誘導機
低滑り域のトルク式と電圧低下時速度
r₂′/sが支配的な低滑り域ではトルクがV²sに比例する。一定トルクなら電圧二乗と滑りの積を一定にする。
公式正答(4・2) (a)T=kV²s・(b)1,127 min⁻¹
T≃kV2s
s1=12001200−1140=0.05,s2=s1(200220)2=0.0605
n2=1200(1−0.0605)=1127.4 min−1
(a) 各選択肢の判断理由
(1):誤り
トルクが電圧・滑りに反比例する式ではない。
(2):誤り
電圧二乗に反比例しない。
(3):誤り
滑りが分母となるのは低滑り近似と逆の傾向である。
(4):正しい
低滑り域ではトルクが電圧二乗と滑りに比例する。
(5):誤り
電圧への依存は一次ではなく二乗である。
第16問・直流変換
二象限チョッパの電動・回生動作
スイッチング周期と通流率からオン時間を求める。回生側ではQ₂オン期間と電源側接続期間の電圧時間積を釣り合わせる。
公式正答(2・4) (a)1.50 ms・(b)160 V
Ts=5001=2.0 ms,d1=200150=0.75
ton,Q1=0.75×2.0=1.50 ms
d2=2.00.4=0.20,V=(1−d2)E=0.8×200=160 V
(a) 各選択肢の判断理由
(1)1.75 ms:誤り
通流率0.875となり平均電圧175 Vになる。
(2)1.50 ms:正しい
周期2.0 msの75%に相当する。
(3)1.25 ms:誤り
平均電圧125 V相当である。
(4)1.00 ms:誤り
通流率0.5で平均電圧100 Vになる。
(5)0.7 ms:誤り
必要な通流率0.75を満たさない。
(b) 各選択肢の判断理由
(1)1,000 V:誤り
オン時間比を逆数として電源電圧へ掛けている。
(2)250 V:誤り
回生チョッパの電圧時間積と一致しない。
(3)200 V:誤り
Q₂オン期間0.2を反映していない。
(4)160 V:正しい
Q₂オフ率0.8と電源電圧200 Vの積である。
(5)40 V:誤り
Q₂オン率だけを電源電圧へ掛けた値である。
第17問・電熱
氷の融解と水の昇温
装置入力の70%だけが物体へ伝わる。融解熱と顕熱をそれぞれ有効電力で割る。
公式正答(2・2) (a)1.4 kW・(b)15 min
P=0.70×30×605×334=1.33 kW
t=0.70×1.75×4.2×50=882 s=14.7 min
(a) 各選択肢の判断理由
(1)0.9 kW:誤り
熱効率または融解熱を過小に扱っている。
(2)1.4 kW:正しい
計算値1.33 kWに最も近い。
(3)1.9 kW:誤り
熱効率を逆向きに重複適用している。
(4)2.4 kW:誤り
融解時間または質量の扱いが一致しない。
(5)2.9 kW:誤り
必要入力を大きく見積もりすぎている。
(b) 各選択肢の判断理由
(1)11 min:誤り
熱効率を無視した時間に近い。
(2)15 min:正しい
計算値14.7 minに最も近い。
(3)19 min:誤り
有効電力または必要熱量が一致しない。
(4)25 min:誤り
比熱・質量・温度差から得る時間より長い。
(5)30 min:誤り
消費電力1.7 kWを十分に反映していない。
第18問・自動制御
内側帰還を含む一巡伝達関数とベクトル軌跡
制御対象内部の単位負帰還を先に閉じ、その伝達関数へ制御器ゲインKを掛ける。一次遅れのベクトル軌跡を読む。
公式正答(2・3) (a)2/(1+j0.5ω)・(b)図(3)
Ginner=1+1/(jωT)1/(jωT)=1+jωT1
L(jω)=KGinner=1+j0.5ω2
ω=0で実軸上2から始まり、ω=2 rad/sで1−j1を通り、下半円を描いて原点へ近づく。
(b) 各選択肢の判断理由
図(1):誤り
正の虚数側へ回る軌跡になっている。
図(2):誤り
開始点・角周波数表示・回転方向が伝達関数と一致しない。
図(3):正しい
実軸2から下半円を描き、ω=2で偏角−45°となる。
図(4):誤り
実軸上の開始値0.67が直流ゲイン2と一致しない。
図(5):誤り
開始値と−45°となる角周波数が異なる。