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2014年度 電力

電力 問17(a)

定格出力200MWの石炭火力発電所がある。石炭の発熱量は28000 kJ/kg, 定格出力時の発電端熱効率は36%で、計算を簡単にするため潜熱の影響は無視するものとして、次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、石炭の化学成分は重量比で炭素 70%,水素他30%,炭素の原子量を12, 酸素の原子量を16とし、炭素の酸化反応は次のとおりである。
\(C+O_{2}\rightarrow CO_{2}\)

定格出力にて1日運転したときに消費する燃料重量の値 [t] として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 発電 論点: 発電一般

2014年度 電力

電力 問17(b)

定格出力200MWの石炭火力発電所がある。石炭の発熱量は28000 kJ/kg, 定格出力時の発電端熱効率は36%で、計算を簡単にするため潜熱の影響は無視するものとして、次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、石炭の化学成分は重量比で炭素 70%,水素他30%,炭素の原子量を12, 酸素の原子量を16とし、炭素の酸化反応は次のとおりである。
\(C+O_{2}\rightarrow CO_{2}\)

定格出力にて1日運転したときに発生する二酸化炭素の重量の値 [t] として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 発電 論点: 発電一般

2014年度 機械

機械 問1

次の文章は、直流電動機に関する記述である。
直流分巻電動機は界磁回路と電機子回路とが並列に接続されており、端子電圧及び界磁抵抗を一定にすれば、界磁磁束は一定である。このとき、機械的な負荷が (ア) すると、電機子電流が (イ) し回転速度はわずかに (ウ) するが、ほぼ一定である。このように負荷の変化に関係なく、回転速度がほぼ一定な電動機は定速度電動機と呼ばれる。
上記のように直流分巻電動機の界磁磁束を一定にして運転した場合、電機子反作用等を無視すると、トルクは電機子電流にほぼ (エ) する。
一方、直流直巻電動機は界磁回路と電機子回路とが直列に接続されており、界磁磁束は負荷電流によって作られる。界磁磁束が磁気飽和しない領域では、界磁磁束は負荷電流にほぼ比例し、トルクは負荷電流の (オ) にほぼ比例する。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機

2014年度 機械

機械 問2

出力20kW、端子電圧100V、回転速度1500 \(\text{min}^{-1}\)で運転していた直流他励発電機があり、その電機子回路の抵抗は0.05\(\Omega\)であった。この発電機を電圧100Vの直流電源に接続して、そのまま直流他励電動機として使用したとき、ある負荷で回転速度は1200 \(\text{min}^{-1}\)となり安定した。
このときの運転状態における電動機の負荷電流（電機子電流）の値 [A] として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
ただし、発電機での運転と電動機での運転とで、界磁電圧は変わらないものとし、ブラシの接触による電圧降下及び電機子反作用は無視できるものとする。

分野: 直流機 論点: 直流機

2014年度 機械

機械 問3

次の文章は、三相かご形誘導電動機に関する記述である。
定格負荷時の効率を考慮して二次抵抗値は、できるだけ (ア) する。
滑り周波数が大きい始動時には、かご形回転子の導体電流密度が (イ) となるような導体構造（たとえば深溝形）にして、始動トルクを大きくする。
定格負荷時は、無負荷時より (ウ) であり、その差は (エ) 。このことから三相かご形誘導電動機は (オ) 電動機と称することができる。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 誘導機 論点: 誘導機

2014年度 機械

機械 問4

一般的な三相かご形誘導電動機がある。
出力が大きい定格運転条件では、誘導機の等価回路の電流は、「二次電流 \(\gg\) 励磁電流」であるから、励磁回路を省略しても特性をほぼ表現できる。さらに、「二次抵抗による電圧降下 \(\gg\) その他の電圧降下」となるので、一次抵抗と漏れリアクタンスを省略しても、おおよその特性を検討できる。
このような電動機でトルク一定負荷の場合に、電流100Aの定格運転から電源電圧と周波数を共に10%下げて回転速度を少し下げた。このときの電動機の電流の値 [A] として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 誘導機 論点: 誘導機

2014年度 機械

機械 問5

次の文章は、三相同期発電機の電機子反作用に関する記述である。
三相同期発電機の電機子巻線に電流が流れると、この電流によって電機子反作用が生じる。図1は、力率1の電機子電流が流れている場合の電機子反作用を説明する図である。電機子電流による磁束は、図の各磁極の (ア) 側では界磁電流による磁束を減少させ、反対側では増加させる交差磁化作用を起こす。

次に遅れ力率0の電機子電流が流れた場合を考える。このときの磁極と電機子電流との関係は、図2 (イ) となる。このとき、N及びS両磁極の磁束はいずれも (ウ) する。進み力率0の電機子電流のときには逆になる。

電機子反作用によるこれらの作用は、等価回路において電機子回路に直列に接続された (エ) として扱うことができる。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機論点: 力率

2014年度 機械

機械 問6

次の文章は、三相誘導電動機の等価回路に関する記述である。
三相誘導電動機の1相当たりの等価回路は、 (ア) と同様に表すことができ、その等価回路を使用することによって電圧V及び周波数を同時に変化させるインバータで運転したときの磁束、トルクの特性を検討することができる。
図の (イ) 等価回路において、誘導電動機を例えば定格周波数、定格電圧の数パーセント程度の周波数、電圧で始動するときの特性を考える。この場合、もし始動電流が定格電流と同じだけ流れると、 (ウ) による電圧降下の一次電圧に対する比率が定格時よりも大きくなるので、磁束が減少し、発生トルクが (エ) することが理解できる。また、誘導電動機を例えば定格周波数、定格電圧で運転するときは、上記電圧降下による計算誤差が小さく、計算が簡単になるので、励磁回路を図の (オ) 側に移した簡易等価回路を使うことも有効である。この運転では、もしインバータが出力する電圧Vが減少したとしても、比 \(\dfrac{V}{f}\) を一定に保つように周波数 \(f\) を減少させれば、負荷変動に影響されずに励磁電流がほぼ一定となることが分かる。

[図: T形等価回路]

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 誘導機 論点: 誘導機

2014年度 機械

機械 問7

次の文章は、単相変圧器の簡易等価回路に関する記述である。
変圧器の電気的な特性を考える場合、等価回路を利用すると都合がよい。また、等価回路は負荷も含めた電気回路として考えると便利であり、特に二次側の諸量を一次側に置き換え、一次側の回路はそのままとした「一次側に換算した簡易等価回路」は広く利用されている。
一次巻線の巻数を \( N_1 \)、二次巻線の巻数を \( N_2 \) とすると、巻数比 \( a \) は \( a=\dfrac{N_{1}}{N_{2}} \) で表され、この \( a \) を使用すると二次側諸量の一次側への換算は以下のように表される。

\( V_{2}^{\prime} \): 二次電圧 \( V_2 \) を一次側に換算したもの \( = \) (ア) \( V_2 \)
\( \dot{I}_{2}^{\prime} \): 二次電流 \( \dot{I}_{2} \) を一次側に換算したもの \( = \) (イ) \( \dot{I}_{2} \)
\( r_{2}^{\prime} \): 二次抵抗 \( r_{2} \) を一次側に換算したもの \( r_{2}^{\prime} = \) (ウ) \( \cdot r_{2} \)
\( x_{2}^{\prime} \): 二次漏れリアクタンス \( x_{2} \) を一次側に換算したもの \( x_{2}^{\prime} = \) (エ) \( x_{2} \)
\( \dot{Z}_{L}^{\prime} \): 負荷インピーダンス \( \dot{Z}_{L} \) を一次側に換算したもの \( \dot{Z}_{L}^{\prime} = \) (オ) \( \cdot \dot{Z}_{L} \)

ただし、 \({}^{\prime}\) (ダッシュ) の付いた記号は、二次側諸量を一次側に換算したものとし、 \({}^{\prime}\) (ダッシュ) のない記号は二次側諸量とする。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 変圧器 論点: 変圧器

2014年度 機械

機械 問8

次の文章は、単相変圧器の電圧変動に関する記述である。
単相変圧器において、一次抵抗及び一次漏れリアクタンスが励磁回路のインピーダンスに比べて十分小さいとして二次側に移した、二次側換算の簡易等価回路は図のようになる。 \( r_{21}=1.0\times10^{-3}\,\Omega \)、 \( x_{21}=3.0\times10^{-3}\,\Omega \)、定格二次電圧 \( V_{2n}=100\,\text{V} \)、定格二次電流 \( I_{2n}=1\,\text{kA} \) とする。
負荷の力率が遅れ80%のとき、百分率抵抗降下 \( p \)、百分率リアクタンス降下 \( q \) 及び電圧変動率 \( \epsilon \) のそれぞれの値 [%] の組合せとして、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。なお、本問では簡単のため用いられる近似式を用いて解答すること。

分野: 変圧器 論点: 変圧器論点: 力率

2014年度 機械

機械 問9

次の文章は、電動機の速度制御に関する記述である。
他励直流電動機の速度制御には、界磁回路の直流電流を調整する方法のほかに、電機子回路の (ア) を調整する方法がある。これは、磁束一定の条件で、誘導起電力が (イ) に比例している特性を利用したものである。この方法によると、速度が一定となる定常状態において、負荷トルクの変動によって電機子抵抗による電圧降下分だけの速度変動を生じる。
誘導電動機の速度制御には、電源が商用電源である場合は滑りを広く利用する方法がある。その方法は (ウ) や、巻線形誘導電動機の二次抵抗による比例推移を利用する制御である。しかし、滑りを利用する方法は、速度が定格速度に比べて低くなるほど二次効率が (エ) する。これを改善する巻線形誘導電動機の二次励磁という制御は、二次回路に電力変換器を接続して二次抵抗損に相当する電力を交流電源 (オ) する方法である。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機

2014年度 機械

機械 問10

次の文章は、単相半波ダイオード整流回路に関する記述である。
抵抗とリアクトルとを直列接続した負荷に電力を供給する単相半波ダイオード整流回路を図1に示す。スイッチSを開いて運転したときに、負荷力率に応じて負荷電圧 \( e_d \) の波形は図2の (ア) となり、負荷電流の波形は図2の (イ) となった。次にスイッチSを閉じ、環流ダイオードを接続して運転したときには、負荷電圧 \( e_d \) の波形は図2の (ウ) となり、負荷電流の流れる期間は、スイッチSを開いて運転したときよりも (エ) 。

[図1: 単相半波整流回路。負荷と並列に、スイッチSとダイオードが直列になった枝がある]
[図2: 波形群。波形1は正弦波の正の半波(負側なし)。波形2は波形1と同様。波形3は負の電圧まで突き抜けている。波形4,5は電流波形]

上記の記述中の空白箇所 (ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 機械総合 論点: 電気機器論点: 力率

2014年度 機械

機械 問11

次の文章は、電子レンジ及び電磁波加熱に関する記述である。
一般に市販されている電子レンジには、主に (ア) の電磁波が使われている。この電磁波が電子レンジの加熱室に入れた被加熱物に照射されると、被加熱物は主に電磁波の交番電界によって被加熱物自体に生じる (イ) によって被加熱物自体が発熱し、加熱される。被加熱物が効率よく発熱するためには、被加熱物は水などの (ウ) 分子を含む必要がある。また、一般に、 (イ) は電磁波の周波数に (エ) 、被加熱物への電磁波の浸透深さは電磁波の周波数が高いほど (オ) 。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 電熱・照明・電気化学 論点: 電熱・照明

2014年度 機械

機械 問12

次の文章は、燃料電池に関する記述である。
(ア) 燃料電池は80～100℃程度で動作し、家庭用などに使われている。燃料には都市ガスなどが使われ、 (イ) を通して水素を発生させ、水素は燃料極へと導かれる。燃料極において水素は電子を (ウ) 水素イオンとなり、電解質の中へ浸透し、空気極において電子を (エ) 酸素と結合し、水が生成される。放出された電子が電流として負荷に流れることで直流電源として動作する。また、発電時には (オ) 反応が起きる。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 電熱・照明・電気化学 論点: 電熱・照明

2014年度 機械

機械 問13

シーケンス制御に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 自動制御 論点: 自動制御

2014年度 機械

機械 問14

次のフローチャートに従って作成したプログラムを実行したとき、印字される A, B の値として、正しい組合せを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

[フローチャート]
開始 -> [10->A, 2->B] -> [A+B->A] -> [A:40] (判定)
(>の場合) -> [A, Bを印字] -> 終了
(<=の場合) -> [B^2+1->B] -> [A+B->A]へ戻る

分野: 論理回路・情報 論点: 論理回路

2014年度 機械

機械 問15(a)

周波数が60Hzの電源で駆動されている4極の三相同期電動機（星形結線）があり、端子の相電圧 \( V [\text{V}] \) は \( \dfrac{400}{\sqrt{3}}\text{V} \)、電機子電流 \( I_M [\text{A}] \) は200A、力率1で運転している。1相の同期リアクタンス \( x_s [\Omega] \) は1.0\(\Omega\)であり、電機子の巻線抵抗、及び機械損などの損失は無視できるものとして、次の(a)及び(b)の問に答えよ。

上記の同期電動機のトルクの値 [N・m] として最も近いものを、次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機論点: 力率

2014年度 機械

機械 問15(b)

周波数が60Hzの電源で駆動されている4極の三相同期電動機（星形結線）があり、端子の相電圧 \( V [\text{V}] \) は \( \dfrac{400}{\sqrt{3}}\text{V} \)、電機子電流 \( I_M [\text{A}] \) は200A、力率1で運転している。1相の同期リアクタンス \( x_s [\Omega] \) は1.0\(\Omega\)であり、電機子の巻線抵抗、及び機械損などの損失は無視できるものとして、次の(a)及び(b)の問に答えよ。

上記の同期電動機の端子電圧及び出力を一定にしたまま界磁電流を増やしたところ、電機子電流が \( I_{M1} [\text{A}] \) に変化し、力率 \(\cos\theta\) が \(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\) \( (\theta=30^{\circ}) \) の進み負荷となった。出力が一定なので入力電力は変わらない。図はこのときの状態を説明するための1相の概略のベクトル図である。このときの1相の誘導起電力 \( E [\text{V}] \) として、最も近い \( E \) の値を次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機論点: 力率

2014年度 機械

機械 問16(a)

図のように他励直流機を直流チョッパで駆動する。電源電圧は \( E=200\,\text{V} \) で一定とし、直流機の電機子電圧を \( V \) とする。 \( Q_{1} \) 及び \( Q_{2} \) をオンオフ動作させるときのスイッチング周波数は500Hzであるとする。なお、本問では直流機の定常状態だけを扱うものとする。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

この直流機を電動機として駆動する場合、 \( Q_{2} \) をオフとし、 \( Q_{1} \) をオンオフ制御することで、 \( V \) を調整することができる。電圧 \( V_{1} \) の平均値が150Vのとき、1周期の中で \( Q_{1} \) がオンになっている時間の値 [ms] として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機論点: チョッパ回路

2014年度 機械

機械 問16(b)

図のように他励直流機を直流チョッパで駆動する。電源電圧は \( E=200\,\text{V} \) で一定とし、直流機の電機子電圧を \( V \) とする。 \( Q_{1} \) 及び \( Q_{2} \) をオンオフ動作させるときのスイッチング周波数は500Hzであるとする。なお、本問では直流機の定常状態だけを扱うものとする。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

\( Q_{1} \) をオフして \( Q_{2} \) をオンオフ制御することで、電機子電流の向きを(a)の場合と反対にし、直流機に発電動作（回生制動）をさせることができる。この制御において、スイッチングの1周期の間で \( Q_{2} \) がオンになっている時間が0.4 msのとき、この直流機の電機子電圧 \( V [\text{V}] \) として、最も近い \( V \) の値を次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

分野: 直流機 論点: 直流機論点: チョッパ回路