【電験3種 機械】同期発電機の構造｜令和8年度上期 問5

水車発電機とタービン発電機の回転子を比べます。原動機の速度から極数を決め、回転速度と機械的強度から形状を考えると、語句がつながります。

問題文と選択肢｜【電験3種】令和8年度上期 機械 問5

問題文

問５ 次の文章は，三相同期発電機に関する記述である。三相同期発電機は，水車を原動機とする水車発電機や，蒸気タービンを原動機とするタービン発電機などに用いられている。水車発電機では，水車の回転速度が比較的（ア）ため，発電機の極数を（イ）しなければならない。また，水車発電機の回転子は，軸方向に比べて直径が（ウ）なっている。タービン発電機の回転子は，水車発電機に比べて回転速度が（エ）ので，回転子の機械的強度の関係から，回転子の直径は軸方向の長さに比べて（オ）した設計になっている。

上記の記述中の空白箇所(ｱ)～(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。

出典：電気技術者試験センター・公式問題PDF／公式解答PDF

解答・解説

1. STEP1回転速度と極数の関係を確認する同じ周波数なら、低速ほど多極
2. STEP2低速の水車発電機の形状を確認する低速 → 多極 → 大径・短い軸方向
3. STEP3高速のタービン発電機の形状を確認する高速 → 少極 → 小径・長い軸方向

STEP1｜回転速度と極数の関係を確認する

同期発電機の回転速度n_sと周波数f、極数Pの関係は次のとおりです。1回転でP/2周期の交流を作るため、f＝(P/2)n_s/60から求まります。

同じ周波数を発生させるなら、回転速度が小さいほど極数を大きくする必要があります。例えば50 Hzでは、3000 min⁻¹なら2極、500 min⁻¹なら12極です。

STEP2｜低速の水車発電機の形状を確認する

水車は比較的低速で回るので、発電機は多極になります。周囲に多くの磁極を配置するため、回転子は直径の大きな突極形が適します。

軸方向の長さに比べて直径が大きい形状です。したがって（ア）小さい、（イ）大きく、（ウ）大きくが入ります。

STEP3｜高速のタービン発電機の形状を確認する

蒸気タービンは高速で回るので、発電機は少極になります。高速では遠心力が大きく、回転子の機械的強度が重要です。半径が大きいほど遠心力の影響も増えるため、直径を抑えた円筒形の回転子にします。

必要な発電容量を確保するため、軸方向を長くした形が使われます。高速のタービン発電機は小径・長い軸方向と覚えると、（エ）大きい、（オ）小さくがつながります。

5つの語句が一致するのは選択肢（2）です。

最後に、3つだけ確認