同期機41【電験3種 機械】同期電動機のV曲線と同期調相機！令和4年下期 A問題4 完全解説

今回は令和4年度下期 機械科目 A問題4を解説します。同期電動機の位相特性曲線（V曲線）と同期調相機を問う穴埋め問題です。

V曲線の最低点が力率1。右側が進み力率、左側が遅れ力率。電圧調整に使う電動機が同期調相機です。

令和4年度下期 機械科目 A問題4：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和4年度下期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題4

電験3種 機械科目 【同期機】 令和4年度下期 A問題4

　次の文章は、三相同期電動機の位相特性に関する記述である。下の図は三相同期電動機の位相特性曲線（V曲線）の一例である。同期電動機は、界磁電流を変えると、電機子電流の端子電圧に対する位相が変わり、さらに、電機子電流の大きさも変わる。図の曲線の最低点は力率が1となる点で、図の破線より右側は（ア）電流、左側は（イ）電流の範囲となる。また、電動機の出力を大きくするにつれて、曲線は（ウ）→B→（エ）の順に変化する。この位相特性を利用して、三相同期電動機を需要家機器と並列に接続して無負荷運転し、需要家機器の端子電圧を調整することができる。このような目的で用いる三相同期電動機を（オ）という。空白箇所（ア）〜（オ）に当てはまる組合せとして正しいものを一つ選べ。

出題のポイント：V曲線は「横が力率、縦が電流、高さが出力」

位相特性曲線（V曲線）は、同期電動機の性格を1枚で表す図です。3つの軸で読むと、5つの空欄がすべて埋まります。

読む方向	何が分かるか	本問での空欄
横（左右）	力率の遅れ・進み	(ア)(イ)
縦（谷の深さ）	電機子電流の大きさ	—
曲線の高さ	出力の大きさ	(ウ)(エ)

空欄を確定する

(ア)(イ)：右が進み、左が遅れ

界磁電流を増やしていくと、電機子電流はいったん減って最小になり、また増えていきます——これがV字の形です。最小点が力率1で、そこより右（界磁が多い＝過励磁）が進み電流、左（界磁が少ない＝不足励磁）が遅れ電流です。

(ア)＝進み、(イ)＝遅れ。問題文が「破線より右側は(ア)電流、左側は(イ)電流」と書いているとおりの順番です。

(ウ)(エ)：出力を上げると曲線は上へ

出力が大きいほど、必要な電機子電流も大きくなります。だから曲線全体が上へ移動します。いちばん下がC（無負荷に近い）、いちばん上がA（出力が最大）——(ウ)＝C、(エ)＝A です。

「出力を大きくするにつれて」という表現ですから、小さいほうから大きいほうへ並べることになります。C → B → A の順です。

(オ)：無負荷で運転して電圧を調整する装置

同期電動機を無負荷で回し、界磁電流だけを調整して系統に無効電力を出し入れする——この用途の機械を同期調相機といいます。(オ)＝同期調相機。

なぜV字の形になるのか

「界磁電流を変えると電機子電流がV字を描く」——この形になる理由を押さえておくと、暗記に頼らずに済みます。

電動機が同じ出力を出している限り、電機子電流の有効分（電圧と同相の成分）は変わりません。変わるのは無効分だけです。

界磁電流	電機子電流の有効分	電機子電流の無効分	合計（大きさ）
少ない（不足励磁）	一定	遅れ側に大きい	大きい
ちょうど	一定	ゼロ	最小（＝有効分だけ）
多い（過励磁）	一定	進み側に大きい	大きい

有効分が固定されたまま、無効分だけが左右に振れる——合計の大きさは、無効分がゼロのときに最小になります。だからV字（正確には谷型）の曲線になるのです。

出力を上げると有効分が増えるので、谷の底そのものが持ち上がります——これが「曲線がC → B → Aと上がる」ことの中身です。同時に、力率1になる界磁電流も少し大きくなるので、谷の位置は右へずれていきます。

同期調相機——回転するコンデンサ

(オ)の同期調相機は、同期電動機の「無効電力を自由に出し入れできる」性質だけを使った機器です。軸には何もつながず、ただ回しているだけです。

運転	界磁電流	系統から見ると	系統電圧への影響
過励磁	大きくする	コンデンサ（進み無効電力を供給）	電圧を上げる
不足励磁	小さくする	リアクトル（遅れ無効電力を供給）	電圧を下げる

界磁電流という1つのつまみで、コンデンサにもリアクトルにもなれる——しかも連続的に調整できるのが同期調相機の値打ちです。電力用コンデンサは「入れるか切るか」の段階的な調整しかできません。

弱点は、回転機なので損失と保守が要ることです。いまは静止形無効電力補償装置（SVC）やパワエレを使った機器に置き換わりつつあります——それでも「界磁で無効電力を制御する」という原理は、同期機を理解するうえで欠かせません。

同期発電機でも同じことができます。発電所で界磁電流を調整して系統電圧を支える——これは日常的に行われている運用です。「同期機は有効電力と無効電力を独立に制御できる」という点が、誘導機との決定的な違いになります。

V曲線は無効電力の話、負荷角は有効電力の話

同期機には「V曲線」と「負荷角」という2つの重要な概念があります。混同されやすいのですが、扱っている量がまったく違います。

	V曲線（位相特性）	負荷角（δ）
扱う量	無効電力	有効電力
調整するもの	界磁電流	軸のトルク（負荷）
変わるもの	電機子電流の位相と大きさ	回転子と回転磁界のずれ角
限界	不足励磁が過ぎると脱調	δ＝90°で脱調

同期機の最大の特徴は、この2つを独立に制御できることです。界磁で無効電力を、軸のトルクで有効電力を——それぞれ別々に決められます。

誘導機にはこれができません。誘導機の力率は負荷しだいで決まってしまい、常に遅れ——「力率を選べる」というのは同期機だけの特権です。(オ)の同期調相機は、その特権だけを使った機器だと言えます。

不足励磁を進めすぎると脱調する

V曲線の左端には限界があります。界磁電流を減らしすぎると、同期を保てなくなるのです。

同期電動機の最大トルクは、起電力 E に比例します。界磁を弱めれば E が小さくなり、出せる最大トルクも減る——負荷トルクを支えきれなくなった瞬間に脱調します。

界磁電流	起電力 E	同じ出力での負荷角	安定度
過励磁	大きい	小さい	余裕がある
力率1	ほどほど	中くらい	標準
不足励磁	小さい	大きい	余裕が少ない
極端な不足励磁	非常に小さい	90°を超える	脱調

V曲線の左端が途切れている図を見たことがあるかもしれません。それは「これ以上界磁を減らすと脱調する」という限界を示しています——右端（過励磁側）には、そういう限界はありません。

つまり同期電動機は、過励磁側で運転するほうが安全だということです。しかも過励磁なら進み力率で系統の力率改善にも貢献できる——実務でも過励磁運転が選ばれることが多いのは、この2つの理由によります。

まとめ

（ア）	進み
（イ）	遅れ
（ウ）	C
（エ）	A
（オ）	同期調相機
答え	(4)

▼あわせて解きたい関連問題
・同期電動機のベクトル図：【機械】令和5年度下期A問題5
・同期電動機の構造：【機械】令和3年度A問題5