今回は平成24年度 機械科目 A問題11を解説します。交流電源－整流器－平滑コンデンサ－インバータで構成される回路で電動機を駆動するとき、大きな慣性負荷を減速する際の発電制動・回生制動の仕組みを問う空欄補充問題です。
慣性モーメントの大きな負荷を減速するとき、電動機からインバータに電力が流れ込み直流電圧が上昇します。抵抗とパワー半導体デバイスの直列回路で電力を消費するのが発電制動、交流電源に電力を戻すのが回生制動です。
平成24年度 機械科目 A問題11：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「平成24年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題11
電験3種 機械科目 【電動機応用】 平成24年度 A問題11
次の文章は，電動機の運転に関する記述である。
交流電源－整流器－平滑用コンデンサ－インバータで構成される回路によって電動機を駆動する場合，〔(ア)〕の大きな負荷を減速するときには，電動機からインバータに電力が流れ込む。
このとき直流電圧が上昇するので，〔(イ)〕とパワー半導体デバイスとの直列回路を平滑用コンデンサと並列に設け，パワー半導体デバイスをスイッチングして電流を調整することによって，電動機からの電力を消費させることができる。この方法を一般に〔(ウ)〕制動と呼んでいる。
一方，電力を消費するのではなく，逆変換できる整流器を介して交流電源に電力を戻し，他の用途などに有効に使うこともできる。この方法を一般に〔(エ)〕制動と呼んでいる。
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。
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。
（ア） （イ） （ウ） （エ） (1) 慣性モーメント 抵抗 発電 回生 (2) 慣性モーメント 抵抗 降圧 発電 (3) 摩擦係数 抵抗 降圧 発電 (4) 慣性モーメント リアクトル 発電 回生 (5) 摩擦係数 リアクトル 降圧 回生
出題のポイント：発電制動と回生制動の違い
（ウ）と（エ）が本問の核心です。どちらも電動機を発電機として使うブレーキですが、発生した電力の行き先が違います。
| 発電制動（ダイナミックブレーキ） | 回生制動 | |
| 電力の行き先 | 抵抗で熱として捨てる | 交流電源へ返す |
| 必要な装置 | 抵抗＋パワー半導体デバイス | ★逆変換できる整流器 |
| 省エネルギー性 | なし（捨てる） | ★あり（再利用できる） |
| コスト | 安い | 高い |
| 電源側の条件 | 問わない | 電力を受け取れる系統が必要 |
問題文が「電力を消費させる」「電力を戻し、他の用途などに有効に使う」と書き分けているのが手がかりです。捨てるのが発電制動、返すのが回生制動——この対比で（ウ）（エ）が確定します。
（ア）（イ）を確定する
（ア）慣性モーメント
減速時に電力が戻ってくるのは、負荷が運動エネルギーを蓄えていたからです。回転体の運動エネルギーは (1/2)Jω2——慣性モーメントJ が大きいほど、返ってくるエネルギーも大きいのです。
選択肢の「摩擦係数」では話が合いません。摩擦はエネルギーを消費する側——摩擦が大きければ、放っておいても勝手に止まります。ブレーキに困るのは、摩擦が小さくて慣性が大きい場合です。
（イ）抵抗
電力を「消費させる」のですから、必要なのは抵抗です。リアクトルは電力を消費しません——蓄えて返すだけだからです。
「パワー半導体デバイスをスイッチングして電流を調整する」という記述にも注目してください。抵抗を常時つないでおくのではなく、必要なときだけチョッパで通電量を調整する——だから制動力を連続的に制御できるのです。
なぜ直流電圧が上昇するのか
問題文の「直流電圧が上昇するので」——この現象が対策を必要とする理由です。
通常の整流器はダイオードでできています。ダイオードは一方向にしか流せない——だから電動機から戻ってきた電力は、交流電源へは抜けられません。
行き場を失った電力は、平滑用コンデンサに溜まります。コンデンサに電荷が溜まれば電圧が上がる——これが直流電圧の上昇です。
| 直流電圧 | 装置の状態 | 対応 |
| 通常 | 正常運転 | — |
| 上昇 | 回生エネルギーが流入 | 制動抵抗をオンにして消費 |
| 過電圧 | コンデンサ・素子が危険 | ★保護動作でトリップ |
放置すればコンデンサやIGBTが耐圧を超えて壊れます——だから汎用インバータには「過電圧トリップ」という保護があります。急減速させようとするとこの保護が働いて止まる——実務でよく遭遇する現象です。
対策は3つ。①減速時間を長くする ②制動抵抗を付ける ③回生コンバータを付ける——コストと省エネ性のバランスで選ばれます。
⏱️ 本番での進め方
①（ア）慣性モーメント。摩擦係数ではエネルギーが戻らない。
②（イ）抵抗。消費させるのだからリアクトルではない。
③（ウ）抵抗で捨てる＝発電制動。
④（エ）電源へ返す＝回生制動。逆変換できる整流器が必要。
💡 覚え方
「捨てるのが発電制動、返すのが回生制動」——行き先で名前が決まる。そして「返すには逆変換できる整流器が要る」——ダイオード整流器では返せないのでした。
3つの電気ブレーキを整理する
本問に出てきた発電制動と回生制動のほかに、逆相制動もあります。3つをまとめて整理しておきましょう。
| 方式 | やり方 | エネルギーの行き先 | 特徴 |
| 発電制動 | 発電した電力を抵抗で消費 | 熱（捨てる） | 装置が簡単・確実 |
| 回生制動 | 発電した電力を電源へ返す | 電源（再利用） | ★省エネだが電源側の条件が要る |
| 逆相制動（プラッギング） | 電源の相を入れ替えて逆トルクをかける | 熱（電源からも供給される） | 制動力は強いが損失が大きい |
逆相制動は、回転を止めるために逆向きのトルクを電源から供給する方式です。制動力は強いのですが、電源からもエネルギーを取りながら止める——非常に効率が悪いのが難点になります。
また、停止時に電源を切らないと逆回転を始めます——速度が0になった瞬間を検出して遮断する仕組みが必要。急停止が求められる場合に限って使われる方式です。
回生制動が使えない場面
回生制動は理想的に見えますが、条件が整わないと使えません。返した電力を受け取る相手がいることが絶対条件です。
電気鉄道では、近くに力行中の電車がいなければ架線電圧が上がってしまいます——回生失効と呼ばれる現象。そうなると機械ブレーキに切り替わります。
近年は変電所に蓄電池を置いて、余った回生電力を貯める設備も増えました。回生失効を減らし、エネルギーを無駄にしない——省エネルギーへの取り組みが進んでいる分野です。
制動抵抗はどれくらいのエネルギーを扱うのか
発電制動で抵抗が消費するのは、負荷が蓄えていた運動エネルギーです。回転体なら (1/2)Jω2——慣性モーメントと回転速度で決まります。
そのエネルギーを、減速に要する時間で割れば平均の電力になります。急停止させるほど短時間に集中する＝大きな電力——だから制動抵抗の容量は「減速時間」で決まるのです。
| 減速時間 | 抵抗が扱う平均電力 | 抵抗の大きさ |
| 長い（ゆっくり止める） | 小さい | 小型で済む |
| 短い（急停止） | ★大きい | 大型が必要 |
抵抗は熱を出すので、放熱も考えなければなりません。頻繁に発停する用途では、抵抗の温度上昇が制約になる——そういう場合こそ回生制動が有利になります。
「たまにしか止めない」なら発電制動、「頻繁に止める」なら回生制動——用途で選び分けるのが実務の考え方です。
まとめ
| （ア） | 慣性モーメント |
| （イ） | 抵抗 |
| （ウ） | 発電 |
| （エ） | 回生 |
| 答え | (1) |
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