同期機33【電験3種 機械】電機子反作用の穴埋め！平成26年 A問題5 完全解説

今回は平成26年度 機械科目 A問題5を解説します。三相同期発電機の電機子反作用（交差磁化・減磁・増磁作用）を問う穴埋め問題です。

力率1＝交差磁化、遅れ力率＝減磁、進み力率＝増磁。図の磁極と電流の向きから作用を読み取ります。

問題文と選択肢

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成26年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題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の(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。空白箇所（ア）〜（エ）に当てはまる組合せとして正しいものを一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
(1)	右	A	減少	リアクタンス
(2)	右	B	増加	リアクタンス
(3)	左	A	減少	抵抗
(4)	左	B	減少	リアクタンス
(5)	左	A	増加	抵抗

出題のポイント：力率で電機子磁束の向きが変わる

電機子反作用は、電機子電流が作る磁束が界磁磁束に干渉する現象です。その干渉のしかたは、電流の位相——つまり負荷の力率——で決まります。

負荷の力率	電機子磁束の向き	作用の名前	界磁磁束への影響	端子電圧
力率1	界磁磁束と直角	交差磁化作用	片側で減り、反対側で増える	わずかに下がる
遅れ力率0	界磁磁束と逆向き	減磁作用	両磁極とも減る	下がる
進み力率0	界磁磁束と同じ向き	増磁作用	両磁極とも増える	上がる

「遅れは減らす、進みは増やす」——この対が同期機のあらゆる場面で効いてきます。電圧変動率が力率で変わることも、自己励磁が進み電流で起きることも、すべてこの表から説明できます。

空欄を確定する

(ア)：交差磁化は回転方向側を減らす

力率1のとき、電機子電流は起電力と同相です。このとき電機子磁束は界磁磁束と直角——磁極の片側を強め、反対側を弱めます。

図1では、各磁極の右側で界磁磁束が減少しています。(ア)＝右。磁束の分布が回転方向に偏るので「交差磁化作用」と呼ばれます。

(イ)(ウ)：遅れ力率0は減磁

遅れ力率0では、電機子磁束が界磁磁束と真逆を向きます。N極もS極も、どちらの磁束も減る——(イ)＝A、(ウ)＝減少です。

「進み力率0のときには逆になる」と問題文が書いているとおり、進みなら両磁極とも増える（増磁作用）——これが自己励磁の出発点にもなります。

(エ)：等価回路ではリアクタンス

電機子反作用は、等価回路では電機子回路に直列なリアクタンスとして扱います。(エ)＝リアクタンス。「抵抗」ではありません。

なぜ「抵抗」ではなく「リアクタンス」なのか

(エ)で抵抗を選んではいけない理由を、2つの側面から確かめておきましょう。

観点	抵抗なら	電機子反作用の実際	判定
電力の消費	熱として消費する	何も消費しない（磁束を変えるだけ）	抵抗ではない
電圧降下の位相	電流と同相	電流より90°進む（磁束の変化による起電力）	リアクタンスと同じ

電機子反作用は、電流に比例した磁束の変化を生み、それが起電力の変化として現れます。磁束の変化が起電力を生むときは必ず90°の位相差が付く——これはリアクタンスの振る舞いそのものです。

しかもエネルギーを消費しません。磁界にいったん蓄えて返すだけ——まさにリアクタンスの性質です。だから等価回路では「電機子反作用リアクタンス X_a」として直列に置きます。

同期機の計算で使う「同期リアクタンス x_s」は、この2つをまとめたものです。漏れリアクタンスは巻線自身の漏れ磁束によるもので、電機子反作用とは別の原因——ただし回路上はどちらも直列のリアクタンスなので、まとめて扱えます。

短絡比とのつながり

電機子反作用が強い機械ほど x_a が大きく、したがって x_s も大きくなります。そして短絡比は x_s の逆数——ここで短絡比の話とつながります。

	電機子反作用が強い	電機子反作用が弱い
同期リアクタンス xs	大きい	小さい
短絡比 Ks＝1/xs	小さい	大きい
電圧変動率	大きい	小さい
自己励磁	起きやすい	起きにくい
呼び名	銅機械	鉄機械

「電機子反作用 → 同期リアクタンス → 短絡比 → 電圧変動率・安定度・自己励磁」——同期機の性質は、この一本の鎖でつながっています。本問の(エ)は、その鎖の入口を問うていることになります。

電機子反作用は、同期機のあらゆる論点の入口になる

電機子反作用は、それ自体が問われるだけでなく、同期機の他の論点の土台にもなっています。「遅れは減磁、進みは増磁」という一組から、いくつもの現象が説明できます。

論点	電機子反作用がどう効くか
電圧変動率	遅れ力率なら減磁で電圧が下がり、進み力率なら増磁で上がる ⇒ 力率で正にも負にもなる
外部特性曲線	遅れは大きく垂下、進みは上昇することもある ⇒ 力率で形が変わる
自己励磁	進み電流の増磁作用が正帰還を作る ⇒ 無励磁でも電圧が上がっていく
短絡曲線が直線	短絡電流はほぼ純遅れ ⇒ 強い減磁で鉄心が飽和しない
同期リアクタンス	電機子反作用リアクタンス xa が主成分 ⇒ 短絡比の大小を決める
V曲線・同期調相機	界磁を変えて反作用の向きを変える ⇒ 無効電力を出し入れできる

6つの論点が、すべて1つの現象から派生していることが分かります。同期機の問題で行き詰まったら「電機子反作用はどちら向きか」に戻る——それだけで筋道が見えることが多いのです。

とくに「遅れ力率で電圧が下がる」は実務的にも重要です。系統の負荷はほとんどが遅れ力率（誘導電動機が多いため）——だから発電機は常に減磁作用を受けており、界磁を強めて電圧を保っています。

逆に深夜など軽負荷の時間帯には、長距離送電線の静電容量が効いて進み力率になることがあります。すると増磁作用で電圧が上がりすぎる——分路リアクトルを入れて打ち消すという運用が必要になります。本問の知識が、そのまま系統運用の話につながっているのです。

まとめ

（ア）	右
（イ）	A
（ウ）	減少
（エ）	リアクタンス
答え	(1)

▼あわせて解きたい関連問題
・自己励磁現象：【機械】平成24年度A問題6
・短絡比の記述：【機械】令和5年度上期A問題5