電験3種の機械科目で問われる外部特性曲線と回生制動。本記事では、平成27年度 A問題2の穴埋め問題を解説します。発電機の特性と電動機運転・回生制動がひとつながりで問われる良問です。
カギは「分巻発電機は垂下が大きい（B）」と「同じ極性なら界磁も回転方向も同じ向き → 結線変更なしで回生制動」です。
平成27年度 機械科目 A問題2：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。
電験3種 機械科目 【直流機】 平成27年度 A問題2
次の文章は、直流機に関する記述である。
図は、ある直流機を他励発電機として運転した場合と分巻発電機として運転した場合との外部特性曲線を比較したものである。回転速度はいずれも一定の同じ値であったとする。このとき、分巻発電機の場合の特性は (ア) である。
また、この直流機を分巻発電機として運転した場合と同じ極性の端子電圧を外部から加えて分巻電動機として運転すると、界磁電流の向きは発電機運転時と (イ) となり、回転方向は (ウ) となる。これらの向きの関係から、分巻機では、電源電圧を誘導起電力より低くすることで、電動機運転の状態から結線を変更せずに (エ) ができ、エネルギーを有効に利用できる。
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。
| (ア) | (イ) | (ウ) | (エ) | |
|---|---|---|---|---|
| (1) | A | 同じ向き | 逆向き | 回生制動 |
| (2) | B | 同じ向き | 同じ向き | 回生制動 |
| (3) | A | 逆向き | 逆向き | 発電制動 |
| (4) | B | 逆向き | 同じ向き | 回生制動 |
| (5) | A | 逆向き | 同じ向き | 発電制動 |
出題のポイント：分巻の外部特性Bと回生制動
他励発電機は界磁が独立電源で保たれるため、負荷電流が増えても端子電圧の低下は比較的小さくなります。分巻発電機では端子電圧低下が界磁電流低下、磁束低下、誘導起電力低下へ連鎖するため、外部特性はより大きく垂下する曲線Bです。同じ極性のまま電源電圧VをEより低くすれば、界磁と回転方向を変えずに電機子電流だけが反転し、回生制動へ移れます。
ポイント解説：同じ結線で力行から回生へ切り換える
同じ極性の電圧を加えれば、界磁巻線には同じ向きの電流が流れ（イ＝同じ向き）、分巻電動機は発電機運転時と同方向に回転します（ウ＝同じ向き）。この関係のおかげで、電源電圧を誘導起電力より低くするだけで電流が反転して発電機に戻り、結線を変更せずに回生制動ができます（エ）。
問題の解説：B・同じ向き・同じ向き・回生制動
| 空欄 | 答え | 理由 |
|---|---|---|
| (ア) | B | 分巻は界磁電流も下がるため垂下が大きい |
| (イ) | 同じ向き | 同じ極性の電圧 → 界磁電流は同方向 |
| (ウ) | 同じ向き | φもIａの向きの関係も保たれ回転方向は同じ |
| (エ) | 回生制動 | V＜E で電流反転 → 電源へエネルギーを返す |
したがって、正解は (2) です。
「分巻の外部特性は垂下が大きい＝B」「同じ極性→同じ向き・同じ向き」「電源へ返す＝回生制動」
回生制動（電源に返す）と発電制動（抵抗器で熱として消費）を混同しないこと。「結線を変更せずに」「エネルギーを有効に利用」とあれば回生です。
まとめ：外部特性曲線と回生制動
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 他励の外部特性 | 降下わずか（A） |
| 分巻の外部特性 | 垂下が大きい（B） |
| 分巻の発電⇄電動 | 同じ極性なら界磁・回転とも同じ向き |
| 回生制動 | V＜E で電流反転、結線変更なしで電源へ返す（答(2)） |
回生制動を含む運転の穴埋めは【機械】令和4年度上期A問題1、電圧の確立は【機械】平成21年度A問題1をどうぞ。
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