直流機29【電験3種 機械】直流電動機の運転と回生制動とは？令和4年度上期 A問題1 完全解説

電験3種の機械科目で問われる直流電動機の運転（始動・速度制御・逆転・制動）。本記事では、令和4年度上期 A問題1の穴埋め問題を解説します。

カギは「始動抵抗は電機子回路に直列」「静止レオナード方式＝電圧制御」「逆転は電機子電流の反転」「電源に送り返す＝回生制動」の4点です。

令和4年度上期 機械科目 A問題1：問題文と選択肢

始動・速度制御・逆転・制動の4テーマを順に整理していきます。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和4年度上期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題1

電験3種 機械科目 【直流機】 令和4年度上期 A問題1

　次の文章は、直流電動機の運転に関する記述である。

　分巻電動機では始動時の過電流を防止するために始動抵抗が (ア) 回路に直列に接続されている。

　直流電動機の速度制御法には界磁制御法・抵抗制御法・電圧制御法がある。静止レオナード方式は (イ) 制御法の一種であり、主に他励電動機に用いられ、広範囲の速度制御ができるという利点がある。

　直流電動機の回転の向きを変えることを逆転といい、一般的には、応答が速い (ウ) 電流の向きを変える方法が用いられている。

　電車が勾配を下るような場合に、電動機を発電機として運転し、電車のもつ運動エネルギーを電源に送り返す方法を (エ) 制動という。

　上記の記述中の空白箇所(ア)〜(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)	界磁	抵抗	界磁	発電
(2)	界磁	抵抗	電機子	発電
(3)	界磁	電圧	界磁	回生
(4)	電機子	電圧	電機子	回生
(5)	電機子	電圧	界磁	回生

出題のポイント：4つのテーマを「どこをいじるか」で仕分ける

この問題は始動・速度制御・逆転・制動という直流電動機の運転4テーマを1問に詰め込んだものです。ばらばらに覚えるのではなく、「電機子側の話か、界磁側の話か」「エネルギーがどこへ行くか」という2つの軸で整理すると、すべて筋道で答えられます。

テーマ	空欄	答え	決め手
始動	(ア)	電機子	始動時に大電流が流れるのは電機子回路（E＝0 だから）
速度制御	(イ)	電圧	静止レオナード方式＝可変直流電圧で電機子電圧を制御
逆転	(ウ)	電機子	電機子側のほうがインダクタンスが小さく応答が速い
制動	(エ)	回生	電源に送り返す＝回生。抵抗で熱にするなら発電制動

(ア)：始動抵抗はなぜ電機子側なのか

始動の瞬間は回転していないので E＝0。すると電機子電流は I_a＝V/R_a となり、R_a がごく小さいために定格の10倍以上の電流が流れます。抑えるべきはこの電流ですから、始動抵抗は電機子回路に直列に入れます。

界磁回路に抵抗を入れるのは逆効果です。界磁電流が減ると磁束が減り、T＝k_TφI_a でトルクが下がって始動できません。それどころか、回り出したあとはn＝E/(k_Eφ) で速度が上がりすぎる危険まであります。始動時はむしろ界磁を最強にするのが正しい操作です。

(イ)：静止レオナード方式とは

レオナード方式とは、電動機の電機子電圧を可変にして速度を制御する方式の総称です。もともとは「発電機の界磁を調整して可変電圧を作り、それを電動機の電機子に与える」という、回転機を使った方式でした。

「静止」レオナード方式は、この可変電圧を回転機ではなくサイリスタ整流器などの静止形の電力変換器で作る方式です。回転する部分がないから「静止」——名前がそのまま構成を語っています。

方式	可変電圧の作り方	特徴
ワードレオナード方式	直流発電機の界磁を調整して作る	回転機が3台必要で大がかり・効率も低い
静止レオナード方式	サイリスタ整流器など静止形変換器で作る	回転機が不要・高効率・応答が速い
抵抗制御	抵抗で電圧を落とす	捨てた電圧が熱になり効率が悪い

どちらのレオナード方式も「電圧制御法」の一種です。抵抗制御法ではありません——抵抗で落とすのではなく、必要な電圧そのものを作っている点が決定的に違います。

(ウ)：なぜ逆転は電機子側なのか

T＝k_TφI_a なので、回転方向を変えるにはφ か I_a のどちらか一方だけを反転させればよいことになります（両方反転させると元に戻ってしまいます）。では、どちらを選ぶべきでしょうか。

答えは電機子側です。理由はインダクタンスの差——界磁巻線は磁束を作るために巻数が多く、インダクタンスが非常に大きいので、電流の向きを変えるのに時間がかかります。電機子巻線はインダクタンスが小さいので素早く反転できます。

問題文にも「応答が速い(ウ)電流の向きを変える」と書かれており、「応答が速い」という語が決め手になっています。

(エ)：制動の3方式を区別する

方式	エネルギーの行き先	しくみ	特徴
回生制動	電源へ返す	E＞V にして電流を逆流させる	省エネ。電源が受け取れないと使えない
発電制動（抵抗制動）	抵抗で熱にする	電機子を抵抗につないで発電させる	電源の状態によらず使える。エネルギーは捨てる
逆転制動（プラッギング）	電源と運動エネルギーの両方を熱に	電機子電流を逆にして逆トルクをかける	制動力が最大だが損失も最大

問題文は「電車のもつ運動エネルギーを電源に送り返す」と明示しているので、(エ)＝回生で確定です。「送り返す」という言葉があれば回生、「抵抗で消費」なら発電制動——エネルギーの行き先を読むだけで区別できます。

速度制御の3方式を比べる

問題文に出てくる界磁制御法・抵抗制御法・電圧制御法の3つは、それぞれn＝(V−I_aR_a)/(k_Eφ) のどこを動かすかで区別できます。式のどこを触るかを見れば、長所と短所も自動的に導けます。

方式	式のどこを動かすか	得られる速度域	効率	備考
電圧制御法	分子の V	0 〜 基底速度（広範囲）	良い	静止レオナード方式・チョッパ。トルクは一定に保てる
界磁制御法	分母の φ	基底速度 〜 高速	良い	弱め界磁。トルクは落ちる（定出力領域）
抵抗制御法	分子の IaRa（抵抗を増やす）	定格速度より低速側のみ	悪い	捨てた電圧が熱になる。負荷が軽いと効きにくい

抵抗制御法の効率が悪いのは、抵抗で落とした電圧×電流がまるごと熱になるからです。半分の速度で running するには端子電圧の約半分を抵抗で捨てることになり、入力の半分近くが熱になってしまいます。電車が抵抗制御からチョッパ制御・VVVF へ移っていったのは、この損失をなくすためでした。

抵抗制御にはもう一つ弱点があります。速度の下がり方が負荷の大きさに依存することです。抵抗による電圧降下は I_aR に比例するので、軽負荷では電流が小さく、抵抗を入れてもほとんど速度が落ちません。電圧制御法なら負荷によらず狙った速度が出せる——これが「広範囲の速度制御ができる」という問題文の記述の中身です。

制動方式の選び分け

(エ)で問われた回生制動を含め、3つの制動方式は「どれか1つを使う」のではなく、状況に応じて組み合わせて使います。

場面	使う制動	理由
高速からの通常減速	回生制動	エネルギーを回収できて最も経済的
電源が回生を受け取れないとき	発電制動	抵抗で熱にするので電源の状態によらず確実に効く
停止直前の低速域	機械（摩擦）ブレーキ	E＝kEφn が小さくなり、電気制動が効かなくなる
非常時・急停止	逆転制動	制動力は最大だが損失も最大なので常用しない

3行目が実務上いちばん大切です。回生も発電制動も、回転して起電力が出ていることが前提なので、速度がゼロに近づくと制動力もゼロに近づきます。電車や電気自動車が停止直前で機械ブレーキへ滑らかに切り替えるのは、この物理的な限界があるからです。

選択肢を絞り込む手順

段階	根拠	残る選択肢
(ア)＝電機子	始動時の大電流は電機子回路に流れる。界磁に抵抗を入れたら逆効果	(1)(2)(3)が消えて(4)(5)
(ウ)＝電機子	「応答が速い」＝インダクタンスが小さい＝電機子側	(5)が消えて(4)に確定

(ア)と(ウ)の2つ、しかもどちらも「電機子」で決まります。直流電動機の操作は基本的に電機子側で行う——始動も逆転も電機子、速度制御も電機子電圧が主役（弱め界磁は高速域の補助）。「迷ったら電機子」というくらい、電機子側の操作が中心です。

なお(イ)を「抵抗」とした(1)(2)は、レオナード方式を抵抗制御と取り違えたもの。(エ)を「発電」とした(1)(2)は、回生制動と発電制動を混同したものです。それぞれの語が何を意味するかを正確に押さえておくことが対策になります。