電験三種向け　発電機・電動機・変圧器の解釈　- 基本原理から公式の詳細 -

【こんな方にお勧め】
　電験三種の機械分野の直流機、同期機、誘導機、変圧器の分野において、
①基本原理が不明確過ぎてモヤモヤしている方、戦意喪失気味の方
②過去問やその解説を見ても機器の基本動作イメージができず、暗記に頼ってしまっている方
③根本原理を理しっかり解して、自信を持ちたい方
【概要】
・A5判カラー　全331ページ
・本書は、電験三種の主に機械分野で出題される発電機、電動機、変圧器の基本原理や公式のうち、電験三種向けの参考書やインターネット上の情報など巷の情報での解説が不足しており、筆者が受験期間中に理解に苦しんだテーマのみを対象に構成しております。
　本書の対象とした各テーマ（下記に記載）については、筆者の試験合格後の知識を前提にしても、驚くほど多大な情報収集、考察、論理構築が必要でした。そのため、時間制約のある受験期間において、そのテーマを詳細に理解することは到底無理であったと考えております。
　本書には、そのようなテーマについて興味を持たれた読者の方が時間浪費することのないよう、その理解に必要な情報をしっかりと記載するよう努めました。本書の内容が、読者の皆さんの必要とする情報であって、受験勉強のお役に立てることを期待しております。
　本書の記載事項に関するヒントは、当社ブログでも紹介しておりますので、ご参考にしてみてください。
https://ameblo.jp/patelect

【注意事項】
　巷の情報を参照すれば足りるであろう汎用情報の記載は極力避けております。そのため、本書のみの利用では、電験三種の試験で必要とされる発電機、電動機、変圧器の全知識の習得には至りませんことを予めご承知おきください。

【対象者】
　本書は、主に、電験三種の理論分野（その中でも特に、電磁気学、単相・三相の交流理論）に関する学習が済んでいる方であって、
　これから電験三種の試験で問われる発電機、電動機、変圧器の学習を始める方、又は、次に記載の対称テーマを詳しく知りたい方

【対象テーマ】
１．誘導起電力
・長さℓの導体棒が静止した磁束密度Bの磁界を速度vで横切るとき（但し、Bとvの間の角度はθとする）、誘導起電力eはBlvsinθと表されるが、その証明方法は？
・長さℓの導体棒が静止した磁束密度Bの磁界を速度vで横切るとき（但し、Bとvの間の角度はθとする）、誘導起電力eがBlv sinθと表される。
　しかし、磁界と導体棒の移動する主体関係が逆転したとき（即ち、磁束密度Bが速度vで移動して、静止した導体棒を横切るとき）、同じように誘導起電力eをBlvsinθで表して良いのか？　
・４極以上の直流発電機や直流電動機の誘導起電力Eを求めるとき、回転子を貫く磁束φが分からないと、ファラデーの電磁誘導の法則（E=-dφ/dt）では計算できない。磁束φが分からない状態では、どのようにして４極以上の誘導起電力E求めることができるのか？
・同機電動機や誘導電動機の１次回路や２次回路において、誘導性インピーダンスは何故iωLの形で表せるのか？（但し、ωは一次又は二次回路の角周波数、Lは一次又は二次インダクタンス）
・正弦波型の誘導起電力における瞬時電力と有効電力の違いは？瞬時電力には、無効エネルギーも含まれているのか？

２．直流発電機
・直流発電機の回転子に作用する磁界の作用方向、その大きさはどうなっているのか？
・直流発電機の誘導起電力の公式って、どのようにして導出されるのか？
・回転子を構成する導体棒に作用する磁界が、その導体棒の位置によって相違していると想定する場合、導体棒に生じる誘導起電力は、磁極に対する位置によって異なるはず。その結果、直流機の誘導起電力は脈流（向きは変わらないが大きさが変化する直流）となるはず。
しかし、直流機の誘導起電力の公式によれば、直流機の誘導起電力は、向きも大きさも変化しない直流として示される。
　この相違は、どのように考えたら良いのか？　　
・波巻や重ね巻は、具体的にどのような巻き方になっているのか？複雑なのか？
・誘導起電力の公式では、並列回路数aについて、波巻の場合にはa=２、かつブラシ数２、重ね巻の場合a=p、かつブラシ数pとされる。回転子巻線を具体的にどのように巻いたら、このような関係が成立するのか？
・波巻や重ね巻では、並列回路数aについて、波巻でa=２、重ね巻でa=pとすれば、必ず直流発電機として機能するのか？
・波巻や重ね巻において、どのようにしたら誘導起電力の公式を導出できるのか？
・整流子片間の絶縁部分にブラシが接触すると、電流を取り出せなくなってしまうのか？
・回転子の回転速度を速くすると、回転子を回すための外力は大きくなるのか、小さくなるのか？
・電機子反作用の影響で、偏磁作用や電気的中性軸が移動し、また整流子片間の電圧が不均一になるとはどういうことなのか？その際、ブラシと整流子片に過電流が生じたり、整流子片間に火花が生じるとはどういう状態なのか？
・電機子反作用の影響で、主磁束が減少すると、発電機の起電力が減少すると言われているが、それはなぜか？

３．直流電動機
・なぜ回転子に逆起電力が生じるのか？（逆起電力が生じる仕組みは？）
・回転子を構成する導体棒に発生する電磁力の向きは、その導体棒の位置に応じてどのように変化するのか？
・回転子に生じるトルクの公式は、どのように導出されるのか？
・回転子巻線に生じる逆起電力の向きは、電源から供給される電流の向きと反対向きとなるのか？そうだとしたら、その理由は？
・波巻や重ね巻は、具体的にどのような巻き方になっているのか？やはり複雑なのか？
・波巻や重ね巻での回転子を構成する各導体棒に生じる電磁力の向きはどうなっているのか？　
　また、各導体棒に発生する電磁力の全てが回転に寄与するのか？
・波巻や重ね巻において、回転子巻線に生じる誘導起電力e（逆起電力）の向きは具体的にどうなっているのか？
・トルクの公式における導体棒の総数と、逆起電力の公式における導体棒の総数は等しいと解釈して良いのか？
・直流発電機と直流電動機における電機子反作用の相違は？

４．同期発電機
・p極の磁極は、どのような形状になっているのか？
・回転界磁型や電機子回転型では、電圧の発生原理を同様に捉えて良いのか？
・磁極の形成する磁界の向きは、どのようになってるのか？
・電機子巻線を構成する導体棒１本に生じる誘導起電力は、関数としてどのように表現できるのか？
・なぜ、各相の電圧は、互いに2π/3[rad]（ベクトル表示で120°）相違するのか？
・どのように巻線を巻回したら、対称三相の交流電源となるのか？
・なぜ同期速度は120f/p（f；同期発電機の周波数、ｐ；磁極数）と示されるのか？
・同期発電機では、その結線がY結線とΔ結線の場合において、出力に相違はあるのか？電験三種では、同期発電機の結線はＹ結線とΔ結線のどちらのパターンを想定しておくべきか？
・横軸反作用とは、何か？　横軸反作用の向きは？　
・横軸反作用が「磁極の回転方向側で界磁を弱め、磁極の回転方向と反対側で界磁を強める」とは、回転子と電機子のどのような位置関係を想定した表現なのか？
・直軸反作用とは、何か？　直軸反作用の向きは？
・直軸反作用が「同期発電機にリアクトル負荷のみ接続されている場合、減磁作用（磁極の界磁を弱めること）となり、他方、コンデンサ負荷のみ接続されている場合、増磁作用（磁極の界磁を強めること）になる」とは、回転子と電機子のどのような位置関係を想定した表現なのか？

５．同期電動機
・回転子に作用する「回転磁界」とは、どのような磁界なのか？その磁界は、どのような作用方向となり、どのように動くのか？
・回転磁界を形成するには、固定子回路をY結線とΔ結線のどちらにしたらいいのか？
・２極、４極、６極、８極、又は、それ以上の極数の回転磁界を形成するためには、固定子回路（固定子巻線）をどのように巻回したら良いのか？
・６極の回転磁界は、どのように回転するのか？　回転磁界の角速度と、回転磁界を形成する固定子回路における三相交流の位相変化の関係はどのようになっているのか？
・なぜ回転磁界の同期速度は、120f/p（f；電源の周波数、p;極数）と示されるのか？
・固定子回路に生じる各相の逆起電力は、数式としてどのように示されるのか？
・固定子回路に生じる逆起電力は、対称三相交流電圧となるのか？
・なぜ固定子回路は、対称三相交流回路として機能するのか？
・固定子に生じる誘導起電力（逆起電力）による出力について、その瞬時値と有効電力はどのように示され、相互関係はどのようになっているのか？また、出力と負荷角の関係は数式でどのように示されるのか？
・２極の同期電動機の回転子は、有負荷時において、回転磁界から機械角にして負荷角δと同角度だけ後退して回転する。その導出方法は、どうなっているのか？
また、４極以上の同期電動機の場合も、同様に後退すると言って良いのか？
・有負荷時に回転子が回転磁界から機械角にして後退する角度と、負荷角との関係には、規則性があるのか？

６．誘導電動機
・巻線形回転子とかご形回転子の結線は、どのようになっているのか？
・滑りsは、どのように定義されるのか？
・回転磁界が二次側（回転子）を横切ることで、回転子を構成する各相の導体棒に誘導起電力が生じる。その各導体棒に生じる誘導起電力は、どのような数式で示され、その導出方法はどうなっているのか？
・巻線形回転子やかご形回転子の２次結線は、Y結線と捉えて良いのか？また、かご形回転子は、どのようにしたらＹ結線と捉えることができるのか？
・回転子に生じる誘導起電力（二次誘導起電力）と、二次電流は、どのような数式で示され、その導出方法はどうなっているのか？
・二次周波数（すべり周波数）は、なぜ一次周波数のs倍となるのか？
・一次側（固定子回路）には、回転子に生じた二次電流の影響で逆起電力が生じる。その逆起電力は、どのような数式で示され、その導出方法はどうなっているのか？その逆起電力は、対称三相交流電圧となるのか？
・逆起電力を考える際、回転子に生じる二次電流の形成する磁界は、同期速度と同じ速度の回転磁界となり、固定子回路に対して同期電動機の回転子（磁石）のように振る舞うと考えてよいのか？
・固定子回路は、Y結線なのか、Δ結線なのか？
・等価回路の導出方法において、
　　- なぜ、磁化電流や鉄損電流は、一次負荷電流と並列の関係にあると言えるのか？
　　- なぜ、変圧器の等価回路に寄せるのか？
　　- なぜ、誘導電動機の二次側回路を1/s倍（sは「滑り」を意味する）するのか？
　　- なぜ、誘導電動機としての磁気回路が不明確なのに（イメージできないのに）、
変圧器の ように一次負荷電流の起磁力と二次電流の起磁力が打ち消し合うと説明できる
のか？
・等価回路から算出される諸量は、瞬時値に対応していると考えて良いのか？
・始動補償器は、Y結線なのか？
・始動補償器法で、
- 電動機に流れる電流は、全電圧始動時の何％になるのか？
- トルクは、全電圧始動時の何％になるのか？
- 電源から始動補償器に流れる電流は、全電圧始動時の何％になるのか？
・等価回路を利用して、トルクの最大値はどのように導出できるのか？
・vf制御や、二次抵抗制御は、どうのような仕組みなのか？

７．変圧器
・変圧器の等価回路は、一体どのようにして導出されるのか？
・変圧器の一次電流は、なぜ一次負荷電流と励磁電流（磁化電流と鉄損電流の和）に分けることができるのか？
・一次負荷電流の磁束と、二次電流の磁束が互いに打ち消し合うとは、どういう状態か？
・なぜ、変圧器の一次側の電圧と二次側の電圧の比が、巻き数比に等しいと言えるのか？
・一次起電力（一次コイル部分の誘導起電力）と二次起電力（二次コイル部分の誘導起電力）の比と、一次端子電圧（一次電源電圧）と二次端子電圧（負荷部分の電圧）の比は同じと考えて良いのか？
・なぜ、変圧器の一次電流と二次電流の比が、巻き数比の逆数に等しいと言えるのか？
・一次負荷電流と二次電流の比と、一次電流の比と二次電流の比は同じなのか？
・定格容量について、「定格容量＝一次電流×一次端子電圧＝二次電流×二次端子電圧」と考えて良いのか？それとも「定格容量＝一次負荷電流×一次誘導起電力＝二次電流×二次誘導起電力」と考えるべきか？
・計器用変流器(CT)において、一次電流が流れているとき、二次側を開放すると、なぜ一次電流が全て励磁電流となり、二次側に高電圧が発生することになるのか？また、そのとき、なぜ鉄損が過大になるのか？
・計器用変圧器（VT）において、一次電流が流れているとき、なぜ二次側を短絡してはならないのか？
・単巻変圧器でも、一次誘導起電力と二次誘導起電力の比は巻き数比と等しいと言えるのは何故か？
・単巻変圧器において、分路巻線と直列巻線の電圧比はどのように示されるのか？
・単巻変圧器において、一次負荷電流と二次電流の比が巻き数比の逆数になるのは何故か？
　また、分路巻線と直列巻線の電流比は、どのように示されるのか？
・単巻変圧器において、分路巻線に流れる電流（励磁電流や、一次負荷電流や、二次電流）の位相関係はどうなっているのか？
　また、二次側の負荷が抵抗のみの場合、分路巻線に流れる電流は、励磁電流と、一次負荷電流と、二次電流を用いてどのように示すことができるのか？
・単巻変圧器において、負荷容量「二次誘導起電力の大きさ×二次電流の大きさ」（二次側端子間の皮相電力）は、「一次誘導起電力の大きさ×一次負荷電流の大きさ」（一次側端子間の皮相電力）と等しいと言えるのか？
・単巻変圧器において、自己容量は、分路巻線の皮相電力や直列巻線の皮相電力と等しいと言えるのか？