機械
電験三種 令和7年度下期 機械 問5
問題・正答・学習用解説
問題
回転界磁形同期電動機が停止している状態で，固定子巻線に対称三相交流電圧を印加すると回転磁界が生じる。しかし，励磁された回転子磁極が受けるトルクは，同じ大きさで向きが交互に変わるので，その平均トルクは零になり電動機は起動しない。これを改善するために，回転子の磁極面に (ア) を施す。これは，(イ) と同じ起動原理を利用したもので，誘導トルクによって電動機を起動させる。起動時には，回転磁束によって誘導される高電圧によって絶縁が破壊するおそれがあるので，(ウ) を抵抗で短絡して起動する。回転子の回転速度が同期速度に近づくと，この短絡を切り放し (エ) で励磁すると，回転子は同期速度に引き込まれる。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。
選択肢
正答と解説
正答：（3）
正答の考え方
正解は(3)です。(ア)同期電動機は固定子に対称三相電圧を加えると回転磁界はできますが，停止状態では励磁された回転子磁極が受けるトルクの向きが交番して平均が零になり自力では起動しません。これを改善するため回転子の磁極面に制動巻線（ダンパ巻線）を施します。(イ)この制動巻線はかご形誘導電動機の二次導体（かご）と同じ構造・原理で，回転磁界がこの短絡導体に渦電流を誘導して誘導トルクを生み，誘導電動機として自己始動します。(ウ)起動時，回転磁束が界磁巻線（多数回巻かれている）に高い電圧を誘起し絶縁破壊のおそれがあるため，界磁巻線を抵抗で短絡して起動します。(エ)回転速度が同期速度に近づいたところで短絡を切り放し，界磁巻線を直流で励磁すると，回転子磁極が回転磁界に同期して引き込まれ同期運転に入ります。以上から(ア)制動巻線，(イ)かご形誘導電動機，(ウ)界磁巻線，(エ)直流，の組合せである(3)が正しい。
各選択肢の解説
選択肢1
(ア)補償巻線，(イ)巻線形誘導電動機，(エ)交流とする点が誤りです。自己始動に用いるのはかご形と同じ短絡導体の制動巻線（補償巻線は直流機の電機子反作用対策の別物），始動原理はかご形誘導電動機，そして同期引込みのための励磁は交流ではなく直流です。
選択肢2
(イ)を巻線形誘導電動機，(エ)を交流とする点が誤りです。制動巻線は外部抵抗を持たない短絡かご導体なのでかご形誘導電動機と同じ原理であり，同期速度への引込みは界磁巻線への直流励磁によります。
選択肢4
(ウ)を固定子巻線とする点が誤りです。起動時に回転磁束で高電圧が誘起され絶縁破壊のおそれがあるため抵抗で短絡するのは，回転子側の界磁巻線です（固定子巻線は電源に接続されており短絡対象ではありません）。
選択肢5
(ア)補償巻線，(ウ)固定子巻線とする点がいずれも誤りです。正しくは回転子磁極面に制動巻線を設け，回転子の界磁巻線を抵抗で短絡して起動します。
周辺知識
同期電動機は『回転子が同期速度 で回り，負荷が変わっても速度が一定』『界磁を調整して力率を進み・遅れ自在に制御でき，過励磁にすれば進相運転で系統の力率改善（同期調相機）にも使える』という長所をもつ一方，始動トルクが本質的に零という弱点があります。これを補うのが回転子磁極面に埋め込んだ制動巻線（ダンパ巻線）で，始動時はかご形誘導機として加速し，同期速度の95％程度まで上がったところで界磁を直流励磁して引き込む『自己始動法』が一般的です。制動巻線は始動だけでなく，運転中に負荷急変で回転子が揺れる現象（乱調＝ハンチング）を抑える制動作用も果たすため『制動巻線』『ダンパ』と呼ばれます。起動中に界磁巻線を開放したままにすると，回転磁束が巻数の多い界磁巻線に変圧器のように高電圧を誘起して絶縁を破壊する危険があるため，必ず適当な抵抗（放電抵抗）で短絡しておくのがポイントで，このとき抵抗値を選ぶことで始動特性も調整します。覚え方は『同期機の始動＝かご（ダンパ）で誘導始動→同期速度近くで直流励磁して引き込む，界磁は途中まで抵抗短絡』。他の始動法には，別の電動機で軸を回して同期速度まで上げてから投入する始動電動機法や，インバータで低周波数から徐々に立ち上げる方法もあります。