電験三種機械 H21年度(2009年)過去問

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（５）

問9

パワーエレクトロニクス回路で使われる部品としてのリアクトルとコンデンサ、あるいは回路成分としてのインダクタンス成分、キャパシタンス成分と、バルブデバイスの働きに関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

（１）リアクトルは電流でエネルギーを蓄積し、コンデンサは電圧でエネルギーを蓄積する部品である。
（２）交流電源の内部インピーダンスは、通常、インダクタンス成分を含むので、交流電流に流れている電流をバルブデバイスで遮断しても、遮断時に交流電源の端子電圧が上昇することはない。
（３）交流電源を整流した直流回路に使われる平滑用コンデンサが交流電源電圧のピーク値近くまで充電されていないと、整流回路のバルブデバイスがオンしたときに、電源及び整流回路の低いインピーダンスによって平滑用コンデンサに大きな充電電流が流れる。
（４）リアクトルに直列に接続されるバルブデバイスの電流を遮断したとき、リアクトルの電流が還流する電流路ができるように、ダイオードを接続して使用することがある。その場合、リアクトルの電流は、リアクトルのインダクタンス値[H]とダイオードを通した回路内の抵抗値[Ω]とで決まる時定数で減少する。
（５）リアクトルとコンデンサは、バルブデバイスがオン、オフすることによって断続する瞬間電力を平滑化する部品である。

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（２）

問10

誘導電動機によって回転する送風機のシステムで消費される電力を考える。
誘導電動機が商用交流電源で駆動されているときに送風機の風量を下げようとする場合、通風路にダンパなどを追加して流路抵抗を上げる方法が一般的である。ダンパの種類などによって消費される電力の減少量は若干異なるが、流路抵抗を上げ風量を下げるに従って消費される電力は若干減少する。このとき、例えば風量を最初の50[%]に下げた場合に、誘導電動機の回転速度は【ア】。
一方、商用交流電源で直接駆動するのではなく、出力する交流の電圧$V$と周波数$ｆ$との比（$¥frac{V}{f}$）をほぼ一定とするインバータを用いて、誘導電動機を駆動する周波数を変化させ風量を調整する方法もある。この方法では、ダンパなどの流路抵抗を調整する手段は用いないものとする。このとき、機械的・電気的な損失などが無視できるとすれば、風量は回転速度の【イ】乗に比例し、消費される電力は回転速度の【ウ】乗に比例する。したがって、周波数を変化させて風量を最初の50[%]に下げた場合に消費される電力は、計算上で【エ】[%]まで減少する。
商用周波数電源で駆動し、ダンパなどを追加して風量を下げた場合の消費される電力の減少量はこれほど大きくはなく、インバータを用いると大きな省エネルギー効果が得られる。
上記の記述中の空白箇所【ア】【イ】【ウ】及び【エ】に当てはまる語句又は数値として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（１）【ア】トルク変動に相当する滑り周波数分だけ変動する【イ】1【ウ】3【エ】12.5
（２）【ア】風量に比例して減少する【イ】$\frac{1}{2}$【ウ】3 【エ】12.5
（３）【ア】風量に比例して減少する【イ】1【ウ】3【エ】12.5
（４）【ア】トルク変動に相当する滑り周波数分だけ変動する【イ】$\frac{1}{2}$【ウ】2【エ】25
（５）【ア】風量に比例して減少する【イ】1【ウ】2【エ】25

問11

ハロゲン電球では、【ア】バルブ内に不活性ガスとともに微量のハロゲンガスを封入してある。点灯中に高温のフィラメントから蒸発したタングステンは、対流によって管壁付近に移動するが、管壁付近の低温部でハロゲン元素と化合してハロゲン化物となる。管壁温度をある値以上に保っておくと、このハロゲン化物は管壁に付着することなく、対流などによってフィラメント近傍の高温部に戻り、そこでハロゲンと解離してタングステンはフィラメント表面に析出する。このように、蒸発したタングステンを低温部の管壁付近に析出することなく高温部のフィラメントへ移す循環反応を、【イ】サイクルと呼んでいる。このような化学反応を利用して管壁の【ウ】を防止し、電球の寿命や光束維持率を改善している。
また、バルブ外表面に可視放射を透過し、【エ】を【オ】するような膜（多層干渉膜）を設け、これによって電球から放出される【エ】を低減し、小形化、高効率化を図ったハロゲン電球は、店舗や博物館などのスポット照明用や自動車前照灯用などに広く利用されている。
上記の記述中の空白箇所【ア】【イ】【ウ】【エ】及び【オ】に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（１）【ア】石英ガラス【イ】タングステン【ウ】白濁【エ】紫外放射【オ】反射
（２）【ア】鉛ガラス【イ】ハロゲン【ウ】黒化【エ】紫外放射【オ】吸収
（３）【ア】石英ガラス【イ】ハロゲン【ウ】黒化【エ】赤外放射【オ】反射
（４）【ア】鉛ガラス【イ】タングステン【ウ】黒化【エ】赤外放射【オ】吸収
（５）【ア】石英ガラス【イ】ハロゲン【ウ】白濁【エ】赤外放射【オ】反射

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（３）

問12

食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウム（$NaOH$、か性ソーダ）と塩素（$Cl_{2}$）を得るプロセスは食塩電解と呼ばれる。食塩電解の工業プロセスとして、現在、わが国で採用されているものは、【ア】である。
この食塩電解法では、陽極側と陰極側を仕切る膜に【イ】イオンだけを選択的に透過する密隔膜が用いられている。外部電源から電流を流すと、陽極側にある食塩水と陰極側にある水との間で電気分解が生じてイオンの移動が起こる。陽極側で生じた【ウ】イオンが密隔膜を通して陰極側に入り、【エ】となる。
上記の記述中の空白箇所【ア】【イ】【ウ】及び【エ】に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（１）【ア】隔膜法【イ】陽【ウ】塩素【エ】$Cl_{2}$
（１）【ア】イオン交換膜法【イ】陽【ウ】ナトリウム【エ】$NaOH$
（１）【ア】イオン交換膜法【イ】陰【ウ】塩素【エ】$Cl_{2}$
（１）【ア】イオン交換膜法【イ】陰【ウ】ナトリウム【エ】$NaOH$
（１）【ア】隔膜法【イ】陰【ウ】水酸【エ】$NaOH$

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（２）

問13

自動制御系には、フィードフォーワード制御系とフィードバック制御系がある。
常に制御対象の【ア】に着目し、これを時々刻々検出し、【イ】との差を生じればその差を零にするような操作を制御対象に加える制御が【ウ】制御系である。外乱によって【ア】に変動が生じれば、これを検出し修正動作を行うことが可能である。この制御システムは【エ】を構成するが、一般には時間的な遅れを含む制御対象を【エ】内に含むため、安定性の面で問題を生じることもある。しかしながら、はん用性の面で優れているため、定値制御や追値制御を実現する場合、基本になる制御である。
上記の記述中の空白箇所【ア】【イ】【ウ】及び【エ】に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（１）【ア】操作量【イ】入力信号【ウ】フィードフォーワード【エ】閉ループ
（２）【ア】制御量【イ】目標値【ウ】フィードフォーワード【エ】開ループ
（３）【ア】操作量【イ】目標値【ウ】フィードバック【エ】開ループ
（４）【ア】制御量【イ】目標値【ウ】フィードバック【エ】閉ループ
（５）【ア】操作量【イ】入力信号【ウ】フィードバック【エ】閉ループ

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（４）

問14

2進数A,Bが、$A=（1100 \ 0011)_{2}$ , $B=（1010 \ 0101)_{2}$,であるとき、AとBのビットごとの論理演算を考える。AとBの論理積（AND）を16進数で表すと【ア】、AとBの論理和（OR）を16進数で表すと【イ】、AとBの排他的論理和（EX－OR）を16進数で表すと【ウ】、AとBの否定論理積（NAND）を16進数で表すと【エ】となる。
上記の記述中の空白箇所【ア】【イ】【ウ】及び【エ】に当てはまる数値として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（１）【ア】$(81)_{16}$【イ】$(E7)_{16}$【ウ】$(66)_{16}$【エ】$(18)_{16}$
（２）【ア】$(81)_{16}$【イ】$(E7)_{16}$【ウ】$(66)_{16}$【エ】$(7E)_{16}$
（３）【ア】$(81)_{16}$【イ】$(E7)_{16}$【ウ】$(99)_{16}$【エ】$(18)_{16}$
（４）【ア】$(E7)_{16}$【イ】$(81)_{16}$【ウ】$(66)_{16}$【エ】$(7E)_{16}$
（５）【ア】$(E7)_{16}$【イ】$(81)_{16}$【ウ】$(99)_{16}$【エ】$(18)_{16}$

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（２）

問15

定格出力15[kW]、定格電圧220[V]、定格周波数60[Hz]、6極の三相誘導電動機がある。この電動機を定格電圧、定格周波数の三相電源に接続して定格出力で運転すると、滑りが5[%]であった。機械損及び鉄損は無視できるものとして、次の(a)及び(b)に答えよ。

(a)この時の発生トルク[N・m]の値として、最も近いのは次のうちどれか。
（１）114　（２）119　（３）126　（４）239　（５）251

(b)この電動機の発生トルクが上記(a)の$\frac{1}{2}$となったときに、一次銅損は250[W]であった。このときの効率[%]の値として、最も近いのは次のうちどれか。ただし、発生トルクと滑りの関係は比例するものとする。
（１）92.1　（２）94.0　（３）94.5　（４）95.5　（５）96.9

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(a)・・・(3)
(b)・・・(3)

問16

図1は、IGBTを用いた単相ブリッジ接続の電圧形インバータを示す。直流電圧$E_{d}[V]$は、一定値とみなせる。出力端子には、インダクタンス$L[H]$で抵抗$R[Ω]$の誘導性負荷が接続されている。
図2は、このインバータの動作波形である。時刻$t=0[s]$で$IGBT \ Q_{3}$及び$Q_{4}$のゲート信号をオフにするとともに$Q_{1}$及び$Q_{2}$のゲート信号をオンにすると、出力電圧$v_{a}$[V]は$E_{d}[V]$となる。$t=\frac{T}{2}[s]$で$Q_{1}$及び$Q_{2}$のゲート信号をオフにするとともに$Q_{3}$及び$Q_{4}$のゲート信号をオンにすると、$v_{a}[V]$は$E_{d}[V]$となる。これを周期$T[s]$で繰り返して方形波電圧を出力する。
出力電流$i_{a}[A]$は$t=0[s]$で$-I_{p}[A]$になっているものとする。負荷の時定数は$τ=\frac{L}{R}[s]$である。$t=0 $ ~ $\frac{T}{2}[s]$では、時間の関数$i_{a}(t)$は次式となる。
$$i_{a}(t)=-I_{p}e^{-\frac{t}{τ}}+\frac{E_{d}}{R}(1-e^{-\frac{t}{τ}})$$
定常的に動作しているときには、周期条件から$t=\frac{T}{2}[s]$で出力電流は$I_{p}[A]$となり、次式が成り立つ。
$$i_{a}(\frac{T}{2})=-I_{p}e^{-\frac{T}{2τ}}+\frac{E_{d}}{R}(1-e^{-\frac{T}{2τ}})=I_{p}$$
このとき、次の(a)及び(b)に答えよ。
ただし、バルブデバイス（IGBT及びダイオード）での電圧降下は無視するものとする。

(a)時刻$t=\frac{T}{2}[S]$の直前では$Q_{1}$及び$Q_{2}$がオンしており、出力電流は直流電源から$Q_{1}→負荷→Q_{2}$の経路で流れている。$t=\frac{T}{2}[s]$でIGBT$Q_{1}$及び$Q_{2}$のゲート信号をオフにするとともに$Q_{3}$及び$Q_{4}$のゲート信号をオンにした。その直後（図2で、$t=\frac{T}{2}[s]$から、出力電流が$0[A]$になる$t=t_{r}[s]$までの期間）、出力電流が流れるバルブデバイスとして、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

（1）$Q_{1},Q_{2}$ （2）$Q_{3},Q_{4}$（3）$D_{1},D_{2}$（4）$D_{3},D_{4}$（5）$Q_{3},Q_{4},D_{1},D_{2}$

(b)$E_{d}=200[V],L=10[mH],R=2.0[Ω],T=10[ms]$としたとき、$I_{p}[A]$の値として、最も近いのは次のうちどれか。ただし、$e=2.718$とする。
（１）$32$　 （２）$46$ 　（３）$63$　 （４）$76$ 　（５）$92$

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(a)・・・(4)
(b)・・・(2)

問17

温度$20.0[℃]$、体積$0.370[m^{3}]$の水の温度を$90.0[℃]$まで上昇させたい。次の(a)及び(b)に答えよ。
ただし、水の比熱（比熱容量）と密度はそれぞれ$4.18×10^{3}[J/(kg・K)],1.00×10^{3}[kg/m^{3}]$とし、水の温度に関係なく一定とする。

(a)電熱器容量$4.44[kW]$の電気温水器を使用する場合、これに必要な時間$t[h]$の値として、最も近いのは次のうちどれか。ただし、貯湯槽を含む電気温水器の総合効率は$90.0[\%]$とする。

（１）3.15　（２）6.10　（３）7.53　（４）8.00　（５）9.68

(b)上記(a)の電気温水器の代わりに、最近普及してきた自然冷媒($CO_{2}$)ヒートポンプ式電気給湯器を使用した場合、これに必要な時間$t[h]$は、消費電力$1.25[kW]$で$6[h]$であった。水が得たエネルギーと消費電力量とで表せるヒートポンプユニットの成績係数(COP)の値として、最も近いのは次のうちどれか。ただし、ヒートポンプユニット及び貯湯槽の電力損、熱損失はないものとする。

（１）0.25　（２）0.33　（３）3.01　（４）4.01　（５）4.19

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(a)・・・(3)
(b)・・・(4)