電験三種 平成23年度(2011) 機械 問7 過去問解説

問7 《変圧器(損失と効率)》
次の文章は,変圧器の損失と効率に関する記述である。 電圧一定で出力を変化させても,出力一定で電圧を変化させても,変圧器の効率の最大は鉄損と銅損とが等しいときに生じる。ただし,変圧器の損失は鉄損と銅損だけとし,負荷の力率は一定とする。 a.出力 1 000[W]で運転している単相変圧器において鉄損が 40.0[W],銅損が 40.0[W]発生している場合,変圧器の効率は(ア)[%]である。 b.出力電圧一定で出力を 500[W]に下げた場合の鉄損は 40.0[W],銅損は(イ)[W],効率は(ウ)[%]となる。 c.出力電圧が 20[%]低下した状態で,出力 1 000[W]の運転をしたとすると鉄損は 25.6[W],銅損は(エ)[W],効率は(オ)[%]となる。ただし,鉄損は電圧の2乗に比例するものとする。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に当てはまる最も近い数値の組合せを,次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
  1. (1) (ア)94,(イ)20.0,(ウ)89,(エ)61.5,(オ)91
  2. (2) (ア)93,(イ)10.0,(ウ)91,(エ)62.5,(オ)92
  3. (3) (ア)94,(イ)20.0,(ウ)89,(エ)63.5,(オ)91
  4. (4) (ア)93,(イ)10.0,(ウ)91,(エ)50.0,(オ)93
  5. (5) (ア)92,(イ)20.0,(ウ)89,(エ)61.5,(オ)91
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正解は(2)
使う公式
効率 $\eta = \dfrac{P}{P + P_{\mathrm{i}} + P_{\mathrm{c}}} \times 100$(P:出力[W]、P_i:鉄損[W]、P_c:銅損[W]) 銅損と電流 $P_{\mathrm{c}} \propto I^2$(銅損は電流の2乗に比例する)
解説
【考え方】鉄損は電圧で決まり、銅損は電流の2乗で決まります。b と c で、電流が何倍になるかを考えます。 ■1 (ア) a のとき 解説の図 $\eta = \dfrac{1\,000}{1\,000 + 40 + 40} = \dfrac{1\,000}{1\,080} \fallingdotseq 92.6 \to 93\,\%$ ■2 (イ)(ウ) b のとき 電圧が同じで出力が半分なので、電流も半分です。 銅損 $= 40 \times 0.5^2 = 10\,\mathrm{W}$ $\eta = \dfrac{500}{500 + 40 + 10} = \dfrac{500}{550} \fallingdotseq 91\,\%$ ■3 (エ)(オ) c のとき 電圧が 0.8 倍で出力が同じなので、電流は $\dfrac{1}{0.8} = 1.25$ 倍です。 銅損 $= 40 \times 1.25^2 = 62.5\,\mathrm{W}$ $\eta = \dfrac{1\,000}{1\,000 + 25.6 + 62.5}$ $= \dfrac{1\,000}{1\,088.1} \fallingdotseq 91.9 \to 92\,\%$ 答えは(2)ピヨ。
出典:平成23年度(2011) 第三種電気主任技術者試験(電気技術者試験センター)機械 問7