電験三種 令和6年度(2024) 下期 機械 問15(b) 過去問解説

問15(b) 《同期機(負荷角と出力)》
定格電圧6 600 V,定格出力8 MV・Aの三相同期発電機がある。この三相同期発電機において,界磁電流が200 Aにおける無負荷端子電圧は6 600 Vであり,この界磁電流での三相短絡電流は800 Aであった。この三相同期発電機について,次の(a)及び(b)の問に答えよ。なお,この三相同期発電機の突極性は無視し,電機子巻線抵抗及び鉄損と機械損は十分小さく,計算上は無視できるものとする。 (b) この三相同期発電機を端子電圧6 600 V,力率1.0で運転したところ,負荷角は30°であった。このときの発電機の出力[MW]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
  1. (1) 1.76
  2. (2) 3.05
  3. (3) 5.28
  4. (4) 6.08
  5. (5) 15.9
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正解は(3)
使う公式
力率1のときの負荷角 $\tan\delta = \dfrac{X_s I}{V}$(δ:負荷角、Xₛ:同期リアクタンス[Ω]、I:電流[A]、V:1相の端子電圧[V]) 三相の出力 $P = \sqrt{3} V_l I \cos\theta$(V_l:線間電圧[V]、cosθ:力率)
解説
【考え方】力率1のとき、端子電圧と、同期リアクタンスによる電圧は直角になります。この直角三角形の角が負荷角です。 ■1 数字を整理する 1相の端子電圧 $V = \dfrac{6600}{\sqrt{3}} \fallingdotseq 3811\,\mathrm{V}$ 同期リアクタンス $X_s = 4.76\,\Omega$((a)の答え。抵抗は無視するので $Z_s = X_s$) 負荷角(起電力と端子電圧の角度のずれ) δ=30° ■2 図の形を考える 力率1なので、電流 I は端子電圧 V と同じ向きです。 リアクタンスによる電圧 $X_s I$ は、電流より90°進んだ向き、つまり V と直角です。 V と $X_s I$ を2辺とする直角三角形の斜辺が、起電力 E です。 V と E の間の角が δ なので $\tan\delta = \dfrac{X_s I}{V}$ ■3 電流を求める $X_s I = V\tan\delta = 3811 \times \tan 30°$ $= 3811 \times 0.577 \fallingdotseq 2200\,\mathrm{V}$ $I = \dfrac{2200}{4.76} \fallingdotseq 462\,\mathrm{A}$ ■4 出力を求める $P = \sqrt{3} \times 6600 \times 462 \times 1.0$ $\fallingdotseq 5.28 \times 10^6\,\mathrm{W}$ M は $10^6$ なので $5.28 \times 10^6\,\mathrm{W} = 5.28\,\mathrm{MW}$ 答えは(3)ピヨ。
出典:令和6年度(2024) 下期 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15(b)