電験三種 平成27年度(2015) 機械 問15(b) 過去問解説

問15(b) 《誘導機(電圧を下げたときのトルク)》
定格出力 $15\,\mathrm{kW}$,定格電圧 $220\,\mathrm{V}$,定格周波数 $60\,\mathrm{Hz}$,6極の三相巻線形誘導電動機がある。二次巻線は星形(Y)結線でスリップリングを通して短絡されており,各相の抵抗値は $0.5\,\Omega$ である。この電動機を定格電圧,定格周波数の電源に接続して定格出力(このときの負荷トルクを $T_{\mathrm{n}}$ とする)で運転しているときの滑りは5 %であった。 計算に当たっては,L形簡易等価回路を採用し,機械損及び鉄損は無視できるものとして,次の(a)及び(b)の問に答えよ。 (b) 電動機の二次回路の各相に上記(a)と同様に $0.2\,\Omega$ の抵抗を直列に挿入したままで,電源の周波数を変えずに電圧だけを $200\,\mathrm{V}$ に変更したところ,ある負荷トルクで安定に運転した。このときの滑りは上記(a)と同じであった。 この安定に運転したときの負荷トルクの値[N・m]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) 99
  2. (2) 104
  3. (3) 106
  4. (4) 109
  5. (5) 114
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正解は(2)
使う公式
誘導電動機のトルク 滑りが同じなら $T \propto V^2$、トルク $T = \dfrac{P}{\omega}$、$\omega = \dfrac{2\pi N}{60}$(V:電圧[V]、P:出力[W]、ω:角速度[rad/s]、N:回転速度[min⁻¹])
解説
【考え方】滑りが同じなら、トルクは電圧の2乗に比例します。まず定格のトルク $T_{\mathrm{n}}$ を出し、電圧の比の2乗をかけます。 ■1 なぜ電圧の2乗に比例するか (a)と同じ滑りなので、等価回路のインピーダンス(電流の流れにくさ)は同じです。 電流は電圧に比例し、トルクは電流の2乗に比例します。 だから、トルクは電圧の2乗に比例します。 ■2 回転速度 6極・60 Hz の同期速度(回転磁界の速さ)は $N_{\mathrm{s}} = \dfrac{120 \times 60}{6} = 1\,200\,\mathrm{min^{-1}}$ 滑り5 %(0.05)なので、回転速度は $N = 1\,200 \times (1 - 0.05) = 1\,140\,\mathrm{min^{-1}}$ ■3 定格のトルク 角速度は $\omega = \dfrac{2\pi \times 1\,140}{60} \fallingdotseq 119.4\,\mathrm{rad/s}$ です。 $T_{\mathrm{n}} = \dfrac{15\,000}{119.4} \fallingdotseq 125.7\,\mathrm{N \cdot m}$ ■4 電圧を 200 V にしたとき (a)の状態(220 V で $T_{\mathrm{n}}$)から、電圧を 220 V → 200 V にします。 $\left(\dfrac{200}{220}\right)^2 \fallingdotseq 0.826$ $T = 125.7 \times 0.826 \fallingdotseq 104\,\mathrm{N \cdot m}$ 答えは(2)ピヨ。
出典:平成27年度(2015) 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)