【文系でも大丈夫!】電験三種 機械の学習方法を紹介!試験の出題傾向と基礎を学ぼう

【文系でも大丈夫!】電験三種 機械の学習方法を紹介
試験の出題傾向と基礎を学ぼう

電験三種コラム13

皆さんこんにちは。CICで講師を務めております、鶴田と申します。

無線資格や電気工事士などの講義で計550回以上登壇し、講師として沢山の経験を積ませていただきました。
また、これまでに70件以上の特許を出願しております。

今回は、電験三種の機械分野を学んでいく上で、文系の方でも合格を目指していただけるような考え方を皆さんに伝授していきたいと思います。

このコラムを読んで、文系の方でも効率よく点数を取れるようになっていただければ幸いです。

最終更新日:

電験三種の機械分野とは?

電験三種の機械分野は、電験三種の4科目の中で、理系・文系に係わらず、取り組み難い科目と考えられています。

はじめに、大きな傾向を確認します。知識問題と計算問題の比率は、4:6程度になります。

この比率を見ると、計算問題の方が多く出題されており苦手意識が芽生える方も多いでしょう。

しかし、この点を逆に解釈するならば、60点の合格ラインに対して、40点は知識問題になります。

そのため、理論で培った計算力を活用すれば、底上げできそうだとポジティブに捉えることもできます。

後述しますが、電験三種の機械分野と科目を分類していますので、機械関係の出題が圧倒的に多くなります。

つまり、攻略のポイントは、機械系である『電動機・発電機等が回転する機械』にあります。

電験三種の機械の範囲とは

4科目について科目別に試験は、マークシートに記入する五肢択一方式になります。

次の表に示す通りに機械は、電気機器・パワーエレクトロニクス・電気化学・自動制御・情報伝送及び処理等の幅広い分野の出題に対応する必要があります。

科目名科目の内容
理論 電気理論、電子理論、電気計測及び電子計測
電力 発電所及び変電所の設計及び運転、送電線路及び配電線路(屋内配線を含む。)の設計及び運用並びに電気材料
機械 電気機器、パワーエレクトロニクス、電動機応用、照明、電熱、電気化学、電気加工、自動制御、メカトロニクス並びに電力システムに関する情報伝送及び処理
法規 電気法規(保安に関するものに限る。)及び電気施設管理

【出典】第三種電気主任技術者試験 | ECEE 一般財団法人電気技術者試験センター

このように見ると 広範囲の出題に感じられるかもしれませんが、電験三種は、”取扱う電圧が5万ボルト未満の事業用電気工作物(出力5千キロワット以上の発電所を除く)”となっています。

つまり、この電圧・出力の制限は、勉強範囲・出題範囲が限定されることを意味します。

そのために、出題範囲・頻度の高い知識問題に焦点をあてるなど、試験に望む気持ちのハードルを下げる思考法が、合格に近づく効率的な勉強法の獲得につながると思います。

各合格率の視点から『機械』分野の学びにアプローチを

機械分野の学びは、理論・電力・法規に比較して、理論科目に続いて、合格率・科目合格率が低い点が下記のグラフから確認できます。

このような試験の性質から、理論分野でひと通りの知識が積み上がった皆様が、次に取り組む分野とは何か?それは、機械分野になります。

その理由は、電験三種の知識のベースを機械分野で獲得するのみならず、理論分野の計算力が活用できるからです。

逆に、理論・機械の力が、相互に高まる効果であるシナジー効果が期待できます。

※シナジー効果:複数で協力しあうことにより、単体で行うよりもいい効果が得られる状態。いわゆる相乗効果のこと。

なお、2022年から電験三種の試験条件が変更されました。

従来は、1年に1回のみの受験になっていましたが、2022年からは1年に2回の受験のチャンスがあります。

これは、考え方によっては、時間軸で考えた場合の合格の可能性が高まったと理解することができます。

加えまして、2022年から電験三種の試験条件が変更されました。

従来は、1年に1回のみの受験になっていました。

2022年からは、1年に2回の受験に変更されました。

視点を変えて時間軸で考えれば、電験三種の合格の可能性が高まったと理解することができます。

電験三種の電力は計算と知識の混合問題

電験三種の機械の出題は、知識問題に比較して計算問題の方が多くなります。

計算問題の比率が高いですが、少し学習の時間を取ると、意外にも得点に結びつくと考えられる過去問『ロジック回路(論理回路)』について確認していきたいと思います。

ロジック回路(論理回路)は、情報伝送及び処理の分野になります。

この類いの出題は、デジタル回路の設計やコンピュータ等の設計をするためのロジック回路の知識は、要求されていません。その意味では、大幅に簡略化した知識で十分に対応可能になります。

具体的に、次のロジック回路のルールをまとめてみます。

”・”の記号は、掛け算とみなして処理します。つまり、1・1=1、1・0=0といった具合になります(別な記号では、ANDや下記のシンボルなどの表記があります)。

記号

”+”の記号は、足し算とみなして処理します。

つまり、0+0=0、1+0=0といった具合になります。
(別な記号では、ORや下記のシンボルなどの表記があります)

ただし、この足し算は、ひと桁の足し算であって、1+1=1というルールを別に定めておきます(数字は、0と1だけ)。

通常の算術演算である足し算のように桁上がりしない理由は、論理演算であることが理由になります。

記号

文字の上のバーは、NOTであり、否定の意味になります。

つまり、0であれば1になり、1であれば0になります。

記号

このルールで、A、B、Cを入力した時にXとなる論理式を探し出してみましょう。

探し出すときも、効率を優先します。

つまり、出力Xに着目したときに、0の場合は3個、1の場合は5個になります。

実は、1と0のみしか存在していないために、一方が成立すれば、他方は成立してしまいます。

この場合は、X=0の場合が3個と少ないために、出力Ⅹが0の場合について、(1)から(5)の論理式をA=B=C=0について確認していきます。

数式

この結果として、X=0となるものとして、(1)(3)(4)(5)の選択肢が残ります。

次は、A=0、B=1、C=0について確認します。

数式

この結果として、X=0となるものとして、(1)(3)(5)の選択肢が残ります。

次は、同様に、A=1、B=0、C=0について確認します。

記号

この結果から、X=0となるものとして、(1)と(3)が脱落しましたので 、(5)が答えとして残ります。

このように答えとなる論理式を求めることができます。

参考までに、論理式から直接的に導出する方法も対比のために記載してみます。

記号

このように論理式から直接的に答える求めることもできます。

しかしながら、幾つかの法則を覚えて、論理式特有の式の変形に慣れる必要があります。
(上の式の変形は、幾つかの演算ステップを省略しています)

一方で、前述の①②③といった具合に、ロジック回路・論理回路を解くためにルールを適用して解くことで、本質的な論理回路の知識が身につくばかりか、電験三種の機械分野のロジック回路等の情報系の出題にも対応できるようになります。

このように、各種法則や計算から真正面から取り組まなくても、「ずらし」の視点で捉えますと問題を少し楽にとらえることができると思います。

法則

意外にも、心で想定しているハードルと実際の試験のハードルが一致していないと感じられるのではないでしょうか?

過去に出題された機械分野の傾向

一般財団法人電気技術者試験センターから公開されている理論の過去5年分の過去問を分類・整理すると下表の通りになります。

横にスワイプで左右にスライドできます。

分類平成29年平成30年令和元年令和2年令和3年平均出題数出題頻度[%]
回転機
(直流機・同期機・誘導機等)
787777.240.0
変圧器223232.413.3
パワーエレクトロニクス422232.413.3
電動機応用1-1211.36.9
照明11-1-1.05.6
自然光由来発電
(太陽光発電・水力発電)
-11--1.05.6
発熱・電気化学・電気加工111121.26.7
自動制御-21111.36.9
電力システムに関する
情報伝送及び処理
212221.810.0

【引用】一般財団法人 電気技術者試験センター

(注)分類する上で、複数の知識を融合した問題は、中心になる知識をもとにして分類しています。

この分類・整理された結果から回転機(直流機、同期機、誘導機等)が、機械分野であることを象徴するように40[%]と全体に占める割合が圧倒的に多いことが確認されます。

パワーエレクトロニクスは、13[%]と出題の割合が多いですが、根が深い出題もあり、得点源として効率が悪いと考えられます。そのため、おすすめしない分野になります。

ただし、パワーエレクトロニクスの関連分野の業務に従事されている方に関しては、注力するべき分野になります。

お薦めの勉強の進め方は、

  1. 回転機
  2. 変圧器
  3. 自動制御
  4. 電力システムに関する情報及び処理

の順番で進めることが短時間で高得点につながるものと考えます。

この4項目は、過去5年間で殆ど毎年出題されています。

さらに、この項目のみで全出題範囲70[%]を超えます。

このように学習範囲を絞り込んだ学習により、広範囲な機械分野の学習のモチベーションを向上することができると思います。

この選択した機械分野の学習が終わって自信がついてきたら、1~4以外の分野を一つ増やしてみることで、より合格の確実性が上がっていくと思います。

機械分野の基礎(直流機の発電機と電動機)

直流機の回転機の構造

直流で動作する電動機(モータ)として身近な製品は、1947年に馬渕健一氏が開発したフェライト磁石の数センチ大の小型モータ(永久磁石界磁形整流子電動機)が知られています。

この製品は、広く玩具等に採用されています。

マブチモータは、100円前後で入手できますので、一度、分解してモータを理解される教材とされるのもよいかもしれません(丁寧に分解すれば、分解しても元の状態に戻せます)。

基本的な動作原理は、下図の直流機の回転機(電動機)と同等になります。下図の回転機(電動機)は、界磁巻線と呼ばれるコイルに直流電源を供給して、N極とS極の磁石を作ります。

一方、回転子(モータの回転する部分)にブラシ経由で直流電源を供給することで、回転子を回転することができるようになります。

回転子

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

上図の回転機は、発電機・電動機の両機能を表しています。

このために、理解に混乱を生じます。

詳細な理解をする前に、直流機の回転機において、”発電機・電動機として動作する場合の相違点は何か?”の視点で確認していくとよいでしょう。

  1. 発電機(誘導起電力)、電動機(逆起電力)
  2. 発電機(直流電源として出力)、電動機(直流電源を入力)

このように直流機の基本的な構造の本質を理解していくことが大切になります。

この構造の電気的な理解には、先に学習済みの電験三種の理論分野の知識がいきてくることになります。

直流機の等価回路

直流機の発電機の等価回路を下図に示します。

最初は3種類の相違を知ることで計算問題を解けるようになります。

その3種類の直流機の発電機の構造は、

他励方式励磁(電動機の磁石を外部電源で実現)を他の電源に頼るので他励
分巻方式回転子の巻線と並列に励磁用巻線があるので、分けて巻線しているので分巻
直巻方式回転子の巻線と直列に励磁用巻線があるので、直巻

となります。

この方式は、逆動作である直流機の電動機にも成り立ちます。

特徴的な点は、2・3は外部電源無しに発電が出来てしまうので疑問が生じてしまいます。
(この疑問を解消するポイントは、残留している磁石(残留磁化)の効果になります)

このように、”ちょっと引っかかるぞ”、”ちょっと気になるぞ”、”どうしてだ”などの不明点は、繰り返し学習している間に、自然に理解が深まります。

まずは、全ての理解でなく全体を俯瞰(俯瞰)した理解から徐々に掘り下げていく学習がよいと思います。

図 他励方式の直流機の発電機(等価回路)

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

この他励方式は、”他励方式の直流機の発電機”の上図の理解が大切になります。

次は、誘導起電力(発電機)と逆起電力(電動機)の関係式になります。

誘導起電力(発電機)逆起電力(電動機)
式 式
式

この関係式で誘導起電力と逆起電力の式は、他励方式の構造が同一(電動機と発電機で同等の構造)であるために、プラスマイナスの符号が異なるのみになります。

こちらは、電流の向きが、電動機と発電機で逆になる点を考えても符号が逆になると理解することができます。

図 分巻方式の直流機の発電機(等価回路)

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

この分巻方式は、”分巻方式の直流機の発電機”の上図の理解が大切になります。

次は、誘導起電力(発電機)と逆起電力(電動機)の関係式です。

誘導起電力(発電機)逆起電力(電動機)
式 式
式 式

図 直巻方式の直流機の発電機(等価回路)

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

この直巻方式は、”直巻方式の直流機の発電機”の上図の理解が大切になります。

次は、誘導起電力(発電機)と逆起電力(電動機)の関係式になります。

誘導起電力(発電機)逆起電力(電動機)
式 式
式

以上、これらの3種類の等価回路と誘導起電力と逆起電力の関係式を等価回路と紐づけして理解していくことが大切になります。

この等価回路を知識として習得すれば、計算問題を解くことができるようになります。

次に、回転機の電機子反作用を習得すれば俯瞰(ふかん)的な理解として完璧になります。

無負荷時(発電機に負荷である電気機器を接続していない場合、電動機で回転する部分に回転対象の負荷を接続していない場合)には、電機子(回転子側)に電気が流れていません。

そのために、固定子の磁石(磁極)から磁界が右側から左側に流れます。

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

この無負荷の時の磁界が右側から左側にきれいに流れているイメージを確認して下さい。

他方、電機子(回転子側)に電気が流れると磁界が乱れてきます。

この乱れが電機子反作用と呼ばれる物理現象になります。

図の☓は、電流の向きが、紙面の奥の方向に流れる電流を表し、●の印は、電流の向きが紙面の手前の方向に流れる電流を表します。

このように発電機と電動機で電機子反作用が真逆になっている理由は、電流の流れが発電機と電動機で逆になっていることが要因になります。

発電機と電動機
(左図が発電機、右図が電動機。)

式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

電機子反作用の細かな物理現象を追うよりも図を通して、

  1. 無負荷・負荷時の違い
  2. 負荷時の発電機・電動機の違い

その上で、幾何学的中性軸と電気的中性軸の位置関係とその意味を理解していけばよいことになります。

はじめは、直流機も理解が難しいものです。

図を何度も眺めて、発電機と電動機の違いを確認していくことが理解の促進に繋がると思います。

機械分野の基礎(交流機の発電機と電動機)

三相誘導機と変圧器

三相誘導機は、下図に示す通りに固定子の電機子巻線(コイル)に三相の電気を流すことで、三相誘導機を動作させることができます。

この図をよく見ていただくと固定子側にコイルがあり、回転子側にもコイルがあります。

この構造は、実は、ギャップありの変圧器と等価になります。

このように三相誘導機の理解は、変圧器を先に理解することがよいと思います。

三相誘導電動機のもう一つの理解のポイントは、発電機と電動機の動作をどちらも下図の構造で実現しています。

式 式

【出典】公益社団法人 日本電気技術者協会

電動機は、三相の電気を流せば、回転子が所定の回転速度で回転して電動機として動作します。

発電機は、三相の電気を流し、回転子を所定の回転速度で回転すれば発電機として動作します。
この時に、”滑り”と呼ばれる技術用語を理解することが、三相誘導機を理解する上で極めて大切なポイントになります。

下図を確認して下さい。
”滑り”が、プラスであるかマイナスであるかの違いが、電動機と発電機の違いになります。

これが、前述の所定の回転速度の意味になります。

式

ただし、sは滑り、Nsは同期速度、Nは実際の回転子の回転速度、fは電源の周波数、pは磁極数になります。同期速度は、電源の周波数等で決まる回転速度になります。

この滑りの式を見て頂ければ、sがプラスであるためにはNs>Nの関係が必要になります。

ところが、sがマイナスであるためには、Ns<Nの関係が必要になります。この関係は、実際の状況を想像して頂ければ、イメージできると思います。

つまり、発電機は、外部から三相電源を与えて、回転子を外部の水車などの外力で回転することが可能になります。

そのために、Ns<Nの関係を実現することができます。

ところが、電動機は、外部から三相電源を与えた結果として回転子が回転するために、外部電源で決まる同期速度を超えることができないことがわかります。

このように変圧器の等価回路と滑りsのイメージを組み合わせることで、難解であった三相誘導機の理解が促進されてきます。

式

【出典】大阪府立大学工業高等専門学校 電力変換制御技術研究室(川上研究室)

文系でも機械分野を攻略できる学習方法

はじめにもお話した通り 電験三種の機械分野は、知識問題と計算問題の比率は、4:6程度になります。

また、機械の色合いが全面に出た回転機の出題が、全体の40[%]に達するという特色があります。

機械分野を攻略する学習方法は、次の方法が短時間に合格を勝ち取る近道の一つとして提案させて頂きます。

  1. 回転機の 図を駆使して早期マスター
  2. 回転機・変圧器の等価回路を早期マスター
  3. 法則・計算をずらしの視点で捉えて理解を促進
  4. 理論分野でマスターした知識を最大限活用
    (試験会場では、電卓が使用できます)

どの科目にも共通しますが、学習過程において、できないこと・点数が伸びないことを悲観的に捉えるではなくて、前回より伸びた点・正解できたところを褒めることが学習効果を高めるポイントになろうかと考えます。

最後に、回転機の図を駆使して理解していく過程で、幾つも疑問が発生して、”なぜなぜ分析”の状況に陥ることがあります。

本質を深く理解する上では、”なぜなぜ分析”が有益な結果をもたらすことも多々あります。

しかしながら、学習をする理由として、回転機を研究・開発・設計をするのでなく、試験に合格することを主たる目的としていることを思い出していただきたいと思います。

前項でもある通り、俯瞰的な理解・問題を解答できる理解を目的とすることが時短に繋がると思います。

まとめ

電験三種の機械分野は、回転機の難解な部分もあり、理系・文系に係わらず敷居が高く感じられるかもしれません。あるいは学業から長らく時間が経過した方など、電験三種の機械分野のハードルが極めて高いと感じされることと思います。

とにかく、図を通して、回転機の俯瞰的な理解に努めて下さい。

加えて、電験三種は、”取扱う電圧が5万ボルト未満の事業用電気工作物(出力5千キロワット以上の発電所を除く)”となっています。

つまり、この電圧・出力の制限は、勉強範囲・出題範囲に制限に繋がっていますので、この視点も活用してください。

さらに、モチベーションを維持して計画的に取り組むことで多くの方が十分に獲得可能な資格が電験三種になります。加えて、受験の仕組みが変更されて、年間に2回に受験のチャンスが拡大したことは、実質的に資格取得の可能性が高まったことを意味します。

はじめは、険しい道のりとお感じなることもあるかもしれませんが、過去問を解くごとに実力が高まり、大きな自信に繋がっていくことを実感できることと思います。

先ずは、”電験三種の合格”を心の中、身近の方に向けて宣誓すると気持ちが勉強モードにシフトするかもしれません。

ここまでご一読を頂きましてありがとうございます。
合格されることを祈念しております。

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記事執筆者

著者
CIC講師 鶴田 誠

保有資格

博士(工学)、電験三種、第一級陸上無線技術士技士、電気通信主任技術者、高校教員免許第一種等

略歴

大学院修了、大手電機メーカーおよび電気通信大学で経験を積む。出願特許は70件以上。
無線資格や電気工事士などのメイン講師として計550回以上登壇。

CIC担当講座

  • 第二種電気工事士
  • 1級電気工事施工管理技士
  • 1級電気通信工事施工管理技士