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。

【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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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

【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、

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）

【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）

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）

【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）

図　直巻方式の直流機の発電機（等価回路）

【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）

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。

【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。）

【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。

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。

【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。

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。

【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）