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高卒レベルでも合格できる!電験3種勉強法!【その3:機械】

2018年12月23日

電験3種において機械は出題項目が最も多い科目で、その項目数は9に及びます。しかし頻出分野は決まっているのでまずは頻出分野だけを勉強し、時間があれば他の項目を勉強すればよいです。

9項目には電気化学や照明など、全く毛色が違うものも含まれ、これを満遍なく勉強してしまうと心が折れてしまう可能性がある為です。

最も出題率の高い項目は

  1. 回転機械
  2. 変圧器
  3. 情報
  4. パワーエレクトロニクス
  5. 自動制御

です。この五項目だけで出題率の7割強を占めます。まずはこの五項目を重点的に勉強しましょう。

特に回転機械は3割以上の出題率を占めるため、最優先で勉強すべき事項です。回転機械、変圧器は理論であまり触れなかった三相交流回路を使った問題が頻出されます。

機械科目でこれら機器に対して三相交流電源がどのように用いられているかを勉強した後、理論に再び戻って三相交流回路を勉強すると理解のスピードが上がります。

以下、機械におけるそれぞれの項目の学習方法を優先順位の高い順に並べて書いていきます。

理論で電気回路、電磁気の基礎は学んだと思われるので、出題頻度の高い順に一つずつ学習していけば問題ありません。

理論同様、公式の詳細説明は省略するので、【合格体験記】高卒レベルでも合格できる!電験3種徹底解説!【その1:はじめに】に書いてある、電験3種の参考書を参考にしてください。

1.回転機械

モーターといっても実は数種類あります。簡単な内容かもしれませんが電磁気や電気回路の基礎知識も必要です。

回転機械とは、モーター及び発電機のことです。ここで出題されるモーターとは、直流電動機、誘導電動機、同期電動機の三種類です。メンテナンスの観点から最近現場で専ら使用されているのは誘導電動機ですが、直流モーターがモーターの基本になっているので、直流モーターの出題率も高いです。

回転機械とは電流と磁界の関係で発生する力により駆動する、あるいは発電するため、学習するためには電磁気の理解が欠かせません。加えて、誘導電動機などは等価回路の知識が必要となるため、電気回路の知識も欠かせません。回転機械の勉強をしながら、わからないものは理論に立ち返っておさらいをするとよいと思います。回転機械には計算問題と文章問題があります。どちらもパターンがある程度決まっているので、基礎を勉強した後は何度も過去問を解くとよいと思います。

①:直流電動機

基本となるモーターです。以下の項目をしっかりと勉強しましょう。

全てのモーターの基本です。直流電動機の基本構成は、界磁回路、電機子回路、整流子からなります。

界磁回路により直流磁界を発生させ、電機子回路(コイル)に流れる直流電流にフレミング左手の法則に従った力が発生することによって、コイル自体が回転する。

学習時点で抑えるべき項目は以下の項目です。

直流電動機で抑えるべき項目
  • 直流モーターの基本式直流モーターの基本式は以下です。これは巻線方式、励磁方式によらない基本式なのでまずこれを確実に覚えて運用出来るようになることが一番大事になります。
    • 計算問題は、回転数と電圧、その際に流れる電機子電流値を問うものが多い。
    • V(電機子印加電圧)=R(電機子抵抗)×I(電機子電流)+E(逆起電圧)
    • E(逆起電圧)=K1(定数)×N(回転数)T(トルク)=K2(定数)×Φ(界磁)×I(電機子電流)
    • Φ(界磁)=B×I(界磁電流)
  • 界磁巻線方式分巻、直巻、複巻の主に三種類です。分巻は界磁回路と電機子回路が並列、直巻が直列です。
    • それぞれの回路構成、及び、電流、電圧とトルク、回転数の関係を抑えましょう。
    • 例えば直巻は電機子と界磁回路に同電流が流れます。従って、上記式よりトルクは電流値の二乗に比例することがわかります。
  • 励磁方式自励式は界磁、電機子共に同一電源から取っているのに対し、他励は界磁と電機子が別電源となっており個別に制御可能なものです。
    • 当然高精度なトルク、回転数の制御が必要な場合、他励式の電動機となります。
    • これらについて重点的に学ぶと共に、インターネットなどでモーターの写真をよく見ると理解が深まります。
    • 界磁コイルの巻き方や電機子コイルの巻き方など、参考書で勉強していただけではなかなか実感が沸かないと思うので、写真などを見て実際のイメージをつかむのが重要です。

②:誘導電動機

普通の向上などで使用されている産業機器の多くに使用されているモーターでもありますね。

誘導電動機は現在最も使用されているモーターです。

整流子を使わないためメンテナンス性がよく非常に堅牢なだけでなく、直流モーターに比べて弱いとされていた始動時や負荷変動時のトルク制御性も上がり、最近直流電動機から誘導電動機に更新するケースが増えています。

回転原理は直流電動機と一見全く異なるように見えて、フレミングの法則で回っていることに違いはありません。

カゴ型誘導電動機の回転原理はイラストをふんだんに使用した良質な解説サイトが沢山あるので調べて欲しいと思います。文章で読むよりも圧倒的にわかりやすい。

誘導電動機で抑えるべき項目
  • 誘導電動機の回転数の基本式誘導電動機は回転数と極数、滑りの関係性を問われるものが多いです。下記の公式は必ず暗記して、何度も問題を解きましょう。
    • N(回転数)=120×f(周波数)×(1ーs)/p(極数)
    • sは滑りと言い、回転磁界の回転速度と電機子回路の回転速度の差分のことである。
  • 誘導電動機のT型等価回路等価回路を作成することで、電源電圧と電機子電流、逆起電力、その際の回転速度まで全て算出可能です。等価回路の話は変圧器でも使うので、合わせて勉強すると理解が深まります。
  • 誘導電動機の滑りとトルクの関係グラフ横軸を滑り、縦軸をトルクにとったグラフです。負荷トルクと釣り合ったところで回転数が決まります。
    • 二次抵抗制御方式である巻線式誘導電動機も合わせて学習しましょう。今あまり現場で使用されていないが電験3種では頻出項目です。

③:同期電動機

同期電動機は非常に出力の大きいモーターです。そのため、普通の工場などでは見ないかもしれません。

回転磁界で回す点は誘導電動機と同じであるが、励磁電流を変化させることで、力率を調整することができる為、高力率の運転が可能です。

メガワットクラスの大容量モーターで同期機が使われる事も多いです。

同期電動機で抑えるべき項目
  • 短絡比同期機の頻出項目です。運転中に短絡した場合に流れる短絡電流と定格電流の比となります。これが大きいほど運転が安定し、鉄機械と呼ばれます。
    • 逆に小さいものは銅機械と呼ばれる。
    • 概念はかなりわかりにくいが、計算問題はある程度パターン化されているので、問題を数多く解くとよいです。
  • V曲線横軸を励磁電流、縦軸を電機子電流にとったグラフである。負荷が高ければ曲線は上に移動し、低ければ下に移動する。

変圧器

覚えるべき項目が多いですが出題頻度も高いのでよく勉強しましょう。

変圧器は回転機械に次いで出題割合が高いです。等価回路の考えなど、誘導電動機に通じるものがあるので、合わせて理解を深めたい。

①:変圧比

一次巻線、二次巻線の比率と電圧比、電流比の関係は変圧器の基本です。二次側に負荷をつないだ場合の2次側出力を求める問題などがよく出ます。

②:変圧器の種類

デルタースター型三相変圧器、V型変圧器、単相変圧器などの、種類と変圧特性、容量などを押さえましょう。

③:損失

銅損、鉄損などについて学ぶ。これらは計算問題も出るので数式も押さえるとよいと思います。

④:変圧器の試験方法

短絡試験、開放試験の方法、その時の電圧出力などを押さえましょう。

⑤:変圧器の並列運転

並列運転した場合に最も効率がよいのは、それぞれの変圧比が同じ場合です。

まとめ

まとめ
  • 機械で頻出しやすいものの中でも回転機と変圧器は最も出題されやすい。
  • 回転機はイメージがつかなければグーグルで写真などを検索するとよい。
  • これらを学習した後は
  1. 情報
  2. パワーエレクトロニクス
  3. 自動制御

と出題確率の高い順に、電源三種の参考書で勉強するとよい。

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