令和3年

次の文章は，直流電動機に関する記述である。ただし，鉄心の磁気飽和，電機子反作用，電機子抵抗やブラシの接触による電圧降下は無視できるものとする。

分巻電動機と直巻電動機はいずれも界磁電流を電機子と同一の電源から供給できる電動機である。分巻電動機において端子電圧と界磁抵抗を一定にすれば，負荷電流が増加したとき界磁磁束は（ア），トルクは負荷電流に（イ）する。直巻電動機においては負荷電流が増加したとき界磁磁束は（ウ），トルクは負荷電流の（エ）に比例する。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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ある直流分巻電動機を端子電圧220V，電機子電流100Aで運転したときの出力が18.5kWであった。

この電動機の端子電圧と界磁抵抗とを調節して，端子電圧200V，電機子電流110A，回転速度720min⁻¹で運転する。このときの電動機の発生トルクの値[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。

ただし，ブラシの接触による電圧降下及び電機子反作用は無視でき，電機子抵抗の値は上記の二つの運転において等しく，一定であるものとする。

1. 212
2. 236
3. 245
4. 260
5. 270

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一定電圧，一定周波数の電源で運転される三相誘導電動機の特性に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. かご形誘導電動機では，回転子の導体に用いる棒の材料を銅から銅合金に変更すれば，等価回路の二次抵抗の値が増大するので，定格負荷時の効率が低下する。
2. 巻線形誘導電動機では，トルクの比例推移により，二次抵抗の値を大きくすると，最大トルク（停動トルク）を発生する滑りが小さくなり，始動特性が良くなる。
3. 巻線形誘導電動機では，外部の可変抵抗器で二次抵抗値を変化させ，大きな始動トルクと定格負荷時高効率の両方を実現することができる。
4. 二重かご形誘導電動機では，始動時に回転子スロット入口に近い断面積が小さい高抵抗の導体に，定格負荷時には回転子内部の断面積が大きい低抵抗の導体に主要な二次電流を流し，大きな始動トルクと定格負荷時高効率の両方を実現することができる。
5. 深溝かご形誘導電動機では，幅が狭い平たい二次導体の表皮効果による抵抗値の変化を利用し，大きな始動トルクと定格負荷時高効率の両方を実現することができる。

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次の文章は，誘導電動機の分類における，固定子と回転子に関する事項に関する記述である。

а．固定子の分類

三相交流を三相巻線に流すと（ア）磁界が発生する。この磁界で運転される誘導電動機を三相誘導電動機という。一方，単相交流では（イ）磁界が発生する。この（イ）磁界は，正逆両方向の（ア）磁界が合成されたものと説明される。したがって，コンデンサ始動形単相誘導電動機では，コンデンサで位相を進めた電流を始動巻線に短時間流すことによって始動トルクの発生と回転方向の決定が行われる。

ｂ．回転子の分類

巻線形誘導電動機では，回転子溝に巻線を納め，その巻線を（ウ）とブラシを介して外部抵抗回路に接続し，（エ）電流を変化させて特性制御を行う。かご形誘導電動機では，回転子溝に導体棒を納め，（オ）に導体棒を接続する。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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次の文章は，三相同期電動機に関する記述である。

三相同期電動機が負荷を担って回転しているとき，回転子磁極の位置と，固定子の三相巻線によって生じる回転磁界の位置との間には，トルクに応じた角度𝛿[rad]が発生する。この角度𝛿を（ア）という。

回転子が円筒形で2極の三相同期電動機の場合，トルク𝑇[N⋅m]は𝛿が（イ）[rad]のときに最大値になる。さらに𝛿が大きくなると，トルクは減少して電動機は停止する。同期電動機が停止しない最大トルクを（ウ）という。

また，同期電動機の負荷が急変すると，𝛿が変化し，新たな𝛿′に落ち着こうとするが，回転子の慣性のために，𝛿′を中心として周期的に変動する。これを（エ）といい，電源の電圧や周波数が変動した場合にも生じる。（エ）を抑制するには，始動巻線も兼ねる（オ）を設けたり，はずみ車を取り付けたりする。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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定格出力3000kV⋅A ，定格電圧6000Vの星形結線三相同期発電機の同期インピーダンスが6.90Ωのとき，百分率同期インピーダンス[％]はいくらか，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 19.2
2. 28.8
3. 33.2
4. 57.5
5. 99.6

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電源の電圧や周波数が一定の条件下，各種電動機では，始動電流を抑制するための種々の工夫がされている。

а．直流分巻電動機

電機子回路に（ア）抵抗を接続して電源電圧を加え始動電流を制限する。回転速度が上昇するに従って抵抗値を減少させる。

ｂ．三相かご形誘導電動機

（イ）結線の一次巻線を（ウ）結線に接続を変えて電源電圧を加え始動電流を制限する。回転速度が上昇すると（イ）結線に戻す。

ｃ．三相巻線形誘導電動機

（エ）回路に抵抗を接続して電源電圧を加え始動電流を制限する。回転速度が上昇するに従って抵抗値を減少させる。

ｄ．三相同期電動機

無負荷で始動電動機（誘導電動機や直流電動機）を用いて同期速度付近まで加速する。次に，界磁を励磁して（オ）発電機として，三相電源との並列運転状態を実現する。そののち，始動用電動機の電源を遮断して同期電動機として運転する。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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ブラシレスDCモータに関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. ブラシレスDCモータは，固定子巻線に流れる電流と，回転子に取り付けられた永久磁石によってトルクを発生させる構造となっている。
2. ブラシレスDCモータは，回転子の位置により通電する巻線を切り換える必要があるため，ホール素子などのセンサによって回転子の位置を検出している。
3. ブラシ付きの直流モータに比べ，ブラシと整流子による機械的接触部分がないため，火花による電気雑音は低減し，モータの寿命は長くなる。
4. ブラシ付きの直流モータに比べ，位置センサの信号処理や，駆動用の制御回路が必要となり，モータの駆動に必要な周辺回路が複雑になる。
5. ブラシレスDCモータは効率がよくないため，エアコンや冷蔵庫のような省エネ性能が求められる大型の家電製品には利用されていない。

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定格容量500kV⋅Aの三相変圧器がある。負荷力率が1.0のときの全負荷銅損が6kWであった。このときの電圧変動率の値[％]として，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし，鉄損及び励磁電流は小さく無視できるものとし，簡単のために用いられる電圧変動率の近似式を利用して解答すること。

1. 0.7
2. 1.0
3. 1.2
4. 2.5
5. 3.6

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巻上機によって質量1000kgの物体を毎秒0.5mの一定速度で巻き上げているときの電動機出力の値[kW]として，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。ただし，機械効率は90％，ロープの質量及び加速に要する動力については考慮しないものとする。

1. 0.6
2. 4.4
3. 4.9
4. 5.5
5. 6.0

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図は昇降圧チョッパを示している。スイッチQ，ダイオードD，リアクトルL，コンデンサCを用いて，図のような向きに定めた負荷抵抗Rの電圧𝑣₀を制御するためのものである。

これらの回路で，直流電源Eの電圧は一定とする。また，回路の時定数は，スイッチQの動作周期に対して十分に大きいものとする。回路のスイッチQの通流率𝛾とした場合，回路の定常状態での動作に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. Qがオンのときは，電源EからのエネルギーがLに蓄えられる。
2. Qがオフのときは，Lに蓄えられたエネルギーが負荷抵抗RとコンデンサCにDを通して放出される。
3. 出力電圧𝑣₀の平均値は，𝛾が0.5より小さいときは昇圧チョッパ，0.5より大きいときは降圧チョッパとして動作する。
4. 出力電圧𝑣₀の平均値は，図の𝑣₀の向きを考慮すると正になる。
5. Lの電圧𝑣ʟの平均電圧は，Qのスイッチング一周期で0となる。

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次の文章は，鉛蓄電池に関する記述である。

鉛蓄電池は，正極と負極の両極に（ア）を用いる。希硫酸を電解液として初充電すると，正極に（イ），負極に（ウ）ができる。これを放電すると，両極とももとの（ア）に戻る。

放電すると水ができ，電解液の濃度が下がり，両極間の電圧が低下する。そこで，充電により電圧を回復させる。過充電を行うと電解液中の水が電気分解して，正極から（エ），負極から（オ）が発生する。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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次の文章は，図に示す抵抗R，並びにキャパシタCで構成された一次遅れ要素に関する記述である。

図の回路において，入力電圧に対する出力電圧を，一次遅れ要素の周波数伝達関数として表したとき，折れ点角周波数 𝜔c は（ア）rad/sである。ゲイン特性は，𝜔ᴄよりも十分低い角周波数ではほぼ一定の（イ）dBであり，𝜔ᴄよりも十分高い角周波数では，角周波数が10倍になるごとに（ウ）dB減少する直線となる。また，位相特性は，𝜔ᴄよりも十分高い角周波数でほぼ一定の（エ）°の遅れとなる。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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2進数，10進数，10進数に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 16進数の(6)₁₆を16倍すると(60)₁₆になる。
2. 2進数の(1010101)₂と16進数の(57)₁₆を比較すると(57)₁₆の方が大きい。
3. 2進数の(1011)₂を10進数に変換すると(11)₁₀になる。
4. 10進数の(12)₁₀を16進数に変換すると(C)₁₆になる。
5. 16進数の(3D)₁₆を2進数に変換すると(111011)₂になる。

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定格容量が10kV⋅Aで，全負荷における銅損と鉄損の比が2：1の単相変圧器がある。力率1.0の全負荷における効率が97％であるとき，次の(a)及び(b)の問に答えよ。ただし，定格容量とは出力側で見る値であり，鉄損と銅損以外の損失は全て無視するものとする。

（a）全負荷における銅損は何[W]になるか，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 357
2. 206
3. 200
4. 119
5. 115

（b）負荷の電圧と力率が一定のまま負荷を変化させた。このとき，変圧器の効率が最大となる負荷は全負荷の何[％]か，最も近いものを(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 25.0
2. 50.0
3. 70.7
4. 100
5. 141

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次の文章は，単相半波ダイオード整流回路に関する記述である。

抵抗RとリアクトルLとを直列接続した負荷に電力を供給する単相半波ダイオード整流回路を図1に示す。また図1に示した回路の交流電源の電圧波形𝑣(𝑡)を破線で，抵抗Rの電圧波形𝑣ʀ(𝑡)を実線で図2に示す。ただし，ダイオードDの電圧降下及びリアクトルLの抵抗は無視する。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

ただし，必要であれば次の計算結果を利用してよい。

(a) 以下の記述中の空白箇所(ア)～(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

図1の電源電圧𝑣(𝑡)＞0の期間においてダイオードDは順方向バイアスとなり導通する。𝑣(𝑡)と𝑣ʀ(𝑡)が等しくなる電源電圧𝑣(𝑡)の位相を𝜔𝑡=𝜃𝗆とすると，出力電流𝑖𝚍(𝑡)が増加する電源電圧の位相𝜔𝑡が 0＜𝜔𝑡＜𝜃𝗆の期間においては（ア），𝜔𝑡=𝜃m以降については（イ）となる。出力電流 𝑖𝖽(𝑡)は電源電圧𝑣(𝑡)が負となっても 𝑣(𝑡)=0の点よりも𝜔𝑡=𝛽に相当する時間だけ長く流れ続ける。すなわち，Lの磁気エネルギーが（ウ）となる𝜔𝑡=𝜋+𝛽で出力電流𝑖𝖽(𝑡)が0となる。出力電圧𝑣𝖽(𝑡)の平均値𝑉𝖽は電源電圧𝑣(𝑡)を0∼（エ）の区間で積分して一周期である2𝜋で除して計算でき，このときLの電圧𝑣ʟ(𝑡)を同区間で積分すれば0となるので，𝑉𝖽は抵抗Rの電圧𝑣ʀ(𝑡)の平均値𝑉ʀに等しくなる。

（b）小問(a)において，電源電圧の実効値100V，𝛽=𝜋/6のときの出力電圧𝑣𝖽(𝑡)の平均値𝑉𝖽[V]として，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 3
2. 20
3. 42
4. 45
5. 90

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熱の伝わり方について，次の(a)及び(b)の問に答えよ。

（a） （ア）は，熱媒体を必要とせず，真空中でも熱を伝達する。高温側で温度T₂[K]の面S₂[m²]と，低温側で温度T₁[K]の面S₁[m²]が向かい合う場合の熱流Φ[W]は，S₂F₂₁σ（（イ））で与えられる。

ただし，F₂₁は，（ウ）である。また，σ[W/(m²⋅K⁴)]は，（エ）定数である。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

（b）下面温度が350K，上面温度が270Kに保たれている直径1m，高さ0.1mの円柱がある。伝導によって円柱の高さ方向に流れる熱流Φの値[W]として，最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし，円柱の熱伝導率は0.26W/(m⋅K)とする。また，円柱側面からのその他の熱の伝達及び損失はないものとする。

1. 3
2. 39
3. 163
4. 653
5. 2420

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情報の一時的な記憶回路として用いられるフリップフロップ（FF）回路について，次の(a)及び(b)の問に答えよ。

（a）FF回路に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。ただし，(1)～(4)における出力とは，反転しないQのことである。

1. RS–FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力𝑅と𝑆がそれぞれ1と0の場合に0を，入力 𝑅と𝑆がそれぞれ0と1の場合に1を出力する。入力𝑅と𝑆を共に1とすることは禁止されている。
2. JK–FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力𝐽と𝐾がそれぞれ1と0の場合に1を，入力𝐽と𝐾がそれぞれ0と1の場合に0を出力し，入力𝐽と𝐾が共に1の場合には出力を保持する。
3. T–FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，出力を反転する。
4. D–FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，入力𝐷と一致した出力を行う。
5. FFの用途として，カウンタ回路やレジスタ回路などがある。

（b）クロックパルスの立ち下がりで動作する二つのT–FFを用いた図の回路を考える。この回路において，クロックパルス𝐶に対する回路の出力𝑄₁及び𝑄₂のタイムチャートとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

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