機械科目は変圧器・誘導機・パワーエレクトロニクスなど出題範囲が最も広い科目です。このページでは、評判の高いYouTubeチャンネル「電験合格」の講義動画を単元順に整理し、各動画のポイントを私の学習ノートと合わせてまとめています。1ページで科目全体を俯瞰しながら学習を進められる構成です。
目次
機械科目 講義動画と学習ノート
機械演習編 パワーエレクトロニクス サイリスタについて,正しいものには○,誤っているものは訂正せよ。
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問題１
電力用変換素子について,以下の問いに答えよ。 (１)サイリスタについて,正しいものには○,誤っているものは訂正せよ。- ゲートに制御信号を加えて主電極間に順電圧を次第に大きくしていくとオフからオン状態に移行する。
- オンの状態からゲート電流を０にすると,オフ状態に移行する。・・・×⇒一度ターンオンしたら、ゲート信号は関係なし
- 主電極間に逆電圧を加えると,オフ状態に移行する。・・・〇
- サイリスタを流れる電流が保持電流以下になると,ターンオフする。・・・〇
- トライアックとは二方向性のサイリスタで,サイリスタ２個を直列に接続したものである。・・・×⇒並列
- 光トリガサイリスタは,光源からのエネルギーでオンおよびオフにできるサイリスタである。・・・×⇒光エネルギーでターンオンは可、ターンオフは不可
ゲート信号によりターンオフができる
(３)以下の半導体素子の中で自己消弧形素子をすべて選べ。 {ダイオード,サイリスタ,トランジスタ(バイポーラ),トライアック,GTO,MOS FET,IGBT}GTO、トランジスタ（バイポーラ）、MOSFET、IGBT（パワートランジスタ
(４)(３)で選んだ自己消弧形素子のうち,以下の説明に該当する素子の名称を１つ答えよ。- 制御容量が最も大きいが,使用できる周波数は限定される。
GTO
- 制御容量は最も小さいが,0～10kHz以上までの幅広い周波数での利用が可能である。
MOSFET
- パワートランジスタの中で構造は簡単だが,スイッチング動作に必要な電力は比較的大きく,その速度も遅い。
トランジスタ
問題２
サイリスタを用いた単相半波回路の回路図を表し,電源電圧に交流波を与えたときの,抵抗負荷,誘導性負荷 にかかる電圧e[V]および負荷に流れる電流i[A]のグラフの概形をかけ。また,電源の電圧をE = √2 Esinθとするとき,負荷の平均電圧Edを表す式を答えよ。
問題３
サイリスタを用いた単相ブリッジ回路の回路図を表し,電源電圧に交流波を与えたときの,抵抗負荷,誘導性負荷にかかる電圧e[V]および負荷に流れる電流i[A]のグラフの概形をかけ。 また,電源の電圧をE = √2 Esinθとするとき,負荷の平均電圧Edを表す式を答えよ。
問題４
三相半波整流回路,三相全波整流回路の回路図をかけ。また,負荷の平均電圧Edを表す式を答えよ。 三相半波整流回路三相全波整流回路電源の相電圧 √2 Ecosθのとき, 負荷の平均電圧Ed[V]電源の線間電圧 √2 Esinθのとき, 負荷の平均電圧Ed[V]
問題５
降圧用チョッパ,昇圧用チョッパの回路図をそれぞれかき,出力電圧の平均値を表す式を答えよ。
問題６
以下の文中の( )内に適する語句を語群から選んで答えよ。- 還流ダイオードは,誘導性負荷と並列に( )を挿入した回路構成であり,電源電圧の負の期間にインダクタンスに蓄えられたエネルギーを負荷抵抗に供給するにしたものである。 時定数( )が大きいほど平滑効果は大きくなる。
- 平滑回路は,負荷抵抗と並列に( )を挿入した回路構成であり,時定数( )が大きいほど平滑効果は大きくなる。
問題７
以下の項目ア～ケを,最も関連のある電力用装置①～⑦のいずれかに分類せよ。- 他励式インバータ
- 自励式インバータ
- サイクロコンバータ
- PWM制御
- DCチョッパ
- スイッチングレギュレータ
- 無停電電源装置(UPS)
機械演習編 照明 問題１ 光は電磁波の一種であり,可視光のうち最も波長が長いのは赤色の光であり,最も波長が短いのは紫色の光である
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問題１
- 光は電磁波の一種であり,可視光のうち最も波長が長いのは 赤 色の光であり,最も波長が短いのは 紫色の光である。
- 目に光として最もよく感じる(最大視感度)の波長は 555 ［nm］であり,その色は黄緑色である。このとき のこの光の周波数［Hz］は 5.4×1014 ［Hz］である。
- ステファン・ボルツマンの法則によると,黒体の単位表面積から出る放射束は,絶対温度Tの ４ 乗に比例 する。
- ウィーンの変位則によると,黒体の単位表面積から出る各波長のエネルギーのうち,最大波長となる波長は, 絶対温度に 反比例 する。
問題２
照明器具について,以下の表を完成させよ。ただし,各項目については以下の注意点を守ること。- →【温度放射,ホトルミネセンス,電気ルミネセンス】から選ぶ。同じ語句は何度も使用してもよい。
- →効率が最も高いものには「最高」,効率が最も低いものには「最低」と記す。
- →一般に平均寿命が6000時間以上であるものに「長い」と記す。
- →始動してから定常状態に達するまでに数分かかるものには「長い」と記す。
- →演色性が最も悪いものには「最悪」と記す。
| 白熱電球 | ハロゲン電球 | 蛍光灯 | 高圧水銀灯 | ナトリウム灯 | |
| ①発光原理 | |||||
| ②効率 | |||||
| ③平均寿命 | |||||
| ④始動時間 | |||||
| ⑤演色性 |
問題３
蛍光灯について,以下の空欄に適する語句または( )内の適する語句をそれぞれ答えよ。 【発光の原理】 フィラメントが加熱されると,フィラメントから①熱電子 が放出される。この ① が, ②水銀 ガスに衝突 すると, ② は③紫外線 を放出する。 ③ が蛍光物質に照射されると,蛍光物質から可視光線が放出される。 【点灯について】 ・白熱電球には,④点灯回路 が不要だが,蛍光灯には ④ は必要である。 ・グロースタート形式には,⑤点灯管 が必要だが,ラピッドスタート形式は, ④ が不要である。 ・ラピッドスタート形式は、比較的(低い・高い)電圧で始動する。このため、始動に無理がかからず寿命が長くなる。 ・インバータを用いた ④ は,⑥ ちらつき が少なく、即時点灯する。
問題４
全光束6280［lm］ で均等放射する光源を、直径2［m］の円形テーブルの中心の真上2［m］の高さに取り付けた。 (１)光度Iの値を、単位をつけて答えよ。 (２)円形テーブルに入射する光束Fの値を、単位をつけて答えよ。 (３)円形テーブルの平均照度Eの値を、単位をつけて答えよ。
問題５
透過率0.6の完全拡散性の半透明板を照度200［lx］で照らしたとき、裏側から見た場合の輝度［cd/m2］を求めよ。
問題６
完全拡散性の直管形蛍光灯があり,管の直径が38［mm］,管の発光部の長さが600［mm］,その軸と直角方向の 光度は 114［cd］で一定である。この蛍光灯の輝度および光束発散度の値を求めよ。ただし,単位をつけて答えること。
訂正：157000⇒15700
問題７
床面上の１点Pの鉛直上向き2.4mの高さに、各方向150cdの一様な配光を有する光源を取り付けたところ、 床面上の１点Qにおける水平面照度が鉛直面照度の３倍になった。点Qにおける水平面照度［lx］を求めよ。
問題８
幅6[m],奥行8[m]の駐車場の四隅に柱を立て,各柱の地上から5[m]の地点に全光束5000[lm]の水銀灯を設 置した。駐車場の中心の水平面照度はいくらか。単位をつけて答えよ。
問題９
幅4[m],奥行6[m]の部屋の天井に40[W]蛍光灯2灯用照明器具を4基取り付けた。床面の平均照度はいくら か。単位をつけて答えよ。ただし,蛍光灯の効率は75[lm/W],保守率は0.7,床面に対する照明率は0.4とする。
機械演習編 自動制御・論理回路 フィードバック制御系の各部のはたらきとして,空欄に適する語句を語群から選んで答えよ。
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問題１
フィードバック制御系の各部のはたらきとして,空欄に適する語句を語群から選んで答えよ。また,説明に最も関連するものを語群から選んで答えよ。 【語群】調節部 設定部 比較部 検出部 制御対象 操作部- 基準入力信号を発する
- 制御量を検出し,基準入力信号と同種類の物理量に変換する
- 外乱の作用を受ける
問題２
以下の項目ア～オは,プロセス制御,サーボ機構のどちらについて述べているか。どちらかに分類せよ。 ア.制御量が機械的位置,回転角などを主体とする制御である。 イ.制御量が温度,流量,圧力などを主体とする制御である。 ウ.定値制御が多い。 エ.目標値が時間とともに任意に変化する。 オ.応答性がかなり低い。
問題３
(１)目標値R(s)と制御量C(s)の間の伝達関数C(s)/R(s)を求めよ。 (２)外乱D(s)と制御量C(s)の間の伝達関数C(s)/D(s)を求めよ。
問題４
R－L回路において,図のように単位ステップ電圧v(t)［V］を加えたときの抵抗Rに流れる電流をi(t)［A］とする と,出力をi(t)としたときの周波数伝達関数の式はG(jω) = 10/（1+j0.2ω） の形で表されている。 (１)時定数Tおよびゲイン定数Kを求めよ。 (２)時刻t［s］と電流i(t)［A］のグラフをかけ。 (３)R［Ω］およびL［H］の値を求めよ。 (４)位相が45°遅れるときの角速度［rad/s］を求めよ。 (５)G(jω)のベクトル軌跡を表せ。
問題５
G(jω) =1/ 1+j2ω のボード線図をかけ。
問題６
(１)上記のグラフは,どのような特性を表しているか。以下の語群より必要な語句を２つ用いて説明せよ。 語群{ 一次 , 二次 , インパルス , ステップ } (２)グラフより,立ち上がり時間Tr,遅れ時間Td,行き過ぎ時間Tp,整定時間Tsをそれぞれ答えよ。
問題７
次図のRLC直列回路への入力をvi(jω),出力をvo(jω)としたときの周波数伝達係数をG(jω)とする。 (１)R = 0.8[Ω],L = 0.5[H],C = 0.5[F]のとき,周波数伝達係数G(jω)を求めよ。 (２)位相が90°遅れるときのゲイン|G(jω)|を求めよ。
問題８
2進数A,Bがあり,Aは10進数で(150)10と表され,Bは16進数表記で(C5)16と表される。 (１)A,Bを２進数表記で表せ。 (２)A,Bをビットごとに以下の論理演算を行い,１６進数で表せ。- 論理積(AND)
- 論理和(OR)
- 排他的論理和(EX-OR)
- 否定的論理積(NAND)
問題９
左図の論理回路において,入力ａ及び入力ｂに右図に示すような入力があるときの出力cのタイムチャートをかけ。
問題１０
入力信号A,BおよびC,出力信号がXの論理回路が,次のような真理値表を満たしているとき,Xの論理式を簡略化して答えよ。| 入力信号 | 出力信号 | ||
| A | B | C | X |
| 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
問題１１
以下の論理式を簡単にせよ。 X = A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D + A・B・C・D
問題１２
JKフリップフロップ回路において、図のような入力に対して、出力のQおよびQのタイムチャートはどのように表されるか。
機械演習編 電動機応用 各種負荷の特徴と電動機の所要特性に関して,以下の表に適する語句を語群から選ぶ
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問題１
各種負荷の特徴と電動機の所要特性に関して,以下の表に適する語句を語群から選び,４つの負荷に対するトルク－速度特性をグラフで表せ。| トルク－速度特性 | 負荷 | 出力－速度の関係 | 一般的な用途 |
| 定トルク負荷 | |||
| 速度比例負荷 | 定励磁抵抗負荷の直流発電機 | ||
| 低減トルク負荷 | |||
| 定動力負荷 |
問題２
物体の移動に関して,以下の問いに答えよ。 (１)水平面に質量m［kg］の物体を静かに置き,水平方向に力F［N］を加えたところ,距離x［m］だけ進み,速さがv［m/s］になった。 このとき,①加速度a［m/s2］,②運動エネルギー［J］,③Fの仕事［J］,④Fの動力(仕事率)［W］をそれぞれ求めよ。ただし,水平面との間の摩擦は無視できるものとする。 (２)水平面に質量m［kg］の物体を静かに置き,鉛直方向に力を加えて一定速度v［m/s］で持ち上げたところ,高さがh［m］になった。 このとき,①位置エネルギー［J］,②動力(仕事率)［W］をそれぞれ求めよ。ただし, 加速に要する動力については考慮しないものとする。
問題３
慣性モーメント100kg・m2のはずみ車が1200min–1で回転している。このはずみ車に負荷が加わり,４秒間で回転速度が1200min–1から1000min–1まで減速した。 このとき,はずみ車が放出した平均電力［kW］を求めよ。
問題４
電動機で駆動するポンプを用いて,毎時100m3の水を揚程50mの高さに揚水したい。ポンプの効率は74%, 電動機の効率は92%で,パイプの損失水頭は0.5mであり,他の損失水頭は無視できる。このとき必要な電動機 入力［kW］を求めよ。
問題５
面積1km2に１時間当たり60mmの降雨を貯水池に蓄え,これを20台の同一仕様のポンプで均等に分担し, 全揚程12mを揚水して河川に排出する場合,各ポンプの駆動用電動機の所要電力［kW］の値はいくらか。ただし, １時間当たりの排水量は降雨量に等しく,ポンプの効率は0.82,設計製作上の余裕係数は1.2とする。
問題６
巻上重量20［t］,巻上速度12［m/min］,横行速度20［m/min］,走行速度15［m/min］,クラブ重量15［t］,ガータ質量40［t］の天井クレーンがある。 ただし,機械効率は巻上装置80%,横行装置85%,走行装置85%とし,横行抵抗300［N/t］,走行抵抗400［N/t］とする。なお,加速に要する動力については,考慮しないものとする。 (１)巻上用電動機の最小所要容量［kW］を求めよ。 (２)横行用電動機の最小所要容量［kW］を求めよ。 (２)走行用電動機の最小所要容量［kW］を求めよ。
問題７
定格積載質量が1200kg,昇降速度が120m/minのエレベータ用電動機の出力［kW］を求めよ。 ただし,釣り合いおもりの質量は,かごの質量に定格積載質量の50%を加えたものとし,機械効率は70%,加減速に要する動力は無視するものとする。
機械演習編 電気加熱・電気化学 ヒートポンプについて述べた次の文のうち,( )内で正しい語句に○をつけ,空欄に適する式をかけ。
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問題１
加熱方式について,以下の表の下線部に適する語句を答え,下記のア～キの項目を加熱方式の説明欄に振り分 けよ。| 加熱方式 | 加熱原理 | 説明 |
| 抵抗加熱 | 抵抗体の を利用 | |
| アーク加熱 | アークによる発熱を利用 | |
| 誘導加熱 | 導電体の交番磁界による 損やヒステリシス損を利用 | |
| 誘電加熱 | 絶縁体に交流電界を与えたときの 損の利用 | |
| 赤外加熱 | 赤外放射による加熱 |
問題２
ヒートポンプについて述べた次の文のうち,( )内で正しい語句に○をつけ,空欄に適する式をかけ。- ヒートポンプとは,(高・低)温熱源から熱を吸収して(高・低)温熱源へ熱を放出する装置である。
- 熱交換器で吸収した熱量をQ1[J],放熱した熱量をQ2[J],ヒートポンプの消費電力量をW[J]とすると,
- 高温部と低温部の温度差が(小さい・大きい)ほど効率は良くなる。
問題３
直径20[cm],長さ3[m]の円柱状の物体がある。その一端Aの温度を200℃とするとき,温度100℃の他端Bへ１時間につき200[kJ]の熱が伝わった。 このときの熱流をI1[W]とする。また,Bは空気と接触しており,気温は20℃に保たれている。Bの温度は100℃で一定とし,空気の流速は一定であるとする。 このとき,以下の① ～⑤の値を求めよ。- AからBへの熱流I1
- AからBへの熱抵抗R
- AからBへの熱伝導率λ[W/(m・K)]
- Bから空気への熱伝達係数h[W/(m2・K)]
- Bから空気への表面熱抵抗[K/W]
問題４
誘導炉より 1[t]の鋳鋼を通電後 40 分で溶解する。鋳鋼の初期の温度を 20℃,融点を 1535℃,比熱を0.67[kJ/kg・K],融解熱は314[kJ/kg],炉の効率を75%とする。 このとき,電気炉の所要電力[kW]を求めよ。
問題５
一次電池に関する以下の表を完成させよ。| 正極活物質 | 電解質(液) | 負極活物質 | 公称電圧 | |
| マンガン乾電池 | ||||
| アルカリ乾電池 | ||||
| リチウム乾電池 |
問題６
(１)鉛蓄電池について述べた以下の文のうち,( )内の語句の正しいものをそれぞれ選べ。- Pbを(正・負)極に,PbO2を(正・負)極とし,電解液として希(塩酸・硫酸)を使用する。
- 放電すると,負極では(酸化・還元)反応,正極では(酸化・還元)反応が起こる。
- 放電すると,電解液の比重は(小さく・大きく)なる。
- 鉛蓄電池は,(一次・二次)電池であり,充電は(可能・不可能)である。
- 鉛蓄電池の公称電圧は約(１・２・３)Vである。
問題７
ニッケルカドミウム電池について,以下の空欄に適する語句および数値を答えよ。 ニッケルカドミウム電池では,正極に ,負極に ,電解液に 水溶液を用いている。 公称電圧は 1.2~1.25 ［V］であり,自己放電が少なく,サルフェーション現象もないので,保守が容易である。 いま,この電池のカドミウムが11.2g放電したとき,得られる電気量の値は ［A・h］となる。 ただし,ニッケルの原子量を112とし,電流効率は１,ファラデー定数は26.8［A・h/mol］とする。
問題８
食塩水の電気分解について,以下の問いに答えよ。 (１)食塩水を電気分解するとき,陽極,陰極で発生する気体をそれぞれ答えよ。 (２)食塩水を電気分解するときの主生成物は何か。 (３)十分な濃度のある食塩水を一定電流2Aで40分間電気分解すると,陽極・陰極から発生する気体の体積[L]の合計は標準状態でいくらか。ただし,電流効率は100%とする。
機械科目 過去問解説（令和2年度）
実際の過去問を1問ずつ解説した記事です。動画で学んだ単元の理解度確認に使ってください。
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問10 パワー半導体「IGBT」 と「パワー MOSFET」 の比較
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問11 はずみ車が放出した平均出力（エネルギー）を慣性モーメントを用いて求める
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問12 保守率、平均照度、光束、部屋面積、照明率から必要な光源数を求める
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問13 熱の伝導と電気の伝導の対応表に関する空欄穴埋問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問14 真理値表から論理式の導出に関する計算問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問15 三相誘導電動機の滑りを考慮したの二次入力（同期ワット）の算出
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問16 直流電圧源から単相インバータで誘導性負荷に交流を給電する基本回路の計算問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問17 ボード線図から周波数伝達関数，ブロック線図を導出する問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問18 数値を並べ替えるプログラムのフローチャートに関する論説問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問1 直流他励電動機の速度制御、界磁電流、回転速度についての問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問2 界磁に永久磁石を用いた小形直流発電機の効率に関する計算問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問3 三相かご形誘導電動機の等価回路定数の測定に関する論説問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問4 回転界磁形三相同期発電機の無負荷誘導起電力に関する問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問5 三相同期電動機の力率と誘導起電力の算出
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問6 交流整流子モータ（直流直巻電動機）の構造に関する問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問7 電動機の負荷の特性（トルク対速度特性曲線）を用いた安定性の判定
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問8 変圧器の巻線や鉄心や冷却方法の構造や特徴に関する問題
- 【電験3種(R2年度)】機械科目：問9 誘導性負荷とコンデンサを接続した三相三巻線変圧器の供給電流
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