電験一種「機械」出題ポイント解説【回転機・パワエレ・ベクトル制御】

第一種電気主任技術者（電験一種）一次試験「機械」の出題ポイントを総まとめ。直流機・誘導機・同期機・変圧器の回転機／静止機の基礎、パワーエレクトロニクス（PWMインバータ・チョッパ・サイリスタ）、ベクトル制御、電動機応用、照明、電熱までを、電験二種から一段深くなる難所まで体系的に解説します。

※受験料・試験日程・合格基準等は改定される場合があります。最新情報は必ず電気技術者試験センターの公式情報でご確認ください。

機械で問われる7大テーマ

同期速度・すべり: Ns=120f/P（rpm、P:極数）、s=(Ns-N)/Ns
等価回路: 一次側に二次回路をすべりsで換算。二次抵抗等価値 r₂'/s、二次励磁回路は無視できる場合が多い
電力フロー: 一次入力P₁→鉄損Pi→一次銅損Pc₁→二次入力P₂→二次銅損Pc₂=sP₂→機械出力P_o=(1-s)P₂。P₂:Pc₂:P_o=1:s:(1-s)
トルク: T=P₂/ω_s（ω_s=2πNs/60）。最大トルク発生すべり s_m=r₂'/x₂'。最大トルクは r₂' に無関係。比例推移で s_m を変えられる（巻線形・始動性能向上）
始動法: 直入れ（小容量）／Y-Δ始動（始動電流1/3）／始動補償器（タップ降圧）／インバータ始動（VVVF）でソフトスタート＋速度可変
速度制御: 極数切換・電源周波数制御（VVVF）・二次抵抗制御（巻線形）・二次励磁制御（クレーマ／セルビウス方式）

V曲線: 同期電動機を一定負荷で運転し界磁電流を変えると電機子電流が V字を描く。最小点が力率1。過励磁→進み力率（コンデンサ作用）、不足励磁→遅れ力率
並列運転条件: 起電力の(1)大きさ、(2)周波数、(3)位相、(4)相回転、(5)波形が一致。同期検定器（シンクロスコープ）で確認
短絡比 Ks: Ks=I_fo/I_fs=100/%Zs（I_fo:無負荷定格電圧の界磁電流、I_fs:三相短絡時定格電流の界磁電流）。Ks大＝同期インピーダンス小＝安定度高・電圧変動率小
電機子反作用: 力率1で交差磁化（横軸反作用）、遅れ力率で減磁（直軸反作用）、進み力率で増磁。サリエントポール機は d軸／q軸同期リアクタンスを区別
同期化力: 並列運転中の同期発電機が外乱に対し同期を保つ復元力。Ks に比例
同期電動機の特徴: 起動トルクなし→誘導始動／始動電動機必須。力率1運転可能＋過励磁で進相補償（無効電力源）

%インピーダンス: %Z=(I_n·Z/V_n)×100。基準容量へ換算 %Z'=%Z×(基準容量/自己容量)。短絡電流 I_s=I_n·100/%Z
電圧変動率: ε≒p·cosθ+q·sinθ（p:%抵抗、q:%リアクタンス）。遅れ負荷で正、進み負荷で負（電圧上昇）
効率: η=出力/(出力+Pi+α²Pc)（α:負荷率）。最大効率は α=√(Pi/Pc)、すなわち Pi=α²Pc（鉄損＝銅損）
並列運転条件: (1)極性、(2)変圧比（一次／二次電圧比）、(3)%インピーダンス（≒同一）、(4)三相は相回転・角変位 が一致。負荷分担は容量比＝%Z逆比
三相結線: Y-Y（中性点利用）・Δ-Δ（1台故障時V結線運転可）・Y-Δ／Δ-Y（昇圧／降圧用・第3高調波循環）・V-V結線（容量は単機の√3倍、利用率86.6%）
特殊変圧器: 単巻変圧器（一次／二次を共通巻線化・小型軽量・分離絶縁なし）／計器用変成器（VT・CT・PT）／整流器用変圧器

主要素子: ダイオード（一方向通流）／サイリスタ（ゲート点弧・自己消弧不可）／GTO（ゲート消弧可）／IGBT（電圧駆動・中容量主流）／MOSFET（高速・小容量）／SiC・GaN（次世代高効率）
整流回路: 単相全波 Ed=2√2·E/π·cosα（α:制御角）。三相全波 Ed=3√6·E/π·cosα。α>90°でインバータ運転（直流→交流回生）
降圧チョッパ: 出力電圧 Vo=D·Vi（D:通流率）。負荷電流連続条件・リプル電流 ΔI=(Vi-Vo)·D·T/L
昇圧チョッパ: Vo=Vi/(1-D)。太陽光MPPT・燃料電池昇圧・ハイブリッド車両駆動に応用
昇降圧チョッパ: Vo=-D/(1-D)·Vi（極性反転）
PWMインバータ: 正弦波変調波と三角波搬送波の比較でゲート信号生成。変調率 ma=V_m/V_c、出力線間電圧基本波 V₁=ma·Vi·√3/2（ma≤1）。過変調・矩形波運転でVi最大利用
VVVF制御: 周波数と電圧を比例して可変（V/f一定）。誘導機の磁束を一定に保ち広範囲速度制御

光束・照度・輝度: 光束Φ（lm）・照度E=Φ/A（lx）・光度I=Φ/ω（cd）・輝度L=I/A（cd/m²）。点光源の照度 E=I·cosθ/r²（逆二乗則）
LED照明: 発光効率150lm/W超（白色LED）。長寿命40,000時間以上・低消費電力・低発熱。蛍光灯比で消費電力1/2、寿命5倍。2027年末で蛍光灯製造終了予定（水銀条約）
各種光源の効率: 白熱電球10〜20lm/W／蛍光灯60〜100lm/W／HIDランプ70〜130lm/W／LED 150〜200lm/W／低圧ナトリウムランプ150lm/W（単色光）
誘導加熱（IH）: 高周波（数十kHz）を被加熱物（鉄系金属）に通し渦電流損とヒステリシス損で発熱。表皮効果で表面集中加熱。IH調理器・誘導炉・高周波焼入れ
誘電加熱: 高周波（数MHz〜GHz、電子レンジ2.45GHz）を誘電体（水分・木材・食品）に印加し分子の双極子摩擦損で発熱。マイクロ波加熱・木材乾燥
アーク加熱: 電弧の高温（数千〜数万℃）で金属溶解。製鋼用アーク炉・プラズマ加熱
抵抗加熱: 直接式（金属に通電・ジュール熱）／間接式（発熱体→被加熱物へ放射・対流）