【電験理論の交流回路基礎講座】交流の電圧と電流について

基礎講座
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でんます
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こんにちは!電気資格コンサルタントのでんますです!

今回は電験理論の勉強ということで、交流の電圧と電流の特性について説明していこうと思います。

まず直流回路と交流回路の明確な違いは、電気波形に波があるかどうかです。

直流

交流

このように電圧が変動しているのが、正弦波交流回路となります。

ということで、今回はちょっと厄介な交流回路について、できる限りわかりやすく説明したいと思います。

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交流回路の基礎講座

交流回路は複雑で、様々な概念が出てくる単元になります。

そのため、電験の勉強でもここで挫折するような人も多く、油断ができない部分です。

そこで今回は、できる限りわかるように内容を伝えていけたらと思います。

僕の日々の勉強の成果として、勉強内容を活用していただければ幸いです。

交流回路の基礎

まず交流回路は基本的にこのような回路となります。

正弦波交流の電圧は、ν=Vmsinωt【V】が基本となります。

ωtは、別の書き方では2πftであらわすことができ、波形がどのような周期なのか?というのを決めています。

これは、あまり深く考えずにとりあえずこういうものだと覚えておくのがいいかと思います。

よって、交流電源から発生する電圧νは上記の式で表すことができます。

若干スペースをあけましたが、考え方としてこの3つは連結しているように見えて実はわかれているものと覚えておくといいです。

理由としては下記の通り。

①ν:瞬時値⇒その瞬間の電圧値
②Vm:最大値⇒この波形の最大の電圧値
③sin:正弦波⇒波形の種類
④ωt:変化の速さ⇒波形の形

上記のように分けることができるからです。

まず基礎的な知識としては、これを覚えておけば大丈夫でしょう。

ちょっと難しい位相の話

挫折確率がちょっと上がる位相の話です。

交流回路には波形があって、一定の形を保って電源から供給されているというのがわかるかと思います。

この波形にはさまざまな形があり、それを形作っているのがωtの部分とそれに続く位相差によります。

ν=Vmsin(θ+π/3)⇒ココ!

この位相差は一般的にθ(シータ)で表すことができて、θの方向(マイナスかプラスか)と差の量が追記されているかどうかで変わります。

具体的には下記のようになります。

まずこれは一般的な正弦波交流の波形で、位相差はありません。

見ての通り0からスタートして波形が描かれているので、ズレはないという認識になります。

では次にこのような波形の場合を考えてみます。

この場合ですと、θ1というのがありますね。

これを、θ1ぶん位相は遅れていると言います。

この遅れたか進んでいるかが、位相差ということになります。

反対に進んでいる波形はどうなのか?書いてみます。

この場合ですと、θ2というのがありますね。

これを、θ2ぶん位相は進んでいると言います。

ということで、このように表現されますが、厳密にいえば正確な位相差の単位で説明されます。

それは、角度をラジアン単位に変換して表現することになっています。

例えば180°であればπと表現されますし、360°であれば2πとなります。

詳しくは下記の表を参考にしてください。

これは正直言って覚えておくのがいいですが、最初はきついと思いますので徐々に身につけていくといいです。

計算方法もありまして、それはラジアン表記のπを180°として計算すれば度数表記に、π/180を度数に掛ければラジアン表記になります。

交流回路の計算をする上でこのやり方はかなり重要ですので、覚えておくことをオススメします。

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交流回路の実効値と平均値の話

もう一つ、交流回路において理解しておいてほしいのが、この2点です。

順番に説明していきます。

実効値はどこにでも出てくる

実効値とは正弦波電圧の波形や電流の波形の数値を√2で割った値になります。

実効値=最大値/√2

先ほど説明した電圧の瞬時値はν=Vm sin ωtですから、最大値Vmを√2で割ることになります。

そしてこの実効値についてですが、厳密にいうと電験2種レベルで微分積分計算により求めることになります。

ですので、ここではこの考え方だけ覚えれば大丈夫です。

この実効値はどういった場面で使うのか?というと、主にベクトル計算などを行うときに利用します。

ベクトルはまあ次の機会にまた説明しますが、要はベクトルという図で表すときに実効値で描く必要があるということを覚えておいてください。

平均値は波形を平らにしたもの

平均値は、正弦波交流波形の平均電圧や電流を求める際に使用されます。

平均値=2/π×最大値

具体的には、整流波形の計算などで使用されますので比較的頻度が低いですが、考え方として覚えておくと点数につながるかと。

この概念に関しても、細かい計算とかを覚えておくと混乱するので、とりあえず公式だけ覚えておけば大丈夫です。

たまに全波整流回路や半波整流回路の問題が出題されるようですが、その場合は下記の通りです。

全波整流の場合
平均値=2/π×最大値
実効値=最大値/√2

半波整流の場合
平均値=最大値/π
実効値=最大値/2

半波整流の場合は、単純に波形が半分になっているというイメージです。

詳しい計算などは電験2種レベルで求められる部分であるため、とりあえずはこういった公式を使って解くんだなと覚えておけばいいです。

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【電験理論の交流回路基礎講座】交流の電圧と電流について:まとめ

交流の計算では直流と比べてみてわかりますが、かなり色々な公式を入り混ぜて考えなければいけません。

ですので、個々の公式をしっかりと理解してどう使うべきかを見極め、ぜひ使いこなせるようにしていただければと思います。

まだ交流については序盤戦です(僕としてもまだ勉強が終わってないのでまだ続きます…)

引き続きよろしくお願いします!

ここまでお読みいただき、ありがとうございました^^

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