電気回路 II:交流回路:練習問題と試験問題

正弦波定常状態:インピーダンス、フェーザ、共振、交流電力に加え、直流と交流のふるまいをつなぐ過渡現象を扱います。試験では、複素数を手早く扱い、位相角を正しく追えるかが問われます。

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この科目のトピック

  1. 複素数直交形式での計算 · 極形式と指数形式 · ド・モアブルの定理、累乗根、方程式計算
  2. 交流インピーダンスとフェーザ直列 RL · 直列 RLC · コンデンサ電圧と共振計算
  3. 交流電力と力率負荷の P と Q · 線電流 · 力率改善計算
  4. LC 共振、Q 値、帯域幅固有周波数、Q 値、エネルギー · RLC 直列と並列 · 設計、損失、減衰計算
  5. 三相電力平衡 Y 結線と Δ 結線の電圧と電流 · 三相電力 · 力率改善計算
  6. RC・RL 過渡現象RC 充電 · RL 回路 · 初期電荷のあるコンデンサ計算
  7. テブナン・ノートン分圧回路 · 直列抵抗と負荷あり · 電流源と負荷あり計算
  8. ボード線図と余裕フィルタと漸近線 · 大きさと位相 · 安定余裕計算

電気回路 II:交流回路の試験のコツ

  • リアクタンスを計算する前に、周波数を ω = 2πf に換算しましょう。
  • 角度の単位はすべてそろえ、電卓が度とラジアンのどちらのモードになっているか確認しましょう。
  • 有効電力は抵抗でのみ消費され、無効電力はインダクタとキャパシタに関係します。力率は P/S です。

解答例

複素数やさしい
ReIm55−5−5z₁z₂

z₁ = −7 + j、z₂ = 4 + j2 のとき、積 z₁·z₂ の実部を求めてください。

z₁ = −7 + jz₂ = 4 + j2

求めるもの: Re(z₁z₂)

ヒントを表示
  1. (a + b)(c + d) のように括弧を展開すると、4 つの項になります。
  2. j² を −1 に置き換えると、4 つの項のうち 1 つが実数になります。
  3. (−7 + j)(4 + j2) = (−28) + j(−14) + j4 + j²·2
答えとステップごとの解答を表示

複素数:z = a + jb は実部 a と虚部 b をもち、j² = −1 です(数学では i と書きます)。足し算と引き算は部分ごとに行います。掛け算は括弧を展開して j² を −1 に置き換えます。割り算は、分母の共役複素数 z̄ = a − jb を分子と分母に掛けて行います。z·z̄ = a² + b² は実数だからです。複素平面(アルガン図)では z は点 (a, b) で、原点からの距離が絶対値 |z| = √(a² + b²)、正の実軸からの角度が偏角 θ です。

展開する

(−7 + j)(4 + j2) = (−7)·4 + j·(−7)·2 + j·1·4 + j²·1·2

j² = −1 を使う

Re = (−28) − 2 = −30
Im = (−14) + 4 = −10
z₁z₂ = −30 − j10
Re(z₁z₂) = −30

答え

Re(z₁z₂) = −30
交流インピーダンスとフェーザふつう
Vf0​ = 1000 HzRL = 200 mHC = ?

L = 200 mH の直列 RLC 回路を 1000 Hz で共振させなければならない。必要な静電容量 C を求めよ。

f0 = 1000 HzL = 200 mH

求めるもの: C (µF)

ヒントを表示
  1. 共振時は XL = XC なので f₀ = 1/(2π√(LC))。
  2. 変形します:C = 1/((2πf₀)²·L)。
  3. (2πf₀)² = 3.948 × 10⁷ s⁻².
答えとステップごとの解答を表示

フェーザによる交流回路:抵抗、コイル、コンデンサのインピーダンスは R、jωL、1/(jωC)(ω = 2πf)です。直列では抵抗と同じように足しますが、複素数として計算します。電流と電圧の実効値は |Z| を使ったオームの法則に従います。

共振条件

共振時には誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが打ち消し合います:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·1000 = 6283 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(6283²·0.2) = 0.1267 µF

答え

C = 0.1267 µF

練習のしかた

  • 「この科目を練習する」では、本番の試験のように、すべてのトピックの問題が混ざって出題されます。
  • 問題ごとに数値が変わるので、答えではなく解き方が身につきます。
  • 行き詰まったら、まず小さなヒントを開き、必要なときだけ詳しい解説を見ましょう。
  • 模擬試験には制限時間があり、ヒントはありません。最後にスコアと詳しい振り返りが表示されます。

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