電気回路 II：交流回路：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、16 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

複素数

直交形式: z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
絶対値と偏角: |z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
極形式と指数形式: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ
割り算: z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
積と商: r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
ド・モアブル: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 乗根: z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q の 2 次方程式: z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

解き方

演算に合った形を選びましょう：足し算と引き算には直交形式 a + jb、掛け算・割り算・冪・累乗根には極形式 r∠θ です。
展開するときは j² = −1 を使います。割り算は、分子と分母に分母の共役複素数を掛けて行います。
変換には r = √(a² + b²) と、点の図（象限を確認）から求めた θ を使い、戻すには a = r cos θ、b = r sin θ を使います。
冪にはド・モアブルの定理 (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ を使います。zⁿ = R∠φ では、n 個の解 R^1/n∠((φ + 360°k)/n) をすべて挙げます。

交流インピーダンスとフェーザ

インピーダンス: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
角周波数: ω = 2πf
大きさと偏角: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
フェーザ表示のオームの法則: V = I·Z

解き方

周波数を換算します：ω = 2πf。
各リアクタンスを求めます：X_L = ωL、X_C = 1/(ωC)。
インピーダンスは抵抗と同じように足します。Z = R + jX です。
大きさ |Z| = √(R² + X²) と角度 φ = atan(X/R) を求め、フェーザでオームの法則を使います。

交流電力と力率

有効電力: P = V·I·cos φ
無効電力: Q = V·I·sin φ
皮相電力: S = V·I = √(P² + Q²)
力率: pf = cos φ = P/S
力率改善用コンデンサ: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

LC 共振、Q 値、帯域幅

固有振動数: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = 1/(2π√(LC))
エネルギー: W = ½CV₀² = ½Cv² + ½Li²
ピーク電流: I_max = V₀√(C/L)
Q 値: Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC 直列: Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC 並列: Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
帯域幅: BW = f₂ − f₁ = f₀/Q, f₀ = √(f₁f₂)
半電力周波数: f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
コイル抵抗 r をもつタンク回路: R_D = L/(C·r) = Q²·r
振幅の減衰: e^−Rt/(2L)

解き方

まず共振周波数を求めます：ω₀ = 1/√(LC)、f₀ = ω₀/(2π)。
回路が直列か並列かを判断します：直列は Q = (1/R)√(L/C)、並列は Q = R√(C/L)。
帯域幅は BW = f₀/Q で求めるか、近道の公式 R/(2πL)（直列）、1/(2πRC)（並列）を使います。
エネルギーの問題では、理想的な LC 回路の全エネルギー ½CV₀² が一定で、4 分の 1 周期ごとに C と L の間を行き来することを使います。

三相電力

Y 結線: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ 結線: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
全有効電力: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
皮相電力と無効電力: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
力率改善用コンデンサ: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
各コンデンサにかかる電圧: Δ：V_L Y：V_L/√3
モーターの入力: P_in = P_out/η

RC・RL 過渡現象

時定数: τ = RC | τ = L/R
応答: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
直流でのコンデンサ: 開放；v_C は急変しない
直流でのインダクタ: 短絡；i_L は急変しない
定常値: t ≈ 5τ

解き方

切り替え直後の初期値を求めます：コンデンサの電圧とインダクタの電流は急に変化できません。
切り替えから十分時間がたったあとの最終値を求めます：コンデンサは開放、インダクタは短絡として扱えます。
時定数を求めます：τ = RC または τ = L/R。抵抗はコンデンサまたはインダクタから見た抵抗を使います。
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ を使います。

テブナン・ノートン

テブナン電圧: V_th = V_{open circuit}
テブナン抵抗: R_th：すべての電源を取り除き、a–b から見た抵抗
ノートン電流: I_N = V_th/R_th
負荷電流: I_L = V_th/(R_th + R_L)
最大電力伝送: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

解き方

負荷を外し、2 つの端子を a と b とします。
a と b の間の開放電圧を求めます：これが V_th です。
独立電源をすべて取り除き、a–b から見た抵抗を求めます：これが R_th です。
負荷を等価回路に戻します：V_th と R_th の直列です。
ノートン等価回路には変換します：I_N = V_th/R_th、R_N = R_th を並列に接続します。

2演習問題

1.複素数ふつう

z = −1 + j7 の偏角 θ を、−180° から 180° の間の主値として、度で求めてください。

z = −1 + j7

θ = °

2.複素数むずかしい

n = 5、w = 243∠180° のとき、zⁿ = w の解は z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, …, 4 です。z₀ の虚部を求めてください。

w = 243∠180°n = 5k = 0

Im(z₀) =

3.交流インピーダンスとフェーザふつう

直列 RLC 回路を 120 V（実効値）、500 Hz の電源に接続する。電源から供給される有効電力 P を求めよ。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF

P = W

4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい

直列 RLC 回路を 100 V（実効値）、1000 Hz の電源に接続する。回路の共振周波数 f₀ を求めよ。

V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

f₀ = Hz

5.交流電力と力率ふつう

誘導性負荷が 120 V（実効値）の単相電源から 11 A と 924 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 120 VI = 11 AP = 924 W

R = Ω

6.交流電力と力率むずかしい

230 V（実効値）、1000 Hz の電源の内部インピーダンスは Z_s = 25 + j20 Ω である。負荷インピーダンス Z_L は自由に選べる。負荷に供給できる最大の有効電力 P_max を求めよ。

V_s = 230 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 25 + j20 Ω

P_max = W

7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう

RLC 直列回路で R = 2 Ω、L = 22 µH、C = 47 nF です。帯域幅 BW を kHz で求めなさい。

R = 2 ΩL = 22 µHC = 47 nF

BW = kHz

8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい

共振曲線の半電力周波数は 20 kHz と 25 kHz です。共振周波数をその幾何平均として求め、次に Q 値 Q を求めなさい。

f₁ = 20 kHzf₂ = 25 kHz

Q =

9.三相電力ふつう

1 相あたりのインピーダンスが 3 + j4 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 480 V の平衡三相電源に接続されている。負荷が吸収する全有効電力 P を kW で求めよ。

V_L = 480 VZ = 3 + j4 Ω 1 相あたり

P = kW

10.三相電力むずかしい

平衡三相負荷が、400 V（線間）、50 Hz の電源から遅れ力率 0.75 で 100 kW を消費している。負荷と並列に三相コンデンサバンクを接続し、全体の力率を遅れ 0.98 に改善する。有効電力は変わらない。コンデンサは Δ 結線である。各コンデンサの静電容量 C_ph を µF で求めよ。

P = 100 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.98V_L = 400 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

11.RC・RL 過渡現象ふつう

コイルには 2 A の定常電流が流れている。t = 0 にスイッチが R を通るループを閉じ、電源が切り離されるので、コイルの電流は R を通して減衰する。 t = 5 ms における電流 i を求めよ。

i(0) = 2 AR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms

i = A

12.RC・RL 過渡現象むずかしい

t = 0 でスイッチが閉じる直前、コンデンサは図の極性で 6 V に充電されている。 t = 200 ms におけるコンデンサの電圧 v_C を求めよ。

V_s = 15 VR = 2.2 kΩC = 68 µFv_C(0) = 6 Vt = 200 ms

v_C = V

13.テブナン・ノートンふつう

a–b 間に負荷 R_L = 2 Ω を接続する。回路の残りをテブナン等価回路に置き換え、負荷電流 I_L を求めよ。

V₁ = 30 VR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 10 ΩR_L = 2 Ω

I_L = A

14.テブナン・ノートンむずかしい

a–b 間に負荷 R_L = 6 Ω を接続する。回路の残りをテブナン等価回路に置き換え、負荷電流 I_L を求めよ。

V₁ = 12 VI_s = 4 AR₁ = 4 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 6 ΩR_L = 6 Ω

I_L = A

15.ボード線図と余裕ふつう

ω = 20 rad/s における G(s) = 5(s + 7)/(s(s + 9)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 5(s + 7)/(s(s + 9))ω = 20 rad/s

∠G(jω) = °

16.ボード線図と余裕むずかしい

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 128/(s(s + 3)(s + 9)) である。ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 128/(s(s + 3)(s + 9))

GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = 98.13 °

極形式：z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ、r = |z|、θ = arg z です。直交形式に戻すには：a = r cos θ、b = r sin θ。偏角には象限の考慮が必要です：θ = atan(b/a) が使えるのは a > 0 のときだけで、a < 0 のときは 180° を足すか引きます。極形式では掛け算が簡単です：絶対値を掛けて偏角を足します。割り算では絶対値を割って偏角を引きます。

象限

a = −1, b = 7 → II

基準角

α = atan(7/1) = 81.87°

偏角

θ = 180° − α = 98.13°

答え

θ = 98.13°

極形式では z = 7.071∠98.13° です。

2.複素数

答え: Im(z₀) = 1.763

ド・モアブルの定理と累乗根：(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程式 zⁿ = R∠φ にはちょうど n 個の解があり、すべて絶対値は R^1/n で、偏角は (φ + 360°·k)/n（k = 0, 1, …, n − 1）です：円周上に 360°/n ずつ等間隔に並びます。p² < 4q のとき、2 次方程式 z² + pz + q = 0 は複素数の解 z = −p/2 ± j√(q − p²/4) をもちます。実数係数の多項式の複素数の解は、必ず共役な対 a ± jb として現れます。

解の絶対値

243^1/5 = 3

解の偏角

θ₀ = (180° + 360°·0)/5 = 36°

直交形式

z₀ = 3·(cos 36° + j sin 36°) = 2.427 + j1.763

Im(z₀) = 1.763

答え

Im(z₀) = 1.763

5 個の解は、半径 3 の円周上に 72° ずつ離れて並びます。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: P = 2.006 W

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。

リアクタンス

X_L = 785.4 Ω, X_C = 31.83 Ω

インピーダンス

|Z| = √(80² + (753.6)²) = 757.8 Ω

有効電力

コイルとコンデンサはエネルギーを蓄えて返すだけです。有効電力はすべて抵抗が消費します。

I = 120/757.8 = 0.1584 A

P = I²·R = 0.1584²·80 = 2.006 W

答え

P = 2.006 W

4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: f₀ = 239.9 Hz

共振

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)。電源周波数は関係ありません。

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.2·2.2·10⁻⁶)) = 239.9 Hz

答え

f₀ = 239.9 Hz

5.交流電力と力率

答え: R = 7.636 Ω

交流電力：皮相電力 S = V·I (VA) は、有効な仕事をする有効電力 P = S·cos φ (W) と、電源と負荷の間を行き来する無効電力 Q = S·sin φ (var) に分かれます。力率は cos φ です。並列コンデンサは無効電力をその場で供給するので、同じ有効電力でも線電流が減ります。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 924/11² = 7.636 Ω

答え

R = 7.636 Ω

6.交流電力と力率

答え: P_max = 529 W

共役整合

負荷のリアクタンスは電源のリアクタンスを打ち消し、負荷抵抗は電源抵抗に等しくなります。

Z_L = Z_s* = 25 − j20 Ω

最大電力

I = V_s/(2R_s) = 230/50 = 4.6 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 230²/(4·25) = 529 W

答え

P_max = 529 W

7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: BW = 14.47 kHz

Q 値と帯域幅：共振回路では Q = 2π·（蓄えられたエネルギー）/（1 周期に失われるエネルギー）です。RLC 直列では Q = ω₀L/R = (1/R)√(L/C)、RLC 並列では Q = R/(ω₀L) = R√(C/L) です。半電力周波数 f₁ と f₂（電力が半分になり、電流または電圧がピークの 1/√2 になる周波数）の間の帯域幅は BW = f₂ − f₁ = f₀/Q で、直列では R/(2πL)、並列では 1/(2πRC) です。共振周波数は幾何平均 f₀ = √(f₁f₂) で、f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)) です。損失は振動の減衰ももたらします：RLC 直列では振幅は e^−Rt/(2L) に従って減ります。

rad/s での帯域幅

R/L = 2/2.2 × 10⁻⁵ = 90909 rad/s

Hz での帯域幅

BW = 90909/(2π) = 14469 Hz = 14.47 kHz

答え

BW = 14.47 kHz

f₀ = 156.5 kHz なので、Q = 10.82 となります。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 4.472

共振周波数

f₀ = √(20000·25000) = 22361 Hz

帯域幅

BW = 25000 − 20000 = 5000 Hz

Q 値

Q = 22361/5000 = 4.472

答え

Q = 4.472

9.三相電力

答え: P = 27.65 kW

相電圧

V_ph = 480/√3 = 277.1 V

相電流

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω

I_ph = 277.1/5 = 55.43 A

全有効電力

有効電力を吸収するのは、各インピーダンスの抵抗分だけです。

P = 3·I_ph²·R = 3·55.43²·3 = 27.65 kW

答え

P = 27.65 kW

確認：cos φ = R/|Z| = 0.6 で、√3·V_L·I_L·cos φ からも同じ電力が得られます。

10.三相電力

答え: C_ph = 450.2 µF

平衡三相回路：Y（星形）結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、V_L = √3·V_ph で、線電流は相電流に等しくなります。Δ（三角）結線では線間電圧は相電圧に等しく、線電流は相電流の √3 倍、I_L = √3·I_ph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。 力率改善：コンデンサは無効電力をその場で供給します：Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂)。3 個のコンデンサはそれぞれ Q_C/3 = V²·ω·C を供給します。V はそのコンデンサにかかる電圧で、Δ バンクでは V_L、Y バンクでは V_L/√3 です。

改善前後の無効電力

有効電力は変わらないので、それぞれの力率から無効電力が決まります：Q = P·tan φ。

Q₁ = 100·tan(acos 0.75) = 100·0.8819 = 88.19 kvar

Q₂ = 100·tan(acos 0.98) = 100·0.2031 = 20.31 kvar

コンデンサが供給する無効電力

Q_C = Q₁ − Q₂ = 67.89 kvar

1 相あたりの静電容量

Δ バンクでは、各コンデンサは 2 本の線の間に接続されています。

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 22629/(314.2·400²) = 450.2 µF

答え

C_ph = 450.2 µF

11.RC・RL 過渡現象

答え: i = 0.1907 A

1 次の過渡現象：コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

時定数

τ = L/R = 100 mH / 47 Ω = 2.128 ms

電流の減衰

i(t) = 2·e^−5/2.128 = 0.1907 A

答え

i = 0.1907 A

12.RC・RL 過渡現象

答え: v_C = 12.64 V

初期値、最終値、時定数

コンデンサの電圧は急変できないので、蓄えた値から始まり、電源電圧へ向かいます。

v_C(0) = 6 V, v_C(∞) = V_s = 15 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 68 µF = 149.6 ms

v_C(t) = 15 + (6 − 15)·e^−t/τ

指定時刻の電圧

v_C(200) = 15 + (−9)·e^−200/149.6 = 12.64 V

答え

v_C = 12.64 V

13.テブナン・ノートン

答え: I_L = 1.442 A

テブナンの定理：線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 V_th と抵抗 R_th の直列回路と同じに振る舞います。ノートンの定理は同じ回路を、電流源 I_N = V_th/R_th と R_th の並列回路として表します。

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 4·10/(4+10) = 2.857 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.857 + 10 = 12.86 Ω

開放電圧 V_th を求める

a–b が開放のとき R₃ には電流が流れないので電圧降下はなく、V_b = V_A です。R₁ と R₂ は分圧回路になります。

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 30·10/(4+10) = 21.43 V

負荷をテブナン等価回路につなぐ

テブナン電源と直列の R_th は a–b で元の回路とまったく同じに振る舞うので、負荷からは単純な直列回路に見えます。

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 21.43/(12.86 + 2) = 1.442 A

14.テブナン・ノートン

答え: I_L = −1.783 A

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 4·20/(4+20) = 3.333 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.333 + 6 = 9.333 Ω

開放電圧 V_th を求める

a–b が開放のとき、Iₛ の経路は R₃ を通って節点 A へ向かうものだけです。V₁ と Iₛ の重ね合わせで V_A を求め、R₃ の電圧降下を加えます。

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 10 + (−4)·3.333 = −3.333 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −3.333 + (−4)·6 = −27.33 V

負荷をテブナン等価回路につなぐ

テブナン電源と直列の R_th は a–b で元の回路とまったく同じに振る舞うので、負荷からは単純な直列回路に見えます。

I_L = V_th/(R_th + R_L) = −27.33/(9.333 + 6) = −1.783 A

15.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −85.06 °

周波数応答：伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ（−3 dB）周波数は ω_c = 1/(RC) または R/L、f_c = ω_c/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²)、φ = −atan(ω/ω_c) です。漸近的な（直線近似の）ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ω_c：|L(jω)| = 1（0 dB）、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jω_c)。位相交差周波数 ω₁₈₀：∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω₁₈₀)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

角を足す

∠G = atan(20/7) − 90° − atan(20/9) = 70.71° − 90° − 65.77°

結果

∠G(j20) = −85.06°

答え

∠G(jω) = −85.06°

16.ボード線図と余裕

答え: GM = 8.067 dB

位相交差

(ω/3)·(ω/9) = 1 → ω₁₈₀ = √(3·9) = 5.196 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω₁₈₀)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 81)) = K/(3·9·(3 + 9)) = K/324

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(324/128) = 8.067 dB

答え

GM = 8.067 dB

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電気回路 II：交流回路：直前対策パック

1公式と解法

複素数

解き方

交流インピーダンスとフェーザ

解き方

交流電力と力率

LC 共振、Q 値、帯域幅

解き方

三相電力

RC・RL 過渡現象

解き方

テブナン・ノートン

解き方

2演習問題

3溶液

象限

基準角

偏角

答え

解の絶対値

解の偏角

直交形式

答え

リアクタンス

インピーダンス

有効電力

答え

共振

答え

有効電力からの抵抗

答え

共役整合

最大電力

答え

rad/s での帯域幅

Hz での帯域幅

答え

共振周波数

帯域幅

Q 値

答え

相電圧

相電流

全有効電力

答え

改善前後の無効電力

コンデンサが供給する無効電力

1 相あたりの静電容量

答え

時定数

電流の減衰

答え

初期値、最終値、時定数

指定時刻の電圧

答え

すべての電源を止めて Rth を求める

開放電圧 Vth を求める

負荷をテブナン等価回路につなぐ

すべての電源を止めて Rth を求める

開放電圧 Vth を求める

負荷をテブナン等価回路につなぐ

角を足す

結果

答え

位相交差

位相交差での大きさ

ゲイン余裕

答え

すべての電源を止めて R_th を求める

開放電圧 V_th を求める

すべての電源を止めて R_th を求める

開放電圧 V_th を求める