電力システムと電気機器：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、10 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

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

変圧器

巻数比: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
電流比: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
定格電流: I = S/V
換算インピーダンス: Z₁′ = a²·Z_L
部分負荷時の銅損: P_cu = x²·P_cu,fl
効率: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
最大効率: x = √(P_core/P_cu,fl)

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)

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。

直流モーター

電機子回路: V = E + I_aR_a
逆起電力とトルク: E = k·ω, T = k·I_a
速さ: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
無負荷速度と拘束トルク: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
電力: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
始動: I_start = V/(R_a + R_st)
速度変動率: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
最大発生電力: P_max = V²/(4R_a)
チョッパ駆動: V_a = D·V_dc

解き方

電機子回路を描きます：電源 V、抵抗 R_a、逆起電力 E が直列につながります。
電圧、電流、逆起電力を結びつけるには V = E + I_a·R_a を使います。
速度には E = k·ω、トルクには T = k·I_a を使います。ω = 2π·n/60 です。
電力と効率では、V·I_a から始めて、銅損 I_a²·R_a を引き、次に回転損を引きます。

2演習問題

1.三相電力ふつう

平衡三相負荷が、線間電圧 415 V の電源から線電流 100 A を流している。力率は遅れ 0.9 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

V_L = 415 VI_L = 100 Acos φ = 0.9

P = kW

2.三相電力むずかしい

平衡三相負荷が、480 V（線間）、60 Hz の電源から遅れ力率 0.75 で 250 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 0.9 に改善する。有効電力は変わらない。コンデンサは Y 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 = 250 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.9V_L = 480 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.変圧器ふつう

巻数比 N₁:N₂ = 8:1 の理想変圧器の二次巻線に 8 Ω の抵抗を接続する。一次巻線から見た抵抗 R_1′ を求めよ。

N₁:N₂ = 8:1R_L = 8 Ω

R_1′ = Ω

4.変圧器むずかしい

単相 75 kVA の変圧器の鉄損は 300 W、定格負荷での銅損は 600 W である。この変圧器が定格 kVA の 25% を遅れ力率 0.9 で供給している。この負荷での全損失 P_loss を W で求めよ。

S = 75 kVAP_core = 300 WP_cu,fl = 600 Wx = 0.25pf = 0.9

P_loss = W

5.交流電力と力率ふつう

インピーダンス Z = 3 + j4 Ω の負荷が 230 V（実効値）の単相電源に接続されている。負荷が消費する有効電力 P を求めよ。

V = 230 VZ = 3 + j4 Ω

P = W

6.交流電力と力率むずかしい

単相負荷が 230 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 45 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.98 に改善する。必要な静電容量 C を求めよ。

P = 45 kWpf₁ = 0.65pf₂ = 0.98V = 230 Vf = 60 Hz

C = µF

7.交流インピーダンスとフェーザふつう

抵抗とコイルが並列に、24 V（実効値）、200 Hz の電源に接続されている。インピーダンスの位相角 φ を度で求めよ（電流が電圧より遅れるとき正）。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 50 mH

φ = °

8.交流インピーダンスとフェーザむずかしい

直列 RLC 回路の R = 15 Ω、L = 2 mH、C = 0.022 µF である。共振時の Q 値（尖鋭度）Q を求めよ。

R = 15 ΩL = 2 mHC = 0.022 µF

Q =

9.直流モーターふつう

直流モーターが 120 V の電源から 20 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.8 Ω、回転損（摩擦損、風損、鉄損）は 62 W です。効率 η を求めなさい。

V = 120 VI_a = 20 AR_a = 0.8 ΩP_rot = 62 W

η = %

10.直流モーターむずかしい

固定の 240 V の電源で動作する直流モーター（k = 1 V·s/rad、R_a = 0.25 Ω）が、30 N·m の負荷を駆動しています。速度を 500 rpm まで下げる直列抵抗 R_s を求めなさい。

V = 240 Vk = 1 V·s/radR_a = 0.25 ΩT = 30 N·mn = 500 rpm

R_s = Ω

3溶液

1.三相電力

答え: P = 64.69 kW

皮相電力

S = √3·V_L·I_L = √3·415·100 = 71.88 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 71.88·0.9 = 64.69 kW

答え

P = 64.69 kW

2.三相電力

答え: C_ph = 1144 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 = 250·tan(acos 0.75) = 250·0.8819 = 220.5 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

コンデンサが供給する無効電力

Q_C = Q₁ − Q₂ = 99.4 kvar

1 相あたりの静電容量

Y バンクでは、各コンデンサは線と中性点の間に接続されています。

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 33133/(377·277.1²) = 1144 µF

答え

C_ph = 1144 µF

3.変圧器

答え: R_1′ = 512 Ω

理想変圧器：電圧は巻数の比に、電流はその逆比になります：V₁/V₂ = N₁/N₂ = a、I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a。したがって入力電力と出力電力は等しく、V₁·I₁ = V₂·I₂ です。二次側の負荷インピーダンス Z は、一次側から見ると a²·Z に見えます。

換算抵抗

電圧は a 倍になり、電流は 1/a 倍になるので、比 V/I は a² 倍になります。

R_1′ = a²·R_L = 8²·8 = 512 Ω

答え

R_1′ = 512 Ω

4.変圧器

答え: P_loss = 337.5 W

変圧器の損失：鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）は電圧で決まり、負荷によらず一定です。巻線の銅損は電流の 2 乗に比例するので、定格負荷の x 倍の負荷では x²·P_cu,fl になります。効率 η = P_out/(P_out + P_core + P_cu)、ただし P_out = x·S·pf です。効率は銅損と鉄損が等しくなる負荷で最大になります。

この負荷での銅損

P_cu = x²·P_cu,fl = 0.0625·600 = 37.5 W

全損失

鉄損は負荷によらず一定です。

P_loss = 300 + 37.5 = 337.5 W

答え

P_loss = 337.5 W

この負荷での効率は η = 98.04% です。

5.交流電力と力率

答え: P = 6348 W

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。

電流

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω

I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

有効電力

P = I²·R = 46²·3 = 6348 W

答え

P = 6348 W

6.交流電力と力率

答え: C = 2180 µF

改善前後の無効電力

有効電力 P は変わらず、電源から取る無効電力だけが変わります。

Q₁ = P·tan φ₁ = 45·tan(49.46°) = 52.61 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 45·tan(11.48°) = 9.138 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 43.47 kvar

静電容量

電源に並列につないだコンデンサは Q = V²·ωC を供給します。

C = Q_C/(2πf·V²) = 43473/(2π·60·230²) = 2180 µF

答え

C = 2180 µF

7.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = 43.68 °

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 = ωL = 2π·200·0.05 = 62.83 Ω

枝電流

両方の枝は電源に直接接続されているので、どちらにも電圧 V 全体がかかります。

I_R = V/R = 24/60 = 0.4 A

I_X = V/X_L = 24/62.83 = 0.382 A

全電流

抵抗の電流は V と同相で、リアクタンスの電流は 90° 位相がずれているので、直角三角形の辺のように合成されます。

I = √(I_R² + I_X²) = √(0.4² + 0.382²) = 0.5531 A

位相角

コイルの電流は V より遅れるので、全電流も遅れ、角度は正です。

φ = arctan(I_X/I_R) = arctan(0.382/0.4) = 43.68°

答え

φ = 43.68°

8.交流インピーダンスとフェーザ

答え: Q = 20.1

共振周波数

f₀ = 1/(2π·√(0.002·0.022·10⁻⁶)) = 23994 Hz

Q 値

Q は共振時のリアクタンスを抵抗と比べたものです：Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0.002/(0.022·10⁻⁶)) = 20.1

答え

Q = 20.1

9.直流モーター

答え: η = 84.08 %

直流モーター：電機子は、逆起電力 E と直列の抵抗 R_a と見なせるので、V = E + I_a·R_a です。逆起電力は速度に比例して E = k·ω、トルクは電流に比例して T = k·I_a となり、SI 単位では同じモーター定数 k (V·s/rad = N·m/A) を使います。速度は ω = 2π·n/60 で換算します。発生電力は E·I_a = T·ω です。入力電力は V·I_a で、その差は銅損 I_a²R_a と回転損です。速度はトルクに対して直線的に下がり、ω = V/k − R_a·T/k² です。無負荷速度 V/k から、拘束トルク k·V/R_a で 0 になります。停止時には E = 0 なので、抵抗で制限しないかぎり始動電流 V/R_a は大きくなります。

電力

P_in = 120·20 = 2400 W

P_dev = 104·20 = 2080 W

P_out = 2080 − 62 = 2018 W

効率

η = 2018/2400·100 = 84.08 %

答え

η = 84.08 %

10.直流モーター

答え: R_s = 6.005 Ω

電流と逆起電力

I_a = 30/1 = 30 A

E = 1·52.36 = 52.36 V

直列抵抗

R_a + R_s = (240 − 52.36)/30 = 6.255 Ω

R_s = 6.005 Ω

答え

R_s = 6.005 Ω

この抵抗器は 5404 W を無駄にします。チョッパを使えば、ずっと少ない損失で速度を制御できます。

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