臨床工学技士国家試験・ME2種 電気回路まとめ -交流-/ac

Transcript

1. 臨床⼯学技⼠国家試験・ME2種 電気回路まとめ -交流- 藤⽥ ⼀寿
2. 抑えるポイント • 正弦波𝑉 = 𝑉! sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜃) • 振幅𝑉! ，周波数𝑓， 位相𝜃，⾓周波数𝜔 = 2𝜋𝑓，周期𝑇 = 1/𝑓 • 正弦波𝑉" = 𝑉! sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜃")と正弦波𝑉# = 𝑉! sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜃#)の位相差 • 𝜃" − 𝜃# • これが正なら𝑉! が𝑉" より 𝜃! − 𝜃" 位相が進んでいる． • これが負なら𝑉! が𝑉" より |𝜃! − 𝜃"|位相が遅れている． • 実効値 • 正弦波交流 $ # • 全波整流 $ # • 半波整流$ #
3. 抑えるポイント • 複素数表⽰ • ̇ 𝑉 = ̇ 𝑍 ̇ 𝐼が成り⽴つ． ̇ 𝑍はインピーダンス． • 抵抗のインピーダンス𝑅，コンデンサのインピーダンス " %&' ，コイルのイン ピーダンス𝑗𝜔𝐿． • 合成インピーダンスは直流のときの合成抵抗と同じように計算できる． • 複素数表⽰を使えば交流でも直流と同じように計算できる． • しかし，交流回路の電圧と電流は各素⼦の電圧，電流の合成で得られる． • つまり，複素平⾯（フェーザ図）で考える． • 複素平⾯上（フェーザ図）で書かれたベクトルの⾓度が位相である． 𝜃! 𝜃" ̇ 𝑰 ̇ 𝑽 フェーザ図
4. 抑えるポイント • コンデンサ • 電流は電圧よりも位相が90°進んでいる． • 電圧と電流の関係（複素数表⽰） • ̇ 𝑉 = ! #$% ̇ 𝐼 • コイル • 電圧は電流よりも位相が90°進んでいる． • 電圧と電流の関係（複素数表⽰） • ̇ 𝑉 = 𝑗𝜔𝐿 ̇ 𝐼 • 直流のとき，⼗分時間がたつとコンデンサは開放 ，コイルは短絡 ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$ ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$ コンデンサの電圧と電流のフェーザ図 コイルの電圧と電流のフェーザ図
5. 抑えるポイント • 交流の電⼒ • 瞬時電⼒ • 電圧の瞬時値 𝑣[V] と電流の瞬時値 𝑖[A] をかけたもの． • 𝑝 = 𝑣𝑖 • 有効電⼒ • 電圧 𝑉 と電流 𝐼 の実効値と𝜙を電圧と電流の位相差のcosをかけたもの． • 𝑃 = 𝑉𝐼 cos 𝜙 • ⽪相電⼒ • 電圧と電流の実効値を掛けたもの． • 𝑃& = 𝐼𝑉 • ⼒率 • 消費電⼒𝑃と⽪相電⼒𝑃& の⽐． • ' '% = cos 𝜙
6. 交流
7. 正弦波の式とパラメタ • 正弦波 • 波を表すための指標 • 周期 𝑇 [s] ⼭から⼭までの時間 • 周波数 𝑓 [Hz] 𝑓 = 1/𝑇 1秒間に何個⼭があるか • 振幅 𝐸 周期T 振幅E 時間[s] 電圧[V]
8. 位相と位相差 • sin内のωt，ωt+π/3，ωt-π/4を位相と呼ぶ． • e1を基準とした時，+π/3，-π/4を位相差と呼ぶ． • e2はe1より位相がπ/3進んでいる． • e3はe1より位相がπ/4遅れている． 𝑒& 𝑒' 𝑒( 𝜋/3 𝜋/4 𝜋 2𝜋 𝐸)
9. 実効値
10. 実効値（資格試験・国家試験のために覚える） • 交流 • 振幅$ # • 全波整流（計算で2乗するため，交流と同じ値となる） • 振幅$ # • 半波整流 • 振幅$ # 半波整流正弦波の実効値 ( 𝑃 = 1 𝑇 - ! "/$ 𝑉$sin$ 𝜔𝑡 𝑅 𝑑𝑡 = 𝑉$ 𝑇𝑅 - ! "/$ 1 2 1 − cos 2𝜔𝑡 𝑑𝑡 = %# $"& 𝑡 − ' $( sin 2𝜔𝑡 ! "/$ = %# $"& " $ − ' $( sin 𝜔𝑇 + ' $( sin 0 = 𝑉$ 4𝑇𝑅 ×𝑇 = 𝑉$ 4𝑅 = 𝑉 2𝑅 𝑉 2 = 𝐼)𝑉 )
11. 問題
12. 問題解説 • 時刻t[s]における交流電流の瞬時値が以下の式で与えられるとき，周 期[s]はいくらか．(第39回ME2種) • 𝑖 𝑡 = 20 sin(40𝜋𝑡 − 𝜋/4) 1. 0.025 2. 0.05 3. 0.5 4. 20 5. 40
13. 問題解説 • 時刻t[s]における交流電流の瞬時値が以下の式で与えられるとき，周 期[s]はいくらか．(第39回ME2種) • 𝑖 𝑡 = 20 sin(40𝜋𝑡 − 𝜋/4) 1. 0.025 2. 0.05 3. 0.5 4. 20 5. 40 波の式は次のとおりである． 𝐼 𝑡 = 𝐴 sin(2𝜋𝑓𝑡 − 𝜙) よって周波数は 𝑓 = 20Hz 周期は 𝑇 = 3 45 = 0.05s
14. 問題解説 • 𝑖 𝑡 = 10 2 sin(40𝜋𝑡 − $ % )[mA]で表される交流について誤っているのは どれか．(第34回ME2種) 1. 振幅：14.1mA 2. 周波数：40Hz 3. 位相遅れ：30° 4. ⾓周波数：126rad/s 5. 実効値：10mA
15. 問題解説 • 𝑖 𝑡 = 10 2 sin(40𝜋𝑡 − $ % )[mA]で表される交流について誤っているのは どれか．(第34回ME2種) 1. 振幅：14.1mA 2. 周波数：40Hz 3. 位相遅れ：30° 4. ⾓周波数：126rad/s 5. 実効値：10mA 波の式は次のとおりである． 𝐼 𝑡 = 𝐴 sin(2𝜋𝑓𝑡 − 𝜙) よって周波数は 𝑓 = 20Hz 周期は 𝑇 = & '* = 0.05s 位相は 𝜙 = − 𝜋 6 = −30° 与式から振幅は 𝐴 = 10× 2 ≅ 14.1mA 与式から⾓周波数は 𝜔 = 40𝜋 ≅ 126rad/s 実効値は 𝑉 = &* ' ' = 10mA
16. 問題解説 • 図は50Hz正弦波交流の全波整流波形である．実効値は何Vか．(第34 回ME2種) 1. 140 2. 100 3. 71 4. 50 5. 32 100V
17. 問題解説 • 図は50Hz正弦波交流の全波整流波形である．実効値は何Vか．(第34 回ME2種) 1. 140 2. 100 3. 71 4. 50 5. 32 全波整流交流は正弦波交流と同じ実効値である． よって実効値は 𝑉 = &** ' ≅ 70.7V 100V
18. 問題 • 表は，正弦波交流波形Aとその整流波形B，Cについて，それぞれの平 均値[V]および実効値[V]を⽰している．標柱の空欄箇所（ア）および （イ）に記⼊する値として，正しい組み合わせはどれか．（国家試験 33回） • （ア） （イ） 1. 31.8 60.4 2. 31.8 70.7 3. 45.0 50.0 4. 45.0 60.4 5. 45.0 70.7 ໰୊ɹüøɹද͸ɺਖ਼ݭ೾ަྲྀ೾ܗ " ͱͦͷ੔ྲྀ೾ܗ #ɺ$ ʹ͍ͭͯɺͦΕͧΕͷฏ㑸
    ஋ ʦ7ʧ ͓Αͼ࣮ޮ஋ ʦ7ʧ Λ͍ࣔͯ͠ΔɻදதͷۭനՕॴ ʢΞʣ ͓Αͼ ʢΠʣ ʹه ೖ͢Δ஋ͱͯ͠ɺਖ਼͍͠૊߹ͤ͸ͲΕ͔ɻ ೾ܗ ฏ㑸஋ ʦ7ʧ ࣮ޮ஋ ʦ7ʧ ೾ܗ " ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ÷ þ÷ɽ þ ೾ܗ # ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ʢΞʣ ü÷ɽ ÷ ÷ɽ ÷ø ೾ܗ $ ÷ ÷ɽ ÷ù ÷ɽ ÷ú ࣌ؒ ʦTʧ ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ÷ɽ ÷û ÷ɽ ÷ü ýúɽ þ ʢΠʣ ɹɹɹɹ ʢΞʣ ɹɹɹɹɹ ʢΠʣ
19. 問題 • 表は，正弦波交流波形Aとその整流波形B，Cについて，それぞれの平均値[V]および実効値[V]を⽰している．標柱の空欄箇所（ア）お よび（イ）に記⼊する値として，正しい組み合わせはどれか．（国家試験33回） • （ア） （イ） 1. 31.8 60.4 2. 31.8 70.7 3. 45.0 50.0 4. 45.0 60.4 5. 45.0 70.7 ໰୊ɹüøɹද͸ɺਖ਼ݭ೾ަྲྀ೾ܗ " ͱͦͷ੔ྲྀ೾ܗ #ɺ$ ʹ͍ͭͯɺͦΕͧΕͷฏ㑸
    ஋ ʦ7ʧ ͓Αͼ࣮ޮ஋ ʦ7ʧ Λ͍ࣔͯ͠ΔɻදதͷۭനՕॴ ʢΞʣ ͓Αͼ ʢΠʣ ʹه ೖ͢Δ஋ͱͯ͠ɺਖ਼͍͠૊߹ͤ͸ͲΕ͔ɻ ೾ܗ ฏ㑸஋ ʦ7ʧ ࣮ޮ஋ ʦ7ʧ ೾ܗ " ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ÷ þ÷ɽ þ ೾ܗ # ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ʢΞʣ ü÷ɽ ÷ ÷ɽ ÷ø ೾ܗ $ ÷ ÷ɽ ÷ù ÷ɽ ÷ú ࣌ؒ ʦTʧ ిѹ ʦ7ʧ ø÷÷ ÷ ÷ɽ ÷û ÷ɽ ÷ü ýúɽ þ ʢΠʣ ɹɹɹɹ ʢΞʣ ɹɹɹɹɹ ʢΠʣ øɽúøɽ ÿçɹɹɹɹçý÷ɽ û ùɽúøɽ ÿçɹɹɹɹçþ÷ɽ þ úɽûüɽ ÷çɹɹɹɹçü÷ɽ ÷ ûɽûüɽ ÷çɹɹɹɹçý÷ɽ û üɽûüɽ ÷çɹɹɹɹçþ÷ɽ þ શ೾੔ྲྀ$ͷ࣮ޮ஋͸ɼਖ਼ݭ೾ަྲྀ"ͱಉ͡ͳͷͰʢΠʣ͸Ͱ͋Δɽ ൒೾੔ྲྀ#ͷฏۉ஋͸ɼ໌Β͔ʹશ೾੔ྲྀ$ͷ൒෼ͳͷͰʢΞʣ͸Ͱ͋Δɽ
20. 交流と抵抗
21. 交流と抵抗 • オームの法則は • 𝑣 = 𝑅𝑖 • 電流を𝑖 = 𝐼& sin(𝜔𝑡 + 𝜃')とすると，電圧は次のようになる． • 𝑣 = 𝑅𝐼& sin(𝜔𝑡 + 𝜃') = 𝑉 & sin(𝜔𝑡 + 𝜃() • したがって， • 𝑉 & = 𝑅𝐼& • 𝜃( = 𝜃' • である．よって複素数表⽰は • ̇ 𝑉 = 𝑅 ̇ 𝐼 • 抵抗では電流と電圧は同位相である． i = I ζ el U＝ん／j'l,) と な る ． そ こ で， 式 （10 . 2） に対応 し て， 電圧 u を フ ェ ーザで表示す よ う に な る ． V=RI 乙 el 三 V乙 Bv こ の式は， 式 （10 . 3） と ま っ た く 同 じ内容で， 一般 に， V=Ri [VJ ま た は i ＝ 長［A] と 表示 し， こ の と き の V と I の表わ し 方 と フ ェ ー ザ図 は 図 10 . 2 の る ． 。R ぷ：1
22. コンデンサ
23. コンデンサ（キャパシタ） • 電荷を貯める機能を持つ． • 電荷の量𝑄の単位は[C]（クーロン） • コンデンサに電圧𝑉を加えたときに，コンデ ンサに貯まる電荷𝑄[C]は，次の式で求まる． • 𝑄 = 𝐶𝑉 • 𝐶はコンデンサの静電容量と呼ばれる量で， 単位は[F]（ファラッド）である． t*E¥* is [f¥¥,E¥tEt ۚଐ൘ ༠ిମ ฏߦ൘ίϯσϯα t*E¥*IE t is [f¥¥,E¥tEt . 7<7> 2<$>ஷ·Δ 詳しい話は電磁気の講義のときに
24. コンデンサの電圧と電流の複素数表⽰ • 電流と電圧の実効値を ̇ 𝐼， ̇ 𝑉とする．電流は電圧より位相がπ/2進んで いるので，電流と電圧の関係を複素数表⽰で表すと • ̇ 𝐼 = 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝑉 • ̇ 𝑉 = " )*+ ̇ 𝐼 ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$ ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$ 電流は電圧に対し90度進んでいる． 電圧は電流に対し90度遅れてい
25. インダクタ（コイル）
26. インダクタ（コイル） • 導線を巻いたもの． • 電流が変化すると電圧を発⽣させる． • 誘導起電⼒𝑣は次の式で書かれる． • 𝑣 = 𝐿 )* )+ • 𝐿を⾃⼰インダクタンスもしくはインダクタンスという． • 単位はH（ヘンリー） • 誘導起電⼒は電流により発⽣する磁場を打ち消す⽅向に発⽣する． • 電流変化に対しブレーキとして働くので，変化に対しインピーダンスが⾼ くなる． 図記号 詳しい話は電磁気の講義のときに
27. インダクタの電圧と電流の複素数表⽰ • 電流と電圧の実効値を ̇ 𝐼， ̇ 𝑉とする．電圧は電流より位相がπ/2進んで いるので，電流と電圧の関係を複素数表⽰で表すと • ̇ 𝑉 = 𝑗𝜔𝐿 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$
28. 問題解説 • 最⼤値10Vの正弦波交流電圧を誘導リアクタンス2.0Ωのインダクタに 加えた．交流電圧の瞬時値が-10Vのときにインダクタを流れる交流の 瞬時値[mA]として正しいのはどれか．(第41回ME2種) 1. -5.0 2. -3.5 3. 0.0 4. 3.5 5. 5.0
29. 問題解説 • 最⼤値10Vの正弦波交流電圧を誘導リアクタンス2.0Ωのインダクタに 加えた．交流電圧の瞬時値が-10Vのときにインダクタを流れる交流の 瞬時値[mA]として正しいのはどれか．(第41回ME2種) 1. -5.0 2. -3.5 3. 0.0 4. 3.5 5. 5.0 電圧の位相は0だとすると電圧は次の式でかける． 𝑉 = 10 sin 𝜔𝑡 V=-10だから sin 𝜔𝑡 = −1 𝜔𝑡 = − 𝜋 2 電圧の位相は0だとすると 電流は次の式でかける． 𝐼 = 𝐼? sin(𝜔𝑡 − 𝜋 2 ) 𝜔𝑡 = − @ " だから I=0 ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$
30. 問題解説 • 最⼤値10Vの正弦波交流電圧を誘導リアクタンス2.0Ωのインダクタに 加えた．交流電圧の瞬時値が-10Vのときにインダクタを流れる交流の 瞬時値[mA]として正しいのはどれか．(第41回ME2種) 1. -5.0 2. -3.5 3. 0.0 4. 3.5 5. 5.0 別解 ̇ 𝑉 = ̇ 𝑍 ̇ 𝐼 ̇ 𝐼 = ̇ 𝑉 ̇ 𝑍 = ̇ 𝑉 𝑗𝜔𝐿 = −𝑗 𝑉 𝜔𝐿 よって電流は電圧に対し− + ' ほど位相がずれている． 電圧が-10Vのとき，電圧の位相は( , 𝜋だから（−10 = 10 sin ( , 𝜋），電流の位相は𝜋なので，電流10 sin 𝜋 = 0 である． ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 𝜃( 𝜃$
31. 交流と電⼒
32. 瞬時電⼒ • 交流の電⼒は直流と同様に電圧と電流の積で求められる． • 交流では電圧と電流が時間的に変化するので，電圧と電流の積で求めら れる電⼒を特に瞬時電⼒という． • 瞬時電⼒を𝑝とすると • 𝑝 = 𝑣𝑖 • で表される．𝑣[V]は電圧の瞬時値， 𝑖[A]は電流の瞬時値である． (⻄巻，電気回路基礎)
33. 有効電⼒ • 𝑣 = 2𝑉 sin 𝜔𝑡 ， 𝑖 = 2𝐼 sin 𝜔𝑡 + 𝜙 とすると瞬時電⼒は • 𝑝 = 𝑣𝑖 = 2𝑉𝐼 sin 𝜔𝑡 sin 𝜔𝑡 + 𝜃 = 𝑉𝐼 cos 𝜙 − cos 2𝜔𝑡 − 𝜙 • ここで 𝑉と𝐼はそれぞれ電圧と電流の実効値である． • 瞬時電⼒𝑝の平均はどうなるか？ • cos 2𝜔𝑡 − 𝜙 の平均は0であるから， • 𝑃 = 𝑉𝐼 cos 𝜙 • これを有効電⼒または単に電⼒という． • 単位はW(ワット)である． • 電圧と電流に位相差がなければ𝜙 = 0なので， • 𝑃 = 𝑉𝐼 cos 𝑎 + 𝑏 = cos 𝑎 cos 𝑏 + sin 𝑎 sin 𝑏 cos 𝑎 − 𝑏 = cos 𝑎 cos 𝑏 − sin 𝑎 sin 𝑏 cos 𝑎 + 𝑏 − cos 𝑎 − 𝑏 = cos 𝑎 cos 𝑏 + sin 𝑎 sin 𝑏 − cos 𝑎 cos 𝑏 + sin 𝑎 sin 𝑏 sin 𝑎 sin 𝑏 = 1 2 cos 𝑎 + 𝑏 − cos 𝑎 − 𝑏 (⻄巻，電気回路基礎) 平均は1周期の間，時間で積分して周期で割ったもの． cos 2𝜔𝑡 − 𝜙 の平均は0． 𝑉𝐼 cos 𝜙 だけ残る．
34. ⽪相電⼒と⼒率 • 単に電圧と電流の実効値を掛けたものを⽪相電⼒という． • 𝑃, = 𝐼𝑉 • 単位は[VA]（ボルトアンペア）である． • 消費電⼒𝑃と⽪相電⼒𝑃, の⽐を⼒率という． • ⼒率は次のように表される． • - -A = cos 𝜙
35. 無効電⼒ • 1 − cos# 𝜙 = sin 𝜙を無効率という． • ⽪相電⼒𝑃, と無効率の積を無効電⼒𝑃. という． • 無効電⼒は次のように表される． • 𝑃. = 𝑉𝐼 sin 𝜙 = 𝑃, sin 𝜙 • 単位は[var]（バール）である． • それぞれの電⼒には次の関係が成り⽴つ． • 𝑃, = 𝑃# + 𝑃. # cos# 𝜙 + sin# 𝜙 = 1 , ,! = cos 𝜙，𝑃- = 𝑃. sin より 𝑃# 𝑃. # + sin# 𝜙 = 1 𝑃# + 𝑃. #sin# 𝜙 = 𝑃. # 𝑃# + 𝑃- # = 𝑃. # 𝑃. = 𝑃# + 𝑃- #
36. 問題 • 図の回路でab間の正弦波交流電⼒（有効電⼒）を求める式として正し いのはどれか．(臨床⼯学技⼠国家試験35) 1. 電圧の振幅値 × 電流の振幅値 2. 電圧の実効値 × 電流の実効値 3. 電圧の振幅値 × 電流の振幅値 × ⼒率 4. 電圧の実効値 × 電流の実効値 × ⼒率 5. 電圧の実効値 × 電流の実効値 × 無効率
37. 問題 • 図の回路でab間の正弦波交流電⼒（有効電⼒）を求める式として正し いのはどれか．(臨床⼯学技⼠国家試験35) 1. 電圧の振幅値 × 電流の振幅値 2. 電圧の実効値 × 電流の実効値 3. 電圧の振幅値 × 電流の振幅値 × ⼒率 4. 電圧の実効値 × 電流の実効値 × ⼒率 5. 電圧の実効値 × 電流の実効値 × 無効率 有効電⼒は 𝑃 = 𝑉𝐼 cos 𝜙 である．𝑉は電圧の実効値，𝐼は電流の実効値である． cos 𝜙 は⼒率と呼ばれる． よって答えは4である．