H25年 理論 問15(三相交流回路)




H25年 理論 問15(三相交流回路)

問 15
図1のように、周波数\(50\) [Hz]、電圧\(200\) [V]の対称三相交流電源に、インダクタンス \(7.96\) [mH]のコイルと \(6\) [Ω]の抵抗からなる平衡三相負荷を接続した交流回路がある。

次の(a)及び(b)の問に答えよ。

(a)図1において、三相負荷が消費する有効電力 \(P\) [W]の値として、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1) 1890
(2) 3280
(3) 4020
(4) 5680
(5) 9840

(b) 図2のように、静電容量 \(C\) [F]のコンデンサを Δ結線し、その端子 a’、b’及び c’をそれぞれ図1の端子 a、b及び cに接続した。

その結果、三相交流電源からみた負荷の力率が 1になった。

静電容量 C[F]の値として、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1) 6.28 × 10-5
(2) 8.88 × 10-5
(3) 1.08 × 10-4
(4) 1.26 × 10-4
(5) 1.88 × 10-4

解 答

問(a)
三相電力は単相電力の3倍になります。

図1の電源側をΔ-Y変換をして、一相分を取り出した等価回路は次のようになります。

誘導性リアクタンスの値は
\(X_L=2\pi fL=100\pi×7.96×10^{-3}≒2.5\) [Ω]

インピーダンスを \(Z\) とすると
\(Z=\sqrt{R^2+X_L^2}=\sqrt{6^2+2.5^2}=6.5\) [Ω]

回路に流れる電流は
\(I=\cfrac{\cfrac{200}{\sqrt3}}{Z}=\cfrac{200}{\sqrt3×6.5}≒17.76\) [A]

三相負荷の消費する電力は
\(P=3I^2R=3×17.76^2×6≒5678\) [W]

問(a) の答えは(4) になります。

問(b)
図2 の Δ 接続のコンデンサを、Y 変換を接続に変換します。

Y 接続に変換したリアクタンスを \(X_{CY}\) とすると

\(X_{CY}=\cfrac{1}{3}X_C=\cfrac{1}{j3ωC}\)

コンデンサを Y 接続に変換したことで、静電容量は3倍になります。

接続されたコンデンサは、元のインピーダンスに並列に接続されるので次のようになります。

図の合成インピーダンスを求めるれば良いのですが、複素数の計算ではアドミタンスの方が計算が簡単になります。

合成アドミタンスを \(Y\) [S] とすると
\(\dot{Y}=\cfrac{1}{R+X_L}+\cfrac{1}{X_{CY}}\)

\(=\cfrac{1}{R+jωL}+j3ωC\)

\(=\cfrac{R-jωL}{(R+jωL)(R-jωL)}+j3ωC\)

\(=\cfrac{R-jωL}{R^2+(ωL)^2}+j3ωC\)

\(=\cfrac{R}{R^2+(ωL)^2}+jω\left(3C-\cfrac{L}{R^2+(ωL)^2}\right)\)

負荷の力率が 1 になったということは、虚数部が 0 であることになりますので次の式が成り立ちます。

\(\left(3C-\cfrac{L}{R^2+(ωL)^2}\right)=0\)

\(3C=\cfrac{L}{R^2+(ωL)^2}\)

\(C=\cfrac{L}{3(R^2+(ωL)^2)}\)

この式に数値を入れて計算します。
\(C=\cfrac{L}{3(R^2+(ωL)^2)}\)

\(=\cfrac{7.96×10^{-3}}{3(6^2+(2π×50×7.96×10^{-3})^2}\)

≒\(6.28×10^{-5}\) [F]

問(b) の答えは(1) になります。

正解は (a)-(4)、(b)-(1)になります。

三相負荷の変換公式

2018.03.19

三相電力の公式

2018.03.15
以上で「H25年 理論 問15(三相交流回路)」の説明を終わります。