交流電流, 交流電圧, 交流電力とは 発生原理



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公開日:2018/8/30 , 最終更新日:2021/3/3       

In English
前提知識
電磁誘導,コイルの性質
AC-DCコンバータ , AC-ACコンバータ , DC-DCコンバータ


■交流

交流とは時間的に電流の向き(プラスとマイナス)が交互に入れ代わる電流の事をいいます。 ただ一般的には「交流」といっても電圧を指す場合や、交流で電流をやり取りする仕組みの総称を指す(つまり電流、電圧含める)場合があり、それらと混同させない様に「交流電流」「交流電圧」と言い分ける場合があります。

※ なお相手が「交流」としか言っていない場合は、何を指しているのか文脈から判断するのが良く『交流は電流の事だ、なのに電圧を指していて間違っている!』と目くじらを立てるのは大人の対応ではありません。

■交流電圧
以下の様に定義します。


家庭用の電化製品は交流から直流電圧に変換して使用していますが、発電所から初めから直流ではなく交流で送られてくる理由は、一言でいうとその方が伝送コストが低くて済むからです。 電力は電圧の2乗に比例するので高電力を得るには高電圧の方が効率が良いため、できるだけ高電圧を扱いたいのですが、一方高電圧では家庭用の電力としては使えないので、家庭用コンセントに来る手前で電圧を低くする必要があります。 その際、直流から直流に降圧するより、交流から交流に降圧する方がコストが低いのです (交流⇒交流はコイルとダイオードがあれば良いが、直流⇒直流は更にトランジスタによるスイッチング機能が必要)。

なお家庭用電源の周波数は関東は50Hz、関西は60Hzですが、60Hzの方が電力の効率がよく、例えばモーターなどは同じ電力でも 得られる出力は異なります。電圧の100Vはこれは実効値を示しており、最大値は141Vになります。

実効値とは「交流時と同じ電力に相当する直流電流電圧値」ですが、平均値よりも高くなる理由は先ほど説明した様に、 電力は電圧の2乗に比例するので電圧の振幅が大きいところが電力に大きく影響しているからです。

<のこぎり型の波形の実効値の求め方>
波形がのこぎり型だったり、きれいなsin波ではない場合、以下の式を用いて実効値を求める事ができます。これは二乗平均平方根(RMS:Root Mean Square)となります。



■交流電流
交流電流は、電圧を繋いだ先の回路の特性によって動作が変わります(周期的に電流の向きが変わる事自体は変わりません)。抵抗、コイル、コンデンサをそれぞれ繋げた時の電流は以下のとおり。




■交流電力
皮相電力とは電源から送り出される電力です。しかし全て回路で消費される訳ではありません。実際に回路で消費される電力を有効電力といい、 回路で消費されず戻ってくる電力を無効電力といいます。 また交流電力は以下の様に複素平面上で表すことができ、こうする事で交流電力の計算が容易になります


■交流電流・電圧の発生原理

交流電流は電磁誘導の原理を用います。電磁誘導とはコイルと磁石を近づけたり離したりすることで磁束が発生し、磁束が発生すると電流が発生する現象ですが、 以下の様にコイルに対して磁石を回転させ、磁力線の向きを早く交互に切り替えることで交流電流を発生させます。



<3相交流>
以下の様に、位相を120°ずらしてコイルを配置すれば効率よく電流を取り出すことができます。中心の磁石を回すのは他からの動力となり、自動車ならばオルタネータを回すエンジン、火力発電所ならば水蒸気で回されるタービンとなります。











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