交流回路の電気の方向は？

質問

電気回路のある部分において、電気がどちらに向かって流れているか（どっちが上位か）は、直流の場合は、そこの電位（＋か－か）を見ればわかりますが、交流の場合はどう考えればいいのでしょうか？

交流は、その方向を周波数のサイクルで、正逆反転してるわけですから、回路のある一箇所を見たときに、そこで電気がどちらから流れてきているのか（どちらが上位なのか）は、どうやって判断すればいいのでしょうか？

回答No.38

sou_tarou · ベストアンサー

＞つまり力率cosθがマイナスの場合ということでしょうか？
その通りです。
マイナスの場合は電源に向かって電力が送られています。

位相を考える場合は方向が大切です。
参考ＵＲＬの回路図　第４図を見てください。
電圧を基準として電源から負荷に向かって流れる時を同相方向とするように回路図に矢印が記入されています。

回路図の負荷はＲ＋Ｌですが、Ｒ分だけだとすると
電圧と電流は同相（位相０°）になります。電源から負荷に対して電力が送られています。
仮にＲ分しかない負荷なのに電圧に対して電流が反対の位相（位相が１８０°）だとすると
ｃｏｓθがマイナスということになり　電源に対して電力が送られていることになります。

＞それは、VとIの位相差がどうなっているときでしょうか？
ＶとＩの位相が９０度を超えている場合です。
ＬまたはＣ分　とＲ分の電流が流れているのです。
ただし、電源方向に向かってＲ分の電流が流れるので、電圧基準でみると９０°または－９０°を超えている状態になります。

電源と言っていますが、電力系統に接続されている負荷＋発電設備　をいうのをざっくり話しているつもりです。

参考URL：

http://www.jeea.or.jp/course/contents/01105/

お礼

ご回答ありがとうございます。

>ＶとＩの位相が９０度を超えている場合です。

私が知りたかったのは、まさにこの回答です！！！

つまりθが±９０度を超えるとcosθはマイナスとなり、結果、Pはマイナスになるので、電力の方向は逆転するということですね！！

わかりました。すっきりしました！！！

回答No.27

sou_tarou

参考ＵＲＬの
□４　電力系統における無効電力制御
（１）電圧調整と無効電力制御
これの式（１５）とそれ以降の説明を読んでください。
私にも理解できていませんが、結論からわかることは交流では無効電力によって電圧が制御される。
電圧を発生するための潤滑油みたいなもんだ。イメージくらいの理解で、、、
また、Ｃ分とＬ分の間を往復しているだけで、方向としては電源側から見ると　Ｃ分によるものを（－）受電しているまたは発生している。　Ｌ分によるものを（＋）送っているまたは消費している。としている。

参考URL：

http://www.jeea.or.jp/course/contents/04104/

回答No.26

noname#212313

#15です。

>実際の回路において、それらがどういう動き（？）働き（？）をしているものかが、概念としてつかめません

　おそらく、そこが電磁気学のとっつきにくさなのだろうと思います。個々人で何を概念とするかは差がありますが、ニュートン力学だと「質量ある物体が運動する」のように、目に見えるものがありますが、電磁気学は基本的に見えない現象です。できるだけ図示はしますが、やはり図示通りのものが見えるわけではありません。

　抵抗とコンデンサの回路（RC回路）ですと、例えば以下

http://www.yonago-k.ac.jp/denki/lab/nitta/lecture/E2_e-circuit1/note/note18.pdf

のようなものは分かりやすいほうに入ると思いますが、それでも式変形して、どの項が何なのかと定義したり、説明したりしているに留まります。

　上記ではコンデンサの消費電力を平均的には0としています（※1周期で定積分するとプラスマイナスが打ち消すから）。これがどういうことなのか、少しだけ考えてみることにします。

　ご承知のことを敢えて復習的に申せば、コンデンサは直流に対しては絶縁体です。しかし、金属板が向かい合う構造のため、電圧を掛ければ電荷が溜まります。直流電源のプラス側につながれたほうにプラスの電荷、もう一方はマイナスの電荷。

　直流電源を外して、コンデンサに抵抗を繋いだ回路を作ってやれば、コンデンサに溜まった電荷により電流が流れる。これは電池であり、コンデンサに直流電源を繋ぐというのは、要は充電ですね。

　直流電源の代りに交流電源をコンデンサにつなぐとします。さらに、コンデンサの片側の極板だけに注目してみます。

　交流電源の電圧が0からプラスに向って増えていく過程では、コンデンサにプラスの電荷が流れ込みます（※本当はマイナスの電荷、つまり電子が出て行くんですが、模式的な表現ということでご了解ください）。電圧が等しい状態が安定ですから、交流電源の電圧に等しくなるよう、コンデンサに電荷が溜まっていくわけです。

　交流電源の電圧が最高になり（山）、今度は下がり始めると、コンデンサに溜まったプラスの電荷は流れだしていきます。交流電源の電圧とコンデンサの電圧が等しくなるためですね。そして、交流電源の電圧が0となるとき、コンデンサの電圧も0、つまりコンデンサには電荷がなくなっています。

　ここまでが、半波長分の回路の挙動になります。次の半波長分ではプラスマイナス入れ替えて、同じことが起こります。

　これが何をやっているのか、ということになります。コンデンサは交流電源から電荷を貰い、そしてそれを全て返しています。エネルギーとしては、それだけで差し引き0ですから、他には何も仕事をしていません。それを「消費電力が0」と呼んでいます。有効電力などと呼ばれるものは、これになります。

　この場合も、いつも電圧があり電流があるのですから、電圧×電流は計算でき、定積分すればトータルも求められます。電圧がマイナスのときは、電流もマイナスですから、掛ければプラスになり、定積分すれば消費電力も0ではないプラスの数になります。それが無効電力とか皮相電力等と呼ばれるものです。

お礼

ご回答ありがとうございます・・。

回答No.25

ricardo_

＞つまり純粋なLやC（実際はそんなものはないのでしょうが）では、電気はまったく仕事をせず、電圧電流を供給しても、それらは全部電源に返ってくるということですね？

　そうです。充電できるバッテリーで考えて下さい。放電量と充電量とが同じなら、元のままですね。
　交流の場合も同じ、1周期の間に放電と充電がある。
　その量が同じなら、平均すれば電力を消費しない。

＞ 電力の向きは、電圧と電流、そしてその位相差から判断できそうな気がしているのですが、「具体的にそれらがどうなっているときに電力の向きがどうなのか」がわかりません。

　電圧電流の波形をオシロで見て、瞬時の電力を見るならバッテリーの充放電が分かれば理屈は分かると思います。
　しかし電流計電圧計は瞬時の値では無い。電圧×電流では、平均電力が求まらない。
　瞬時の電力と平均電力とを理解して下さい。

　交流の周期を１時間として考えたらどうなりますか。このようにすれば、直流の電圧計と電流計が使えますから。

お礼

ご回答ありがとうございます・・・。

回答No.24

noname#212313

#15です。

　他の方へのお礼も拝読してみますと、無効電力、位相差といったことが気がかりでいらっしゃるようですね。その二つが関係するのが「力率」というものです。ある種の効率になります。W（ワット）とVA（ボルト・アンペア）は異なる、といった話が出てきたりもします。

　もしご存知でしたら申し訳ありません。しかし、あまり気にされたことがないようでしたら、ネット検索などでお調べ直しされるのもいいように思います。

お礼

はい。有効電力、無効電力など、計算式としてはなんとなくわかるのですが、実際の回路において、それらがどういう動き（？）働き（？）をしているものかが、概念としてつかめません・・・

回答No.23

Nebusoku3

No4, No5です。
以下の１）　２）　の2つの疑問に答えたいと思います。
実は確認することは簡単です。まず回路を作ります。

A) 電源側の線　2本に　「電灯A」　をつなぎます。
↓
B) その延長上（並列つなぎ）にスイッチを付けます。　（OFFにしておく。）
↓
C） 更にその先に　「電灯B」　をつなぎます。

この接続で電源側に通電します。　⇒　　電灯A　がつきますね。　電灯B　はつかないですね。
次に　スイッチを　ON　にします。　⇒　　電灯B　もつきますね。　（両方がついた状態）
最後に　スイッチを　OFFにします。　⇒　電灯A　はついたまま。　電灯B　は消えます。

※この事から電気は電源側から負荷側に供給されていることがわかります。　交流では　＋　と　－　の概念はこの様な疑問点に関してはあまり意味を成しません。

ご質問：
１）電源にひとつの負荷がつながっているだけの単純な回路でもやはり負荷側から見たら電源から電気（電力）が負荷に向かって供給されているので、電源が「上位」になると思うのですが、この「電力」がどちらからどちらに向かっているのか、その方向はどうやって調べるのかが知りたいです。
２）じゃあ、実際の交流回路で、電源と負荷があり、その間の回路の１点を見たとき、電気は電源側から負荷側へ供給されている、つまり電気の流れ（電流の流れではなく）としては、電源→負荷になると思うのですが、それは実際の回路の何をもとにしてわかるのでしょうか？

回答No.22

sou_tarou

＞位相差がどうなってると、電力の向きがわかるのでしょうか？

Ｐ（電力）＝Ｖ（電圧）×Ｉ（電流）×ｃｏｓθ（力率）
ですから　電圧と電流が同相のときが　電源から負荷側に電力を送っているときです。

同相は　位相０　ｃｏｓ（０）＝１

お礼

ご回答ありがとうございます。

>Ｐ（電力）＝Ｖ（電圧）×Ｉ（電流）×ｃｏｓθ（力率）
>ですから　電圧と電流が同相のときが　電源から負荷側に電力を
>送っているときです。

つまり、力率１のときは、電源→負荷に１００％の電力が供給されてて、力率が悪くなる分、有効電力が減って、無効電力が増えるという理解でいいんでしょうか？

電力の方向といっても、有効分と無効分ではそれぞれ向きが違う・・・・このへんがいまいちわかりません。。。

回答No.21

ORUKA1951

No.1,6,10です。
　電力方向継電器は、No.10で説明したように電圧と電流の位相差を元に、モーターがモーターとして機能していないとき・・例えば慣性で回っていたりするときに、その発生電力を蓄電するとかするためのものです。回生電力の利用とか

　交流の電流の向きは、No.1で回答したように誘導磁場を計れば分かりますよね。

お礼

>電力方向継電器は、No.10で説明したように電圧と電流の位相差を
>元に、モーターがモーターとして機能していないとき・・例えば
>慣性で回っていたりするときに、その発生電力を蓄電するとかす
>るためのものです。回生電力の利用とか

すいません。いろいろとご丁寧に説明していただいてるのですが、当方の知識が低いもので、いまいち理解しきれていません・・・。
電力の方向と電圧電流位相差の関係をもう少し教えてください。

回答No.20

fxq11011

電流方向系電機？。
たぶん太陽光発電の電力を電力会社に売電する時に必要な機器？。
電力量＝電力W×時間ｈ
電圧は方向無関係（電圧数値は必要）
電流の向きは＋、－で逆向き（向きに関係なく電流数値は必要）
電力の移動の向きは、＋W、または－W
電力の移動は、＋W、－Wの時間を累積すれば、＋Wｈ、－Wｈでどちらにどれだけ移動したか判断できる。
電圧計測、電流向き・値、検知計測、時間計測
以上理屈で考えただけ、無効電力に関して、実際はどう処理しているかまでは存じません。
ただ、ポイントは直流では考えられない、－から＋へ電流が流れることがあるのは事実です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

やはり、電力の向き(+W、-W)は、位相差が関係してますよね？
もう少しで分かりそうだんですが・・・。

回答No.19

fxq11011

＞位相差がどうなってると、電力の向きがわかるのでしょうか
電力W＝電圧V×電流A
交流では、電圧が０Vになってから電流が０Aになる間は、電圧が－、で電流は同じ方向に流れ続ける＋。
したがってW＝－V×A＝－W
つまり、この間は発電所側に電力を送り返していることになります（無効電力）

お礼

ご回答ありがとうございます。

電力の向きは、たぶん位相差が関係しているんじゃないかという気がしています。

ご説明、もう少し詳しく教えていただけませんでしょうか。

回答No.18

fxq11011

電圧は単なる情報です、情報の伝達は瞬時（光速？）で伝わります。
電流は電子の流れ・動きです、質量があるため瞬時には動けません。
電圧情報に従い動き・流れ始めます、そそため遅れが生じます。
その様子を発電機の回転角度に合わせて表示すると、サインカーブになり、たとえば最大値は、電流のほうが電圧に対して遅れた角度の位置に表示されます、これが位相差です。

お礼

ご回答ありがとうございます。