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直流と交流


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2021-11-3(水)

電気には、直流と交流がある、と中学校の理科で習ったと思います。

ズバリ、電池は直流、コンセントは交流です。

ソーラー発電では、ソーラーパネルやバッテリーから出てくるのが直流、インバーターから出てくるのが交流です。

インバーターを使って交流用の家電を動かすときに、知っておいて損のない要素をまとめました。

という私も勉強中です。人に説明すると理解が深まるということで、どうかお付き合いください。

直流

直流は電池の電気です。

ソーラーパネルを太陽電池、バッテリーを蓄電池と言い換えるとわかりやすいですね。

他には、燃料電池や直流発電機なんかも直流の電気が発生します。

直流

直流は、電圧と電流が時間によらず一定です。

歴史的には、1799年、イタリアのボルタおじさんの発明した電池が初です。

コンバーター

直流または交流を変換 (例えば、電圧を変える) して、直流を取り出す回路や機器をコンバーターといいます。

例えば、携帯電話の充電器なんかですね。
あれ自体がコンバーターです。

家電の中には、コンバーターを内蔵しているものもあります。

ところで、昔はACアダプターといえば、黒くてゴロンとした重い機械でした。

最近のACアダプターは、携帯電話の充電器のように小型で軽くなっていますよね。

これは “スイッチング電源” のおかげなのですが、この話はまた今度したいです。(半導体の歴史そのものです)

交流

ここからは、交流のお話なのですが、直流よりも難しいです。
私の拒否感が強くなるので、計算はなしにします。

ぶっちゃけ、こんなもん覚えなくてもソーラー発電はできます(笑)

交流は発電機の電気です。

火力発電でも、水力発電でも、原子力発電でも、うんこ発電でも、発電機からは交流の電気が発生します。

正弦波交流

矩形波交流

交流の電圧と電流は、時間とともに変化します。
変化の仕方によって、正弦波 (せいげんは) 交流 (上のグラフ) のほか、矩形波 (くけいは) (方形波) 交流 (下) などがあります。

発電機やコンセントから出てくるのは正弦波ですが、インバーターには矩形波を出力するものもあります。

交流の歴史は、1831年にイギリスのファラデーおじさんが発電機の原理を考案したのが初とされています。

最大値と実効値

交流の電圧は、時間とともに変化し、一定ではありません。

これでは、消費電力などの計算がしにくいので、最大値実効値という値を定めます。

最大値は、波形の山の高さ、または谷の深さです。

実効値は、波形により異なります。

矩形波の最大値と実効値

例えば、矩形波なら、最大値と実効値は同じです。

最大値と実効値

正弦波なら、最大値を "√2"(=1.414……) で割ったのが実効値です。

実は、コンセントの100V (ボルト) というのは実効値で、最大値は約141Vとなっています。

実効値の何がうれしいかというと、直流と同じく電力の計算ができるようになるのです。

ですから、白熱電球を光らすとき、実効値が100Vの交流と、100Vの直流では、同じ明るさとなります。(というか、同じ明るさになる値を実効値と決めた)

これテストに出ます。

周波数と位相 (いそう)

交流には、周波数位相という概念があります。

周期と周波数

周波数は、1秒間にする上下の回数で、単位はHz (ヘルツ) です。(上下のワンセットを周期といいます)

コンセントの電気の周波数は、50Hzまたは60Hz、インバーターはその平均の55Hzということが多いです。

位相

位相は、時間的なズレです。
交流がめんどくさいのは、この位相があるからです。

変圧器

交流の電圧を上げたり下げたりするのに使うのが変圧器です。
英語の "Transformer" から、“トランス” というほうが馴染み深いかもしれません。(変身するロボットじゃないですよ)

入力する電力が同じなら、電圧を上げると流せる電流は小さくなり、逆に、電圧を下げると電流は大きくなります。

この変圧器があったから、コンセントが交流になったと言っても過言ではありません。

インバーター

直流または交流の周波数を変換する回路や機器をインバーターといいます。

インバーターには、大きく分けて2つあります。

ひとつは、モーターの変速用です。
これは、一般的な交流用モーター (かご形誘導電動機) の回転数が周波数に比例するという性質を利用しています。

もうひとつは、直流を交流に変換するものです。

ソーラー発電で使うインバーターは、このインバーター回路に変圧器を組み合わせたものです。(DC−ACインバーターとも呼ばれます)

交流の周波数を変える場合、いちどコンバーターで直流に直してから、インバーターで周波数を変換するという方法が取られます。
例えば、風力発電なんかがそうです。

力率 (りきりつ)

交流の厄介な概念のひとつが “力率” です。

ざっくり説明すると、電圧と電流のズレなのですが、詳しくはまた今度。

インバーターを使う場合、力率を考えないと、正常に使えないことがあります。

単相3線式

100Vの家電も200Vの家電も使える画期的な方式です。

残念ながら、ソーラー発電のインバーターでは、200Vは使えません。

またの機会に説明します。

三相交流

三相交流

なぜか交流電源を3つにしてしまったのが “三相交流” です。

電柱のいちばん上の電線って3本ですよね?あれです。

三相交流は、帰りの電線がいらない分、材料と送電ロスを減らせるのですが、ソーラー発電とは関係ないので割愛。

交流のほうがめんどくさそうですよね。

その昔、アメリカのエジソンおじさんと、テスラおじさんが、直流にするか交流にするかでケンカしたそうです。

結局、変圧器により電圧が簡単に変えられることから、交流が選ばれました。

近年は、超高圧なら直流のほうがロスが少ないとかで、大陸のほうでは直流送電が始まっているようです。

エジソンおじさんが「な?」って言ってそうですね。

それにしても、交流って難しそうですよね。
実際に難しいです(笑)

例えば、実効値の計算には積分、力率には三角関数 (サインコサイン),ベクトル、矩形波にはフーリエ級数などが出てきます。
いつ習ったかも忘れましたよね。

他方の直流は単純です。
基本的には、足し算と引き算と掛け算と割り算ですから。

ソーラー発電を直流にしてくれてありがとうございます!(誰が決めたのだろう)

閲覧ありがとうございました。

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プロフィール

しゅう

Author:しゅう
1991年北海道三笠市生まれ。プロフィール

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