【電気回路】補償定理の性質を例題を用いて解説

問題

下記の回路が平衡状態になっているとする。Z1ΔZ1分微小変化させたとき、中央の電流計に流れる電流ΔIを補償定理を用いて求めよ。

補償定理とは

電流Ioが流れている枝にインピーダンスΔZを接続したときに発生する電流ΔIは、回路に接続されている電源を全て殺し、電流の向きと反対にΔV=ΔZIoの電圧源を接続したときに流れる電流に等しいことを言います。

長文で申し訳ないですが、上記の操作を手順で表すと下記になります。

  1. 変化させるインピーダンスに流れる電流Ioを求める。
  2. インピーダンスの変化幅ΔZを乗算した電圧源ΔZIoを電流と逆向きに接続する。
  3. 他の電源の影響を全て排除した状態で、変化させたインピーダンスに流れる電流を求める。

結局、操作としては上記3つを行うことで解決できます。微小変化を考えていることから、パラメータは変化前後で一定とみなせます。よって、接続する電圧源はΔZIoと変化前の電流で考えて良いと考えられます。

補償定理と聞くと、難しいことをやっていそうに見えます。しかし、結論は、電流の変化量を求めるのだから、変化前後のパラメータを調べるという基本的な操作を電気回路として表現しただけです。

実際に例題を解いてみましょう。

解答例

まず、インピーダンスZ1の変化前の値は、ブリッジ回路の平衡条件により

(1)Z1Z4=Z2Z3

(2)Z1=Z2Z3Z4

この時に流れる電流Io

(3)Io=EZ1+Z3=Z4E(Z2+Z4)Z3

Z1に対し、ΔZ1変化させたときに発生する電流は、検流計に流れる電流と等しい。

補償定理より、電流と逆向きに接続する電圧源ΔE

(4)ΔE=ΔZ1Io=ΔZ1Z4E(Z2+Z4)Z3

ΔEに関係ない電圧源を殺したとき、回路は電流計を中心として下記のように書き直せる。

回路の左側を電流源ΔJ、右側を合成抵抗Z24に変換すると

(5)ΔJ=ΔEZ1=ΔZ1Z4EZ1Z3(Z2+Z4)

(6)Z24=Z2Z4Z2+Z4

以上より、回路に流れる電流ΔIは、分圧則により

(7)ΔI=1Z241Z1+1Z3+1Z24ΔJ=Z1Z3Z3Z24+Z1Z24+Z1Z3ΔZ1Z4EZ1Z3(Z2+Z4)

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