【第二種電気工事士】三相交流回路のスター結線(Y結線)を完全攻略!電圧・電流の計算とルート3の使い方

【第二種電気工事士】三相交流回路のスター結線(Y結線)を完全攻略!電圧・電流の計算とルート3の使い方

記事を読む前に!実践・過去問チャレンジ

電気工事士の試験勉強を進める中で、計算問題に苦手意識を持っている方は多いのではないでしょうか。特に「三相交流回路」は、単相回路とは異なるルールがあり、ルート3(1.73)という数字も出てくるため、混乱しやすい分野です。

しかし、三相交流回路の問題は出題パターンが決まっています。特に今回取り上げる「スター結線(Y結線)」の仕組みを理解してしまえば、数字が変わっても確実に解ける貴重な得点源になります。

まずは、実際の試験問題(過去問)を解いて、現在の理解度を確認してみましょう。

【問題】

図のような三相3線式回路に流れる電流 I [A] は。

スター結線の回路図
  1. 5.0
  2. 5.8
  3. 8.7
  4. 10.0

答えは決まりましたか?

「とりあえず200Vを20Ωで割って10A(選択肢4)」と考えてしまった方は要注意です。それは単相回路の計算方法であり、三相交流のスター結線では正解になりません。

なぜその計算ではいけないのか、正しい解き方はどうなるのか。試験本番で迷わないための「鉄則」を解説します。

1. ズバリ、正解は?

正解は、選択肢の 【 2 】(5.8)です。

この問題を解くためには、スター結線特有の「電圧の変換」を行う必要があります。

【第二種電気工事士】三相交流回路のスター結線(Y結線)を完全攻略!電圧・電流の計算とルート3の使い方の問題の正誤と各選択肢の図解説の黒板解説

2. スター結線(Y結線)の2つの鉄則

解説に入る前に、スター結線(Yの字の形をした回路)で絶対に覚えておかなければならないルールが2つあります。これを覚えるだけで、問題の解き方が明確になります。

鉄則1:電流は「そのまま」

回路図を見てみましょう。外側の電線を流れてきた電流は、枝分かれすることなく、そのまま抵抗(負荷)に流れ込みます。

つまり、「線電流(外の電流)」と「相電流(中の抵抗に流れる電流)」は同じ値になります。

鉄則2:電圧は「ルート3」

ここが最大のポイントです。

電線と電線の間の電圧(線間電圧)は、1つの抵抗にかかる電圧(相電圧)よりも大きくなります。その倍率が「ルート3(約1.73)」です。

  • 線間電圧 = 相電圧 × 1.73
  • 相電圧 = 線間電圧 ÷ 1.73

「スター結線の電圧は、外(線間)の方が大きく、中(相)の方が小さい」とイメージしてください。

スター結線の電圧・電流の関係を示す図。線間電圧と相電圧の位置関係がわかるもの画像

3. 計算手順の完全解説

それでは、今回の問題を3つのステップで解いていきましょう。

STEP 1:抵抗にかかる電圧(相電圧)を求める

問題で与えられている「200V」は線間電圧です。

オームの法則を使って抵抗に流れる電流を求めるには、抵抗1個に直接かかっている電圧(相電圧)を知る必要があります。

鉄則2に従い、線間電圧を1.73(ルート3)で割って、相電圧を求めます。

相電圧 = 200 ÷ 1.73 [V]

STEP 2:オームの法則で電流を求める

抵抗1個にかかる電圧(200 ÷ 1.73)と、抵抗の値(20Ω)が分かりました。

これらをオームの法則(電流 = 電圧 ÷ 抵抗)に当てはめます。

電流 = (200 ÷ 1.73) ÷ 20

STEP 3:計算を楽にするテクニック

ここで、電卓が使えない筆記試験ならではの計算のコツがあります。

「200 ÷ 1.73」を先に計算しようとすると、割り算が大変で時間がかかってしまいます。

式の順番を入れ替えてみましょう。

電流 = 200 ÷ 20 ÷ 1.73

先に「200 ÷ 20」を計算します。これなら簡単ですね。答えは「10」です。

残った計算は以下のようになります。

電流 = 10 ÷ 1.73

これなら筆算も簡単です。

10 ÷ 1.73 = 5.780…

四捨五入すると、約 5.8 A となります。

よって、正解は 【 2 】 です。

4. 応用編:逆パターンの問題も攻略(電圧を求める)

試験では、逆に「電流から電圧を求める」問題もよく出題されます。

こちらも考え方は同じですので、セットで覚えてしまいましょう。

【例題】

「電流が15A、抵抗が8Ωのとき、線間電圧 E [V] はいくらか?」

(抵抗はスター結線とします)

  1. 120
  2. 169
  3. 208
  4. 240

解説

  1. 相電圧を出すまず、抵抗1個にかかる電圧(相電圧)を計算します。電流は「そのまま」なので、抵抗には15Aが流れています。15 × 8 = 120 [V]これが相電圧です。選択肢1に「120」がありますが、ここで飛びついてはいけません。
  2. 線間電圧に変換する求めたいのは線間電圧です。鉄則2に従い、相電圧を1.73倍(ルート3倍)します。120 × 1.73 = 207.6 [V]答えは約 208V(選択肢3)となります。
【第二種電気工事士】三相交流回路のスター結線(Y結線)を完全攻略!電圧・電流の計算とルート3の使い方の例題の正誤と各選択肢の図解説の黒板解説

まとめ:スター結線の攻略ポイント

第二種電気工事士の試験でスター結線の問題が出たら、以下の手順で落ち着いて解きましょう。

  1. 回路がスター(Y)結線であることを確認する。
  2. 電流はイコール(線電流=相電流)。
  3. 電圧はルート3倍(線間電圧=相電圧×1.73)。
  4. オームの法則を使うときは、必ず「抵抗1個にかかる電圧(相電圧)」を使う。

このルールさえ守れば、どのような数値が出ても確実に正解を導き出せます。「ルート3」の計算に慣れて、貴重な1点を確実にゲットしてください。