変圧器の基礎

電気設備で重要な重要な機械の一つが変圧器です。
本項では、変圧器の基礎を説明します。

変圧器は、電源側の電圧と負荷側の電圧を変化させる装置です。
基本的には下図のような構成になっています。

一次側と二次側それぞれが鉄心に電線を巻き(巻線)つけており、両者は鉄心で繋がっています。
一次側を交流電源に、二次側を負荷に接続しますが、一次側の巻線と二次側の巻線の巻き数の差で電圧差が生まれ変圧できます。

変圧の仕組みについて説明しましょう。
一次側に電流が流れると鉄心の中の磁束に変化が生じます。その変化を打ち消そうとする電圧が発生し、その電圧を誘導起電力といいます。
一次側で磁束の変化が生じると二次側でも磁束の変化が生じ、二次側でも誘導起電力が発生します。
このことから一次側と二次側の巻数の比(巻数比)と誘導起電力の比(変圧比)は等しくなります。

しかし、変圧器は一次側と二次側での電力の変化はありません。それで変圧比と一次側と二次側の電流の比(変流比)は反比例し、それぞれの関係は下記の式で表します。

さらに変圧の仕組みには以下のものを考慮する必要があります。

  • 漏れリアクタンス
  • 巻数抵抗
  • 鉄損

一次・二次巻線で磁束は鉄心だけでなく、外に漏れるものがあります。このような磁束を漏れ磁束といい、漏れ磁束は巻線でリアクタンスとして作用します。このリアクタンスが漏れリアクタンスです。

さらに巻線自体が持つ抵抗を巻線抵抗といい、変圧器で考慮する必要がある要素になります。

鉄損とは、漏れリアクタンスや巻線と同じように変圧器で生じる電力損失です。電気回路にすると抵抗とリアクタンスを並列にして表し、抵抗を部分を励磁コンダクタンス、リアクタンス部分を励磁サセプタンスといいます。この二つを合成したものを励磁アドミタンスといいます。

これらの3つの要素は、変圧器を等価回路にして考慮すると分かりやすくなります。等価回路に関しては変圧器に計算の項で説明します。

以上が変圧器の基礎になります。

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