変圧器

変圧器（へんあつき）

概要

変圧器は交流電力の電圧を変換するための重要な電力機器であり、電磁誘導の原理を利用して機能します。一般にはトランスまたは変成器とも呼ばれるこの装置は、電圧だけでなく電流も変化させることができます。静的な構造をもつ変圧器は、周波数を変えずに電力を一つの回路から別の回路に送ります。この機器は、交流電圧の変換だけでなく、インピーダンス整合や平衡系から不平衡系への変換にも用いられます。

基本原理

変圧器は、磁気的に結合された複数のコイルから構成されます。これらのコイルは、内部や外部に磁気回路を持つこともあります。通常、二つのコイルがあり、一次コイルと二次コイルとして識別されます。一次コイルには交流電流が流れ、変動する磁場が生成されます。この磁場は相互誘導によって結合された二次コイルに伝達され、再び電流へと変換されます。この過程で、一次側に入力されたエネルギーと二次側から出力されるエネルギーは等しくなります。しかし、エネルギー保存の法則に従い、実際には変換中に損失が生じるため、二次側の出力が減少することになります。

変圧比と巻数比

一次コイルの電圧をV1、巻数をN1、電流をI1、二次コイルのこれらをV2、N2、I2とすると、変圧比（V1/V2）、巻数比（N1/N2）、変流比（I2/I1）に関係があります。理想的な変圧器では、巻数比と変圧比は等しくなり、変圧比は変流比の逆数になります。このため、特定の条件下では、これらの比が成り立ちます。

励磁電流と損失

変圧器には、主磁束を形成するための励磁電流が流れます。理想的には、この励磁電流は一次電圧より90度遅れます。しかし、鉄心の飽和やヒステリシスの影響で、実際の励磁電流の波形には高調波ひずみが含まれることがあります。変圧器における損失は無負荷損（鉄損）と負荷損に分かれ、負荷がかかっても発生している無負荷損は常に生じ、一方負荷損は負荷電流の2乗に比例します。

設計要素

変圧器の設計には、定格周波数、定格容量、定格電圧などの数値があります。これらは、機器が正しく機能するための条件として重要です。さらに、鉄心の材料や巻線の素材も性能に重要な影響を与えます。特に、温度に耐えることのできる絶縁材料が必要で、鉄心にはケイ素鋼が一般的に用いられます。

変圧器の種類

変圧器は、単相変圧器と三相変圧器に分けられます。単相変圧器は単相交流を入出力とし、三相変圧器は三相交流を扱います。また、特定の用途に応じて異なる結線方法や変換器も存在しています。例えば、スコット結線は三相交流から二組の単相交流を出力し、変形ウッドブリッジ結線は不平衡負荷にも耐える能力を持つため、特に高電圧送電で用いられます。

歴史

変圧器の原理は1831年にファラデーによって発見された電磁誘導の法則に基づいています。その後、1836年にコイルを用いた最初の実用的な変圧器が発明され、1880年代に高効率な設計が確立されました。これにより、交流電力の重要な役割が認識されるようになり、変圧器は現代の電力供給システムにおいて不可欠な存在になりました。

結論

変圧器は、電力の効率的な伝送と変換において重要な役割を果たしており、様々なタイプが用途に応じて設計されています。電力システムの進展とともに、変圧器も新しい技術や要求に対応して進化し続けています。

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