三相交流の原理




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三相交流の原理

三相交流は本来ならば、三つの回路が必要なはずです。

なぜ、三相交流は3本で三つの回路を作ることができるのでしょうか。

そしてなぜ、三相交流が多く用いられているのでしょうか。

三相交流の原理と利点を紹介します。

三相交流の原理を理解するには、単相交流の仕組みを知らなくてはなりません。

一般家庭で使われている電気(交流)は単相交流というものです。

この単相交流の位相を互いにずらせて、3系統を組み合わせた交流方式が三相交流といわれるものです。

一般家庭で使う単相交流電源を電灯(でんとう)と呼び、主に工場などで使われる三相交流電源を動力(どうりょく)と呼びます。

単相交流の仕組みと波形

発電機の導体(コイル)が回転することで、図1-1のような単相交流が発生します。

時間の経過と共に電圧の大きさと方向が、変化していることがわかります。

交流の電流の向きは時間と共に変化する

単相電動機に流れる電流の動きは、常に変化して行ったり来たりを繰り返している。

図1-2のように、AからCの波形の時は、単相電動機には赤の矢印の向きに電流が流れていると仮定します。

すると、CからEの波形の時は青の矢印の向きの電流が流れることになります。

つまり、交流は時間の経過と共に、流れる電流の方向と大きさが変化していることになります。

三相交流の原理とは

三相交流とは本来ならば、3系統の電気を送るためには6本の電線が必要なところを、3系統の電気の位相を互いにずらすことで、3本で送れるという優れた特徴を持つものです。

これが三相交流の原理になります。

三相交流の原理は単相交流の位相を各相ごとに、120度\(\left(\cfrac{2π}{3}\right)\)ずらせたもので、「回転磁界」を簡単に得ることができます。

また、三相交流から単相交流を取り出すことができること。

各相の大きさと周波数が同じ三相交流のことを「対称三相交流」と呼び、通常は対称三相交流のことを単に三相交流と呼びます。

三相交流は単相交流と比べて、電線一本当たりの送電電力が大きいなどの利点があるため最も普及しています。

三相交流は3系統の単相交流が合体したもの

図1-3は3個の単相交流回路と三相交流回路を表わしている。

三相交流回路は戻りの線を共通線で1本にしたもので、三相4線式と呼ばれるものです。

三相交流は瞬時の和がゼロになる

三相交流の波形

三相交流の最大の特徴は各相の値を瞬時で合計するとゼロになることです。

三相の電力を3本の電線で送ることができる。

これが、三相交流の原理です。

瞬時の和がゼロになることを計算で確かめる

図2-1に平衡三相交流を複素数で表示する。

次に共通線に流れる電流がゼロになることを計算で確かめてみる。

各相の大きさは同じで、位相が互いに120度\(\left(\cfrac{2π}{3}\right)\)ずれている。

三相交流回路の各相に流れる電流は次のようになる

\(I_a=I\) [A]

\(I_b=I\left(-\cfrac{1}{2}-j\cfrac{\sqrt3}{2}\right)\) [A]

\(I_c=I\left(-\cfrac{1}{2}+j\cfrac{\sqrt3}{2}\right)\) [A]

三相交流回路各相の電流を加算するとゼロになる

\(I_a+I_b+I_c\)=\(I+I(-\cfrac{1}{2}-j\cfrac{\sqrt3}{2})+I(-\cfrac{1}{2}+j\cfrac{\sqrt3}{2})\)

\(I_a+I_b+I_c=0\)

この結果、共通帰線が不要となる

図2-2のように三相交流回路では三相3線式にすることができます。

以上で「三相交流の原理」の説明を終わります。




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