三相交流の原理




家庭のコンセントに来ている交流の電気を単相交流といいます。三相交流とは、この単相交流を三つ重ね合わせたものといわれます。

単相交流を三つ重ねたものが三相交流ならば、単純に考えると6本の配線が必要に思えます。しかし、実際には3本の電線で三系統の単相交流を送電することができます。

このことは、発電所で作られた電気の送電などに、三相交流が用いられる大きな要因と考えることができます。

三相交流の原理は、三つの単相交流を互いに1/3ずつ位相をずらせるという仕組みを利用しています。

一般的に、対称三相交流のことを単に「三相交流」といいます。

対称三相交流とは、三相の起電力と周波数が等しく三相それぞれの位相差が、\((\cfrac{2π}{3})\) [rad] ラジアン の関係にある交流のことをいいます。

三系統の位相が異なる電気を発生する原理

磁界の中にある、コイルを回転させると、コイルに起電力が発生します。

これは発電機の原理ですが、磁石の周りにコイルを固定して、磁石の方を回転させても、同じようにコイルに起電力が発生します。

三相交流の原理は、三つのコイルを互いに 120度 つまり、\((\cfrac{2π}{3})\) [rad] ラジアン ずつずらして配置します。

このようにすることで、電圧と周波数が同じで互いに位相が120度ずれた、起電力を発生させることができるわけです。

三相交流は瞬時値の和がゼロになる

三相交流の特徴の一つですが、三相交流は瞬時値の和が常にゼロになります。このことが、三系統の単相交流を重ね合わせた時に、3本の電線で送電ができるという理由になります。

三つの単相交流を重ね合わせると、共通の帰線を持った三相4線式にすることができます。
しかし、三相交流の瞬時値が常にゼロになるという特性から、共通帰線も必要なくなります。

したがって、三相交流は、三系統の単相交流を3本の電線で送電することができるわけです。

瞬時値の和がゼロになることを計算してみましょう。

平衡三相交流を複素数で表示する。

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]

三相交流回路の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、三相交流では共通帰線が不要となるので、三相3線式にすることができます。

三相交流のメリット

送電する時に、高圧で送電することができるので、ロスが少なくて済むこと。

互いの位相差が 1/3 ずつあるので、回転磁界ができること。

変圧器で昇圧したり、降圧するのが簡単にできること。

同じ電力を送る場合など、経済的であること。などがあります。

以上で「三相交流の原理」の説明を終わります。




スポンサーリンク