単相2線式と単相３線式の、違いや仕組みについて説明します。
単相2線式と単相3線式の仕組み
■ 単相２線式は、単相３線式の 中性線と電圧線 の2本を使う方式のことで、単相100ボルトを使うことができます。
単相３線式は、単相100Vだけでなく 両側の電圧線 を使うことで、単相200ボルトを使うことができます。
■ 一般家庭で使用されている電気は、100ボルトあるいは200ボルトになっています。
近頃はIH調理器やエアコンなどで200ボルトの電気機器も多く使われるようになっています。
それでは、単相2線式の仕組みから説明していきます。
単相2線式の仕組み
■ 単相２線式は図２のように 電圧線と中性線 の２線で構成されています。
■ 中性線は大地に接続されているので、電位はゼロ です。
電圧線と中性線の間の電圧は100ボルトになっています。
電圧線と中性線の間にコンセントを接続して、電気機器を使うことになります。
■ コンセントの形状
コンセントの形状は、図３のように 差込口の長さが違います。
コンセントの差込口は 接地側 が 電圧側 より少し長くなっていて、左側が接地側になるように壁面に取り付けられています。
単相3線式の仕組み
■ 単相３線式は、図４のように電圧線と中性線の間は それぞれ単相100ボルトの電圧を使うことができます。
両端の電圧線では 単相200ボルトの電圧 を使うことができるようになっています。
単相100ボルトの回路が2つありますが、バランスよく使うことで中性線に流れる電流を小さくすることができます。
単相３線式では中性線Bを接地します。
■ 一般的な方法で 中性線Bを接地 した場合は、図５のようになります。
中性線Bの 電位 はゼロになります。
中性線が接地されているので、通常の100Vのコンセントには 0ボルトあるいは100ボルト しか現れません。
Aの電線、Cの電線にかかる電圧は、接地に対して100Vになります。
中性線でなくCの電線を接地した場合
■ 次にもしも、Cの電線を接地した場合は 図６のようになります。
もちろん、Cの電線を接地した場合でも、A-B間にコンセントを接続して使うことができます。
A-B間に設置されたコンセントは、AB間の電圧は100ボルトになります。
しかし、Aの電線には接地に対して常に200ボルトの電圧がかかっていますので大変危険です。
また、Bの電線には、接地に対して常に100ボルトの電圧がかかっていることになります。
以上のことから、中性線が接地されます。
柱上変圧器の役割
■ 柱上変圧器は、一次側の6600Vの電圧を一般家庭で使えるように、二次側で100ボルトと200ボルトの電圧にする目的があります。
■ 図１のように、中性線は接地されています。
この目的は変圧器が故障した場合などに、一次側の高い電圧が低圧側に流れたときの保護用とされています。
また、日本では家庭用として対地電圧150ボルトを超えるものを、引き込んではならないとなっているようです。
練習問題
問題１
図のような単相3線式の回路で、電線１線あたりの抵抗が \(0.3\) [Ω] で抵抗の負荷に流れる電流がともに \(10\) [A] のときの 電路の電力損失を求めよ。
＜解答例＞
負荷に流れる電流がともに \(10\) [A] なので、中性線には電流が流れないことになります。
したがって、２線分の電力損失を求めれば良いことになります。
１線分の電力損失 \(P\) [W] は
\(P=VI=I^2R\) で求められます。
\(P=10^2×0.3=30\) [W]
２線分なので 電路の電力損失は \(60\) [W] になります。
問題２
図のような単相3線式の回路で、電線１線あたりの抵抗が \(0.04\) [Ω] で抵抗の負荷に流れる電流がいずれも \(10\) [A] のときの 電路の電力損失を求めよ。
＜解答例＞
負荷に流れる電流が平衡しているので、中性線には電流が流れないことになります。
したがって、２線分の電力損失を求めれば良いことになります。
１線分の電力損失 \(P\) [W] は
\(P=VI=I^2R\) で求められます。
\(P=20^2×0.04=16\) [W]
２線分なので 電路の電力損失は \(32\) [W] になります。
問題3
■ 図のような、単相３線式回路において消費電力が 100W と 500W の抵抗負荷が接続されています。
それぞれの抵抗負荷に流れる電流と抵抗値を求めよ。
＜解答例＞
負荷の消費電力が分かっているので、電力の公式から
\(P=VI\) より
\(I=\cfrac{P}{V}\) ですから
100Wの抵抗負荷に流れる電流 \(I_1\) とすると
\(I_1=\cfrac{100}{100}=1\) [A]
100Wの抵抗負荷の抵抗値は、オームの法則から
\(R_1=\cfrac{V}{I}=\cfrac{100}{1}=100\) [Ω]
500Wの抵抗負荷に流れる電流 \(I_2\) とすると
\(I_2=\cfrac{500}{100}=5\) [A]
500Wの抵抗負荷の抵抗値は、オームの法則から
\(R_2=\cfrac{V}{I}=\cfrac{100}{5}=20\) [Ω]
抵抗値と電流は次のようになります。
問題4
図において、バツ印のところで断線した場合、100Wの抵抗負荷にかかる電圧を求めよ。
ただし、断線により負荷の抵抗値は変化しないものとする。
＜解答例＞
中性線で断線すると次の図のように、２つの抵抗負荷に200Vの電圧がかかることになります。
抵抗負荷の抵抗値が分かっていますので、合成抵抗は直列接続ですから120Ωになります。
回路の流れる電流 \(I\) は
\(I=\cfrac{V}{R}=\cfrac{200}{120}=\cfrac{5}{3}\) [A]
100Wの抵抗負荷にかかる電圧 \(V_1\) は
\(V_1=R_1I=100×\cfrac{5}{3}\)
\(V_1≒167\) [V] になります。
以上で「単相2線式と単相3線式の仕組み」の説明を終わります。