変圧器

変圧器（へんあつき、transformer、Voltage converter）は、交流電力の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換する電力機器・電子部品である。変成器（へんせいき）、トランスとも呼ぶ。

交流電圧の変換（変圧）、インピーダンス整合、平衡系-不平衡系の変換に利用する。

理論

原理

変圧器は、磁気的に結合した（相互誘導）複数のコイルからなる。コイル内外に磁気回路をともなうものもある。コイルに使用する導線を巻線という。

特に2個のコイルから成るものにおいて、入力側のコイルを一次コイル、出力側のコイルを二次コイルという。一次コイルに交流電流を流し、変動磁場を発生させ、それを相互インダクタンスで結合された二次コイルに伝え、再び電流に変換し、出力する。

変圧器によって電圧を変更することを変圧（へんあつ）といい、電圧を上昇させることを昇圧（しょうあつ）、逆に下降させることを降圧（こうあつ）という。

変圧比

一次電圧 V₁ と二次電圧 V₂ の比を変圧比（へんあつひ）という。また、一次巻数 N₁ と二次巻数 N₂ の比を巻数比（まきすうひ）または変成比（へんせいひ）という。理想的な変圧器の場合、変圧比と巻数比は等しい。

${\frac {V_{1}}{V_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}$

変流比

一次電流 I₁ と二次電流 I₂ の比を変流比（へんりゅうひ）という。変流比は、変圧比および巻数比の逆数に等しい。

${\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}$

励磁電流

鉄心に主磁束を形成する電流が励磁電流（れいじでんりゅう）である。理想的な変圧器では、励磁電流の位相は一次電圧よりも90°遅れる。実際には鉄心の磁気飽和やヒステリシスにより励磁電流の波形は主に奇数次の高調波ひずみを含む。

電源周波数を高くすると励磁電流は減少する。^[1]

損失

無負荷損（鉄損）

通電（励磁）している場合、負荷の大きさに関係なく生じる損失。

負荷損

負荷電流の2乗にほぼ比例する損失である。

銅損: 巻線による電気伝導体の電気抵抗によるジュール損。
漂遊負荷損: 漏れ磁束による変圧器各部に生ずる渦電流損。

設計

定格

定格周波数
定格容量
定格一次電圧
定格二次電圧

タップ電圧
定格一次電流
定格二次電流
角変位

鉄心・巻線

一次回路と二次回路を相互インダクタンスで結合する磁気回路として、通常は鉄心が用いられる。高周波用には鉄心を有しないものもある。

変圧器の鉄心には鉄損が少なく、飽和磁束密度・透磁率の大きい材料が適しており、ケイ素鋼板が多く用いられ、特定の方向に磁化し易い方向性鋼板が採用されることも多い。また、特に損失の低減を図る目的でアモルファス磁性材料が用いられることもある。

渦電流損を低減させるため、表面を絶縁処理した薄い鋼板を積層したものや、帯状に圧延した鋼板を巻いた巻鉄心などがある。

巻線には絶縁被覆を有する軟銅線が用いられる。断面形状は一般的なものでは丸形だが、大型用は導体断面積を大きくできる角形となっている。一般には一次巻線を巻いた上に二次巻線を重ねる積層巻が行われるが、特に、信号用・高周波用変成器のように一次・二次の密な結合が必要な場合は、一次・二次の巻線を1本ずつ交互に配置するバイファイラ巻なども行われる。

また、複数の二次電圧が必要な場合や電圧の調整が必要な場合は、巻線の途中からタップと呼ばれる端子が取り出される。

鉄心と巻線の配置は以下の2種類ある。

内鉄形

鉄心の周りに低圧巻線、その周りに高圧巻線を配置する、同心円配置が多い。
鉄心より巻線が多くなり、銅機械となる。
絶縁のため高電圧に用いられる。

外鉄形

巻線の周りに鉄心を配置したものである。
鉄心の周りに低圧巻線・高圧巻線を交互に配置する、交互配置が多い。
巻線より鉄心が多くなり、鉄機械となる。

絶縁物の種類

油入変圧器 : シリコーン油・鉱油
モールド変圧器 : 合成樹脂モールド
- 耐熱クラス H（H種）乾式変圧器 : 空気
ガス変圧器 : 六フッ化硫黄 (SF₆) ガス

保安装置

機械的保護

ブッフホルツ継電器
衝撃油圧継電器
温度継電器

電気的保護

変圧器の結線と種類

単相変圧器

単相交流を入出力とするものである。

三相変圧器

三相交流を入出力とするものである。

三相変圧器の結線
結線	線間電圧/相電圧	線電流/相電流	中性点接地	角変位	特徴・用途
Δ - Δ	1	√3倍	不可	無	低電圧の回路で用いられる。
Y - Y	√3倍	1	一次、二次とも可能	無	鉄芯の磁気飽和による高調波電圧により誘導起電力が歪むため、Y - Y - Δ結線が用いられることが多い。
Y - Y - Δ	√3倍	1	一次、二次とも可能	無	Δ結線の三次巻線に第三調波を流し誘導起電力を正弦波とする。三次巻線が計測用に用いられることもある。
Y - Δ	一次:√3倍二次:1	一次:1 二次:√3倍	一次のみ可能	有	降圧に適しているため受電端に用いられる。
Δ - Y	一次:1 二次:√3倍	一次:√3倍二次:1	二次のみ可能	有	昇圧に適しており、二次側の中性点接地が可能なため送電端に用いられる。
V - V	1	√3倍	不可	無	配電用柱上変圧器など。利用率が小さい。 Δ - Δ結線で1相が故障した場合の応急用にも用いられることがある。

スコット結線変圧器

三相交流から90度の位相差の2組の単相交流を出力するもので、2つの巻線を持つ。

出力電圧を揃えるため、1つの巻線の巻数比をもう一方の巻線の巻数比の ${\frac {\sqrt {3}}{2}}$ 倍としている。

鉄道の交流き電用変電所などに用いられる。

2次側巻線が2組あり、単相交流が2組出るタイプが一般的である。効率が悪くなるが、2つの出力を直列にして両端で単相1組とする事も出来る。注意点として、2つの出力の位相が90度異なるため、電圧が2倍ではなく1.4倍になる事が挙げられる。例えば、各々200Vで10kVAの容量があるスコット結線変圧器では、単相1回路結線した場合、280V・14kVAの容量しか得られないため体積効率が悪くなる。また、各巻線の電圧と電流の位相がずれるため力率も悪くなる。そのため非常用発電回路など小規模な設備に限って使われる。

なお、2つの巻線の負荷にアンバランスがあると一次側が不平衡となり逆相電流が発生するため、負荷を均等化することが望ましい。これは次項のウッドブリッジ結線にも共通する留意事項である。

ウッドブリッジ結線変圧器

一次側はY巻線とし、二次側は2つのΔ巻線を背中合わせに接続した変圧器で、スコット結線と同様に三相交流から90度の位相差の2組の単相交流が得られるが、電圧を揃えるため一方の二次回路に単巻変圧器が併置される。また、ウッドブリッジ結線の2つのΔ巻線と、外付けの単巻変圧器を一体化したものを変形ウッドブリッジ結線という。

多量の電力を扱う新幹線の交流き電用変電所では220kV系以上の超高圧送電線から受電しているが、保安上、一次回路の中性点接地が必要なため、変形ウッドブリッジ結線変圧器が用いられている。

単巻変圧器

巻線の一部を一次と二次側とで共用するものである。オートトランス、またはオートトランスフォーマー(en:autotransformer)、オートフォーマーともよばれている。共通部分を分路巻線（ぶんろまきせん）、そうでない部分を直列巻線（ちょくれつまきせん）という。

一次・二次電圧のうち高い方をV_H・低い方をV_Lとした場合、一次・二次巻線を有する通常の変圧器に比べ、単巻変圧器は (V_H-V_L)/V_H倍の容量で足りることとなり、メリットは変圧比 (V_H/V_L) が1に近いほど顕著となる。

分路巻線に流れる電流は、一次側と二次側の差となるので巻数比が小さいほど細くできる。
分路巻線は漏れ磁束が無く、漏れリアクタンスが小さく、電圧変動率も小さくなる。
入力電圧と出力電圧との差の少ない用途に適する。
一次側と二次側を電気的に絶縁できない。回路構築上、接地極に注意する必要がある。

このような特徴から、単巻変圧器は長距離配電線の電圧降下補償などに用いられている。なお、三相交流の場合、Δ - Δ接続の単巻変圧器は一次・二次間に位相差が生じるので注意が必要である。

可変単巻変圧器

また、巻線に接触させた可動式摺動子から出力を取り出すことで電圧を可変できる単巻変圧器は俗にスライダックと呼ばれる（スライダック (SLIDAC) は東芝の登録商標。なお東芝はスライダックの生産を終了し、現在残っている単線変圧器は東京理工舎の「リコースライドトランス」又は山菱電機の「ボルトスライダー」など（同社名のYAMABISHIは同業他社））。最近は、重量や価格の点で半導体による電圧調整装置が用いられることも多いが、出力電圧が波形ひずみを殆ど含まないことは、単巻変圧器の大きな特長である。

磁気漏れ変圧器

磁気漏れ変圧器は一次・二次巻線を別々の区画に離して巻き、これに漏れ磁束のための磁気回路を設けたものである。負荷電流が増加しようとすると漏れ磁束の増加で電圧が低下し、負荷が変動しても電流が一定に保たれる。定電流変圧器とも呼ばれる^[2]。漏れインダクタンス（漏れインピーダンスの）値が大きいトランスである。蛍光灯用磁気安定器・ネオン管用変圧器・アーク溶接用変圧器・電子レンジ（マグネトロン）安定用変圧器などに用いられる。

共振変圧器

共振変圧器は磁気漏れ変圧器の一種であり、二次巻線に並列に共振コンデンサを接続し、共振を起こさせるトランスである。磁気漏れ変圧器の漏れインダクタンスと共振コンデンサとが直列共振回路を形成して昇圧する。変圧比（昇圧比）が一定せず、負荷によって変圧比（昇圧比）が変動する。電子式蛍光灯安定器（蛍光灯インバータ）・電子式ネオン管安定器・冷陰極管用インバータ・テスラコイル（放電用）などに用いられる。

運用

変圧器の並行運転

変成器（電子部品）

変成器（へんせいき）とは、電磁誘導を利用して複数の巻線の間でエネルギーの伝達を行う電子部品である。トランスとも呼ばれる。

変圧器と構造、動作原理はほぼ同じであるが、用途が異なるため電子部品として用いられるものをこの節で説明する。

概要

トランスの1次側と2次側の巻数比に対して、電流比＝巻数比、インピーダンス比＝巻数比²の関係が成り立つ。

トランジスタなどの増幅回路に用いるトランスには、用途別に入力トランス、段間トランス、出力トランスの3種類がある。ただしこれらの分類はインピーダンスの公称値に対してメーカーが推奨する用途を定めたものであるため、耐電力などの条件を満たせば転用も可能である。トランジスタ用の小型トランスは山水電気のST-○○（2桁の数字）が定番と言えるもので、他社製のトランスもこれに準ずる型番を付けている製品が多い。

種類

入力トランス: 入力機器（マイクロホン、センサ）などと増幅回路のインピーダンス整合を行うトランスが入力トランスである。; マイクロホンの入力の場合は、マイクロホンの出力端子の2本をアースから独立させて入力トランスの1次側に接続し、2次側をアンプの入力に接続する構造を採っている。2本の信号ラインに対して同相で混入した外部からのノイズ、ハムは入力トランスを通過しないので、長い配線を行っても高いS/N比が得られる。平衡接続参照。
段間トランス: 増幅回路の出力と次段の入力のインピーダンス整合を行うトランス。B級プシュプル増幅回路などで、正負の2入力が必要な場合に、センタータップ付きのトランスが用いられる。IC、およびトランスを用いないSEPP回路などが主流になったため、近年はあまり見られない。
出力トランス: スピーカーのインピーダンスは4 - 32Ω程度と極めて低いので、出力インピーダンスが高い真空管を用いた増幅回路、およびエミッタ接地回路によるトランジスタ増幅回路でスピーカーを駆動するには、1次側が数100Ω - 数kΩ、2次側をスピーカーのインピーダンスに合わせた出力トランスを用いる。1次側の直流分（バイアス成分）を除く（2次側に現れないようにする。直流分カットと言うことがある。）ことにもなるので、負荷の保護の役割も兼ねる。
電流変成器（カレントトランス）: 電流の測定において分流器を用いる場合、抵抗による熱損失などが問題となるため、大電流の交流や高周波を扱うには適切な方法ではない。そこで分流器の代わりにトランスが用いられる。; 電力回路では計器用変流器 (CT) がこれに相当する。; 注意点としては通電中は決して2次側の端子を開放しないことである。間違えて通電中に開放すると2次側端子に数千ボルトの高電圧が発生し、機器焼損や感電などの人身事故を引き起こす危険があるためである。
伝送線路トランス: 伝送線路の全体をコアに巻き、磁気回路を形成したものである。通常のトランスと動作原理は全く異なるが、トランスの一種として考えられる。伝送線路の2本の電線に対して同位相の電流は通過することができないので、電波障害の防止や平衡系-不平衡系の変換など様々な用途に用いられる。
低周波トランス (LFT): stub; 段間トランスの一種。低周波の増幅ステージにおいて、一次側と二次側のインピーダンス整合を行う。
中間周波トランス (IFT): stub; スーパーヘテロダイン受信機において、受信周波数に加えた周波数信号から、一定の中間周波数を取り出すために用いられる。
高周波トランス (RFT): stub
絶縁トランス: 入力側（一次側）と出力側（二次側）に分離することによって電灯線からの電気雑音や直流電流が出力側に入る事を防ぐ。また逆に出力側の電気雑音や直流電流が電灯線に入る事を防ぐ。
回転トランス: ロータリートランスともいう。回転体の静止側と回転体の間で電気信号や電流をやり取りする時に使用する。従来はスリップリングを介して行っていたが、摺動子を介すことによって火花が発生する場合があり、磨耗する為、望ましくはなかった。そこで一次側と二次側をそれぞれ静止側と回転側に取り付け磁気回路を形成する事により非接触で交流電流や信号のやり取りが出来る。ビデオデッキの回転ヘッド等に使用される。

歴史

誘導コイルの実験

1831年にマイケル・ファラデーは変圧器の基本となる原理であるファラデーの電磁誘導の法則を発見し、コイル間の電磁誘導に関する実証を行ったが、将来それが起電力を操作する役割を持つという認識は無かった。1836年にアイルランドのメイヌース大学 (St Patrick's College, Maynooth) のニコラス・カラン牧師 (Nicholas Callan) が誘導コイルを発明し、これが変圧器として広く用いられる初めてのものとなった。彼は、一次巻線に対して二次巻線の巻数を増やすほど大きな起電力が発生するということに気づいた初期の研究者の1人であった。誘導コイルは、電池からより高い電圧を取り出そうとする科学者や発明家の努力によって発展した。電池は交流ではなく直流の電源であることから、電磁誘導に必要な磁束の変化を生み出すために一次側でコネクタを振動させて定期的に電流を遮断することによって誘導コイルが働くようになっていた。1830年代から1870年代に掛けて、よりよい誘導コイルを、ほとんどは試行錯誤によって作り出そうとする試みにより、ゆっくりと変圧器の基本原理が明らかとなっていった。効率的で実用的な設計は1880年代まで発明されなかったが^[3]、それから10年の間に電流戦争において交流が直流に対して勝利を収め、それ以来支配的な地位を確保し続けているために変圧器が助けとなった^[3]。

1876年にロシアの技術者であるパーヴェル・ヤブロチコフは、一次側巻線が交流電源に接続され、二次側巻線を彼の設計した複数の「電気ろうそく」（アーク灯）に接続できる誘導コイルの組み合わせに基づいた照明システムを発明した^[4]^[5]。このコイルはシステムの中で原始的な変圧器のように用いられた^[4]。この発明に関する特許では、このシステムは「単一の電源からいくつかの照明装置にそれぞれ異なる輝度で電力を供給する」としている。

1878年、ハンガリーのガンツ社の技術者がオーストリア＝ハンガリー帝国での電灯装置製造のために大きな技術的な貢献をし、1883年までに50を超える装置を製作した。ガンツはアーク灯・電球・発電機・その他の備品からなる全般的なシステムを提供した^[6]。

ルシアン・ゴーラールとジョン・ディクソン・ギブスは1882年にロンドンで「二次発電機」(secondary generator) と称する鉄心に空間の空いた装置を初めて公開し、このアイデアをアメリカ合衆国のジョージ・ウェスティングハウスの会社に売却した^[7]。また彼らはこの発明を1884年にイタリアのトリノでも公開し、そこで電灯システムとして採用されることになった。

1880年頃まで高圧の電源から低圧の負荷に交流電力を送る方法は、電源に対して直列に負荷をつなぐものであった。直列につなぐことで各負荷に掛かる電圧は下がったが、その代わりに個々の負荷の電源を切ると全体の電源が切れてしまう。このことから、巻数比が1対1の変圧器が使われた。高圧側の電源に直列に変圧器の一次巻線を接続し、二次巻線で低圧の電灯に接続して、二次側で電源を入り切りすることで、全体の電源を切らずに個別の電灯の電源を切ることができるようにしていた。この方法の本質的な問題は、それでもなお1つの電灯を入り切りするだけで他の回路全体に影響を与えてしまうことで、この直列回路の問題のある特性に対応するために多くの調整可能なコイルの設計がなされた。そのために鉄心を調整し、あるいはコイルの周りを迂回して磁束を流すなどの電圧を調整するための多くの方法が開発された。しかし、磁気回路に空間の空いた誘導コイルは電力を変換する効率が悪かった^[8]。

最初の変圧器の発明

1884年から1885年にかけて、ブダペストのガンツ社の技術者、ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリの3人が効率的な"ZBD"式の閉じた鉄心モデルを開発した^[9]。これはゴーラールとギブスが開発した設計に一見似ていたが、ゴーラールとギブスはあくまで鉄心に空間のあるものを設計している。ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリは、それ以前の鉄心が無い、あるいは鉄心の磁気回路が閉じていない装置は電圧を調整できず、実用的でないことを発見した。彼らが合同で出願した特許では鉄心に極が無い、鉄心が環状になっているものと、鉄心が覆いのようになっているものの2つの構成が記載されていた^[10]。

環状鉄心モデルでは、鉄心は環状に構成され、その周りに2つのコイルが同様に巻かれていた。覆い方式のモデルでは、銅製の誘導ケーブルが鉄心の中を通されていた。どちらの設計でも、一次と二次のコイルを結ぶ磁束はほぼ全て鉄心の中をとおり、意図的に空中を通る経路は無い。鉄心は鉄の線あるいは板で作られていた。この発明によって、産業と家庭に経済的に電力を供給することが可能となった^[11]。ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリは変圧器の巻数比と電圧比の関係する数式も発見した。この数式により、変圧器は計算して設計できるようになった。彼らの特許の出願の中で、ブラーティが造語した"transformer"という言葉が初めて使われた^[12]。

ジョージ・ウェスティングハウスはゴーラールとギブス、そしてZBD式の両方の特許を1885年に購入した。ウェスティングハウスはZBD式の変圧器を商用化する設計をウィリアム・スタンリーに任せた^[13]。スタンリーは、鉄心を組み合わせられたE字形の鉄のプレートから作成した。この設計は1886年に初めて商用に用いられた^[14]。ロシアの技術者ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキー (Mikhail Dolivo-Dobrovolsky) は、1889年に初めて三相の変圧器を開発した。1891年にニコラ・テスラは高電圧を高周波数で発生させる空芯コアで共鳴を利用したテスラコイルを発明した。可聴周波数の変圧器は、電話の開発に際して初期の研究者に利用された。

脚注

[脚注の使い方]

^ 電気主任技術者国家試験問題平成16年度第3種
^ 鳳誠三郎監修・青木正喜著『電気工学概論』実教出版、2002年、93頁
^ ^a ^b Coltman, J. W. (January 1988), “The Transformer”, Scientific American: 86–95, OSTI:http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=6851152
^ ^a ^b Stanley Transformer, ロスアラモス国立研究所;フロリダ大学 2009年1月9日閲覧。
^ W. De Fonveille (1880-1-22). “Gas and Electricity in Paris”. Nature 21 (534): 283 2009年1月9日閲覧。.
^ Hughes, Thomas P, Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880-1930, The John Hopkins University Press, Baltimore and London, 1993. ISBN 0-8018-4614-5, 9780801846144.
^ Allan, D.J., “Power transformers – the second century”, Power Engineering Journal
^ Uppenborn, F. J., History of the Transformer, E. & F. N. Spon, London, 1889.
^ アメリカ合衆国特許第 352,105号
^ “Hungarian Inventors and their Inventions in the Field of Heavy-Current Engineering”. energosolar.com. 2008年12月26日閲覧。
^ HPO - OTTÓ TITUSZ BLÁTHY (1860 - 1939)
^ “Ottó Titusz Bláthy”. Hungarian Patent Office. 2008年12月26日閲覧。
^ Skrabec, Quentin R. (2007). George Westinghouse: Gentle Genius. Algora Publishing. p. 102. ISBN 978-0875865089
^ International Electrotechnical Commission. Otto Blathy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky 2007年5月17日閲覧。

理論

原理

変圧比

変流比