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電力機器Q&A 使い方・構造

ご質問内容

  • Q1.溶接機負荷の場合、変圧器はどのように選定すればいいですか?

    負荷が溶接機の場合の電源用変圧器の容量は、一般に次のようにして求められます。

    また、使用率の低い抵抗溶接機の場合は、変圧器内部及び配線の電圧降下が大きくなるので(ケーブルを含み10%以下が望ましい)別に検討し容量を大きくする必要があります。抵抗溶接機の場合は銘板に記された定格容量(50%使用率に換算された容量)が目安となります。

    計算例
    アーク溶接機:17kVA×3台、定格使用率:0.4、負荷率:0.9とすると

    従って変圧器は30KVAが推奨されます。

  • Q2.電動機負荷の場合、変圧器はどのように選定すればいいですか?

    負荷がモータ負荷の場合の電源用変圧器の容量は一般的に次のようにして求められます。

    一般用低圧三相カゴ形電動機の場合、効率=70~90%、力率70~85%程度なので
    モータ 10kW以下 変圧器容量(kVA)≧1.8×モータ出力(kW)
    モータ 10~30kW 変圧器容量(kVA)≧1.5×モータ出力(kW)
    モータ 30kW以上 変圧器容量(kVA)≧1.3×モータ出力(kW)
    が目安となります。
    またモータを起動する場合、モータの起動電流により変圧器内部及び配線に電圧降下が生じるので、この値が大きい場合(電圧降下10%以下が望ましい)は別に検討し変圧器の容量を大きくする必要があります。
    モータの起動電流は起動方法によって変わり、一般に次のようになります。

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  • Q3.電灯負荷の場合、変圧器はどのように選定すればいいですか?

    負荷が電灯の場合、電源用変圧器の容量は一般に次式で求められます。

    また、白熱灯 出力(W)=入力(VA)
    蛍光燈 低力率形は出力(w)×2.0=入力(VA)
    蛍光燈 高力率形は出力(W)×1.5=入力(VA)
    水銀灯、他 使用安全器の入力(VA)
    として

    として求めることも可能です。

  • Q4.灯動共用結線変圧器の1次及び2次電流はどうなりますか?

    灯動変圧器は三相負荷(動力側)と単相負荷(電灯)に同時に電気を供給することになるので、変圧器の一次側、二次側には次のような不平衡電流が流れます。

  • Q5.灯動共用結線変圧器は何故「スター-Δ結線」にするのですか?

  • Q6.異容量V結線とはどのような結線ですか?

    この結線は2つの相巻線のうち一相(共用相)の巻線容量を大きくしたV結線変圧器で、共用相を単三接続し、単相負荷と三相負荷を共用する結線です。

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  • Q7.三相7線式変圧器の結線と負荷分担はどのようになりますか?

    相7線式変圧器の二次側の標準電圧は、
    R210Y(線間電圧)/121V(相電圧)-F182Y(線間電圧)/105V(相電圧)
    となります。また、結線は図1の通りです。(一次側はΔ結線)

    三相7線式結線図

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  • Q8.「ダブルデルタ結線」の負荷分担はどうなりますか?

    結線負荷分担表

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  • Q9.逆V結線とはどのような結線ですか?

    三相電源より単相負荷を取る場合、三相電源側での不平衡が問題となります。単相負荷が1回路で分散出来ない場合は単相回路の供給として逆V結線が使われる場合があります。しかし、本結線の一次側には次のような不平衡同相電流が流れます。

  • Q10.スコット結線変圧器とは、どんな変圧器ですか?

    1. スコット結線変圧器とは
    スコット結線変圧器とは三相から二相に変換する変圧器で、「3/2相」と表示します。三相電源の2線から単相負荷を取ると三相電源がアンバランスになりますが、単相負荷が二系統に分割できる場合は、スコット結線変圧器を使えばバランスよく使うことができます。二次結線は「単二専用」「単三専用」「単二単三共用」のいずれかとなります。

    2. 用途
    ビル、工場等の三相非常用発電機に接続され、単相二系統への給電用としてよく使われています。

    3. 接続回路図
    たとえば一次210V、二次105V及び210-105Vの場合を説明します。

    4. 標準容量
    10、20、30、50、75とありますが20~30kVAが一番多いようです。

  • Q11.汎用三相変圧器の結線について教えてください

    まず、Y結線とΔ結線と比べると、結線図のようにY結線の場合は線電流と相電流は同一となり、相電圧は線間電圧の1/√3となります。またΔ結線の場合は線間電圧と相電圧は同一となり、相電流は線電流の1/√3となります。言いかえるとY結線は巻数が少なくて電流が多く、Δ結線は逆に巻数が多く電流が少ない結線と言えます。高圧の場合や線路電流が比較的小さい場合Y結線を用いると相電圧は、線間電圧の1/√3となり巻数が少なくなり経済的ですが、逆に電流が非常に大きい場合や電圧が低い場合はΔ結線を用いると巻線電流が線電流の1/√3となり、同じく経済的設計になります。

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  • Q12.3相4線方式の場合、中性線の電流は増えますか?

    3相4線方式で中性線と各ライン間に単相負荷を接続している場合、中性線にライン電流よりもかなり大きな電流が流れる場合があります。これは負荷にコンピューターなどOA機器またはサイリスター使用機器を使用した場合に著しく、これらの機器より第3調波を含む高調波電流が流れるために生じます。正弦波電流の場合、中性線の合成電流はお互い打ち消し合ってわずかな電流となりますが、第3調波電流の場合は打ち消されず算術和となるためこのような現象が起こります。これらの負荷が想定される場合は、あらかじめ中性線のケーブルを太くしておくなど対策を考えておく必要があります。

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  • Q13.スコット変圧器は使用上どのような注意をすればいいですか?

    使用目的
    スコット結線は、三相より二相への相変換として考案された結線です。三相電源に単相負荷を接続した場合、三相電源側での負荷電流の不平衡が問題となりますが、単相負荷が二系統に分割出来る場合は、スコット結線変圧器を使用することにより、三相電源側をバランスさせることが出来ます。そのような理由から、最近では工場・ビル等で三相非常用発電機に接続され、単相二系統負荷への給電用としてよく使われています。

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  • Q14.「ダブルスター結線」の負荷分担はどうなりますか?


    3Ø 300KVA 2次電圧 420-210V 結線において、今420V側に60%(180KVA,P.F=1.0)の負荷をかけた場合、210V側に許容できる容量は上記表より20%×300KVA=60KVAとなります。

  • Q15.単相または単相三相共用負荷へ供給する場合、どんな結線がいいですか?

  • Q16.高調波低減対策として使われる変圧器の多重化について教えてください

    最近のパワーエレクトロニクス技術の目覚ましい発展と共に、至るところでサイリスター等の半導体応用機器が使われるようになりました。この結果電源部に種々の高調波が含まれ、それによる障害が問題となっており、高調波低減対策が必須となっています。高調波低減対策としてフィルターを使う方法の他、三相変圧器及び移相巻線付変圧器の組合せ使用により、結果的に変換相数(パルス数)の増加を図り、低減対策が行われています。この方法は、一般に多重化と呼ばれ非常に効果的な方法です。

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  • Q17.3相4線方式の場合、一次側をデルタ結線にしなければならない理由は?

    上図結線において、二次側u相-中性点O間で単相負荷Sを取るものとすると、二次側の負荷電流Isはu相以外は流れませんが、これを打ち消すための一次側電流I'sは一次側がY結線のためU相だけでなくV相、W相に 1/2I'sとして流れます。
    これに対して二次側の負荷電流は、U相、W相に流れることができないので、一次側V相、W相に流れる電流は励磁電流として加わり一次各相の誘起電圧を不平衡とさせ、中性点を移動させます。このため通常の誘起電圧より大きくなり、巻線の絶縁をおびやかしたり相電圧を反転させることがあり、運転上問題を生じ好ましくありません。
    この現象は内鉄形三相変圧器より単相変圧器3台にて結線するほうが著しくなります。従って、二次側で単相負荷(3相4線方式)を取る場合は、一次結線をΔ結線即ち結線として一次・二次巻線のアンペアターンがお互いに打ち消し合うようにする必要があります。

  • Q18.変圧器の過負荷運転と寿命について知りたいのですが
    p>変圧器の過負荷運転と寿命には密接な関係があります。実績から寿命としての限界年数は15~30年と考えられます。もちろん全く異常なく30年以上使用しているものも存在しますが、無理な使い方をしたり、メンテナンスを怠ると寿命に著しく影響する他、無理な過負荷をかけるとすぐに寿命となります。また異常がなくても15年以上経つと、修理が技術的に不可能になったり、性能が低下して使用上の安全が維持できなくなり、結果的に寿命となる場合があります。
    変圧器の寿命を損なうことなく使用していただくには、
    ・過負荷運転前の負荷の状態
    ・過負荷する時間
    ・周囲温度
    などいろいろな条件をお守り下さい。
    詳しくはダイヘンの「油入変圧器運転指針」を参考にしていただくか、営業マンにご相談ください。

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  • Q19.モールド変圧器の許容過負荷はどうなりますか?

    F種モールド変圧器の許容負荷

    1. 単相20kVA以下及び三相30kVA以下の場合の過負荷耐量

    過負荷運転前の負荷率 50%
    等価周囲温度(℃) 0 10 20 30 40
    過負荷運転時間(h) 0.5 146 140 133 126 119
    1.0 125 120 114 109 103
    2.0 118 113 108 103 98
    4.0 117 112 107 102 97
    8.0 117 112 107 102 97

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  • Q20.油入変圧器を過負荷で連続運転すると寿命はどうなりますか?

    変圧器の寿命は

    a・b:定数
    θH:巻線最高温度
    で表せます。定数のbは絶縁物によってきまる定数で、油入変圧器の場合、寿命が半減する温度差を6℃としていますので

    となります。
    また定格時におけるθHは95℃とされ、20~30年程度の寿命があるとされています。一方、変圧器に一定負荷率 Kをかけた場合の定常状態の巻線最高温度θHはθH=θa+θo+θgとなります。
    θa:周囲温度(℃)
    θo:油の最高温度上昇値(℃)
    θg:巻線最高温度と油の最高温度との差(℃)

    θon:定格負荷時のθo
    θog:定格負荷時のθg
    R:定格負荷時の負荷損と無負荷損の比
    m:冷却方式による定数で0.8とする。
    n:冷却方式による定数で0.8とする。
    で表せます。また巻線最高点温度θHと95℃で連続運転した場合の寿命をYoとし、ある最高点温度θで運転した場合の寿命をYとしてY/Yoを求めると

    となります。

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  • Q21.H種乾式変圧器を過負荷で連続運転すると寿命はどうなりますか?

    変圧器の寿命は

    a・b:定数
    θH:巻線最高温度
    で表せます。定数のbは絶縁物によってきまる定数で、H種乾式変圧器の場合、寿命が半減する温度差を10℃としていますので

    となります。
    また定格時におけるθHは175℃とされ、20~30年程度の寿命があるとされています。一方、変圧器に一定負荷率Kをかけた場合の定常状態の巻線最高温度θHは

    となります。
    θa:等価周囲温度(℃)
    θo:定格負荷の時の巻線の平均温度上昇値(℃)
    θg:巻線最高温度と巻線平均温度との差(℃)

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  • Q22.F種モールド変圧器を過負荷で連続運転すると寿命はどうなりますか?

    変圧器の寿命は

    a,b:定数
    θH:巻線最高温度 (℃)

    定数のbは絶縁物によってきまる値で、F種モールド変圧器の場合、一般的に寿命半減する温度差は、使用絶縁物より8~10℃と言われており、8℃半減を採用すると、

    また、定格時におけるθHは145℃とされ、20~30年程度の寿命があるとされています。
    一方、変圧器に一定負荷率Kをかけた場合の定常状態の巻線最高温度θHは

    θa:等価周囲温度(℃)
    θo:定格負荷時の巻線の平均温度上昇値(℃)
    θg:巻線最高温度と平均温度上昇との差(℃)

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  • Q23.高調波を含む負荷を使った場合の変圧器の影響は?

    変圧器の二次側で高調波を含む負荷を使った場合、次のような影響が考えられます。

    1.騒音の増大及び異常音の発生
    変圧器の二次側で高調波を含む負荷を使うと電源側にも高調波電流が流れ、電源電圧に歪みを生じさせ、高調波電圧となって鉄芯に高調波の影響が現れます。その際、比較的高い音(「ジー」「ビー」「チチチ」など)が発生し、音圧レベルも高くなり騒音値が数ホン~十数ホン程度増える場合もありますが、直接には機器の損傷になる可能性は少ないと言えます。

    2.負荷損失の影響
    電流に高調波が含まれると導体の表皮効果(電流の流れが導体の表面に集まる現象)の影響による銅損が増加します。その他、漂遊損(漏れ磁束による損失)も増加しますが、高調波歪みがさほど大きくなければ問題になる値にはなりません。しかし高調波の含有率が大きくなると実効値は増加するので、変圧器の容量選定にあたっては注意する必要があります。

    3.無負荷損失の影響
    無負荷損失の大部分である損失はヒステリシス損と渦電流損に分離されます。このうち渦電流損は周波数の影響を受けますが、この場合も電源高調波歪みがさほど大きくなければ問題はありません。

    以上のように、負荷側に高調波を含む負荷があると強制的に高調波電流が変圧器に流れることになり、騒音の増大、表皮効果による負荷損の増大を伴うことになりますが、一般には騒音に関する問題が主となります。

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  • Q24.油入変圧器の負荷変動に対して温度はどのようになりますか?

    一般的に油入変圧器の負荷と温度上昇の関係は

    A:周囲温度
    θo:定格負荷時の油温
    K:負荷率
    R:負荷損/無負荷損の比(定格負荷時)
    で求められます。ここで弊社の一般的油入変圧器の場合の θo=50℃、R=5 として求めると下記のようになります。

    負荷率に対する油量

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  • Q25.60Hz仕様品を50Hz地区で使用すると変圧器はどうなりますか?

    60Hz仕様品を50Hzで使用すると次のような問題が生じ、使用することができません。

    1. 励磁電流及び励磁突流電流が著しく増える。
    2. 騒音が大きくなる。
    3. 無負荷損失が大幅に増える。

    これは鉄心の磁束が周波数に逆比例(60Hz/50Hz=120%)するため鉄心の断面積が不足し、過励磁になるためです。また負荷を減らしても鉄心内部の問題は解決しないので、60Hz仕様品を50Hz地区で使用することはできません。しかし逆に、50Hz品は60Hz地区で使用することが可能です。特性変化の目安は次のようになります。

    50Hz品を60Hz地区で使用する場合
    無負荷電流:0.4~0.5倍に減少
    無負荷損:0.8~0.9倍に減少
    電圧変動率(P+1.0):ほとんど変わらず
    インピーダンス:1.1~1.2倍に増加
    効率:少し良くなる

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  • Q26.定格周波数60Hzにて設計製作された変圧器を50Hzにて使用した場合の問題点について

    1.磁束密度および励磁電流と鉄損について
    変圧器の誘起電圧Eは
    E=√2・π・f・n・φm
    ただしf:周波数、n:巻数、φm:磁束
    で表されます。
    今、60Hz用に設計された変圧器を50Hzの同電圧値で使用する場合、60Hzの磁束φ60、50Hzの磁束をφ50とすると

    ゆえに50Hzで使用する場合磁束は120%になり、ちょうど120%の過電圧を受けた場合と等しくなるため、鉄心が飽和状態近くに達して出力電圧に歪が生じます。 その結果励磁電流が著しく増大し、鉄損および騒音も増大します。
    一般に使われている方向性けい素鋼帯では、常用磁束密度の範囲において励磁電流実効値は磁束密度の7~10乗に、鉄損は2~3乗に比例するので、励磁電流は3.6~6.4倍、鉄損は1.4~1.7倍程度になるものと思われますが、実際には鉄心が飽和値近くに達するのでより大きな値になるものと思われます。

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  • Q27.インピーダンスの異なる単相変圧器をΔ-Δ結線するとどうなりますか?

    巻数比が等しい異インピーダンスを持った単相変圧器をΔ-Δ結線した場合、二次巻線には循環電流を生じることはありませんが、各変圧器の分担電流が一様でなくなり、低いインピーダンスのものが過負荷になる場合があります。

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  • Q28.変圧器の並列運転を行う場合、どのようなことに注意すればいいですか?

    1.一般に次の条件を満たす2台またはそれ以上の変圧器は、一次及び二次側でそれぞれ同一記号の端子を接続することにより、平行運転することができます。
    1. 定格電圧が一次及び二次側とも等しい。
    2. 角変位が等しい。(三相の場合)
    3. 極性が等しい。(単相の場合)
    4. 百分率インピーダンス電圧が等しい。
    5. インピーダンスのリアクタンス分と抵抗分の比が等しい。
    6. 定格容量の比が1:3以内である。

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  • Q29.変圧器の力率はどのように考えればいいですか?

    1.無負荷時の力率
    変圧器を無負荷で一次側を電源に接続すると、定格電流の数%の一次電流(無負荷電流)が流れます。この電流は鉄心の磁束を作る無効成分(磁化電流Iμ)と、鉄心の鉄損(無負荷損)として失われる(有効成分Iw)に分けられ、この位相関係θoが励磁電流の力率とみなされます。一般的にこの力率は非常に悪いので進相コンデンサが使われる場合がありますが、無負荷電流は鉄心のヒステリシス現象によって歪波電流になるため、基本波は除くことができるが、高調波電流分を除くことは不可能です。

    弊社の汎用変圧器の例では、3相変圧器10~20%、単相変圧器30~50%程度です。

    2.負荷時の力率
    負荷時の変圧器の一次電流は、励磁電流に一次負荷電流が重畳することになります。しかし、励磁電流は定格一次電流に対し1~6%程度なので、合成電流はほぼ負荷電流とみなされ、力率も負荷電流の力率にほぼ等しくなります。

  • Q30.三相電源から単相負荷を取る場合一次電流はどうなりますか?