変圧器
へんあつき
特徴
変圧器は、「負荷となる電気機器に必要な電圧」が「電源からの電圧」と釣り合わない場合に、その差を変換により吸収するために中間に配置される電力機器、ないし電子部品。
「コア」というドーナツ形をした鉄製の輪(製造の容易さから一般的な機器では円形ではなく角型が用いられることが多い)に一次コイルと二次コイルが巻かれた構造をしており、片方が入力でもう片方が出力となる。
一次コイル側に電気エネルギーを流すと一次コイルが磁気を発生、その磁気はコアをぐるぐる回転するようになる。その磁気は直接二次コイルに伝わり、再び電気エネルギーへと変換される。二次コイル側で取り出せる電圧は一次コイル側の電力量や巻き線数、二次コイル側の巻き線数で決まる。なお、コイル本体の電気抵抗とコアの磁気抵抗、外部からの電磁波が変圧器にかかっており、その分が熱エネルギーなどの他のエネルギーに変換され損失となる。
変圧器を通しても電流の波形は直接変わらない。直流電流を入力すれば出力側も直流のままで、交流電流を変圧器で直流電流に直接変換することはできない。
変圧状態を明確に表したい場合、二次コイルで取り出せる電圧が一次コイルより低い場合は「降圧」、高い場合は「昇圧」と表現する。
狭義の変圧器に用途に合わせた付加機能を足し合わせて「変圧器」と呼ぶことも日常茶飯事。付加機能とは、入力側の電力の不均等を抑え均等に近づける「安定化電源」、電源や負荷の状態を監視する「集積回路」や「サーキットブレーカー」などが含まれる。
「変圧器」の文法上の分類は、漢字3文字からなる日本語の熟語で、なおかつ固有名詞、そして電力機器の名称である。後述の変圧機能を持った機器をひとくくりにして代名詞としても使われる。日本国内における一般常識的な語句でもある。
用途
変圧器が欠かせない施設の一つが『変電所』である。
電気エネルギーは「同じ電力量で送電を行った際、電流より電圧が高い方が損失が少ない」という性質がある。これを利用して発電所で作られた電気は一度変電所へ送られて非常に高い電圧(日本国の場合は50万ボルトにもなり、「特別高圧電力」に分類される)へと昇圧されたうえで各地へ送電される。そして各地に設けられた変電所をいくつも経由して段階的に電圧を下げていき、末端部分では「柱上変圧器」や「配電盤」を利用して、各施設に適した電圧まで調整されたうえで送電されている。メイン画像にもなっている柱上変圧器は電柱の上部に固定されている太い円筒形をしたもので、配電盤は大型の工場やオフィスビルの近くや屋上に設置された金属製の筐体に収められている物が該当する。
一般家庭では、外国の電源で日本国内向けの電子機器を稼働させる際に中継器として接続する「海外用変圧器」が該当する。携帯電話などの携帯性や小型化を重視した機器の電源装置に使われる「ACアダプタ」も、かつては変圧器が内蔵されていたものが主流だったが、最近では半導体技術の進歩でスイッチング電源を用いた方式が一般的になりつつある。ただし、オーディオ機器や医療機器といったスイッチング電源の特性が合わない機器については引き続き変圧器方式が使われている。
出典
- ３分でわかる技術の超キホン 「トランス」（変圧器）とは？構造・原理・使い方を解説_アイアール技術者教育研究所_製造業エンジニア・研究開発者のための研修/教育ソリューション
- 変圧器とは？原理や構造をわかりやすく解説 - Technology Geeks（株式会社ダイヘン）
- 変圧器 - Wikipedia
- 変圧器とは？構造や種類、使われている場所などを解説 - RSコンポーネンツ
【電動機と発電機を同じ軸で直結した「電動発電機」】
※電動機と発電機が可逆なもの(分かり易く言えば本来「電動機Aが回転力を生み出し、電動機Bが発電を行う」ものを、「電動機Bが回転力を生み出し、電動機Aが発電する」に置き換えて稼働させることができる設計)は、ここでは考えないこととする。
入力側の電動機(モーター)に電流を流して回転力を発生させ、それで発電機を回して変圧する。間にはずみ車を設置すれば重量増加に伴い慣性力も増すため発電力が安定する。
変圧器にない特長として変圧だけでなく、「直流電流を交流電流に変換したり、あるいはその反対も同時にできる」という特性を持っている点が挙げられる。
構造が単純で、電圧や電流波形を変えたければ目的の出力に近い発電機に換装すれば手軽に出力を変更できる上、特別な回路を搭載しなくとも正弦波の出力を容易に得られ、正弦波出力の電源機器の使用も敷居が低いも長所。
変圧器と比べた欠点として挙げられる点は、変圧を受け持つ機器の重量が大きくなる、内部に回転および摩擦する部分がありメンテナンスの手間がかかる、などがある。
静止型インバーターが実用に耐える時代になるまでは、おもに電車に於いて電車線から採った電気を車内設備や車両制御機器へ供給するための電源として積極的に使用された。
【スイッチング電源】
『スイッチングレギュレーター』が電流の入り切りを高速で繰り返すかたちで変圧する。電流の「入」「切」の割合(デューティー比)を調節することで出力の強弱を制御する。
適切に設計されたスイッチング電源を使用すれば、負荷を掛けられている際に高い変換効率で変圧できるし、待機状態に生じる待機電力も変圧器方式よりはるかに少ない特長をもつ。一方で変圧器と比べた欠点として、回路の構造が複雑になる、電磁波が洩れて精密機器に悪影響を及ぼす、半導体素子のコストが高い、などがあげられる。
スイッチングレギュレーター本体だけでは、直流電流を交流電流に整流することはできない。別途交流電流に整流するインバーター機器が必要になる。
