3相変圧器：構造と構成

水道、下水道、その他のサービスと並んで、電力は先進国における最も重要な公共サービスの一つです。使用される場所によって、電力は異なる電圧で利用可能となることがあります。2つのシステム間で電力を降圧（または昇圧）するための鍵となるのは何でしょうか？それは変圧器です。この記事では、Belが3相変圧器の4つの主要な巻線構成のメリットとデメリットを探ります。

変圧器とは、電磁誘導によって同じ周波数で回路間の電力を変換し、通常は電圧と電流の値を変更する電気装置です。すべての電源が3相形式で生成されるため、3相変圧器は長距離の電力供給、地域グリッド、ローカルグリッド、産業および商業施設において重要な役割を果たします。

3相変圧器の巻線構成

三相電力変圧器は、単相変圧器を1つのコアに3つ巻くことで構成されています。銅や鉄芯がより効果的に使用されるため、特定のボルトアンペア（VA）定格における三相変圧器は、個別の単相変圧器3台よりも小型で、コスト効率が高く、軽量になります。

3相変圧器は通常、少なくとも6つの巻線を持っています。3つの一次巻線と3つの二次巻線です。一次巻線と二次巻線は、さまざまな要件を満たすために異なる方式で接続することができます。一般的な用途では、通常、巻線は2つの代表的な接続方式のいずれか、デルタ接続またはワイ接続で接続されます。

デルタ接続

デルタ結線では、3相があり、中性線は存在しません。出力のデルタ結線は、3相負荷だけを供給することができます。線間電圧 (VL) は供給電圧に等しいです。相電流 (IAB = IBC = ICA) は、線電流 (IA = IB = IC) を √3 (1.73) で割った値に等しいです。変圧器の二次側が大きな不平衡負荷に接続される場合、デルタ一次側は入力電源に対してより良い電流バランスを提供します。

Y結線

スター結線では、3相と中性点（N）があり、合計で4本の線があります。スター結線の出力では、変圧器が3相電圧（相間電圧）を供給することが可能であるとともに、単相負荷用の電圧、すなわち任意の相と中性点間の電圧を供給することもできます。また、中性点を接地することで、必要に応じて追加の安全性を提供することができます: VL-L = √3 x VL-N。

4つの主要な巻線構成

3相変圧器は、一般的な接続方式として以下の4つの構成に接続することができます：デルタ-デルタ（Δ-Δ）、スター-スター（Y-Y）、デルタ-スター（Δ-Y）、そしてスター-デルタ（Y-Δ）。これらの各構成は、一次側巻線と二次側巻線の接続により区別され、それぞれの利点と欠点があり、変圧器の性能と用途への適合性に影響を及ぼします。

1. デルタ / デルタ (D/D)

D/dの利点

デルタ・デルタ変圧器 (D/d として識別される) では、一次側および二次側の巻線が共にデルタ接続されています。この接続方式にはいくつかの利点があります。3つのコイルのうち1つが故障または機能停止した場合でも、残りの2つの損傷していないコイルは元の変圧器の出力の約3分の2に相当する容量で3相電力を供給することができます。
 
変圧器の二次側が大きなアンバランス負荷に接続されている場合、デルタ接続の一次側は入力電源の電流バランスを改善する点に優れています。
 
主な利点の1つは、一次側と二次側巻線間に位相差がないことです。この点により調和の取れた電力伝達が可能になります。この接続方式は、低電圧高電流の電力伝送や、特に相の故障時にサービス継続性を維持する必要がある場面で好まれることがよくあります。

D/dのデメリット

この構成では、いくつかの特性が3相変圧器の設計と機能に影響を及ぼします。一次および二次巻線の巻き数が多いため、コイルが大きくなり、コストが高くなります。この設計では、巻線間および層間に追加の絶縁が必要になります。より細いゲージの磁線を使用することで、1ポンドあたりのコストが増加し、特にこの構成には中性点接続がないことが特徴です。

2. デルタ / ワイ (D/Y)

日/年利点

主要デルタと二次側のY（D/y）構成は、電力供給ユーティリティに三線式の平衡負荷を供給する能力に優れており、さまざまな用途に対応できる点で際立っています。この構成は、商業、工業、そして高密度住宅地への電力供給に頻繁に選ばれています。   この設定は、3相負荷と単相負荷の両方を供給することが可能であり、ソースに中性線がない場合でも共通の中性線を生成することができます。また、ラインから二次側へのノイズ（高調波）を効果的に抑制します。

D/yの欠点

3つのコイルのうち1つが故障または機能停止すると、グループ全体の機能が危険にさらされる可能性があり、一次巻線と二次巻線の間の30度の位相シフトが原因で、直流回路におけるリップルが増加することがあります。

3. ワイ／デルタ (Y/D)

Y/dの利点

Y/d構成は高電圧入力を活用し、個々のコイルにかかる電圧を√3の比率で減少させます。その結果、巻線のターン数が少なくなり、絶縁が軽減されます。この設計は、主に送電線の終端で使用される降圧変圧器として利用できます。また、電源側には接地線（ニュートラル）が含まれています。

Y/dの短所

Y/dはD/y構成と同じ潜在的な欠点を共有しています。つまり、単一のコイルが故障した場合にグループ全体の機能が無効になる可能性があり、一次巻線と二次巻線の間に30度の位相シフトを導入することで、直流回路におけるリップルが増加する可能性があります。

4. ワイ / ワイ (Y/Y)

Y/y の利点

4つの一般的な3相変圧器構成の中で、Y/y構成は最も費用対効果の高い選択肢であり、一次側と二次側巻線の間で位相差のない円滑な電力伝送を提供します。一次側と二次側の両方に接地（中性）線が利用可能で、これによって3相負荷と単相負荷の両方に電力を供給する柔軟性が確保されます。

Y/yの短所

最適な性能を確保するために、単相負荷はこの構成内で可能な限り均等にバランスを取る必要があります。Y/y設定では、電源と負荷間でノイズが伝達されやすい可能性があることに注意してください。

乾式＆液体充填トランス

電力および電圧レベルによって、3相変圧器は2つの主要なカテゴリに分けられます。空気を冷却媒体として使用する乾式変圧器と、油を冷却媒体として使用する液体充填型変圧器です。

乾式変圧器: オープンフレームまたはキャスト樹脂コイル

乾式変圧器には、主に2つのカテゴリーがあります。

液体充填変圧器

液体充填変圧器は、対照的に、特殊な鉱油の中に完全に浸され、真空密封された金属容器内に収められています。電気定格は電圧が6.0kVから1,500kV、電力が最大で1,000+MVAまで対応します。

最適なオープンフレームトランスフォーマー構成

状況が許す場合、オープンフレームトランスフォーマーにおいて、ほとんどの業界では電力分配用途で3相トランスフォーマーを接続する際に、デルタ入力とY（ワイ）出力を使用することを好みます。   デルタ構成の一般的な入力電圧には、600V、480V、415V、400V、230V、208Vが含まれます。一方、Y（ワイ）構成の一般的な出力電圧は以下の通りです。カナダの場合：600V（L-L）および347V（L-N）。米国の大規模な産業負荷の場合、480V（L-L）および277V（L-N）を提供します。米国の小規模な産業、商業、および住宅負荷の場合、出力電圧は208V（L-L）および120V（L-N）です。   Signal Transformer Co.はこの分野で有力なメーカーとして立ち、ドライタイプのオープンフレーム3相トランスフォーマーの製造を専門としています。トランスフォーマー、チョーク、インダクターおよび標準製品のカスタムまたは改良モデルを製造して50年以上の実績を誇り、Signal Transformerはコスト効率に優れた専門的なプラットフォームの設計および製造において卓越した能力を持っています。