以前の記事のいくつかでは、変圧器の基本とそのさまざまなタイプについて説明しました。重要で一般的に使用されている変圧器の1つは、電源変圧器です。これは、発電所と配電所（または変電所）でそれぞれ電圧を上げたり下げたりするために非常に広く使用されています。
たとえば、上記のブロック図について考えてみます。ここでは、発電所から遠く離れた消費者に電力を供給しながら、電力変圧器を2回使用しています。
- 初めて発電所で風力発電機の電圧を上げます。
- 2つ目は、送電線の端で受信した電圧を降圧するための配電所（または変電所）です。
送電線の電力損失
電力システムで電源トランスを使用する理由はたくさんあります。しかし、電力変圧器を使用する最も重要で単純な理由の1つは、送電中の電力損失を減らすことです。
次に、電源トランスを使用することで、電力損失が大幅に削減されることを確認しましょう。
まず、電力損失の式P = I * I * Rです。
ここで、I =導体を流れる電流、R =導体の抵抗。
したがって、電力損失は、導体または伝送ラインを流れる電流の2乗に正比例します。したがって、導体を流れる電流の大きさを小さくすると、電力損失が少なくなります。
この理論をどのように活用するかを以下に説明します。
- 初期電圧= 100V、負荷消費= 5A、供給電力= 500ワットとしましょう。次に、ここの送電線は、ソースから負荷に5Aの大きさの電流を流す必要があります。しかし、初期段階で電圧を1000Vに上げると、500Wの同じ電力を供給するために送電線は0.5Aを運ぶだけで済みます。
- そこで、電力変圧器を使用して送電線の始点の電圧を昇圧し、別の電力変圧器を使用して送電線の終点の電圧を降圧します。
- この設定により、100キロメートル以上の送電線を流れる電流の大きさが大幅に減少し、それによって送電中の電力損失が減少します。
電力変圧器と配電変圧器の違い
- 電源トランスは、100％負荷で高効率になるように設計されているため、通常は全負荷で動作します。一方、配電用変圧器は、負荷が50％から70％の間にある場合に高効率になります。そのため、配電用変圧器は100％の負荷で連続して動作するのには適していません。
- 電力変圧器は昇圧および降圧時に高電圧を発生させるため、巻線は配電用変圧器や計器用変圧器と比較して高い絶縁性を備えています。
- 高レベルの断熱材を使用しているため、サイズが非常に大きく、また非常に重いです。
- 電力変圧器は通常、住宅に直接接続されていないため、負荷変動が少なく、一方、配電変圧器では負荷変動が大きくなります。
- これらは1日24時間完全にロードされるため、銅と鉄の損失は1日を通して発生し、常にほぼ同じままです。
- 電力変圧器の磁束密度は、配電変圧器よりも高くなっています。
パワートランスの動作原理
電力変圧器は、「ファラデーの電磁誘導の法則」の原理に基づいて動作します。インダクター、モーター、発電機、変圧器の動作原理を説明するのは電磁気学の基本法則です。
法則は、「 閉ループまたは短絡した導体が変化する磁場に近づくと、その閉ループで電流が生成される」と述べています 。
法律をよりよく理解するために、それをより詳細に議論しましょう。まず、以下のシナリオを考えてみましょう。
永久磁石を考えてみましょう。最初に導体を互いに近づけます。
- 次に、図に示すように、ワイヤを使用して導体の両端を短絡します。
- この場合、ループを切断する磁場は静止しており、法則に記載されているように、変化または変化する磁場のみがループに電流を強制できるため、導体またはループに電流は流れません。
- したがって、静止磁場の最初のケースでは、導体ループ内の流れはゼロになります。
その後、ループを切断する磁場は変化し続けます。この場合、変化する磁場が存在するため、ファラデーの法則が作用するようになり、それによって導体ループに電流が流れるのを見ることができます。
図からわかるように、磁石が前後に移動した後、導体と閉ループを流れる電流「I」を確認できます。
以下のような他のさまざまな磁場源と交換します。
- ここで、交流電圧源と導体を使用して、変化する磁場を生成します。
- 導体ループが磁場範囲に近づくと、導体全体にEMFが生成されていることがわかります。この誘導起電力のために、電流が流れます 'I'。
- 誘導電圧の大きさは、2番目のループが受ける磁場の強さに比例するため、磁場の強さが高いほど、閉ループを流れる電流は大きくなります。
ファラデーの法則を理解するために設定された単一の導体を使用することは可能ですが。ただし、実用的なパフォーマンスを向上させるには、両側にコイルを使用することをお勧めします。
ここでは、交流電流が一次コイル1を流れており、導体コイルの周りに変化する磁場を生成します。そして、coil2がcoil1によって生成された磁場の範囲に入ると、ファラデーの電磁誘導の法則により、EMF電圧がcoil2の両端に生成されます。そして、coil2のその電圧のために、電流「I」が二次閉回路を通って流れます。
ここで、両方のコイルが空中に浮遊しているため、磁場によって使用される伝導媒体が空気であることを覚えておく必要があります。また、磁場伝導の場合、空気は金属に比べて抵抗が大きいため、金属やフェライトコアを電磁場の媒体として使用すると、電磁誘導をより徹底的に体験できます。
それでは、理解を深めるために、空気媒体を鉄媒体に置き換えましょう。
図に示すように、鉄またはフェライトコアを使用して、あるコイルから別のコイルへの電力伝送中の磁束損失を減らすことができます。この間、大気中に漏れる磁束は、コアとして空気媒体を使用したときよりもかなり少なくなります。これは、磁場の非常に優れた導体です。
電界がcoil1によって生成されると、鉄心を通ってコイル2に到達し、ファラデーの法則により、coil2はEMFを生成します。これは、coil2に接続された検流計によって読み取られます。
ここで注意深く観察すると、このセットアップは単相変圧器に似ていることがわかります。そして、はい、今日存在するすべての変圧器は同じ原理で動作します。
次に、三相変圧器の簡略化された構造を見てみましょう。
三相変圧器
- トランスの骨格は、磁束を運ぶために使用される積層金属シートを杭打ちすることによって設計されています。この図では、スケルトンが灰色に塗られていることがわかります。スケルトンには3つの柱があり、その上に3相の巻線が巻かれています。
- 低電圧巻線が最初に巻かれ、コアの近くに巻かれ、高電圧巻線が低電圧巻線の上に巻かれます。両方の巻線が絶縁層によって分離されていることを忘れないでください。
- ここでは、各列が1相を表しているため、3列の場合は3相巻線があります。
- スケルトンと巻線のこのセットアップ全体は、熱伝導率と分離を向上させるために、工業用オイルで満たされた密閉タンクに浸されています。
- 巻線後、6つのコイルすべての端の端子がHV絶縁体を介して密閉タンクから取り出されました。
- 端子は、スパークジャンプを避けるために互いにかなりの距離を置いて固定されています。
パワートランスの特徴
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定格出力 |
3MVAから最大200MVA |
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通常、一次電圧 |
11、22、33、66、90、132、220 kV |
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通常、二次電圧 |
3.3、6.6、11、33、66、132kVまたはカスタム仕様 |
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フェーズ |
単相または三相変圧器 |
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定格周波数 |
50または60Hz |
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タッピング |
オンロードまたはオフロードタップチェンジャー |
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温度上昇 |
60 / 65Cまたはカスタム仕様 |
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冷却タイプ |
ONAN（オイルナチュラルエアナチュラル）またはKNAN（最大33kV）などの他のタイプの冷却（リクエストに応じて） |
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ラジエーター |
タンクに取り付けられた冷却ラジエーターパネル |
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ベクトルグループ |
Dyn11またはIEC60076に準拠したその他のベクトルグループ |
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電圧調整 |
オンロードタップチェンジャー経由（AVRリレーを標準装備） |
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HVおよびLV端子 |
エアケーブルボックスタイプ（最大33kV）またはオープンブッシング |
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インスタレーション |
屋内または屋外 |
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騒音レベル |
ENATS35またはNEMATR1に準拠 |
電力伝送のアプリケーション
- 電力変圧器は、主に発電や配電所で使用されています。
- また、絶縁変圧器、接地変圧器、6パルスおよび12パルス整流器変圧器、太陽光発電ファーム変圧器、風力発電所変圧器、およびKorndörfer単巻変圧器スターターでも使用されます。
- 送電時の電力損失を低減するために使用されます。
- 高電圧ステップアップと高電圧ステップダウンに使用されます。
- これは、長距離の消費者の場合に好まれます。
- また、負荷が24時間365日フルキャパシティーで実行される場合に推奨されます。