３相交流

３相交流の仕組み

３相交流の電源と負荷

日本では、電気を送電したり配電するのに３相交流が採用されています。
３相交流とは、３組の単相交流を３本の電線で送電できる方式です。街中の電柱の上の方をみると、水平に３本の電線が架かっているのが確認できます。
図１は３相交流電源と３相負荷の接続図です。
図１

’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃという３つの交流電源をＹ型に接続しています。この’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃの値を相電圧といい、Ｙ型の接続をスター結線といいます。’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃをスター結線していることによって、’Ｖａｂ、’Ｖｂｃ、’Ｖｃａという電圧が線間にかかっています。この’Ｖａｂ、’Ｖｂｃ、’Ｖｃａ線間電圧といいます。
また、負荷は△型に接続しています。この△型の接続をデルタ結線といいます。
’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃの３つの交流電源は、互いに１２０［°］ずつずれた交流電源です。図２は’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃと時間の関係を表すグラフです。
図２

この３相交流をベクトル図で表すと図３のようになります。
図３

相電圧である’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃを式で表すと
’Ｅａ＝√２Ｅｓｉｎωｔ
’Ｅｂ＝√２Ｅｓｉｎ（ωｔ−２／３π）
’Ｅｃ＝√２Ｅｓｉｎ（ωｔ−４／３π）
（Ｅは実効値）
となります。
また、線間電圧である’Ｖａｂ、’Ｖｂｃ、’Ｖｃａは、
’Ｖａｂ＝’Ｅａ−’Ｅｂ
’Ｖｂｃ＝’Ｅｂ−’Ｅｃ
’Ｖｃａ＝’Ｅｃ−’Ｅａ
となります。平衡３相電源では、’Ｖａｂ、’Ｖｂｃ、’Ｖｃａの大きさＶは、相電圧’Ｅａ、’Ｅｂ、’Ｅｃの大きさをＥとすると、
Ｖ＝√３Ｅ
となります。

なぜ３相交流が採用されているのか？

大電力送電に適している

送電電力、電力損失、電路の亘長を一定とし、単相２線式を１００として電線総重量を比較すると下記のとおりになります。

電流を一定とし、単相２線式を１００として送電電力を比較すると下記のとおりになります。

よって３相３線式は単相２線式に比べ、少ない電線の量でたくさんの電力を送電できることになります。

回転磁界が得られる

３相交流は、３つの単相交流が１２０［°］ずつずれていますので、それぞれ最大値や最小値及び０になるタイミングが規則的かつ交互にやってきます。３つのコイルを１２０［°］ずつずらして配置し３相交流を印加すれば、３つのコイルに順番に最大値がやってきますので回転する磁界が発生できるのです。これを利用したのが３相電動機です。

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