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、V●ab、V●bc、V●caという電圧が線間にかかっています。このV●ab、V●bc、V●ca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V●ab、V●bc、V●caは、
V●ab=Ea●-Eb●
V●bc=Eb●-Ec●
V●ca=Ec●-Ea●
となります。平衡3相電源では、V●ab、V●bc、V●ca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。
仮に6.6kV配電線で考えると、線間電圧=6600[V]なので相電圧Eは、
E=6600/√3≒3810.5
Ea●=3810.5
Ea●=3810.5よりEa●の大きさEa=3810.5になります。
また、各相電圧の大きさは対称3相電源であるため等しいので
Ea=Eb=Ec
Ea●、Eb●、Ec●のなす角はそれぞれ120[°]なので、
Eb●=-1/2Ea-j√3/2Ea=-1905.3-j3300
Ec●=-1/2Ea＋j√3/2Ea=-1905.3＋j3300
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。

電気方式	単相2線式	単相3線式	3相3線式	3相4線式
電線総重量	100	37.5	75	33.3

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。

電気方式	単相2線式	単相3線式	3相3線式	3相4線式
送電電力	100	66.6	115	87

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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