単相電力システム

単相電力システムの概略図は、実際の電力回路の配線についてほとんど示していません。

上に描かれているのは、非常に単純なAC回路です。負荷抵抗の消費電力が大きい場合は、これを単なる通常の回路と見なすのではなく、「電源回路」または「電源システム」と呼ぶことがあります。

「電源回路」と「通常の回路」の区別は恣意的に見えるかもしれませんが、実際的な懸念は間違いなくありません。

実用的な回路解析

そのような懸念の1つは、AC電源から負荷に電力を供給するために必要な配線のサイズとコストです。通常、電気の法則を学ぶために回路を分析するだけの場合、この種の懸念についてはあまり考慮しません。

ただし、現実の世界では、それが大きな懸念事項になる可能性があります。上記の回路のソースに電圧値を与え、2つの負荷抵抗に電力損失値を与えると、この特定の回路の配線ニーズを判断できます。

実際問題として、120Vacでの20kW負荷の配線はかなり重要です（167A）。

上の図の各負荷抵抗の83.33アンペアは、合計で最大166.66アンペアの回路電流になります。これは少量の電流ではなく、少なくとも1/0ゲージの銅線導体が必要になります。

このようなワイヤーは、直径が1/4インチ（6 mm）をはるかに超えており、重量は1,000フィートあたり300ポンドを超えます。銅も安くはないことを覚えておいてください！導体の長さが長い電力システムを設計する場合は、このようなコストを最小限に抑える方法を見つけることが最も重要です。

これを行う1つの方法は、電源の電圧を上げ、この高い電圧でそれぞれ10kWを消費するように構築された負荷を使用することです。

もちろん、負荷は、以前よりも高い電圧で以前と同じ電力（それぞれ10 kW）を放散するために、より大きな抵抗値を持たなければなりません。

利点は、必要な電流が少なくて済み、より小さく、より軽く、より安価なワイヤーを使用できることです。

240Vacでの同じ10kWの負荷は、120 Vac（83 A）よりも必要な配線が少なくて済みます。

今、私たちの合計 回路電流は83.33アンペアで、以前の半分です。

これで、4番のゲージのワイヤーを使用できるようになりました。これは、単位長さあたりの1/0ゲージのワイヤーの半分以下の重さです。これは、パフォーマンスを低下させることなく、システムコストを大幅に削減します。

これが、配電システムの設計者が非常に高い電圧（数千ボルト）を使用して送電することを選択する理由です。より小さく、より軽く、より安価なワイヤーの使用によって実現される節約を活用するためです。

電源電圧が上昇する危険性

ただし、このソリューションには欠点がないわけではありません。電源回路に関するもう1つの実際的な懸念は、高電圧による感電の危険性です。

繰り返しになりますが、これは通常、電気の法則を学ぶときに私たちが集中するようなものではありませんが、特に大量の電力が処理されている場合、現実の世界では非常に有効な懸念事項です。

回路電圧を上げることによって実現される効率の向上は、感電の危険性を高めます。配電会社は、高いポールまたはタワーに沿って送電線をひもでつなぎ、大きな磁器の絶縁体で支持構造から送電線を絶縁することで、この問題に取り組んでいます。

使用時点（電力の顧客）では、負荷に電力を供給するためにどの電圧を使用するかという問題がまだあります。

高電圧は、導体電流を減らすことでシステム効率を高めますが、配電システムで電源配線を手の届かないところに上げることができるように、使用時に電源配線を手の届かないところに置くことが常に実用的であるとは限りません。

効率と危険の間のこのトレードオフは、ヨーロッパの電力システム設計者がリスクを冒すことを決定したものです。すべての家庭と電化製品は、北米のように120ボルトではなく240ボルトの公称電圧で動作します。

そのため、ヨーロッパを訪れるアメリカからの観光客は、240 VAC（ボルトAC）の電力をより適切な120 VACに下げるために、携帯機器用の小型の降圧変圧器を携帯する必要があります。

消費者への電圧供給のためのソリューション

電力使用の終点での降圧変圧器

効率の向上と安全上の問題の軽減の両方の利点を同時に実現する方法はありますか？

1つの解決策は、ヨーロッパにいる間にアメリカ人観光客がしなければならないのと同じように、電力使用の終点に降圧変圧器を設置することです。

ただし、これは、非常に小さな負荷（変圧器を安価に構築できる場合）または非常に大きな負荷（太い銅線の費用が変圧器の費用を超える場合）以外では、費用がかかり不便です。

直列の2つの低電圧負荷

別の解決策は、より高い電圧の電源を使用して、直列の2つのより低い電圧の負荷に電力を供給することです。このアプローチは、高電圧システムの効率と低電圧システムの安全性を組み合わせたものです。

シリーズ接続された120Vac負荷、合計電流83.3Aで240Vacソースによって駆動されます。

示されている各電圧の極性マーク（+および-）と、電流の一方向の矢印に注意してください。

ほとんどの場合、位相の基準系を提供するために表記が有効であるにもかかわらず、分析しているAC回路の「極性」にラベルを付けることは避けました。

この章の後半のセクションでは、フェーズの関係が非常に重要になるため、この章の早い段階でこの表記法を紹介します。

各負荷を流れる電流は、単純な120ボルトの回路の場合と同じですが、負荷が並列ではなく直列であるため、電流は加算されません。

各負荷の両端の電圧は240ボルトではなく、わずか120ボルトであるため、安全率はより優れています。念のために言っておきますが、電力システムの配線にはまだ240ボルトがありますが、各負荷 は低電圧で動作しています。

誰かがショックを受けようとしている場合、それは電力システムの主線を横切る接触からではなく、特定の負荷の導体と接触することから生じる可能性があります。

2つの荷重シリーズ設計の変更

この設計の欠点は1つだけです。つまり、1つの負荷が開いていない、またはオフになっている（各負荷に電流を遮断するための一連のオン/オフスイッチがあると仮定した場合）結果は良くありません。

直列回路であるため、一方の負荷が開くと、もう一方の負荷でも電流が停止します。このため、デザインを少し変更する必要があります:(下の図）

中性線を追加すると、負荷を個別に駆動できます。

単相3線式電力システム

単一の240ボルト電源の代わりに、2つの120ボルト電源を（互いに同相で！）直列に使用して240ボルトを生成し、次に3番目のワイヤを負荷間の接続ポイントに配線して1つの負荷の不測の事態に対処します。オープニング。

これは分割フェーズと呼ばれます 電源システム。シンプルな並列設計で必要な2本のワイヤーよりも、3本の小さいワイヤーの方がまだ安価であるため、効率性は引き続き向上しています。

鋭敏な観察者は、中性線が差を運ぶだけでよいことに気付くでしょう。 2つの負荷間の電流をソースに戻します。

上記の場合、完全に「バランスの取れた」負荷が同じ量の電力を消費するため、中性線にはゼロ電流が流れます。

中性線が電源側でアースに接続されていることに注目してください。これは、「ニュートラル」ワイヤを含む電力システムの一般的な機能です。ニュートラルワイヤを接地すると、「ホット」ワイヤとアース間の任意の時点で可能な限り低い電圧が保証されるためです。

単相3線式電源システムの重要なコンポーネントは、デュアルAC電圧源です。幸いなことに、設計と構築は難しくありません。

ほとんどのACシステムは、いずれにせよ降圧変圧器から電力を受け取るため（電圧を高い配電レベルから120や240などのユーザーレベルの電圧に降圧する）、その変圧器はセンタータップ付きの二次巻線で構築できます。

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American 120/240 Vac電力は、センタータップ付きのユーティリティ変圧器から供給されます。

AC電源が発電機（オルタネーター）から直接供給される場合、同じ効果を得るためにコイルを同様にセンタータップすることができます。変圧器またはオルタネーターの巻線にセンタータップ接続を含めるための追加費用は最小限です。

ここで、（+）と（-）の極性マーキングが本当に重要になります。この表記は、複数のフェーズを参照するためによく使用されます。 AC電圧源であるため、互いに補助（「ブースト」）しているのか、反対（「バッキング」）しているのかは明らかです。

これらの極性マーキングがない場合、複数のAC電源間の位相関係は非常に混乱する可能性があります。回路図の単相3線式（それぞれ120ボルト∠0°）には、直列補助バッテリーと同じように極性マーク（+）から（-）が付いていることに注意してください:(下の図）

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スプリットフェーズ120 / 240Vacソースは、120Vacソースを支援する2つのシリーズに相当します。

「ホット」ワイヤ間の電圧を数学的に計算するには、減算する必要があります。 電圧、それらの極性マークはそれらが互いに反対になっていることを示しているため：

2つのソースの共通接続ポイント（中性線）に同じ極性マーク（-）を付ける場合、それらの相対的な位相シフトを180°離れていると表現する必要があります。それ以外の場合は、2つの電圧源が互いに直接対向していることを示し、2つの「ホット」導体間に0ボルトが発生します。

極性マークと位相角について詳しく説明するのに時間がかかるのはなぜですか？次のセクションでもっと意味があります！

アメリカの家庭や軽工業の電力システムは、ほとんどの場合、単相3線式であり、いわゆる120 / 240VAC電力を供給します。 「分割相」という用語は、単にそのようなシステムの分割電圧供給を指します。

より一般的な意味では、この種のAC電源装置は単相と呼ばれます。 両方の電圧波形が互いに同相または同相であるためです。

「単相」という用語は、これから詳細に調査する「多相」と呼ばれる別の種類の電力システムの対位法です。この章のタイトルトピックに至るまでの長い紹介についてお詫びします。

多相電力システムの利点は、最初に単相システムをよく理解していれば、より明白になります。

レビュー：

• 単相 電力システムは、電圧波形が1つしかないAC電源を使用することで定義されます。
• 分割フェーズ 電源システムは、複数の（同相の）AC電圧源が直列に接続されたものであり、2本以上のワイヤを使用して複数の電圧で負荷に電力を供給します。これらは主に、システム効率（低導体電流）と安全性（低負荷電圧）のバランスをとるために使用されます。
• 単相AC電源は、変圧器またはオルタネーターのコイル巻線をセンタータップすることで簡単に作成できます。

関連するワークシート：

• 多相電力システムワークシート