三相電力システムの基礎とメリット

分相電力とは

分相システムは、総電圧を低いレベルに分割することで導体効率を高めながら安全リスクを低減します。各負荷は低電圧で動作しますが、電流はフル電圧システムと同等です。

「位相」は厳密にはAC概念ですが、同じ原理がDCにも適用されます。これらは通常「三線式」システムと呼ばれ、分相とは呼びません。

位相がずれたAC電圧は単純に加算されないため、この挙動を利用して、分相よりもさらに高い導体効率と低い感電ハザードを持つ電力システムを構築できます。

例

120°位相差の2つの電圧源

分相システムのように2つのAC電圧源を直列接続しますが、各ソースが互いに120°位相差を持つとします：

 

120°位相差を持つ2つの120 Vac電源、分相に類似

 

各電源は120 Vを供給し、各負荷抵抗はそれぞれの電源と直接並列接続されます。したがって、各負荷電圧は120 Vで、負荷電流83.33 Aで各負荷は10 kWを消費します。

2つの「ホット」導体間電圧は、位相差が120°であるため240 V（120° - 180°）にはなりません。代わりに、線間電圧は：

 

 

公称ではホット導体間電圧は208 V（丸め値）となり、システムは120/208と指定されます。

中性線電流を計算すると、平衡負荷でもゼロになりません。キルヒホッフの電流法則により、2つの負荷間のノードに流入・流出する電流は打ち消し合う必要があります：

 

 

中性線は各ホット導体と同じ83.33 Aを流します。

 

発見と結論

中性線がホット導体と同じ電流を流すものの、総供給電力は20 kW（各10 kW）のままです。ホット間電圧が208 Vで、分相の240 Vより32 V低いため、導体コストを変えずに（同ゲージ銅線が必要）安全性が向上します。

120°位相差の3つの電圧源

中性線電流があることは、それを追加のホット導体として利用できることを示唆します。第3の120 V電源を240°位相差で追加すると、4つ目の負荷が同じ3導体を共有できます：

 

他の2つに対して120°位相差の第3負荷で、電流は2負荷時と同じ

 

三相システムのSPICE計算

完全なネットワーク解析には重ね合わせの定理を使用しますが、直感的な結果は、120°離れた3つの120 V電源が、各平衡負荷抵抗に120 Vを供給することです。

SPICEで確認できます：

 

SPICE回路：120°位相差の3つの3相負荷

 

120/208 polyphase power system
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 1.44
r2 2 4 1.44
r3 3 4 1.44
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1)
.print ac i(v1) i(v2) i(v3)
.end

VOLTAGE ACROSS EACH LOAD
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
VOLTAGE BETWEEN "HOT" CONDUCTORS
freq v(1,2) v(2,3) v(3,1)
6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
CURRENT THROUGH EACH VOLTAGE SOURCE
freq i(v1) i(v2) i(v3)
6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

結果は、各負荷に120 V、任意の2ホット導体間で約208 V、各導体に83.33 Aを示します。各負荷は10 kWを消費します。

この回路には電圧安定性のための中性線がありません。1つの負荷が開放すると、残りの負荷は変化した電圧を見ます。中性線を追加すると、負荷が平衡時は安定動作を保証し、負荷故障や切断時以外は電流を流しません。

 

シミュレーション結果注釈付きSPICE回路：120°位相差の3相負荷

 

多相回路

ここまで調べた、異なる位相角を持つ3つの電圧源は、多相回路と呼ばれます。「ポリ」は「複数」を意味し、「多神教」や「多角形」と同様です。電力システムでは、複数の位相シフトした電圧波形を指します。

具体的に、三相回路は最も一般的な多相システムで、大規模配電網を駆動します。

三相システム vs 単相システム

単相システム

単相120 Vシステムで3つの同一負荷は総計250 A（83.33 A × 3）を引きます。この電流を扱うには3/0 AWG銅線（≈510 lb/1,000 ft）が必要。1,000フィートで半トン以上の銅が必要です。

 

比較：3つの10 kW負荷を120 Vacシステムで駆動すると250 A

 

分相システム

分相システムは電流を半分にできます。2つの15 kW、120 V負荷が240 Vライン電圧で125 Aを引き、2 AWG銅線（≈200 lb/1,000 ft）が使用可能。しかし、240 Vの存在はより高い感電リスクをもたらします。

 

分相システムは120 Vacシステムの半分、125 Aを240 Vacで引く

 

三相システム

前2つと比較して、平衡三相システムは導体あたり83.33 Aのみを使用。4 AWG銅線（≈125 lb/1,000 ft）で十分で、材料コストを削減しながら最大電圧を208 Vに抑え、分相の240 Vより低く保ちます。

主な疑問は、120°離れた3つのAC電圧源をどう生成するかです。分相がセンタータップを使用するのに対し、三相オルタネータはローター周りに120°間隔で3組の巻線を配置し、電源で必要な位相シフトを直接生成します。

下図では、6極巻線が3ペアを形成し、各ペアが他と120°位相差の120 V AC波形を供給します。巻線は通常「Y」（スター）結線で、各巻線の一端を共通中性点に接続します。

 

(a) 単相オルタネータ、(b) 三相オルタネータ

 

オルタネータY結線

 

まとめ

• 単相システムは1つのAC電圧源を持つ
• 分相システムは180°位相差の2電源を使用し、導体電流を減らしながら負荷電圧を低く保つ
• 多相システムは異なる位相角を持つ複数電圧源を用い、より多くの電力をより低い電圧と小さな導体で供給
• 位相シフト電圧源は、ローター周りに複数巻線セットを配置したオルタネータで生成

関連ワークシート

• 多相電力システムワークシート