三相オルタネータの位相回転：メカニズム、検出、配線反転

三相オルタネータ

以前議論した三相オルタネータ設計を再訪し、磁石回転が生成電圧に与える影響を観察します。

三相オルタネータ

120°位相シフトは、3つの巻線ペアの実際の角度変位の直接的結果です。磁石が時計回りに回転すると、巻線3は巻線2の120°軸回転後に電圧ピークに達し、巻線2は巻線1の120°後にピークに達します。磁石は各極ペアを異なる軸角度で通過します。

巻線配置が各巻線のAC波形間の位相シフトを決定します。巻線1を基準（0°）とすると、巻線2は-120°（または+240°）、巻線3は-240°（または+120°）となります。

位相順序

時計回り軸回転は繰り返し可能な順序を生成：1 → 2 → 3。オルタネータが回転し続ける限りこの順序は持続します。

時計回り回転の位相順序：1-2-3

軸方向を反転（反時計回り）すると、順序は3 → 2 → 1に入れ替わります。この場合、巻線2が巻線1を120°リードし、巻線3が巻線2をさらに120°リードします。

反時計回り回転の位相順序：3-2-1

多相システムにおける電圧波形の配列を位相回転または位相順序と呼びます。純抵抗負荷では順序に差はなく、大きさは1-2-3でも3-2-1でも同一です。しかし、特に不平衡リアクティブ負荷を伴う特定の三相用途は、位相回転方向に敏感です。

位相順序検出器

標準的な電圧計と電流計では、通電中の電力システムの順序を知ることはできません。代わりに、シンプルな検出回路がコンデンサを用いて電圧と電流の間に位相シフトを導入し、それが2つの表示ランプの明るさ差として現れます。

位相順序検出器が2つのランプの明るさを比較

両ランプは同一フィラメント抵抗とワット数を持ちます。コンデンサはシステム周波数で各ランプ抵抗とほぼ等しいリアクタンスを提供するようサイズ設定されます。コンデンサを同値抵抗で置き換えると回路がバランスし、ランプ明度は等しくなります。しかし、コンデンサは第3脚に90°位相シフトを導入し、相対位相オフセットに基づいてランプが見る電圧と電流を歪めます。

位相順序検出器のSPICE解析

以下のSPICEシミュレーション（phase rotation detector – sequence = v1-v2-v3）は、90°位相シフトの効果を示します。

位相順序検出器のSPICE回路

phase rotation detector -- sequence = v1-v2-v3
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 4.810E+01 1.795E+02 1.610E+02

コンデンサの位相シフトにより、最初のランプ電圧が48.1 Vに低下し、2番目のランプ電圧が179.5 Vに上昇。最初のランプが暗く、2番目が明るくなります。位相順序を反転（phase rotation detector – sequence = v3-v2-v1）すると結果が逆転：最初のランプが明るく、2番目が暗くなります。

phase rotation detector -- sequence = v3-v2-v1
v1 1 0 ac 120 240 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 0 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.795E+02 4.810E+01 1.610E+02

したがって、位相回転はオルタネータの回転磁石が極ペアを通過する順序によって決まり、軸方向反転で順序が変わります。実用では、エンドユーザーが国家グリッドの結合オルタネータの回転を反転させることはできませんが、三相負荷に供給される3つのホット線の任意の2つを入れ替えることで同じ効果が得られます。

ホット線の交換

2本のホット線を交換することは、位相順序を反転させる簡単な方法です。実行中の1-2-3回転を考えます：1-2-3-1-2-3-… これを3-2-1に反転させることは、任意の2線を交換することと等価です。結果は常に順序反転になります（例：2-1-3、1-3-2、または3-2-1）。

任意の2線交換のすべての可能性

まとめ

• 位相回転（または位相順序）とは、多相AC電源の電圧波形がピークに達する順序を指す。三相システムでは、オルタネータ回転の2方向に対応する1-2-3と3-2-1の2順序のみ存在
• 位相回転は純抵抗負荷には影響しないが、不平衡リアクティブ負荷には影響する（位相回転検出器回路で実証）
• 三相負荷に給電する3つのホットリードの任意の2つを交換することで位相順序を反転可能

関連ワークシート

• 多相電力システムワークシート