三相変圧器とは？結線の種類と特徴をわかりやすく解説【電験三種 機械】

まず基本中の基本から。三相の電圧を変換するには、どうすればええと思う？

答えは大きく2つあるんや。

1つ目は「単相変圧器を3台使う」方法。これまで学んできた単相変圧器を3台並べて、各相（a相・b相・c相）にそれぞれ1台ずつ割り当てるんや。家電でいうと、同じテレビを3台買って並べるようなもんやな。

2つ目は「三相一体型の変圧器を1台使う」方法。1つの鉄心に三相分の巻線をまとめて巻いたもので、3台分の機能を1台でこなすんや。

実際の電力系統ではどっちも使われてるんやけど、大容量や重要な系統では「単相3台」が選ばれることが多い。なんでかっていうと、1台壊れても残り2台で運転を続けられる可能性があるからや（これはV結線っていうて、次の講座で詳しくやるで）。

一方、一般的な配電用変圧器では「三相一体型」が主流や。小型で安いからな。電柱の上に乗ってるトランスも三相一体型が多いで。

さて、どちらのタイプでも重要なのが「どうやって結線するか」や。次のステップで、結線の基本であるY結線とΔ結線を学んでいくで。

三相変圧器の結線を理解するには、まずY結線（スター結線）とΔ結線（デルタ結線）の2つの基本を押さえなあかん。

三相交流には3本の線（a相・b相・c相）があるよな。この3本をどうやって変圧器の巻線に繋ぐか、その方法が「Y」と「Δ」の2種類あるんや。

Y結線（スター結線）は、3つの巻線の片方の端を1点に集めてつなぐ方法や。星（☆）みたいな形になるから「スター」って呼ぶんやな。集まった点を「中性点」って言うで。

Δ結線（デルタ結線）は、3つの巻線を三角形（△）の形に繋ぐ方法や。巻線の終わりと次の巻線の始まりを順番に繋いでいくんやな。

この2つの結線方式の最大の違いは何やと思う？それは「中性点があるかないか」や。

Y結線は中性点があるから、そこを接地（アース）できる。これは電力系統の安全性にとって超重要なポイントなんや。地絡事故が起きたときに確実に検出できるし、異常電圧の抑制にも役立つからな。

一方、Δ結線には中性点がない。やから接地はできへんけど、後で学ぶ「第三高調波の循環」という大きなメリットがあるんや。

次は、Y結線とΔ結線で電圧と電流がどう変わるかを見ていくで。ここが計算問題の核心部分や！

ここが三相結線の計算で最も重要なところやで。しっかり頭に入れてな。

まず用語を整理しよか。三相回路には2種類の電圧と2種類の電流があるんや。

相電圧（\( V_P \)）：1つの巻線にかかる電圧。巻線の両端の電位差のことや。

線間電圧（\( V_L \)）：2本の電線の間の電圧。実際に外部回路に現れる電圧で、計測器で測る電圧はこっちや。

同じように、相電流（\( I_P \)）は巻線を流れる電流、線電流（\( I_L \)）は外部の電線を流れる電流やで。

ほんで、Y結線とΔ結線でこれらの関係が変わるんや。ここが超重要！

なんでY結線で電圧が \( \sqrt{3} \) 倍になるかっていうと、2つの相電圧のベクトル差が線間電圧になるからや。120°の位相差がある2つのベクトルの差は、もとの \( \sqrt{3} \) 倍になるんやな。

よし、ここまでの理解を確認する問題いくで！

ほな、第1問や！Y結線の基本公式を使った計算問題やで。

さて、Y結線とΔ結線の基本が分かったところで、いよいよ三相変圧器の4つの結線方式を1つずつ見ていくで。

まずはY-Y結線（スター・スター結線）から。一次側も二次側もY結線にする方式や。

Y-Y結線の最大のメリットは、一次・二次の両方に中性点があることや。両方とも接地できるから、系統の保護がやりやすい。高電圧系統では特に重要なポイントやな。

ところがや、Y-Y結線には致命的な弱点があるんや。それが「第三高調波による波形歪み」問題や。

変圧器の鉄心は磁気飽和するから、磁化電流に第三高調波成分が含まれるんや。Y結線では第三高調波電流の流れ道がないから、磁束に第三高調波が乗ってしまう。その結果、二次電圧の波形が歪んで、正弦波やなくて歪んだ波形になってしまうんや。

これは電力品質にとって大問題や。せやから、Y-Y結線は単独ではあまり使われへん。使う場合は第三高調波対策として「Δ結線の安定巻線（三次巻線）」を追加することが多いんや。

次はΔ-Δ結線（デルタ・デルタ結線）や。一次側も二次側もΔ結線にする方式やで。

Δ-Δ結線のメリットはいくつかあるんやけど、最大の特徴は第三高調波が問題にならないことや。なんでかっていうと、Δ結線の中を第三高調波電流が循環できるからなんや。

三相の第三高調波は各相が同位相（同じタイミングで同じ方向）になるんや。Y結線やとこの同相成分の電流は流れ道がないけど、Δ結線は閉回路になってるから、第三高調波電流がΔの中をぐるぐる循環することができる。外部に出ていかへんのや。

もう1つのメリットは、単相3台で構成している場合、1台が故障してもV結線で運転を継続できることや。これは次の講座で詳しくやるで。

ただし、デメリットもある。Δ結線は中性点がないから、接地ができへん。高電圧系統で中性点接地が必要な場合には不向きなんや。

ここまでで Y-Y と Δ-Δ の特徴を学んだな。ほな、理解度を確認する問題いくで！

Y-Y結線とΔ-Δ結線の特徴、ちゃんと頭に入ったか確認するで。

次はY-Δ結線（スター・デルタ結線）や。一次側がY結線、二次側がΔ結線の組み合わせやで。

Y-Δ結線は、Y結線とΔ結線のいいとこ取りをした結線方式なんや。

一次側がY結線やから中性点を接地できる。これで系統の保護ができる。二次側がΔ結線やから第三高調波を吸収できる。Y-Y結線の弱点を見事にカバーしてるわけや。

ただし、Y-Δ結線で注意が必要なのは電圧の計算や。一次側と二次側で結線方式が違うから、線間電圧の比が巻数比と一致しないんや。

具体的に計算してみよか。一次側Y結線で線間電圧 \( V_{1L} \) のとき：

・一次相電圧：\( V_{1P} = \frac{V_{1L}}{\sqrt{3}} \)

・巻数比 \( a = \frac{N_1}{N_2} \) とすると、二次相電圧：\( V_{2P} = \frac{V_{1P}}{a} = \frac{V_{1L}}{\sqrt{3} \cdot a} \)

・二次側はΔ結線やから、線間電圧 = 相電圧：\( V_{2L} = V_{2P} = \frac{V_{1L}}{\sqrt{3} \cdot a} \)

つまり、Y-Δ結線では線間電圧比が巻数比の \( \sqrt{3} \) 倍だけ違うんや。巻数比 \( a \) のまま電圧が変わるΔ-Δ結線とは計算が変わってくるから注意やで。

ほな、Y-Δ結線の計算問題にチャレンジや！

Y-Δ結線の電圧計算、実際にやってみるで。

次はΔ-Y結線（デルタ・スター結線）や。一次側がΔ結線、二次側がY結線の組み合わせやで。

Δ-Y結線はY-Δ結線の逆パターンやな。でも、用途が全然違うんや。

Δ-Y結線は主に昇圧用に使われるんや。発電所で発電された電気を送電線に送り出すとき、電圧を上げる必要があるよな。そのときにΔ-Y結線の変圧器が使われるんや。

一次側がΔ結線やから第三高調波を吸収できる。二次側がY結線やから中性点を接地できる。送電系統の保護にぴったりの組み合わせなんや。

電圧の計算はY-Δの逆や。一次Δ、二次Yのとき：

・一次はΔやから、相電圧 = 線間電圧：\( V_{1P} = V_{1L} \)

・二次相電圧：\( V_{2P} = \frac{V_{1P}}{a} = \frac{V_{1L}}{a} \)

・二次はYやから：\( V_{2L} = \sqrt{3} \cdot V_{2P} = \frac{\sqrt{3} \cdot V_{1L}}{a} \)

Y-Δ結線では \( \sqrt{3} \) で割ったけど、Δ-Y結線では \( \sqrt{3} \) を掛けるんや。逆パターンやから√3の位置も逆になるってことやな。

ここで、三相結線の重要な特性である「角変位」について学ぶで。

角変位とは、一次側と二次側の線間電圧の位相差のことや。同じ種類の結線同士（Y-YやΔ-Δ）なら角変位は0°やけど、異なる結線の組み合わせ（Y-ΔやΔ-Y）では30°の角変位が生じるんや。

なんで30°の位相差が出るかっていうと、Y結線の線間電圧は2つの相電圧のベクトル差やから、相電圧に対して30°回転した方向を向くんや。一方、Δ結線の線間電圧は相電圧そのまま。この差が30°の角変位として現れるわけやな。

この角変位が重要になるのは、変圧器の並行運転のときや。並行運転するには角変位が同じでなければならない。Y-Y結線の変圧器とY-Δ結線の変圧器は角変位が違うから、並行運転できへんのや。

ほな、角変位の理解を確認するで！

角変位についての問題や。電験でよく出るポイントやで。

ここまでの4つの結線方式を比較する問題や。整理できてるか確認するで！

ここで第三高調波について、もうちょっと詳しく掘り下げるで。電験三種では第三高調波に関する出題がかなり多いから、しっかり理解しといてな。

まず、なんで変圧器に第三高調波が発生するかをおさらいしよか。変圧器の鉄心は磁気飽和するんやったな。磁束を正弦波にしようとすると、飽和の影響で磁化電流（励磁電流）が正弦波にならへん。この歪んだ電流には第三高調波成分が含まれるんや。

三相交流の第三高調波には特別な性質がある。基本波は各相が120°ずつずれてるよな。ところが、第三高調波は3倍の周波数やから、120° × 3 = 360° ずれる。360°ずれるということは、結局全部同じ位相ってことなんや。

つまり、a相もb相もc相も、第三高調波は同じ方向に流れようとする。Y結線では3本の線に同じ方向の電流が流れようとしても、中性線がなければ流れ道がない。せやからY-Y結線（中性線なし）では第三高調波電流が流れられないんや。

流れられない電流の代わりに何が起こるかっていうと、磁束に第三高調波が乗ってしまい、結果として誘導電圧の波形が歪む。これがY-Y結線の問題の本質や。

一方、Δ結線は閉回路になってるから、同位相の第三高調波電流はΔの中をぐるぐる循環できる。外部には出ていかへんけど、Δの中を回ることで磁束を正弦波に保てるんや。

ここで、4つの結線方式を表で一気に比較しとくで。電験三種の試験直前にこの表だけ見直すのも効果的や。

電験三種での出題パターンを整理すると、次のようなものが多いで。

パターン①：結線方式の特徴を問う問題。「Y-Y結線の欠点は？」「Δ結線の第三高調波に対する利点は？」のように、各結線の長所・短所を聞いてくるパターンや。正誤問題や穴埋めで出ることが多い。

パターン②：電圧・電流の計算問題。「Y-Δ結線で一次線間電圧がXXVのとき、二次線間電圧は？」のように、\( \sqrt{3} \) の扱いを間違えやすいところを突いてくるんや。

パターン③：角変位と並行運転の条件。「並行運転できる組み合わせはどれか？」という形で出ることがある。角変位が同じ結線どうしでないと並行運転できへんという知識が問われるんや。

ほな、Δ-Y結線の計算問題や。Y-Δの逆パターン、しっかり区別できるか確認するで！

結線方式の知識を総合的に問う問題や。誤りを見抜けるかがポイントやで！

ラスト問題や！今日学んだことの総まとめやで。全力でいこか！

お疲れさん！第20講「三相変圧器と三相結線」の内容をまとめるで。

この講座の内容は電験三種の頻出中の頻出やから、公式と特徴をしっかり覚えておいてな。特にY-Y結線の欠点と角変位30°は定番の出題ポイントやで。

次の第21講では、各結線方式のさらに詳しい比較と電圧・電流の計算をやるで。今回の基本がしっかりできてれば、次もスムーズに進めるはずや！