対称三相と相順｜対称条件・正相逆相を完全理解【電験三種 理論】

まずは対称三相交流って何やねん？ってとこから始めよか。

「対称」っていう言葉、日常でも使うやろ？左右対称とか、点対称とか。要するに「バランスが取れてる」「偏りがない」っていう意味や。三相交流でも同じで、3つの相が完全にバランスが取れている状態を「対称三相」と呼ぶんや。

じゃあ、具体的にどんな条件を満たせば「対称」って言えるんやろか？実は、3つの条件があるんや。

上の図を見てくれ。3つの波が同じ高さ（振幅）で、等間隔に並んでるのが分かるやろ。これが「対称三相」の姿や。どの相も特別扱いされてない、完全に平等な状態なんやで。

ほな、対称三相交流の3つの条件を具体的に見ていくで！

対称三相交流であるためには、以下の3つの条件を全て満たす必要があるんや。1つでも欠けたら「非対称（不平衡）」になってしまう。

条件①：各相の大きさが等しい。これは「3つの波の振幅が同じ」ということや。a相だけ電圧が高いとか、c相だけ低いとか、そういう偏りがない状態やで。たとえるなら、3人の力持ちが全員同じ力で綱引きしてる状態や。

条件②：位相差が120°ずつ。これは「3つの波が等間隔で並んでいる」ということや。120°は360°÷3やから、円を3等分した角度やったな。もし位相差が100°と140°みたいにバラバラやったら、対称とは言えへん。

条件③：波形が同じ正弦波。これは「3つの波が同じ形をしている」ということや。全部きれいな正弦波で、歪みがない。周波数も当然同じ。1つだけ歪んだ波形やったら、対称とは言えへんのや。

3つの条件が分かったところで、数学的にどう表現するかを見てみよう！

対称三相の起電力を式で書くと、こうなる：

この式をよう見てみ。3つの式でEm（振幅）が全部同じやろ？これが条件①や。位相が0°、-120°、-240°と120°刻みになってるのが条件②。そして全部 sin（正弦波）やから条件③も満たしてる。

そして、この3つの条件が揃うと、ものすごく便利な性質が生まれる。それが「瞬時値の和が常にゼロ」という性質や！

「え、なんで常にゼロになるん？」って思うやろ。これは三角関数の加法定理を使って証明できるんやけど、直感的に説明するとこうや。

フェーザ（ベクトル）で書いても同じことが言える。前回学んだように：

この性質は、三相交流の計算で何度も何度も使う超重要な性質やで。「対称三相なら、3つを足すとゼロ」これは丸暗記しても損はないくらい大事や！

よっしゃ、確認問題の時間や！

対称三相交流の条件をしっかり理解できてるか、チェックするで！

対称三相の条件が分かったところで、次は相順（そうじゅん）について学んでいくで！

相順というのは、3つの相が最大値を迎える順番のことや。前の講座でも少し触れたけど、ここでもっと詳しく見ていこう。

対称三相交流には、相順が2種類あるんや：

正相順（せいそうじゅん）：a → b → c の順に最大値を迎える。これが「標準」の相順で、電力系統では一般的にこの順番が使われてる。

逆相順（ぎゃくそうじゅん）：a → c → b の順に最大値を迎える。正相順とはb と c の順番が逆になった状態や。

式を見ると分かるように、a相は変わらず基準（0°）で、b相とc相の位相が入れ替わってるだけや。正相順では b が-120° で c が-240° やけど、逆相順では b が-240° で c が-120° になる。

正相順と逆相順を、ベクトル図で比較してみよう！

ベクトル図で見ると、2つの相順の違いが一目瞭然や。前回学んだ通り、ベクトルは反時計回りに回転するから、回転方向に沿って見た相の順番が「相順」になるんやで。

図を見比べてみ。正相順では、反時計回りに a→b→c の順で並んでるやろ。逆相順では、反時計回りに a→c→b の順になっとる。つまり、b と c の位置が入れ替わってるだけなんや。

大事なポイントは、どちらも対称三相であることには変わりないっていうこと。3本のベクトルの大きさは同じやし、120°間隔というのも同じ。違うのは「順番」だけや。対称三相には正相順と逆相順の2種類があるんやで。

「順番が違うだけやん、別にどっちでもよくない？」って思った人、大間違いやで！

相順が変わると、実際の機器で大きな影響が出るんや。その代表例が三相誘導電動機（モーター）の回転方向や。

三相モーターは、三相交流が作り出す回転磁界によって回転する。この回転磁界の回転方向は、相順で決まるんや。

つまり、正相順なら右回り、逆相順なら左回り（あるいはその逆）になる。相順を間違えると、モーターが逆方向に回転してしまうんや！

工場のコンベアやポンプが逆回転したら大変やろ？エレベーターが上ボタンで下に動いたら事故になりかねへん。だから、相順の管理は実務でめちゃくちゃ重要なんや。

現場では検相器（けんそうき）という特別な測定器を使って、電源の相順を確認するんやで。モーターをつなぐ前に、必ず相順を確認するのが基本や。

よっしゃ、問題2や！

正相順と逆相順について、しっかり理解できてるか確認するで！

ここからは、相順の入れ替えについて詳しく学ぶで！

さっき「相順が変わるとモーターの回転方向が逆になる」って話したやろ。ほな、逆に考えると、意図的に相順を変える方法も知っておく必要があるんや。

方法は簡単。3本の配線のうち、2本を入れ替えるだけでええ。どの2本を選んでも、相順は必ず逆転する。

ここでめっちゃ大事なポイントがある。2本の配線を入れ替えると相順が逆転するんやけど、3本全部を入れ替えたらどうなると思う？

実は、3本全部を入れ替えると元の相順に戻るんや！a→b、b→c、c→aと全部ずらしても、結局 a→b→c の順番は変わらへん（ただし位相が120°ずれるだけ）。せやから、相順を逆にするには必ず2本だけを入れ替える必要があるんやで。

これは電験三種でもよく出る知識やから、しっかり覚えておいてな。「モーターの回転方向を逆にするには？→2本の配線を入れ替える」これがお決まりの答えや。

ここまで「対称三相」の条件と相順を学んだけど、ここからは対称じゃない場合、つまり非対称（不平衡）三相について見ていくで！

非対称三相というのは、先ほどの3つの条件のうち1つ以上が崩れている状態のことや。具体的にどんなパターンがあるか見てみよう。

パターン①：振幅が異なる

a相が100V、b相が80V、c相が60Vのように、各相の大きさがバラバラな場合。これは条件①「大きさが等しい」が崩れている状態や。

上の図を見てくれ。波の高さがバラバラやろ？a相が一番大きくて、c相が一番小さい。これが「振幅不平衡」や。

パターン②：位相差が不均等

位相差が120°ずつではなく、100°と140°のようにバラバラな場合。これは条件②が崩れている。

もちろん、パターン①と②が同時に起きることもあるで。現実の電力系統では、完全な対称三相は理想であって、実際にはわずかな不平衡が生じていることが多いんや。

「対称が崩れたら、具体的にどんな問題が起きるん？」って思うやろ。実はかなり深刻なんや。

問題①：瞬時値の和がゼロにならない

対称三相では \( e_a + e_b + e_c = 0 \) が成り立つと学んだよな。でも非対称だとこの和がゼロにならへん。するとどうなるか？

三相回路の中性線（ニュートラル線）に電流が流れてしまうんや。対称三相なら中性線の電流はゼロのはずやけど、不平衡やとゼロにならへん。これは中性線の過熱や、電圧の不安定化につながる重大な問題や。

問題②：機器への悪影響

不平衡な電源でモーターを動かすと、以下のような問題が起こるで：

問題③：計算が複雑になる

電験三種の計算問題的にも大事なポイントがある。対称三相なら「1相分だけ計算して、√3倍する」みたいなシンプルな方法が使えるんやけど、不平衡やとこの方法が使えへん。各相を個別に計算せなあかんから、めちゃくちゃ面倒になるんや。

だからこそ、電験三種では「対称三相」を前提とした問題がほとんどなんや。「対称三相交流において」という問題文が出たら、3つの条件が成り立っている前提で計算できるということやで。

問題3や！不平衡三相について理解できてるかチェックするで！

ここで、試験で使える対称三相の判定チェックリストを整理しておこう！

問題文で「この三相交流は対称か？」と聞かれたり、あるいは自分で対称かどうかを確認する必要がある場面で、以下の手順でチェックするんや。

このフローチャートに沿って1つずつチェックすれば、対称三相かどうか確実に判定できるで。

具体例で練習してみよう。

ちなみに、振幅の141Vは \( 100\sqrt{2} \approx 141.4 \) で、実効値100Vの三相交流やな。電験三種では実効値で与えられることが多いから、この変換も覚えておこう。

ここで、電験三種での出題パターンを押さえておこう！

対称三相と相順に関連する問題は、大きく分けて3つのパターンがあるんや。

パターン①：対称条件を問う問題

「対称三相交流の条件として正しいものを選べ」という形式。3つの条件（大きさ・位相差・波形）を正確に暗記しておけば確実に取れる。位相差が120°なのか90°なのか、ここがよく引っかけポイントになるで。

パターン②：相順と回転方向の問題

「三相誘導電動機の回転方向を逆にするには？」という問題。答えは「任意の2線を入れ替える」や。3本全部入れ替えても元に戻るから注意！

パターン③：式やベクトルから相順を判定する問題

「\( e_b = E_m \sin(\omega t - 240°) \) のとき、相順は？」みたいな問題。b相が-240°（＝+120°）ということは、aの次にcが来る（c相が-120°）パターンで、これは逆相順やな。

試験対策として大事な知識をもう少し詰めていこう。相順に関する補足知識をまとめるで。

① 相順の表記方法

電験三種では、相順を以下のように表記することがあるで：

R相、S相、T相という呼び方は、実際の電力系統や工場の配電盤でよく使われるんや。a, b, c と同じものやから、R=a, S=b, T=c と覚えておけばOKやで。

② 相順の「循環性」

相順はどの相から始めても同じや。正相順 a→b→c は、b→c→a と書いても、c→a→b と書いても同じ相順を表す。ぐるぐる回っていく順番が同じなら、どこから読み始めても一緒やで。

③ 補足：\( -240° = +120° \) の関係

角度の表記で混乱しやすいポイントがある。\( -240° \) と \( +120° \) は同じ角度を表すんや（360°を足すか引くかの違い）。せやから、逆相順のb相の位相 \( -240° \) は \( +120° \) とも書ける。

つまり、逆相順で b相が \( +120° \)（aより120°進んでいる）ということは、最大値にaより早く到達するということ。順番としては c→a→b… ではなく a→c→b→a→c→b… と循環するんやで。

最後の問題やで！これまでの総まとめ問題や！

よっしゃ！ここまでの内容を一覧表にまとめるで！

この表の内容を全部覚えれば、対称三相と相順に関する問題はバッチリや！特に太字の部分は試験で頻出やから、確実に押さえておいてな。

お疲れさま！第5講「対称三相と相順」の学習が完了したで！

今回学んだ内容を振り返ってみよう：

これで Part 1「三相交流の基礎」の全6講のうち5講が終わったで。次の第6講はPart 1 のまとめとして、第1講～第5講で学んだ内容を総復習する。しっかり定着させて、Part 2「Y結線」に備えよう！

次回予告！

第6講「Part 1 まとめ」では、三相交流の基礎を総復習するで！

🏆 第5講 学習完了！