変圧器（トランス）の利用率とは（Ｖ結線で86.6%）

　変圧器の利用率とは、変圧器の容量に対して実際に取れる負荷の割合（能力に対してどのくらいまで使えるか）を表すものです。Ｖ結線の場合には、Ｐの出力×２台（＝２Ｐ）の変圧器で得られる出力は√３Ｐとなり、√３／２（＝86.6%)までの出力しか得られません。この理由の説明となります。

　電験１種の２次試験で利用率の算出方法を問われたこともありました。

トランスの利用率の話
トランスの利用率の話【ＰＤＦ版】

トランスの利用率の話

トランスの利用率の話をします。
この書き込みをお読みの方は、トランスの容量が下記の様に示される事はご存じだと思います。
（ご存じでない方は、下図を見て納得して下さい。）

単相２線式トランスの容量をＰ[ＶＡ]とすれば、単相負荷はＰ[ＶＡ]接続できます。
この単相トランスを３台組み合わせて三相トランスとした場合、当然三相容量は３Ｐ[ＶＡ]接続出来ます。この単相トランスを２台使って、Ｖ結線にした場合、トランス容量は２Ｐ[ＶＡ]ですが、接続可能な三相容量は√３Ｐ[ＶＡ]になります。２Ｐ[ＶＡ]では有りません。
何故か？・・・という話です。

次ページ以降に下記の３種類の結線に依る、トランスの利用率の解説を記載します。
解説には下記の公式を使用しますので、覚えておいて下さい。

三相容量(ＶＡ値)＝√３×線間電圧(Ｖ値)×線電流(Ａ値)

さて、Ｖ結線の場合です。
回路図は上記の通りです。少し丁寧に書きました。
電圧関係は次のようになります。
巻線電圧は巻線ＲＳ及びＳＴとも同じ値でＥ[Ｖ]です。（値はスカラー値で記載。）
線間電圧（ＲＳ間）は巻線電圧ＲＳがそのまま出現しますのでＥ[Ｖ]です。
線間電圧（ＳＴ間）も同様に巻線電圧ＳＴがそのまま出現しますのでＥ[Ｖ]です。
線間電圧（ＴＲ間）は巻線電圧ＲＳ及びＳＴに依り電圧が発生します。
発生した電圧は同じＥ[Ｖ]になります。
つまり線間電圧は全て同じ値でＥ[Ｖ]になります。

電流関係は次のようになります。
Ｒ線電流はＲＳ巻線電流がそのまま流れますのでＩ[Ａ]です。
Ｓ線電流はベクトル式で表すとＩst（ドット）－Ｉrs（ドット）になりますが、値はやはりＩ[Ａ]になります。Ｔ線電流はＳＴ巻線電流の１８０°位相が反転した電流ですが値は同じＩ[Ａ]です。
つまり線電流は全て同じ値でＩ[Ａ]になります。

これを公式に当てはめます。

三相容量(ＶＡ値)＝√３×線間電圧(Ｖ値)×線電流(Ａ値)
＝√３×Ｅ×Ｉ
＝√３ＥＩ

上記の式に於いて、線電流＝巻線電流ですから、巻線電流をＩ[Ａ]としているのでこの様な式になります。（√３は１回しか出てきません。）

単相トランス１基の容量ＰはＥ×Ｉで計算されますので、上記の容量は下記の様に計算されます。
三相容量(ＶＡ値)＝√３ＥＩ＝√３Ｐ
つまり単基容量Ｐ[ＶＡ]の単相トランス２台を使っても、供給可能な容量は２倍にはなりません。√３倍になるだけです。

トランスの使用率の計算は下記の式で行います。
トランスの使用率＝供給可能容量÷トランス合計容量
＝√３Ｐ÷２Ｐ
＝√３÷２
＝８６．６％

【宿題】

下図のような線間電圧がＥ[Ｖ]、容量３Ｐ[ＶＡ]の三相トランスがある。
（容量Ｐ[ＶＡ]の単相トランス×３基と等価。）
トランスのＲＳ間のみに単相負荷を接続した。
各々の場合で、供給可能な単相容量は幾つになるか計算しなさい。

【宿題の解答】

変な問題の出し方をしてしまったかも知れません。
余り細かいことは気にしないで、下記の様になると思って下さい。

【スター結線の場合】

ＴＮ巻線は遊びですから、撤去します。
又、各相の巻線はＰ[ｋＶＡ]の単相トランスと等価になります。
→は電流Ｉ[Ａ]を表します。下図参照。

図を見ると解るのですが、巻線電流と線電流は同じ電流になります。
この→電流Ｉ[Ａ]がトランスの容量を超えなければ良いことになります。
単相トランス１基の容量はＰ[ＶＡ]でした。
従って、Ｐ[ＶＡ]＝(Ｅ／√３)[Ｖ]×Ｉ[Ａ]の関係になっていますので、
Ｉ[Ａ] ＝√３×Ｐ[ＶＡ]／Ｅ[Ｖ]となります。
単相トランスの端子間電圧にご注意下さい。
線間電圧はＥ[Ｖ]ですが、端子間電圧（ＲＮ間）はＥ／√３)[Ｖ]です。
これで、流せる電流の上限値が求まりました。
ここで接続可能な単相容量を求めると次の様になります。
接続可能単相容量＝線間電圧×流せる電流の上限値
＝Ｅ×√３×Ｐ／Ｅ[ＶＡ]
＝√３×Ｐ[ＶＡ]

この時のトランスの利用率を計算して見ましょう。
利用率＝供給可能容量÷トランス容量×１００％
＝√３×Ｐ[ＶＡ]÷３Ｐ[ＶＡ]×１００％
＝√３÷３×１００％
＝５７．７％
となります。

三相トランス容量が１００ｋＶＡの場合は５７．７ｋＶＡまで、
３００ｋＶＡの場合は１７３．２ｋＶＡまでになります。

丼勘定で計算すると三相トランス容量の半分が接続可能単相容量になります。

【デルタ結線の場合】

こんどはデルタの場合です。
下図のように回路を２つに分けて考えます。
この様な考え方を重ねの理と言います。

Ａ図及びＢ図とも共通で→は電流を示します。

Ａ図から解析します。
直感的に解って頂けると思いますが、供給可能容量はＰ[ＶＡ]です。
巻線ＲＳの容量がＰ[ＶＡ]ですから、これがそのまま供給可能容量になります。
流しても良い。電流値は巻線ＲＳの定格電流Ｉ[Ａ]そのものです。

次はＢ図です。
端子ＲＳ間には巻線がありませんが、巻線ＳＴ及びＴＲに依って、ＲＳ間には電圧Ｅ[Ｖ]が発生します。回路図を見ると解るのですが、流れる電流は巻線ＳＴ及びＴＲを等しく通過していきます。
従って、流して良い電流はこの巻線の定格電流Ｉ[Ａ]になります。
ですから、供給可能容量はやはりＰ[ＶＡ]になります。

合計でＰ[ＶＡ]×２倍の容量が供給可能です。＜＝＝というのは実は嘘。なんで？どうして？

前ページの考え方は、基本的には正解です。
しかし、理論として不完全です。不足しているとも言えます。
不足している部分とはトランスの持つインピーダンスを考慮していない事です。
下記の回路の●はインピーダンスを示します。
各トランスの特性は揃っていますので、同じ大きさのインピーダンスがあります。