電力変換における変圧器の基礎理論と構造設計

変圧器（へんあつき、英語: transformer）あるいはトランスとは、電磁誘導を利用して交流電源の電圧を変化させる電力機器および電子部品である。変成器の一種に分類される。

変圧器を使用することで電圧だけでなく電流も変化させることができる。可動部を持たない静的な機械であり、周波数を変えずに電力をある電気回路から別の電気回路へ転送する特性を持つ。

基本原理と理論

変圧器は、磁気的に結合した複数のコイル（巻線）から構成される。ふたつのコイルから成る場合、入力側のコイルを一次コイル、出力側のコイルを二次コイルと呼ぶ。一次コイルに交流電流を流して変動磁場を発生させ、相互インダクタンスを通じて二次コイルに磁束を伝え、再び電流に変換して出力する仕組みである。

電圧を上昇させることを昇圧、逆に下降させることを降圧と呼ぶ。理想的な変圧器においては、一次側に入力されるエネルギーと二次側から出力されるエネルギーは等しい。そのため、昇圧を行うと電流は減少し、降圧を行うとその逆の現象が生じる。

実際の変圧器では、エネルギー保存則に基づき、ジュール損や渦電流損などの熱、音、漏洩磁束による損失が発生するため、二次側の有効エネルギーは一次側の入力エネルギーから損失分を差し引いた値となる。

変圧比と巻数比の関係

一次コイルの電圧を $V_1$、巻数を $N_1$、電流を $I_1$とし、二次コイルの電圧を $V_2$、巻数を $N_2$、電流を $I_2$とする。これら比率である $V_1/V_2$、$N_1/N_2$、$I_1/I_2$はそれぞれ変圧比、巻数比（変成比）、変流比と呼ばれる。

理想的な変圧器では、巻数比と変圧比は等しく、変圧比は変流比の逆数と一致する。一次コイルと二次コイルの結合係数を $k$ とすると、磁束の伝達効率に応じて電圧と巻数の関係が規定される。

構造と設計

変圧器の主要な構成要素は、磁気回路を形成する鉄心と、導線を巻いた巻線である。高周波用などでは鉄心を持たない空芯の構造をとる場合もある。

鉄心と巻線

鉄心には、鉄損が少なく飽和磁束密度および透磁率が大きい材料が適しており、ケイ素鋼板が多く用いられる。また、損失低減を目的としてアモルファス磁性材料が採用される事例もある。渦電流損を低減するため、表面を絶縁処理した薄い鋼板の積層や巻鉄心が用いられる。

巻線には絶縁被覆を有する軟銅線が使用され、配置方法によって鉄心の周りに低圧・高圧巻線を同心円状に配置する「内鉄形」と、巻線の周りに鉄心を配置する「外鉄形」に大別される。

結線方式の種類

三相交流回路において変圧器を使用する場合、目的に応じて様々な結線方式が選択される。

• Δ-Δ結線：低電圧の回路で用いられる。
• Y-Y結線：一次・二次ともに中性点接地が可能であるが、高調波電圧による起電力の歪みを防ぐためY-Y-Δ結線とされることが多い。
• Y-Δ結線：降圧に適しており受電端に用いられる。
• Δ-Y結線：昇圧に適しており送電端に用いられる。
• V-V結線：配電用柱上変圧器などで用いられ、2台の変圧器で三相交流を扱う方式である。

相変換変圧器

三相交流から単相交流への変換を行う変圧器であり、電気鉄道における交流電気車の電力供給や電気炉の駆動などに採用される。代表的なものとして、三相交流から90度の位相差を持つ2組の単相交流を出力するスコット結線変圧器などが挙げられる。