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変圧器(へんあつき、transformer)は、交流電力の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換する電力機器・電子部品である。変成器(へんせいき)、トランスとも呼ぶ。

交流電圧の変換(変圧)、インピーダンス整合、平衡系-不平衡系の変換に利用する。

◆理論

◇原理

入力巻線(一次巻線)の交流電流により変化する磁場を発生させ、それを相互インダクタンスで結合された出力巻線(二次巻線)に伝え、再び電流に変換している。

変圧器によって電圧を変更することを変圧(へんあつ)といい、電圧を上昇させることを昇圧(しょうあつ)、逆に下降させることを降圧(こうあつ)という。

◇変圧比

一次電圧 V₁ と二次電圧 V₂ の比を変圧比(へんあつひ)という。

また、一次巻数 N₁ と二次巻数 N₂ の比を巻数比(まきすうひ)または変成比(へんせいひ)という。

理想的な変圧器の場合、変圧比と巻数比は等しい。

:$\backslash frac=\; \backslash frac$

◇変流比

一次電流 I₁ と二次電流 I₂ の比を変流比(へんりゅうひ)という。

変流比は、変圧比および巻数比の逆数に等しい。

:$\backslash frac=\; \backslash frac=\; \backslash frac$

◇励磁電流

鉄心に主磁束を形成する電流が励磁電流(れいじでんりゅう)である。理想的な変圧器では、励磁電流の位相は一次電圧よりも 90° 遅れる。実際には鉄心の磁気飽和やヒステリシスにより励磁電流の波形は主に奇数次の高調波ひずみを含む。

◇損失

・無負荷損(鉄損): 通電(励磁)している場合負荷の大きさに関係なく生じる損失。

・負荷損 : 負荷電流の2乗にほぼ比例する損失である。

  ・銅損 : 巻線の電気伝導体の電気抵抗によるジュール損。

  ・漂遊負荷損 : 漏れ磁束による変圧器各部に生ずる渦電流損。

◆設計

◇定格

◇鉄心・巻線

一次回路と二次回路を相互インダクタンスで結合する磁気回路として、通常は鉄心が用いられる。高周波用には鉄心を有しないものもあり原理的には変圧器と同じであるが、一般にコイルと呼ばれる。

変圧器の鉄心には鉄損が少なく、飽和磁束密度・透磁率の大きい材料が適しており、ケイ素鋼板が多く用いられ、特定の方向に磁化し易い方向性鋼板が採用されることも多い。また、特に損失の低減を図る目的でアモルファス磁性材料が用いられることもある。

渦電流損を低減させるため、表面を絶縁処理した薄い鋼板を積層したものや、帯状に圧延した鋼板を巻いた巻鉄心などがある。

巻線には絶縁被覆を有する軟銅線が用いられる。断面形状は一般的なものでは丸形だが、大型用は導体断面積を大きくできる角形となっている。一般には一次巻線を巻いた上に二次巻線を重ねる積層巻が行われるが、特に、信号用・高周波用変成器のように一次・二次の密な結合が必要な場合は、一次・二次の巻線を1本ずつ交互に配置するバイファイラ巻なども行われる。

また、複数の二次電圧が必要な場合や電圧の調整が必要な場合は、巻線の途中からタップと呼ばれる端子が取り出される。

鉄心と巻線の配置は以下の二種類ある。

;内鉄形

:*鉄心の周りに低圧巻線、その周りに高圧巻線を配置する、同心円配置が多い。

:*鉄心より巻線が多くなり、銅機械となる。

:*絶縁のため高電圧に用いられる。

;外鉄形

:*巻線の周りに鉄心を配置したものである。

:*鉄心の周りに低圧巻線・高圧巻線を交互に配置する、交互配置が多い。

:*巻線より鉄心が多くなり、鉄機械となる。

◇絶縁物の種類

・油入変圧器 : シリコーン油・鉱油

・モールド変圧器 : 合成樹脂モールド

  ・耐熱クラス H(H種)乾式変圧器 : 空気

・ガス変圧器 : 六フッ化硫黄 (SF₆) ガス

◇保安装置

;機械的保護

:*ブッフホルツ継電器

:*衝撃油圧継電器

:*温度継電器

;電気的保護

:*比率差動継電器

:*地絡継電器

:*過電流継電器

◆変圧器の結線と種類

◇単相変圧器

単相交流を入出力とするものである。

◇三相変圧器

三相交流を入出力とするものである。