トランス

電気工学において、変圧器は、電気エネルギーを1 つの電気回路から別の回路、または複数の回路に転送する受動部品です。変圧器のコイルに流れる電流が変化すると、変圧器のコアに変化する磁束が生成され、同じコアに巻かれた他のコイルに変化する起電力 (EMF)が誘導されます。2 つの回路の間に金属 (導電性) 接続がなくても、別々のコイル間で電気エネルギーを転送できます。1831 年に発見されたファラデーの電磁誘導の法則は、コイルを取り囲む変化する磁束によってコイルに発生する誘導電圧効果を説明しています。

変圧器は交流電圧レベルを変更するために使用され、このような変圧器はそれぞれ電圧レベルを上げるか下げるかに応じて昇圧型または降圧型と呼ばれます。変圧器は、回路間のガルバニック絶縁や信号処理回路のステージの結合にも使用できます。1885 年に最初の定電位変圧器が発明されて以来、変圧器は交流電力の伝送、配電、および利用に不可欠なものとなっています。 ^[1]電子および電力アプリケーションでは、さまざまな変圧器設計が使用されています。変圧器のサイズは、体積が 1 立方センチメートル未満のRF変圧器から、電力網を相互接続するために使用される重量が数百トンのユニットまで多岐にわたります。

理想的な変圧器は線形で、損失がなく、完全に結合されています。完全な結合とは、コアの透磁率と巻線のインダクタンスが無限に高く、正味の起磁力がゼロであることを意味します（つまり、i _p n _p  −  i _s n _s  = 0）。^{[3] [c]}

変圧器の一次巻線に流れる電流が変化すると、二次巻線に囲まれた変圧器コアに変化する磁束が発生します。二次巻線で変化する磁束によって、二次巻線に変化する起電力または電圧が発生します。この電磁誘導現象が変圧器の動作の基礎であり、レンツの法則に従って、このようにして生成された二次電流は、一次巻線で生成される磁束と等しく反対の磁束を生成します。

巻線は、無限に高い透磁率を持つコアの周りに巻かれているため、すべての磁束が一次巻線と二次巻線の両方を通過します。一次巻線に電圧源が接続され、二次巻線に負荷が接続されると、変圧器の電流は指定された方向に流れ、コアの起磁力はゼロに打ち消されます。

ファラデーの法則によれば、理想的な変圧器では一次巻線と二次巻線の両方に同じ磁束が通るので、各巻線には巻数に比例した電圧が誘導される。変圧器の巻線電圧比は巻線比に等しい。^[6]

理想的な変圧器は、電圧比と巻線比が両方とも対応する電流比に反比例する、典型的な商用変圧器の妥当な近似値です。

一次回路の負荷インピーダンスは、巻数比の2乗に二次回路の負荷インピーダンスを掛けたものに等しい。[ ^7]

理想的な変圧器モデルは、避けられない損失や非効率性など、実際の変圧器の多くの基本的な線形側面を無視しています。^[8]

（a）コア損失は総称して磁化電流損失と呼ばれ、^[9]

• 変圧器コアの非線形磁気効果によるヒステリシス損失、および
• コア内のジュール熱による渦電流損失は、変圧器の印加電圧の 2 乗に比例します。

(b) 理想モデルとは異なり、実際の変圧器の巻線には、次のようなゼロでない抵抗とインダクタンスがあります。

• 一次巻線と二次巻線の抵抗によるジュール損失^[9]
• コアから漏れた漏れ磁束が 1 つの巻線のみを通過し、一次側と二次側の無効インピーダンスが発生します。

（c）インダクタと同様に、寄生容量と電界分布による自己共振現象。寄生容量は通常3種類考慮され、閉ループ方程式が提供される^[10]

• 任意の 1 つの層内の隣接するターン間の静電容量。
• 隣接する層間の静電容量。
• コアとコアに隣接する層との間の静電容量。

トランスモデルに静電容量を含めることは複雑で、ほとんど試みられません。以下に示す「実際の」トランスモデルの等価回路には寄生静電容量は含まれていません。ただし、オープン回路インダクタンス、つまり二次回路が開いているときの一次巻線のインダクタンスと、二次巻線が短絡しているときの短絡インダクタンスを比較することで、静電容量の影響を測定できます。

理想的な変圧器モデルでは、一次巻線によって生成されたすべての磁束が、それ自体を含むすべての巻線のすべてのターンをリンクすると想定されています。実際には、一部の磁束は巻線の外に出る経路を横切ります。^[11]このような磁束は漏れ磁束と呼ばれ、相互に結合した変圧器巻線と直列に漏れインダクタンスをもたらします。 ^[12]漏れ磁束により、電源の各サイクルでエネルギーが磁場に交互に蓄積され、磁場から放出されます。これは直接的な電力損失ではありませんが、電圧調整が悪くなり、特に重負荷時には二次電圧が一次電圧に正比例しなくなります。^[11]そのため、変圧器は通常、漏れインダクタンスが非常に低くなるように設計されます。

いくつかの用途では、漏れ電流の増加が望ましく、変圧器の設計に長い磁気経路、空隙、または磁気バイパスシャントを意図的に導入して、変圧器が供給する短絡電流を制限する場合があります。 ^{[12]漏洩変圧器は、}電気アーク、水銀灯、ナトリウム蒸気ランプ、ネオンサインなどの負抵抗を示す負荷に電力を供給するために、または電気アーク溶接機などの定期的に短絡する負荷を安全に処理するために使用されます。^{[9] : 485}

エアギャップは、特に巻線に直流成分が流れる回路内のオーディオ周波数トランスの飽和を防ぐためにも使用されます。^[13]飽和リアクタは、コアの飽和を利用して交流を制御します。

漏れインダクタンスの知識は、変圧器を並列運転する場合にも役立ちます。2つの変圧器のパーセントインピーダンス^[e]と関連する巻線漏れリアクタンス対抵抗比（X / R）が同じであれば、変圧器はそれぞれの定格に比例して負荷電力を共有することがわかります。ただし、市販の変圧器のインピーダンス許容差は大きく、また、異なる容量の変圧器のインピーダンスとX / R比は変化する傾向があります。^[15]

図を参照すると、実際の変圧器の物理的動作は、理想的な変圧器を組み込んだ等価回路モデルによって表される可能性がある。 ^[16]

巻線のジュール損失と漏れリアクタンスは、モデルの次の直列ループインピーダンスによって表されます。

• 一次巻線: R _P、X _P
• 二次巻線：R _S、X _S。

通常の回路等価変換の過程では、R _SとX _{S は}実際には通常、これらのインピーダンスに巻数比の二乗を掛けて一次側を参照します ( N _P / N _S )  ²  = a ²。

コア損失とリアクタンスは、モデルの次のシャント レグ インピーダンスによって表されます。

• コア損失または鉄損: R _C
• 磁化リアクタンス：X _M。

R _CとX _{M は}、総称してモデルの 磁化ブランチと呼ばれます。

コア損失は主にヒステリシスとコア内の渦電流効果によって発生し、特定の周波数で動作する場合、コア磁束の二乗に比例します。^{[9] : 142–143}有限透磁率コアでは、コア内の相互磁束を維持するために磁化電流I _{M が}必要です。磁化電流は磁束と同位相であり、飽和効果により両者の関係は非線形です。ただし、示されている等価回路のすべてのインピーダンスは定義により線形であり、このような非線形効果は通常、変圧器の等価回路に反映されません。^{[9] : 142}正弦波電源の場合、コア磁束は誘導起電力より 90° 遅れます。開回路の二次巻線では、磁化分岐電流I _{0 は}変圧器の無負荷電流に等しくなります。^[16]

結果として得られるモデルは、線形性の仮定に基づく「正確な」等価回路と呼ばれることもありますが、多くの近似値を保持しています。^[16]磁化分岐インピーダンスが比較的高いと仮定し、分岐を一次インピーダンスの左側に再配置することで、解析を簡素化できます。これにより誤差が生じますが、一次抵抗と二次抵抗およびリアクタンスを2つの直列インピーダンスとして単純に合計することで組み合わせることができます。

変圧器の等価回路インピーダンスと変圧器比パラメータは、開回路テスト、短絡テスト、巻線抵抗テスト、変圧器比テスト から導き出すことができます。

コア内の磁束が純粋な正弦波である場合、どちらの巻線についても、巻線の実効電圧 E _{rmsと電源周波数}f、巻数N、コア断面積A（m ^2）、ピーク磁束密度Bpeak（Wb/m ^{2またはT（テスラ））との}_関係は、普遍的なEMF方程式で表されます。^[9]

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNAB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNAB_{\text{peak}}}$

ドット規則は、変圧器の回路図、銘板、または端子マーキングで、変圧器の巻線の相対的な極性を定義するためによく使用されます。一次巻線の「ドット」端に入る正に増加する瞬間電流は、二次巻線の「ドット」端から出る正極性電圧を誘導します。電力システムで使用される 3 相変圧器には、端子間の位相関係を示す銘板があります。これは、位相図の形式である場合もあれば、各巻線の内部接続のタイプ (Y またはデルタ) を示す英数字コードを使用する場合もあります。

所定の磁束における変圧器の起電力は、周波数とともに増大する。^[9]より高い周波数で動作させることにより、所定のコアは飽和に達することなくより多くの電力を伝送することができ、同じインピーダンスを達成するために必要な巻数が少なくなるため、変圧器は物理的によりコンパクトになる。しかし、コア損失や導体の表皮効果などの特性も周波数とともに増大する。航空機や軍事機器は、コアと巻線の重量を軽減する 400 Hz 電源を採用している。^[17]逆に、一部の鉄道電化システムに使用される周波数は、初期の電気牽引モーターの限界に関係した歴史的な理由から、通常の商用周波数 (50～60 Hz) よりもはるかに低いもの (例: 16.7 Hz および 25 Hz) であった。その結果、高架線電圧を降圧するために使用される変圧器は、同じ定格電力の場合、より高い周波数に必要な変圧器よりもはるかに大きく重いものとなった。

変圧器を設計電圧で動作させても、想定よりも高い周波数で動作させると、磁化電流が減少します。周波数が低いと、磁化電流が増加します。大型変圧器を設計周波数以外で動作させる場合は、安全な動作が実現可能かどうかを判断するために、電圧、損失、および冷却を評価する必要があります。変圧器には、定格周波数よりも高い周波数で変圧器を過電圧から保護するための 保護リレーが必要になる場合があります。

一例として、異なる電気規格の地域をまたいで運行される電車や高速列車に使用される牽引変圧器が挙げられます。コンバーター装置と牽引変圧器は、さまざまな入力周波数と電圧（最高 50 Hz から最低 16.7 Hz まで、定格最大 25 kV）に対応する必要があります。

周波数がずっと高くなると、必要な変圧器コアのサイズは劇的に小さくなります。物理的に小さな変圧器で、主電源周波数では巨大な鉄心が必要となる電力レベルを処理できます。スイッチング電力半導体デバイスの開発により、高周波を生成し、小さな変圧器で電圧レベルを変更する スイッチモード電源が実現可能になりました。

SMPSなどの高周波アプリケーション用のトランスでは、通常、50/60 Hz 用のものよりもヒステリシスと渦電流損失がはるかに低いコア材料が使用されます。主な例としては、鉄粉コアとフェライト コアがあります。これらのコアの周波数依存損失が低いため、飽和時の磁束密度が犠牲になることがよくあります。たとえば、フェライト飽和は、積層鉄よりも大幅に低い磁束密度で発生します。

大型電力変圧器は、スイッチングや雷などによって発生する高周波成分を含む過渡電圧により絶縁不良を起こしやすくなります。

変圧器のエネルギー損失は主に巻線損失とコア損失によって生じます。変圧器の効率は変圧器容量の増加とともに向上する傾向があります。^[18]一般的な配電用変圧器の効率は約98～99パーセントです。^{[18] [19]}

変圧器の損失は負荷によって変化するため、無負荷損失、全負荷損失、半負荷損失などを表にすると便利なことが多い。ヒステリシス損失と渦電流損失はすべての負荷レベルで一定で、無負荷時に支配的であるが、巻線損失は負荷が増加するにつれて増加する。無負荷損失は大きくなる可能性があり、アイドル状態の変圧器でさえも電源の電力を浪費することになる。損失を低減するエネルギー効率の高い変圧器を設計するには、より大きなコア、良質のシリコン鋼、またはコア用のアモルファス鋼、太いワイヤが必要になり、初期コストが増加する。構造の選択は、初期コストと運用コストのトレードオフを表す。 ^[20]

変圧器の損失は以下から発生します:

巻線ジュール損失

巻線の導体を流れる電流は、ワイヤの抵抗によりジュール熱を引き起こします。周波数が増加すると、表皮効果と近接効果により巻線の抵抗が発生し、損失が増加します。

コア損失

ヒステリシス損失

磁場が反転するたびに、鋼鉄内部の磁区の動きによって生じるヒステリシスにより、少量のエネルギーが失われます。シュタインメッツの式によれば、ヒステリシスによる熱エネルギーは次のように表されます。

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}}$そして、

ヒステリシス損失は次のように表される。

${\displaystyle P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}}$

ここで、fは周波数、ηはヒステリシス係数、βmax_は最大磁束密度で、その経験的指数は約1.4から1.8の範囲で変化するが、鉄の場合は1.6と示されることが多い。^[20]より詳細な分析については、磁気コアとシュタインメッツの式を参照してください。

渦電流損失

変化する磁場によって導電性の金属変圧器コアに渦電流が誘導され、この電流が鉄の抵抗を通って流れ、コア内でエネルギーを熱として消散します。渦電流損失は、供給周波数の2乗と材料の厚さの2乗に反比例する複雑な関数です。 ^[20]渦電流損失は、コアを固体ブロックではなく、互いに電気的に絶縁された積層体（薄板）のスタックにすることで低減できます。低周波で動作するすべての変圧器は、積層体または同様のコアを使用します。

磁歪に関連する変圧器のハム音

コアなどの強磁性材料内の磁束は、磁場の各サイクルで物理的にわずかに膨張および収縮を引き起こします。これは磁気ひずみと呼ばれる効果で、その摩擦エネルギーによって電源ハムまたは「変圧器ハム」と呼ばれる可聴ノイズが発生します。^{[21]この変圧器ハムは、}電力周波数で供給される変圧器や、テレビのブラウン管に関連する高周波 フライバック変圧器で特に不快です。

迷走損失

漏れインダクタンス自体は、磁場に供給されたエネルギーが次の半サイクルで電源に戻るため、ほとんど損失がありません。しかし、変圧器の支持構造などの近くの導電性材料を遮断する漏れ磁束は渦電流を引き起こし、熱に変換されます。^[22]

放射性

振動する磁場による放射損失もありますが、通常は小さいものです。

機械的振動と可聴ノイズの伝達

磁気ひずみに加え、交流磁場は一次巻線と二次巻線の間に変動力を引き起こします。このエネルギーは相互接続された金属構造の振動伝達を刺激し、可聴変圧器のハム音を増幅します。^[23]

閉コア変圧器は、「コア形式」または「シェル形式」で構築されます。巻線がコアを囲んでいる場合、変圧器はコア形式です。巻線がコアで囲まれている場合、変圧器はシェル形式です。^[24]シェル形式設計は、巻線コイルの周りにコアを積み重ねるのが比較的簡単なため、配電用変圧器の用途ではコア形式設計よりも一般的である可能性があります。^[24]一般に、コア形式設計は、電圧および電力定格範囲の下限（公称で 230 kV または 75 MVA 以下）での高電圧電力変圧器の用途では、シェル形式設計よりも経済的であるため、より一般的です。より高い電圧および電力定格では、シェル形式変圧器がより一般的です。^{[24] [25] [26]}シェル型変圧器は製造に手間がかかるものの、本質的にkVA対重量比が優れ、短絡強度特性が優れ、輸送中の損傷に対する耐性が高いため、超高電圧や高MVAの用途ではシェル型設計が好まれる傾向がある。^[26]

電力またはオーディオ周波数で使用する変圧器のコアは、通常、高透磁率のシリコン鋼で作られています。^[27]鋼の透磁率は自由空間の何倍も高く、そのためコアは磁化電流を大幅に減らし、磁束を巻線に密接に結合した経路に限定する役割を果たします。^[28]初期の変圧器開発者は、固体鉄で作られたコアは渦電流損失が非常に大きいことにすぐに気づき、絶縁された鉄線の束で構成されたコアでこの影響を軽減する設計を行いました。^[29]その後の設計では、薄い鋼の積層板を積み重ねてコアが作られましたが、この原理は現在でも使用されています。各積層板は、薄い非導電性の絶縁層によって隣接する積層板から絶縁されています。^[30]変圧器のユニバーサル EMF 方程式を使用して、望ましいレベルの磁束に対するコアの断面積を計算できます。^[9]

ラミネーションの効果は、渦電流を非常に楕円形の経路に閉じ込め、磁束をほとんど囲まないため、渦電流の大きさが減少することです。ラミネーションが薄ければ損失は減りますが、^[27]製造には手間と費用がかかります。^[31]薄いラミネーションは一般に高周波変圧器に使用され、非常に薄い鋼板ラミネーションの中には10kHzまで動作できるものもあります。

積層コアの一般的な設計の1つは、 E字型の鋼板を交互に積み重ね、その上にI字型のピースをかぶせて作られるため、 EI変圧器と呼ばれています。^[31]このような設計では損失が多くなる傾向がありますが、製造コストが非常に低くなります。カットコアまたはCコアタイプは、鋼板を長方形の枠に巻き付け、層を接着して作られます。次に、2つに切断して2つのC字型を作り、2つのC型を鋼帯で結んでコアを組み立てます。^[31]これには、磁束が常に金属粒子と平行になるため、磁気抵抗が低減するという利点があります。

鉄心の残留磁化とは、電源を切っても静磁場が残ることを意味します。その後、電源を再投入すると、残留磁場によって高い突入電流が発生しますが、通常はAC波形を数サイクル印加した後、残留磁気の影響が減少します。^[32]この無害な突入電流を通過させるには、 ヒューズなどの過電流保護装置を選択する必要があります。

長い架空送電線に接続された変圧器では、太陽嵐時の地磁気擾乱による誘導電流により、コアの飽和や変圧器保護装置の作動を引き起こす可能性がある。 ^[33]

配電用変圧器は、低損失高透磁率シリコン鋼またはアモルファス（非結晶）金属合金で作られたコアを使用することで、無負荷損失を低く抑えることができます。コア材料の初期コストは高くなりますが、変圧器の寿命を通じて軽負荷時の損失が低くなるため、相殺されます。^[34]

粉末鉄心は、主電源周波数以上から数十キロヘルツまでで動作するスイッチング電源などの回路で使用されます。これらの材料は、高い透磁率と高いバルク電気抵抗率を兼ね備えています。VHF帯を超える周波数では、フェライトと呼ばれる非導電性磁性セラミック材料で作られたコアが一般的です。^[31]一部の無線周波数変圧器には、調整された無線周波数回路の 結合係数（および帯域幅）を調整できる可動コア（「スラグ」と呼ばれることもあります）もあります。

トロイダル変圧器はリング状のコアの周りに作られており、動作周波数に応じて、コイル、粉末鉄、またはフェライトに巻かれたシリコン鋼またはパーマロイの長いストリップで作られています。^[35]ストリップ構造により、粒界が最適に整列し、コアの磁気抵抗が低減して変圧器の効率が向上します。閉じたリング形状により、EIコアの構造に固有の空隙が排除されます。 [ ^{9] : 485}リングの断面は通常正方形または長方形ですが、円形断面のより高価なコアも利用できます。一次コイルと二次コイルは、コアの表面全体を覆うように同心円状に巻かれることがよくあります。これにより、必要なワイヤの長さが最小限に抑えられ、シールドが提供されて、コアの磁場による電磁干渉の発生が最小限に抑えられます。

トロイダルトランスは、同様の電力レベルであれば、より安価なラミネート EI タイプよりも効率的です。EI タイプと比較したその他の利点としては、サイズが小さい (約半分)、重量が軽い (約半分)、機械的なハム音が少ない (オーディオアンプに最適)、外部磁場が低い (約 10 分の 1)、オフロード損失が低い (スタンバイ回路でより効率的)、ボルト 1 本で取り付けられる、形状の選択肢が広いなどがあります。主な欠点は、コストが高く、電力容量が限られていることです (以下の分類パラメータを参照)。磁気経路に残留ギャップがないため、トロイダルトランスはラミネート EI タイプと比較して突入電流が高くなる傾向があります。

フェライト トロイダル コアは、通常数十キロヘルツから数百メガヘルツの高周波数で使用され、損失、物理的サイズ、および誘導部品の重量を削減します。トロイダル トランスの構造上の欠点は、巻線の人件費が高いことです。これは、コイルに 1 ターン追加するたびに、コイル巻線の全長をコア開口部に通す必要があるためです。その結果、数 kVA を超える定格のトロイダル トランスは一般的ではありません。10 kVA を超える定格電力のトロイダル トランスは比較的少なく、25 kVA を超えるものはほとんどありません。小型配電トランスでは、トロイダル コアを分割して無理やり開き、一次巻線と二次巻線を含むボビンを挿入することで、トロイダル コアの利点の一部を実現できます。^[36]

変圧器は、巻線を互いに近づけて配置することで製造することができ、この配置は「空芯」変圧器と呼ばれます。空芯変圧器は、コア材料のヒステリシスによる損失を排除します。^[12]磁心がないと磁化インダクタンスが大幅に減少し、低周波数で使用すると大きな磁化電流と損失が発生します。空芯変圧器は配電には適していませんが、^[12]無線周波数アプリケーションでは頻繁に使用されます。^{[37]空芯は、テスラコイルなどの}共振変圧器にも使用され、磁化インダクタンスが低いにもかかわらず、かなり低い損失を実現できます。

巻線に使用される電気導体は用途によって異なりますが、すべてのケースにおいて、電流がすべての巻線に確実に流れるように、個々の巻線は互いに電気的に絶縁されていなければなりません。電流が低く、隣接する巻線間の電位差が小さい小型変圧器の場合、コイルはエナメル線で巻かれることが多いです。大型の電力変圧器では、油を含浸させた紙とプレスボードのブロックで絶縁された銅の長方形ストリップ導体で巻かれることがあります。^[38]

数十から数百キロヘルツで動作する高周波トランスは、表皮効果と近接効果による損失を最小限に抑えるために、編組リッツ線で作られた巻線を備えていることが多い。 ^[39]大型電力トランスでは、低電力周波数でも高電流巻線に不均一な電流分布が存在するため、多重撚線導体も使用されている。^[38]各撚線は個別に絶縁されており、巻線内の特定のポイント、または巻線全体にわたって、各部分が完全な導体内で異なる相対位置を占めるように撚線が配置されている。転位により、導体の各撚線に流れる電流が均等になり、巻線自体の渦電流損失が低減する。撚線導体は、同様のサイズの固体導体よりも柔軟性が高く、製造が容易である。^[38]

信号トランスの巻線は、漏れインダクタンスと浮遊容量を最小限に抑えて、高周波応答を改善します。コイルはセクションに分割され、それらのセクションは他の巻線のセクションの間にインターリーブされます。

電力周波数変圧器には、電圧調整用に、通常は高電圧巻線側の巻線の中間点にタップが付いている場合があります。タップは手動で再接続することも、タップ変更用の手動または自動スイッチが付いている場合もあります。自動負荷時タップ切換器は、電力の送電または配電、アーク炉変圧器などの機器、または敏感な負荷用の自動電圧調整器に使用されます。拡声用スピーカーへの音声分配に使用される音声周波数変圧器には、各スピーカーへのインピーダンスを調整するためのタップが付いています。センタータップ付き変圧器は、プッシュプル回路のオーディオパワーアンプの出力段でよく使用されます。AM送信機の変調変圧器も非常によく似ています。

経験則では、電気絶縁体の寿命は動作温度が約7℃～10℃上昇するごとに半分になると言われています（アルレニウスの式の応用例）。^[40]

小型の乾式変圧器および液浸変圧器は、自然対流および放射熱放散によって自己冷却されることが多い。定格電力が増加すると、変圧器は強制空冷、強制油冷、水冷、またはこれらの組み合わせによって冷却されることが多い。^{[41]大型変圧器には、巻線の冷却と絶縁の両方を行う}変圧器油が充填されている。^[42]変圧器油は、変圧器タンク内を循環することで巻線と絶縁体を冷却する高度に精製された鉱油であることが多い。鉱油と紙の絶縁システムは、100年以上にわたって広範に研究され、使用されている。電力変圧器の50%は50年間の使用に耐え、電力変圧器の平均故障年数は約10～15年であり、電力変圧器の故障の約30%は絶縁および過負荷の故障によるものと推定されている。^{[43] [44]}高温で長時間運転すると、巻線絶縁体と誘電体冷却剤の絶縁特性が低下し、変圧器の寿命が短くなるだけでなく、最終的には変圧器の壊滅的な故障につながる可能性があります。^[40]膨大な実証研究を参考にして、溶存ガス分析を含む変圧器油の試験は貴重な保守情報を提供します。

多くの管轄区域の建築規制では、屋内の液体充填変圧器には油よりも燃えにくい誘電液を使用するか、耐火室に設置することが義務付けられています。^[18]空冷式乾式変圧器は、耐火変圧器室のコストがかからないため、より経済的です。

液体充填変圧器のタンクには、自然対流またはフィンによって液体冷媒が循環するラジエーターが付いていることが多い。大型変圧器の中には、強制空冷用の電動ファン、強制液体冷却用のポンプ、水冷用の熱交換器を備えたものがある。 ^[42]油入変圧器にはブッフホルツリレーが装備されている場合があり、内部アークによるガス蓄積の程度に応じて、警報を鳴らすか、変圧器の電源を切るために使用される。^[32]油入変圧器の設備には通常、壁、油封じ込め、消火スプリンクラーシステムなどの防火対策が含まれている。

ポリ塩化ビフェニル（PCB）は、かつては誘電冷却剤としての使用に適した特性を持っていましたが、環境への残留性に対する懸念から、その使用は広範囲に禁止されました。^[45]今日では、耐火液体の費用が変圧器貯蔵室の追加建設費用を相殺できる場合には、無毒で安定 したシリコンベースのオイルまたはフッ素化炭化水素が使用されることがあります。 ^{[18] [46]}しかし、変圧器の寿命が長いため、禁止後も長期間にわたって曝露の可能性が高い可能性があります。^[47]

一部の変圧器はガス絶縁されており、その巻線は密閉された加圧タンクに収められており、窒素ガスまたは六フッ化硫黄ガスで冷却されることが多い。^[46]

500～1,000kVAの範囲の実験的な電力変圧器は、液体窒素またはヘリウム冷却の超伝導巻線を使用して構築されており、コア損失に影響を与えることなく巻線損失を排除します。^{[48] [49]}

巻線の個々のターン間、巻線間、巻線とコア間、および巻線の端末には絶縁を施す必要があります。

小型変圧器の巻線間絶縁は、電線に絶縁ワニスを塗る層で行われる。巻線層間および一次巻線と二次巻線の間に紙またはポリマーフィルムの層を挿入することもある。変圧器はポリマー樹脂でコーティングまたは浸漬され、巻線の強度を高め、湿気や腐食から保護する。コーティング工程中に真空と圧力を組み合わせて樹脂を巻線絶縁体に含浸させ、巻線内の空気の隙間をすべて除去する。極限では、コイル全体を鋳型に入れ、その周りに樹脂を固いブロックとして流し込み、巻線を包み込むこともある。^[50]

大型の油入電力変圧器は、絶縁紙で巻かれた巻線を使用します。この巻線は、変圧器の組み立て時に油を染み込ませます。油入変圧器は、高度に精製された鉱油を使用して、巻線とコアを絶縁および冷却します。油入変圧器の製作では、油を入れる前に、巻線を覆う絶縁材の残留水分を完全に乾燥させる必要があります。乾燥は、コアの周囲に熱風を循環させるか、外部から加熱した変圧器油を循環させるか、蒸発した溶剤がコイルとコア上で凝縮して熱を伝達する気相乾燥 (VPD) によって行われます。小型変圧器では、巻線に電流を注入して抵抗加熱を行います。

大型の変圧器にはポリマーや磁器で作られた高電圧絶縁ブッシングが備え付けられている。大型ブッシングは、変圧器から油が漏れないように電界勾配を慎重に制御する必要があるため、複雑な構造になることがある。^[51]

トランスフォーマーは、次のようにさまざまな方法で分類できます。

• 電力定格: 1 ボルトアンペア (VA) の数分の 1 から 1,000 MVA 以上まで。
• 変圧器の役割: 連続、短時間、断続、周期的、変動。
• 周波数範囲:電力周波数、可聴周波数、または無線周波数。
• 電圧クラス: 数ボルトから数百キロボルトまで。
• 冷却方式：乾式または液浸式、自冷式、強制空冷式、強制油冷式、水冷式。
• 用途: 電源、インピーダンス整合、出力電圧および電流安定器、パルス、回路絶縁、 電力分配、整流器、アーク炉、増幅器出力など。
• 基本的な磁気形状：コア形状、シェル形状、同心円形状、サンドイッチ形状。
• 定電位変圧器の説明: 昇圧、降圧、絶縁。
• 一般的な巻線構成：IECベクトルグループ、デルタ、ワイ、スター、ジグザグの位相指定の2つの巻線の組み合わせ、オートトランス、スコットT
• 整流器の位相シフト巻線構成：2巻線、6パルス、3巻線、12パルス、…、n巻線、[ n  −1]·6パルス、ポリゴンなど。

さまざまな特定の電気アプリケーションの設計には、さまざまな種類の変圧器が必要です。 変圧器の基本特性はすべて同じですが、特定の設置要件や回路条件に合わせて構造や電気特性がカスタマイズされています。

電力伝送では、変圧器によって高電圧での電力伝送が可能になり、電線の加熱による損失が軽減されます。これにより、発電所を電気消費者から離れた場所に経済的に設置することができます。^[52]世界の電力のごく一部を除いて、消費者に到達するまでに一連の変圧器を通過しています。^[22]

多くの電子機器では、配電線からの電圧を、電力線周波数で直接、またはスイッチモード電源を介して、回路要件に適した値に変換するために変圧器が使用されます。

信号およびオーディオ トランスは、アンプのステージを結合したり、マイクやレコード プレーヤーなどのデバイスをアンプの入力に一致させたりするのに使用されます。オーディオ トランスにより、電話回線は1 対のワイヤで双方向の会話を行うことができます。バラントランスは、外部ケーブルと内部回路の間などで、接地を基準とする信号を接地に対して平衡電圧を持つ信号に変換します。絶縁トランスは、二次回路への電流の漏れを防ぎ、医療機器や建設現場で使用されます。共振トランスは、無線受信機のステージ間の結合や、高電圧テスラ コイルで使用されます。

変圧器の動作原理である電磁誘導は、1831年にマイケル・ファラデーと1832年にジョセフ・ヘンリーによって独立に発見されました。 ^{[54] [55] [56] [57]}ファラデーだけが実験を進め、EMFと磁束の関係を説明する方程式を導き出しました。 これは現在ファラデーの電磁誘導の法則として知られています。

${\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,}$

ここで、はEMFの大きさ（ボルト）、ΦB_はウェーバー単位の回路を通る磁束である。^[58]${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

ファラデーは、一対のコイルを鉄の輪の周りに巻くなど、電線コイル間の誘導に関する初期の実験を行い、最初のトロイダル閉コア変圧器を作成した。^{[57] [59]}しかし、彼は変圧器に個々の電流パルスを適用しただけで、巻線内の巻数比とEMFの関係を発見することはなかった。

広く使用された最初のタイプの変圧器は、 1836年にアイルランドのメイヌース大学のアイルランド系カトリックのニコラス・カラン牧師によって発明された誘導コイルでした。 ^[57]彼は、一次巻線に対する二次巻線の巻き数が多いほど、誘導される二次起電力が大きくなることを認識した最初の研究者の一人でした。誘導コイルは、電池からより高い電圧を得ようとする科学者と発明家の努力から発展しました。電池は交流ではなく直流 (DC) を生成するため、誘導コイルは、誘導に必要な磁束変化を生み出すために一次巻線の電流を定期的に遮断する振動する電気接点に依存していました。1830年代から1870年代にかけて、主に試行錯誤によって、より優れた誘導コイルを作ろうとする努力により、変圧器の基本原理が徐々に明らかになっていきました。

1870 年代までに、交流 (AC) を生成する効率的な発電機が利用可能になり、AC は遮断器なしで誘導コイルに直接電力を供給できることが分かりました。

1876年、ロシアの技術者パベル・ヤブロチコフは、一次巻線が交流電源に接続された誘導コイルのセットをベースにした照明システムを発明した。二次巻線は、彼が独自に設計したいくつかの「電気キャンドル」（アークランプ）に接続できた。ヤブロチコフが使用したコイルは、基本的に変圧器として機能した。^[60]

1878年、ハンガリーのブダペストにあるガンツ工場は電気照明用の機器の生産を開始し、1883年までにオーストリア＝ハンガリー帝国に50以上のシステムを設置した。彼らの交流システムでは、アーク灯や白熱灯、発電機などの機器が使用されていた。^{[57] [61]}

1882年、ルシアン・ゴラールとジョン・ディクソン・ギブスは、当初は広く批判された「二次発電機」と呼ばれる積層板の開放型鉄心を備えた装置をロンドンで初めて展示し、その後1886年にそのアイデアを米国のウェスティングハウス社に売却した^。[29]彼らは1884年にイタリアのトリノでもこの発明を展示し、そこで大成功を収め、電気照明システムに採用された。^[62]彼らの装置は、固定の1:1比率を使用して、利用負荷（ランプ）に直列回路を供給した。彼らのシステムの電圧は、開放型鉄心を押し込んだり引き出したりすることで制御された。^[63]

開磁路の誘導コイルは、負荷に電力を伝送するのに効率が悪い。1880年頃まで、高電圧電源から低電圧負荷への交流電力伝送のパラダイムは直列回路だった。比率が1:1に近いオープンコア変圧器は、一次側が直列に接続され、伝送に高電圧を使用しながらランプに低電圧を提供できるようにした。この方法の本質的な欠陥は、1つのランプ（または他の電気機器）をオフにすると、同じ回路上の他のすべてのランプに供給される電圧に影響することだった。直列回路のこの問題のある特性を補うために、コアを調整する方法やコイルの一部の周りの磁束をバイパスする方法を採用した多くの調整可能な変圧器設計が導入された。^[62] 効率的で実用的な変圧器設計は1880年代まで登場しなかったが、10年以内に変圧器は電流戦争で重要な役割を果たし、交流配電システムが直流配電システムに勝利するのを見ることになり、それ以来変圧器は優位な立場を維持している。^[64]

1884年秋、ガンツ工場に所属するハンガリー人技術者のカーロイ・ツィペルノフスキー、オットー・ブラティ、ミクサ・デーリ（ZBD）の3人は、オープンコア装置は電圧を確実に調整できないため実用的ではないと判断した。^[61]ガンツ工場は1884年秋に世界初の高効率交流変圧器5台も納品し、最初のものは1884年9月16日に出荷された。^[65]この最初の装置は、1,400W、40Hz、120:72V、11.6:19.4A、比率1.67:1、単相、シェル型という仕様で製造された。^[65] 1885年に共同で新しい変圧器（後にZBD変圧器と呼ばれる）の特許を申請した彼らは、銅の巻線を鉄線のリングコアの周りに巻くか、鉄線のコアで囲む閉磁気回路を備えた2つの設計について説明しました。^[62]この2つの設計は、今日まで一般的に使用されている「コア形式」または「シェル形式」と呼ばれる2つの基本的な変圧器構造の最初の応用でした。^[66]

どちらの設計でも、一次巻線と二次巻線を結ぶ磁束は、空気を意図的に介することなく、ほぼ完全に鉄心の範囲内を移動しました（下記のトロイダルコアを参照）。新しいトランスは、GaulardとGibbsのオープンコアバイポーラデバイスよりも3.4倍効率的でした。^[67] ZBDの特許には、相互に関連する2つの主要なイノベーションが含まれていました。1つは、直列接続ではなく並列接続の使用負荷に関するもので、もう1つは、高巻数比のトランスを使用して、供給ネットワーク電圧を（最初は1,400〜2,000 V）使用負荷の電圧（最初は100 Vが推奨されていました）よりもはるかに高くできる機能に関するものです。^{[68] [69]}並列接続の電気配電システムで使用すると、クローズドコアトランスは最終的に、家庭、企業、公共スペースの照明に電力を供給することを技術的かつ経済的に実現可能にしました。ブラティは密閉型コアの使用を提案し、ジペルノフスキーは並列シャント接続の使用を提案し、デリは実験を行った。^{[70] 1885年初頭、3人のエンジニアは電磁コアの積層を発明し、}渦電流損失の問題も解消した。^[71]

今日の変圧器は、この3人の技術者が発見した原理に基づいて設計されています。彼らはまた、電流の起電力を変える装置を表す「変圧器」という言葉を普及させましたが、この用語は1882年にすでに使用されていました。^{[73] [ 74 ]} 1886年、ZBDの技術者は、交流発電機を使用して並列接続された共通電気ネットワークに電力を供給する世界初の発電所、蒸気動力のローマ・チェルキ発電所を設計し、ガンツ工場はこれに電気機器を供給しました。^[75]

ヨーロッパでの交流技術の進歩を基にして、^[76] ジョージ・ウェスティングハウスは1886年1月8日、ペンシルベニア州ピッツバーグにウェスティングハウス・エレクトリック社を設立した。 ^[77]この新会社は、米国全土で交流 (AC) 電力インフラの開発に積極的に取り組んだ。エジソン電灯会社はZBD 変圧器の米国における権利に対するオプションを保有していたため、ウェスティングハウス社は同じ原理に基づく代替設計を追求する必要があった。ジョージ・ウェスティングハウスは1886年2月にゴーラードとギブスの特許を5万ドルで買収していた。 ^[78]彼はウィリアム・スタンレーに、ゴーラードとギブスの変圧器を米国で商用化するために再設計する任務を割り当てた。^[79]スタンレーの最初の特許取得設計は、軟鉄の単芯と二次巻線に存在する EMF を制御するための調整可能なギャップを備えた誘導コイルであった (画像を参照)。この設計^[80]は1886年に米国で初めて商業的に使用されましたが^[81]、ウェスティングハウスはスタンレーの設計を改良して（ZBDタイプとは異なり）製造が容易で安価になるようにすることを目指していました。^[80]

ウェスティングハウス、スタンレー、そして仲間たちはすぐに、薄い紙や他の絶縁材で絶縁された薄い「E字型」の鉄板を積み重ねた、より製造しやすいコアを開発した。あらかじめ巻かれた銅コイルを所定の位置に差し込み、まっすぐな鉄板を敷き詰めて閉磁気回路を作った。ウェスティングハウスは1887年にこの新しい低コスト設計の特許を取得した。^[70]

1889年、ロシア生まれの技術者ミハイル・ドリヴォ・ドブロヴォルスキーはドイツのAllgemeine Elektricitäts-Gesellschaft（「一般電気会社」）で最初の三相変圧器を開発しました。 ^[82]

1891年、ニコラ・テスラは、高周波で非常に高い電圧を生成するための空芯二重同調共振変圧器であるテスラコイルを発明しました。 ^[83]

オーディオ周波数変圧器（「中継コイル」）は、電話の開発における初期の実験者によって使用されました。^[84]

• Beeman, Donald 編 (1955)。『産業用電力システム ハンドブック』、McGraw-Hill。
• Calvert, James (2001)。「Inside Transformers」。デンバー大学。2007 年 5 月 9 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年5 月 19 日閲覧。
• Coltman, JW (1988年1月). 「トランスフォーマー」. Scientific American . 258 (1): 86–95. Bibcode :1988SciAm.258a..86C. doi :10.1038/scientificamerican0188-86. OSTI  6851152.
• Coltman, JW (2002年1 月～2 月)。「トランスフォーマー [歴史的概要]」。IEEE Industry Applications Magazine。8 ( 1): 8–15。doi :10.1109/2943.974352。S2CID 18160717  。
• Brenner, Egon; Javid, Mansour (1959)。「第 18 章 磁気結合回路」。電気回路の解析。McGraw-Hill。pp. 586–622。
• CEGB（中央電力庁）（1982年）。現代の発電所の実践。ペルガモン。ISBN 978-0-08-016436-6。
• Crosby, D. (1958). 「理想変圧器」. IRE Transactions on Circuit Theory . 5 (2): 145. doi :10.1109/TCT.1958.1086447.
• ダニエルズ、AR（1985）。『電気機械入門』マクミラン。ISBN 978-0-333-19627-4。
• De Keulenaer, Hans; Chapman, David; Fassbinder, Stefan; McDermott, Mike (2001). エネルギー効率の高い配電用変圧器の使用による EU におけるエネルギー節約の可能性(PDF)。第 16 回国際配電会議および展示会 (CIRED 2001)。工学技術協会。doi :10.1049/cp:20010853。2014年7月 10 日に閲覧。
• Del Vecchio, Robert M.; Poulin, Bertrand; Feghali, Pierre TM; Shah, Dilipkumar; Ahuja, Rajendra (2002)。『変圧器設計原理：コア型電力変圧器への応用』ボカラトン：CRC Press。ISBN 978-90-5699-703-8。
• Fink, Donald G.; Beatty, H. Wayne 編 (1978)。電気技術者のための標準ハンドブック(第 11 版)。McGraw Hill。ISBN 978-0-07-020974-9。
• ゴットリーブ、アーヴィング (1998)。実用トランスハンドブック: 電子工学、無線、通信技術者向け。エルゼビア。ISBN 978-0-7506-3992-7。
• Guarnieri, M. (2013). 「トランスを発明したのは誰か?」IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (4): 56–59. doi :10.1109/MIE.2013.2283834. S2CID  27936000.
• Halacsy, AA; Von Fuchs, GH (1961 年 4 月)。「変圧器は 75 年前に発明されました」。IEEE Transactions of the American Institute of Electrical Engineers。80 (3): 121–125。doi : 10.1109 /AIEEPAS.1961.4500994。S2CID 51632693  。
• Hameyer, Kay (2004). 電気機械 I: 基礎、設計、機能、操作(PDF) 。RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines。2013-02-10のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• ハモンド、ジョン・ウィンスロップ（1941年）。『人間とボルト：ゼネラル・エレクトリックの物語』JBリッピンコット社。pp. 特に106～107、178、238を参照。
• ハーロウ、ジェームズ (2004)。電力変圧器工学(PDF)。CRC プレス。ISBN 0-8493-1704-5。^{[永久リンク切れ]}
• ヒューズ、トーマス・P. (1993)。『権力のネットワーク：西洋社会の電化、1880-1930』。ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局。p. 96。ISBN 978-0-8018-2873-7. 2009年9月9日閲覧。
• ヒースコート、マーティン (1998)。J & P Transformer Book (第 12 版)。ニューネス。ISBN 978-0-7506-1158-9。
• ヒンドマーシュ、ジョン (1977)。『電気機械とその応用(第 4 版)』エクセター: ペルガモン。ISBN 978-0-08-030573-8。
• Kothari, DP; Nagrath, IJ (2010)。Electric Machines (第 4 版)。Tata McGraw- Hill。ISBN 978-0-07-069967-0。
• Kulkarni, SV; Khaparde, SA (2004)。変圧器エンジニアリング: 設計と実践。CRC プレス。ISBN 978-0-8247-5653-6。
• マクラーレン、ピーター (1984)。『初等電気動力と機械』エリス・ホーウッド。ISBN 978-0-470-20057-5。
• McLyman、Colonel William (2004)。「第 3 章」。変圧器およびインダクタ設計ハンドブック。CRC。ISBN 0-8247-5393-3。
• パンシーニ、アンソニー（1999）。電気変圧器と電力設備。CRC プレス。ISBN 978-0-88173-311-2。
• Parker, M. R; Ula, S.; Webb, WE (2005)。「§2.5.5 'トランスフォーマー' および §10.1.3 '理想的なトランスフォーマー'」。Whitaker, Jerry C. (編)。エレクトロニクスハンドブック(第 2 版)。Taylor & Francis。pp. 172、1017。ISBN 0-8493-1889-0。
• ライアン、HM (2004)。高電圧エンジニアリングとテスト。CRC プレス。ISBN 978-0-85296-775-1。

一般的なリンク: