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電気工学において、オートトランスフォーマーは巻線が1 つだけの電気変圧器です。接頭辞の「オート」（ギリシャ語で「自己」）は、単独で動作する単一のコイルを指します。オートトランスフォーマーでは、同じ巻線の一部が変圧器の一次巻線と二次巻線の両方の役割を果たします。対照的に、通常の変圧器には、導電経路で接続されていない独立した一次巻線と二次巻線があります。[1]
オートトランス巻線には、少なくとも 3 つの電気的接続があります。巻線の一部が「二重の役割を果たす」ため、オートトランスは、一般的な二重巻線トランスよりも小型、軽量、安価であることが多いという利点がありますが、一次回路と二次回路の間に電気的絶縁が提供されないという欠点があります。オートトランスの他の利点には、漏れリアクタンスが低い、損失が低い、励起電流が低い、特定のサイズと質量に対する VA 定格が高いなどがあります。 [2]
オートトランスフォーマーの応用例としては、旅行者用電圧変換器の 1 つのスタイルが挙げられます。この変換器を使用すると、230 ボルトのデバイスを 120 ボルトの供給回路で使用したり、その逆を行ったりすることができます。複数のタップを備えたオートトランスフォーマーは、長い配電回路の端で電圧を調整して過剰な電圧降下を補正するために使用できます。自動制御される場合、これは電圧レギュレータの一例です。
手術
オートトランスフォーマーは、2 つの終端端子と中間タップ ポイントに 1 つ以上の端子を持つ単一の巻線を備えています。これは、一次コイルと二次コイルの巻線の一部が共通であるトランスフォーマーです。一次コイルと二次コイルの両方で共有される巻線の部分は共通セクションです。一次コイルと二次コイルの両方で共有されない巻線の部分は直列セクションです。一次電圧は 2 つの端子に印加されます。二次電圧は 2 つの端子から取得され、そのうちの 1 つの端子は通常、一次電圧端子と共通です。[3]
どちらの巻線も1巻あたりの電圧は同じなので、それぞれの巻数に比例した電圧が発生します。オートトランスでは、出力電流の一部は入力から出力へ直接流れ（直列セクションを経由）、一部のみが誘導的に伝達されます（共通セクションを経由）。これにより、より小型で軽量で安価なコアを使用でき、必要な巻線は1つだけです。[4]ただし、オートトランスの電圧と電流の比は、他の2巻線トランスと同じように定式化できます。[2]
巻線の直列セクションによって提供されるアンペアターン:
巻線の共通部分によって供給されるアンペアターン:
アンペアターンバランスの場合、F S = F C :
したがって：
巻線の一方の端は通常、電圧源と電気負荷の両方に共通に接続されます。電源と負荷のもう一方の端は、巻線に沿ったタップに接続されます。巻線の異なるタップは、共通端から測定した異なる電圧に対応します。降圧変圧器では、電源は通常、巻線全体にわたって接続され、負荷は巻線の一部にのみタップで接続されます。逆に、昇圧変圧器では、負荷は巻線全体にわたって接続され、電源は巻線の一部にタップで接続されます。昇圧変圧器の場合、上記の式の添え字は逆になり、この状況では、およびはそれぞれ、およびよりも大きくなります。
2 巻線トランスの場合と同様に、2 次電圧と 1 次電圧の比率は、それらが接続される巻線の巻数比率に等しくなります。たとえば、負荷をオートトランスの巻線の中央と共通端子端の間に接続した場合、出力負荷電圧は 1 次電圧の 50% になります。アプリケーションによっては、巻線全体が直接接続されていても、高電圧 (低電流) 部分のみに使用される巻線の部分は、より細いゲージのワイヤで巻かれることがあります。
センタータップの 1 つをグランドに使用すると、オートトランスフォーマーをバランとして使用して、バランス ライン(2 つのエンド タップに接続) をアンバランス ライン(グランド側) に変換できます。
オートトランスは、通常のトランスのように巻線間の電気的絶縁を提供しません。入力の中性側が接地電圧でない場合、出力の中性側も接地電圧ではありません。オートトランスの巻線の絶縁に障害が発生すると、入力電圧全体が出力に印加される可能性があります。また、一次側と二次側の両方として使用されている巻線の一部が破損すると、トランスが負荷と直列のインダクタとして機能します（軽負荷状態では、ほぼ入力電圧全体が出力に印加される可能性があります）。これらは、特定のアプリケーションでオートトランスを使用するかどうかを決定する際に重要な安全上の考慮事項です。[5]
電力用途のオートトランスは、必要な巻線数が少なくコアも小さいため、電圧比が約3:1までは2巻線トランスよりも軽量でコストも低くなります。その範囲を超えると、2巻線トランスの方が経済的です。[5]
三相電力伝送アプリケーションでは、オートトランスフォーマーは高調波電流を抑制できず、地絡電流の別の発生源として機能するという制限があります。大型の三相オートトランスフォーマーには、タンクの外部に接続されていない「埋め込み」デルタ巻線があり、高調波電流の一部を吸収します。[5]
実際には、損失があるため、標準トランスとオートトランスはどちらも完全に可逆的ではありません。電圧を下げるように設計されたトランスは、昇圧に使用すると、必要な電圧よりもわずかに低い電圧を供給します。通常、その差はわずかであるため、実際の電圧レベルが重要でない場合は、可逆的に使用できます。
多巻線変圧器と同様に、オートトランスフォーマーは時間とともに変化する磁場を使用して電力を伝送します。オートトランスフォーマーは、正常に動作するには交流電流が必要であり、直流電流では機能しません。一次巻線と二次巻線は電気的に接続されているため、オートトランスフォーマーは巻線間で電流を流すことができ、AC または DC の絶縁は提供されません。
アプリケーション
電力送配電
オートトランスフォーマーは、異なる電圧クラスで動作するシステムを相互接続する電力アプリケーションでよく使用されます。たとえば、送電の場合は 132 kV から 66 kV です。産業界での別のアプリケーションでは、たとえば 480 V 電源用に構築された機械を 600 V 電源で動作するように適合させます。オートトランスフォーマーは、世界で一般的な 2 つの家庭用主電源電圧帯 (100 V～130 V および 200 V～250 V) 間の変換にも使用されます。英国の 400 kV と 275 kV の「スーパー グリッド」ネットワーク間のリンクは通常、共通の中性端にタップがある 3 相オートトランスフォーマーです。長い田舎の電力配電線では、自動タップ変更装置を備えた特別なオートトランスフォーマーが電圧レギュレーターとして挿入されるため、線路の遠端の顧客は、電源に近い顧客と同じ平均電圧を受け取ります。オートトランスフォーマーの可変比率により、線路沿いの 電圧降下が補正されます。
ジグザグと呼ばれる特殊な形式の単相変圧器は、接地されていない三相システムに接地を提供するために使用されます。ジグザグ変圧器は、 3 つの相すべてに共通する電流 (いわゆるゼロ シーケンス電流) の経路を提供します。
オーディオシステム
オーディオ アプリケーションでは、タップ付きオートトランスフォーマーは、スピーカーを定電圧オーディオ分配システムに適合させるため、および低インピーダンスのマイクと高インピーダンスのアンプ入力間などの インピーダンス整合に使用されます。
鉄道
鉄道用途では、列車に 25 kV AC で電力を供給するのが一般的です。電力グリッド給電点間の距離を長くするために、3 番目のワイヤ (逆位相) を列車の頭上集電パンタグラフの届かないところに配置して、分相 25-0-25 kV 給電を行うように給電点を配置することができます。給電の 0 V ポイントはレールに接続され、1 つの 25 kV ポイントは頭上のトロリ線に接続されます。頻繁に (約 10 km) 間隔で、オートトランスフォーマーがトロリ線をレールと 2 番目の (逆位相) 給電導体に接続します。このシステムにより、使用可能な伝送距離が長くなり、外部機器への誘導干渉が減り、コストが削減されます。給電導体がトロリ線と異なる電圧になり、オートトランスフォーマーの比率がそれに合わせて変更されるというバリエーションが時々見られます。[6]
オートトランススターター
オートトランスフォーマーは、誘導モーターをソフトスタートする 方法として使用できます。このようなスターターのよく知られた設計の 1 つに、Korndörfer スターターがあります。
歴史
オートトランスフォーマースターターは、1908 年にベルリンのマックス コーンドルファーによって発明されました。彼は1908 年 5 月に米国特許庁に特許を申請し、 1914 年 5 月に US 1,096,922 の特許を取得しました。マックス コーンドルファーは、その特許をゼネラル エレクトリック カンパニーに譲渡しました。
誘導モーターは、定格速度まで加速する間、非常に高い始動電流を消費します。通常、始動電流は全負荷電流の 6 ～ 10 倍です。始動電流の低減は、電力網の容量が十分でない場合や、駆動負荷が高い始動トルクに耐えられない場合に望ましい方法です。始動電流を低減する基本的な方法の 1 つは、印加線間電圧の 50%、65%、80% のタップを備えた低電圧オートトランスを使用することです。モーターが始動すると、オートトランスは回路から切り離されます。
可変オートトランス
巻線コイルの一部を露出させ、スライドブラシを介して二次接続を行うことで、連続的に変化する巻線比を得ることができ、出力電圧を非常にスムーズに制御することができます。出力電圧は、実際の巻数で表される離散的な電圧に制限されません。ブラシは比較的高い抵抗を持ち（金属接点と比較して）、実際の出力電圧は隣接する巻線と接触するブラシの相対面積の関数であるため、電圧は巻線間でスムーズに変化させることができます。[7]ブラシの比較的高い抵抗は、ブラシが2つの隣接する巻線に接触したときに短絡巻線として機能するのを防ぎます。通常、一次接続は巻線の一部にのみ接続されるため、出力電圧はゼロから入力電圧を超えるまでスムーズに変化し、指定された電圧範囲の限界で電気機器をテストするためにデバイスを使用できます。
出力電圧の調整は、手動または自動で行うことができます。手動タイプは比較的低い電圧にのみ適用され、可変 AC トランス (商標名 Variac と呼ばれることが多い) として知られています。これらは、修理工場でさまざまな電圧でデバイスをテストしたり、異常なライン電圧をシミュレートしたりするためによく使用されます。
自動電圧調整機能付きタイプは、自動電圧調整器として使用でき、さまざまなラインおよび負荷条件で顧客のサービスに安定した電圧を維持します。もう 1 つの用途は、ほとんどのサイリスタ調光器に典型的なEMI を生成しない照明調光器です。
バリアク商標
1934年から2002年まで、VariacはGeneral Radioの米国商標で、安定したAC入力電圧の出力電圧を便利に変化させることを目的とした可変オートトランスフォーマーの商標でした。2004年に、Instrument Service Equipment社は同種の製品に対してVariacの商標を申請し、取得しました。 [8] Variac という用語は、可変オートトランスフォーマーを指す一般的な商標になりました。 [要出典]
参照
参考文献
- ^ McLyman, Wm. T. (1988).トランスおよびインダクタ設計ハンドブック(第 2 版). Marcel Dekker. ISBN 978-0824778286。
- ^ ab Sen, PC (1997).電気機械とパワーエレクトロニクスの原理. John Wiley & Sons. p. 64. ISBN 0471022950。
- ^ パンシーニ、アンソニー J. (1999)。電気変圧器と電力設備（第 3 版）。フェアモント プレス。pp. 89–91。ISBN 9780881733112。
- ^ 「オートトランスフォーマーが小型化される理由を説明する商用サイト」。2013年9月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年9月19日閲覧。
- ^ abc Fink, Donald G. ; Beaty, H. Wayne (1978).電気技術者のための標準ハンドブック(第 11 版). ニューヨーク: McGraw-Hill. pp. 10-44, 10-45, 17-39. ISBN 0-07-020974-X。
- ^ Fahrleitungen elektrischer Bahnen [電気鉄道の連絡線] (ドイツ語)。シュトゥットガルト: BG Teubner-Verlag。 1997.p. 672.ISBN 9783519061779。英語版の「電気鉄道の連絡線」は絶版になっているようです。この業界標準のテキストでは、さまざまなヨーロッパの電化の原則について説明しています。関連する国際鉄道規格については、パリの UIC の Web サイト (英語) を参照してください。アメリカの鉄道には、おそらく電化設備が少ないため、同等の出版物は存在しないようです。
- ^ Bakshi, MV; Bakshi, UA電気機械 - I . プネ: 技術出版物。p. 330。ISBN 81-8431-009-9。
- ^ 「商標ステータスと文書検索」。
さらに読む
- クロフト、テレル、サマーズ、ウィルフォード編 (1987)。アメリカ電気技師ハンドブック(第 11 版)。ニューヨーク: マグロウヒル。ISBN 0-07-013932-6。