単巻変圧器の概要

 

 

単巻変圧器は、一次側と二次側の両方として機能する単一の連続巻線を備えているため、従来の 2 巻線変圧器とは異なります。{0}}これにより、ユニークで有利な計算式が得られます。

シンボルを定義しましょう。

: 一次電圧と電流

: 二次電圧と二次電流

N₁：一次巻線の総巻数

N₂: 二次巻線の巻数 (N₁ の一部)

a: 巻数比

：電磁誘導電力（巻線容量）

: 入出力皮相電力(スループット容量)

 

カテゴリ	式	説明
巻数比		標準トランスと同じ定義
電圧関係		出力電圧は比率に反比例します。
現在の関係		出力電流は比率に正比例します
出力容量		変圧器によって送られる総電力
電磁容量		変圧器の物理的なサイズを決定する電力
容量の利点		コアフォーミュラ: a が 1 に近いとき、利点が最大になります。

 

 

 

 

 

単巻変圧器の利点

1.より高い効率、損失の低減

• 理由：巻線の一部が両側で共通であるため、共通部分の電流は、同じ電力スループットの場合の負荷電流よりも小さくなります。これにより、銅損 (I²R 損失) が大幅に減少します。
• 結果：通常、効率は同等の 2 巻線変圧器よりも高く、特に巻数比 (K) が 1 に近い場合 (例: 230 V から 115 V)、効率は高くなります。

2. 低コスト、小型軽量化

• 理由：個別の二次巻線が不要になり、導電性材料 (銅/アルミニウム) とコア材料 (ケイ素鋼) が少なくなります。
• 結果：同じ定格容量の場合、単巻変圧器は 2 巻線変圧器よりも安価で、小型、軽量です。{0}}これにより、輸送と設置が簡単かつ安価になります。

3. 優れた電圧調整能力

• 理由：複数のタップや巻線に沿って摺動接点（ブラシ）を設けることにより、出力電圧を簡単かつ連続的に調整することができます。
• 応用：これは、正確な電圧制御を必要とする研究室やアプリケーションで広く使用されている一般的な「バリアック」または可変変圧器の動作原理です。

4. 短絡インピーダンスの低下と電圧制御の向上-

• 理由：一次側と二次側は電気的および磁気的に結合されているため、2 巻線変圧器と比較して漏れリアクタンスが低くなります。-
• 結果：負荷条件が変化しても出力電圧はより安定した状態を維持し、優れた電圧レギュレーションを実現します。

 

単巻変圧器の欠点

1. 電気的絶縁の欠如 (最も重大な欠点)

• 理由：2 巻線変圧器による磁気絶縁とは異なり、一次側と二次側は電気的に直接接続されています。-
• リスク:

高電圧側の障害（高電圧サージなど）は、低電圧側に直接伝わる可能性があり、機器や人員に重大な脅威をもたらす可能性があります。{{4}

共通巻線が破損すると、全入力電圧が負荷にかかる可能性があり、非常に危険です。

• 含意:安全性が重要なアプリケーションでは、追加の絶縁トランスを使用する必要があり、コストとサイズの利点が損なわれます。

2. より高い短絡電流-

• 理由：低いため短絡インピーダンス-二次側に障害が発生すると、同等の 2 巻線変圧器よりもはるかに大きな短絡電流が発生します。{{0}{1}}
• 要件：このため、変圧器自体の機械的強度と熱安定性がより高く、より堅牢でより高い遮断容量の保護装置（回路ブレーカーやヒューズなど）が必要となります。{0}{0}{1}

3. より複雑な保護

• 巻線を共有すると、内部の電磁関係が 2 巻線変圧器よりも複雑になります。-標準の過電流保護では内部故障と通常動作を効果的に区別できない可能性があるため、これにより保護システム (差動リレーなど) の構成が複雑になります。

4. 制限された巻数比の適用

• 単巻変圧器の経済的利点は、巻数比 (K) が小さい場合、通常は 1.2 ～ 2.0 の場合に最も顕著になります。比率が大きい場合 (10:1 など)、材料の節約はごくわずかになり、絶縁の欠如が大きな欠点となり、不適切になります。

 

 

 

1. パワーシステム

これは単巻変圧器にとって最も重要かつ大容量のアプリケーション領域です。{0}

(1) 系統連系と変圧

• 応用：同様の電圧レベルを持つ 2 つの高電圧送電システムを相互接続します。たとえば、220kV グリッドを 110kV グリッドに接続したり、500kV システムを 330kV システムに接続したりします。
• それが適している理由:電力システムでは、異なる地域送電網の電圧レベルは比較的近いことがよくあります（たとえば、比率が 3:1 未満）。このような場合、単巻変圧器を使用すると、2 巻線変圧器よりもはるかに経済的です。-材料費、エネルギー損失、物理的設置面積が大幅に削減され、大規模電力伝送にとって重要な利点となります。{6}}

(2) 発電所起動・補助変圧器

• 応用：大型の火力発電装置や原子力発電装置では、起動時に補助装置 (ファン、ポンプなど) に電力を供給するための外部電源が必要です。この外部電源変圧器は多くの場合単巻変圧器です。
• それが適している理由:発電機自体の電圧は高く (たとえば、20kV)、ステーションの補助電源電圧は低くなります (たとえば、6kV または 10kV)。電圧比は大きくないため、単巻変圧器は、この大容量アプリケーションにとって費用対効果が高く、効率的なソリューションとなります。{8}

(3) 三相中性点規制

• 応用：超高圧（UHV）および超高圧（EHV）系統では、システムを安定させ、無効電力の流れを管理するために電圧を調整する必要があります。-
• それが適している理由:単巻変圧器には多くの場合、タップチェンジャー共通巻線（中性点側）に電圧調整。この設計により、より広い規制範囲が可能になり、タップ切替装置の絶縁要件が低くなり、技術的にも経済的にも有利になります。{1}

 

2. 産業用およびモーター制御

(1) 低電圧モーター始動 (自動変圧器スターター)-

• 応用：大型の三相誘導モーターを起動して、突入電流を減らし、供給ネットワークの電圧降下を最小限に抑えます。-
• それが適している理由:始動中、単巻変圧器のタップを介してモーターに減電圧が適用されます。モーターが定格速度に近づくと、最大電圧に切り替わります。この方法は、Star- デルタ法と比較して高い始動トルクを提供し、始動電流を制限するのに非常に効果的です。使用期間が短いため、単巻変圧器のサイズとコストの利点が十分に発揮されます。

(2) 可変AC電圧供給と電圧補償器

• 応用：正確な電圧安定性が重要ではない研究室または産業機器で、連続的に調整可能な AC 電源として使用されます。
• それが適している理由:スライド式カーボンブラシが巻線の露出したターンに沿って移動し、スムーズな出力電圧調整を可能にします。この設計はシンプル、堅牢、低コストであるため、柔軟な電圧を必要とするアプリケーションに最適です。-

 

3. 臨床検査と検査

(1) 可変交流電源（Variac）

• 応用：電子実験室や教育実験で、ゼロからライン電圧をわずかに上回る範囲で調整可能な AC 電圧を提供します。
• それが適している理由:シンプルで耐久性があり、安価で、（ソリッドステート電子レギュレータとは異なり）純粋な正弦波出力を提供するため、実験やテストに最適です。{0}

 

4. 鉄道電化

(1) 主電源システム（ATシステム）

• 応用：一部の電気では鉄道システム(古い AC システムなど)、単巻変圧器 (AT) 給電システムが使用されます。
• それが適している理由:AT システムは単巻変圧器を使用して、高い送電電圧 (例: 110kV または 220kV) を架空架線で使用される電圧 (例: 25kV または 55kV) に降圧します。同時に通信回線との電磁干渉を軽減し、変電所間の距離を長くすることができるため、高速鉄道や重量物輸送鉄道に特に適しています。-

 

 

単巻変圧器の「シンプルさ」は表面的なものにすぎません。その設計と製造には、厳密なエンジニアリングとマスターレベルの職人技が注ぎ込まれています。-

1. 巻線設計のこだわり

巻線は一次側と二次側の両方として機能するため、絶縁トランスには見られない独特の設計の複雑さが生じます。

(1) 電流分布と不均一な導体サイズ:{1}

• 中心的な課題:巻線は次のように分かれています。直列巻線（双方に共通ではない部分）と共通巻線(入力と出力の両方で共有される部分)。これらのセクションを流れる電流は異なります。

-直列巻線入力電圧と出力電圧の差に関連する「転送電流」のみを流します。

-共通巻線より小さい「自動誘導電流」が流れます。これは負荷電流と巻数比の関数です。

• エンジニアリング上の解像度:正確な電流計算が最も重要です。の共通巻線は断面積の小さい導体で巻くことができます-直列巻線にはより大きな導体が必要ですが、流れる電流は少なくなるからです。これ-不均一、可変-断面-設計は軽量、低コスト、高効率を達成するための鍵ですが、巻線プロセスが大幅に複雑になり、正確な回路図と工具が必要になります。

(2) 電磁平衡と短絡力:{1}}

• 中心的な課題:固有の構造の非対称性（高電圧端子、低電圧端子、タップはすべて単一の巻線に配置されている）により、完璧なアンペア-ターンバランス絶縁トランスよりも困難です。アンバランスなアンプ-ターンが強力な音を生み出します漂遊磁界（漏れ磁束）.
• エンジニアリング上の解像度:

1. 洗練された電磁波シミュレーション:巻線の配置、高さ、半径方向の寸法を繰り返し最適化し、漏れ磁束を最小限に抑えるには、高度な電磁界シミュレーション ソフトウェアが不可欠です。
2. 短絡電流力の管理:-短絡中、強力な漏洩磁界と相互作用する大量の故障電流により、巻線を歪ませて押しつぶそうとする膨大な電気機械力（ローレンツ力）が発生します。単巻変圧器では、これらの力が非常に非対称になる場合があります。したがって、巻線の機械的固定は非常に堅牢でなければなりません。高強度の絶縁スペーサー、クランプ プレート、サポート スティックを使用して、巻線を所定の位置にしっかりとロックする「ケージ」構造を作成し、繰り返しまたは突然の短絡衝撃による変形や損傷を防ぎます。-

 

 

2. 電圧を調整するカーボンブラシ- - 「心臓」と「ボトルネック」

可変単巻変圧器 (バリアック) の場合、スライド カーボン ブラシは最も重要かつ最も脆弱なコンポーネントです。

(1) 厳しい材料要件:

• 中心的な課題:ブラシは、多くの場合矛盾する複数のプロパティを同時に満たさなければなりません。
• エンジニアリング上の解像度:通常、以下から作られます。複合金属-グラファイト素材.

1. の黒鉛自己潤滑性と耐摩耗性を備え、スムーズな滑りと長寿命を保証します。{0}
2. の金属（銅、銀粉など）高い導電性を実現し、接触抵抗を最小限に抑えます。
3. この複合材料の正確な比率と焼結プロセスは、メーカーの核となる独自の秘密です。

(2) 接触信頼性の重要性:

• 中心的な課題:カーボンブラシと巻線の界面はスライド電気接点。どれでも接触不良致命的な故障につながります: 接触抵抗の増加 → 局所的な過熱 → 電気スパークとアーク → 巻線表面とブラシの両方への浸食と永久的な損傷。
• エンジニアリング上の解像度:

1. -接触面の超精密加工:巻線の露出した接触トラックを裸の銅にすることはできません。そうでなければなりません鏡のような滑らかな仕上げに磨かれています-バリや欠陥がないこと。
2. 高度な表面メッキ:このトラックはよくある銀または銀合金の層でメッキされている。銀は優れた導電性と耐酸化性を備え、長期間にわたって低い接触抵抗を維持し、酸化による熱障害を防ぎます。-

• 熱放散と摩耗管理:

1. 中心的な課題:接触点は熱と機械的摩耗の集中源となります。
2. エンジニアリング上の解像度:高出力バリアックには、専用の冷却空気ダクトが組み込まれているか、ブラシ アセンブリの強制冷却も組み込まれています。{0}}さらに、ブラシの接触圧力とスプリング機構は細心の注意を払って調整する必要があります。-圧力が小さすぎると不安定やアーク発生が発生し、圧力が大きすぎると機械的摩耗が促進され、滑り抵抗が増加します。

 

3. コンパクトな設計での熱管理

(1) 中心的な課題:単巻変圧器は、同等の電力定格の絶縁変圧器よりも小型で、使用する材料も少なくなります。これを翻訳すると、単位体積当たりの電力損失密度（銅損および鉄損）が高い、熱放散がより困難になります。

(2) エンジニアリング上の解像度:

• 洗練された熱設計:冷却チャネル (巻線内のオイルダクト、通気口など) の設計は、単に適切であるだけでなく、最適である必要があります。数値流体力学 (CFD) と熱シミュレーションは、冷却剤の流れを正確にマッピングし、潜在的なホットスポットを排除するために非常に重要です。
• 強化された冷却方法:

1. 油漬け-:大型の単巻変圧器は、複雑な誘導油流路による油浸冷却を使用し、巻線の最も高温の部分に油を送ります。{0}
2. 空冷-:乾式{0}}タイプの可変単巻変圧器は効率的な冷却フィンを備えており、多くの場合、強制空冷（AF）用のファンや、さらに高度な油強制冷却システムが組み込まれています。{1}}