トランスとは
トランスとは、電気的な交流電圧を電磁誘導を用いて変換する変圧器です。
正式名称はトランスフォーマーといいますが、既にトランスという単語で定着しています。電気製品などは交流のコンセントから電源を得ていますが、それらの電気製品の中にはモーターなど交流ではなく直流の電気で使用する部品が多数あります。
また、交流のまま使用できる部品であってもコンセントからの100Vの電圧では使用するのに電圧が高すぎるものも多いです。そのために電気製品は電圧や電流を変化させる目的で小さなトランスを内蔵し、常に最適な電圧で動作しています。
トランスの使用用途
トランスの主な使用用途は、交流の電圧を昇圧したり降圧したりするための電気機器としての用途です。
大きいものは変電所で発電所などから送られた高電圧の交流電圧値を下げるために使用されますが、小さいものはシェーバー等の海外旅行先でコンセントの電圧を適切な値に変えるための変圧器として使用されています。
トランスは産業用・家庭用にかかわらず幅広い用途で使用されており、電圧値を適切な値に変換するためになくてはならないものとなっています。
トランスの原理
トランスの原理は電磁誘導の法則を応用しています。
コイルに生じる磁界変動起因の起電力がトランスの巻き数に比例する物理現象を用いたものです。トランスの構造は、一般に鉄芯に2つのコイルを巻きつけた形をしており、入力側を1次コイル、出力側を2次コイルと呼びます。このコイルはコイル内の磁界の強さを変化させることで起電力が生じます。1次コイルに交流電圧をかけることで鉄芯に磁界が発生し、この磁界の電磁誘導作用により2次コイルに電流が誘導され起電力が発生します。
2次コイルに発生する起電力の大きさとコイルの巻き数は比例の関係にあり、1次側に対する2次コイルの巻き数によって電圧の大きさを変えることが可能です。理想的なトランスは入力側と出力側の電気容量が同じになることですが、実際には抵抗による電力損失があり、ほとんど熱として放出されます。
トランスの種類
1. 絶縁トランス
絶縁トランスとは、交流商用電源で電源ラインと機器の電源とを絶縁し、安全性を確保するためのトランスです。
電源がAC100Vの機器ではINPUT：100V / OUTPUT：100Vの絶縁トランスが使われます。商用電源は100Vまたは200Vの交流電源ですが、電力会社からの給電は最寄りの柱状トランスまではもっと高圧の電源で、柱上トランス2次側で正相、逆相の100Vを、中性線には0Vを取り出して接地されています。ここで絶縁トランスを使用していない機器で漏電が発生した場合、漏電した機器には対地電圧100Vの電圧がかかっているため機器を人が触れば感電してしまいます。このような場合に絶縁トランスを使うことにより、100V側と中性線側共に商用電源側の100V側と中性線側から絶縁されるので感電を防止することが可能です。
2. 柱上トランス
街でよく見かける電柱は電気を供給するための電線を保持するためのほか、変圧器 (柱上トランス) を設置するための柱でもあります。電柱はその約1/6が地面に打ち込まれており、最上部には高圧電線、その下に低圧電線があり、低圧電線の少し下に柱上トランスが設置されている場合があります。
柱上トランスは高圧電線から6600Vを受け、低圧側に100Vを供給するためのものです。また、低圧側(2次側)には正相100Vと逆相100Vが出ており、正相－逆相間で200Vが取れるようになっています (単相200V / 対地電圧は100V) 。
柱の高圧電線は6600Vで送電していますが、もっと長距離を送電する鉄塔ではさらに高い電圧が使われ、日本の送電最高電圧は50万Vです。高圧電圧で送電する理由は送電ロスを少なくするためです。電線は僅かとはいえ電気抵抗があり、流れる電流に比例した電圧ロスが発生します。送電ロスを少なくするには極力電流を少なくする必要があり、一定の送電電力の維持のために高電圧で送電しています。
トランスのその他情報
トランス構造の内部の鉄心にはケイ素鋼またはアモルファスが用いられていますが、アモルファスの場合はコストが高くなるため、ケイ素の含有率が4%程度、厚さ0.35mmのケイ素板を積み重ねた積層鉄心が使用されている場合が多いです。
トランスのコイルの巻き方には単巻と複巻があり、1次コイルと2次コイルが絶縁できるため通常は複巻を用いますが、サイズが大きくなる、コストが高くなるなどの理由から単巻を用いることもあります。
電圧変換損失での発熱対策のため、トランスは冷却の必要があります。このためのトランスが油入トランスまたは乾式 (モールド) トランスです。前者は絶縁油をトランス内部に浸して冷却を図っていますが、防災の観点から病院やオフィスビルではワニスやエポキシ樹脂による冷却機構を取り入れた乾式トランスやモールドトランスが広く普及しています。
参考文献
https://www.kitagawa-denki.co.jp/products/about/whats/
電気設備技術基準の解釈 第29条