単相三線式配電の電流の流れ方について

質問

電気初心者ですが教えてください。

現在自分なりに理解している事項は、
変圧器の二次コイルから２００Vの正弦波交流が出力されている
そのコイルの中間に中性点があり　-100V～０V　と　０V～+１００V　の二つの１００V電源が取り出せる　　-100V～+1００Vの２００V電源が取り出せる

と、まずここまでの考え方は間違えていないでしょうか。
間違えていないことを前提に教えていただけますか。

配電盤の赤線と白線の閉回路の１００V負荷に仕事をさせる電流は
正弦波交流のグラフの常に上半分の　０V～+１００Vがコイル→赤線→負荷→白線→コイル

配電盤の黒線と白線の閉回路の１００V負荷に仕事をさせる電流は
正弦波交流のグラフの常に下半分の　-１００V～０Vがコイル→黒線→負荷→白線→コイル

と、自分で勝手に解釈しているのですが知識に乏しく自信がありません
根本的に重大な間違いだったらいけないので早めに訂正したいと思いますので宜しく
お願いします。

回答No.19

CC_T · ベストアンサー

No.9です。
No.9添付の図でパイプ部分の水の流れを示す矢印が描けてなかったです(--;
水位差からご理解いただけたかと思いますが、失礼しました。
あと、分かりよいように正面図で水面を波にして表しましたが、実際は図のように水面が波打つのではなく、水面全体が上下するというイメージが正しいので補足しておきます。

～～～

No.18お礼より >図面は、変圧器の二次コイルがL1相とL2相に１００Vを
> 出力した瞬時値と思いますが、白色線には、←　の電流と　→　の
> 電流が同時に流れていますが、どうして一本の電線で反対方向の電流を
>　同時に流すことが可能なのかが理解できません。
> LIとL2に２本ずつ合計４本ならば、すんなり納得できるのですが・・・・

とありましたので横レスします。
No.9図に描いたように、中央（白色線に相当）の水面は動かず、奥と手前の水槽の水面が180°の位相差で上下することにより、奥・手前のそれぞれの水槽と中央水槽との間の数位差が生じるという事で、白色線は実質的に電流を流す必要はないのです。
No.9の絵はNo.18の下の絵の状態と同じ状態（下回路の方が電位が高い状態）ですが、ＡのパイプとＢのパイプで流れる電流値がピッタリ同じなら、手前→パイプBと流れた水（電流）がそのままパイプA→奥と流れるので、中央水槽（白色線）での水の移動はプラスマイナスゼロ。反対方向の電流を流すどころかこの状態では白色線＝中性線であり、これを外してしまっても回路が成立しています。だからこその「中性点」であり、丁度100V負荷を２つ直列で200V電源につないだ状態ですね。
白色線（中央水槽）は、A回路とB回路で負荷のバランスが異なっていて流れる電流（水の量）が異なる場合に、“『両者の差分の電流（水）』を電源側とやり取りするための役割”とお考えください。
参考URLのA05もご参考に。

～～～

ちなみに・・・位相差云々について他の回答で討論されていますが（読んでないけど、決着ついたか？）、今回のトランス中性点の話については、180°位相差が正解であることも、No.9の絵の概念から容易にご理解いただけると思います（左の１本のアームに繋がったピストンの動きがそのまま200V電源の電位変化を表しますので、奥水槽と手前水槽では真逆の水面（電位）変化。これを動きの無い中央水槽（中性点）視点で見ると、位相差180°の２回路になるわけです。
蛇足までに、３相交流を考えるなら左のピストンアームを１２０°位相差のクランクに置き換えて考えれば良いです。

参考URL：

http://www.tsystem.jp/freecircuit/freecircuitrelay22.html

お礼

御丁寧な解説をありがとうございました。
紙面に同じ図面を作成し、ピストンの動きと水の動きを何回もイメージしてやっと理解できました。

>『両者の差分の電流（水）』を電源側とやり取りするための役割”とお考えください。

この文面は、電気の勉強を始めたばかりの私にとっては、まさに「　目からウロコ　」状態です。感動物です。

目に見えない電気を相手にモヤモヤしていた頭がやっとすっきりしました。

参考URLも私の勉強に最適です。ありがとうございました。

回答No.18

KDH

前提は正しいですね

以下の質問については　二次コイルを１００Vの乾電池を２個直列につないだイメージで考えると
分かりやすいと思いますんで　添付画像を見てください

お礼

変圧器と負荷の関係が理解できました。図解までして説明をしていただき有難うございました。

たくさんの皆様からいただいた参考図や解説をみて勉強をしていく中で疑問に思うことが発生しました。
そこで初心者でも理解できる程度のレベルで教えていただけますか。

図面は、変圧器の二次コイルがL1相とL2相に１００Vを出力した瞬時値と思いますが
白色線には、←　の電流と　→　の電流が同時に流れていますが、どうして一本の電線で反対方向の電流を同時に流すことが可能なのかが理解できません。
LIとL2に２本ずつ合計４本ならば、すんなり納得できるのですが・・・・

又、L1相の負荷のみ使用時であれば白線は、←　の電流であり、
L2相の負荷のみ使用時であれば白線は　→　の電流が流れる。・・・と思っている。

L1相とL2相がそれぞれ負荷を使用している時には、まさか一本の電線の中を上下に半分ずつ分け合って電流が流れているとも思えないし・・・・

この悩みを解消させてください。

回答No.17

rnakamra

噛み合っていないようなので、ちょっとまとめておきましょう。

質問者の出している質問は単相三線式の電気の流れ方についてです。
#10の結線図の上の図の0-uの出力と、0-vの出力について聞いています。
#10の結線図の上の図はこれを3相と結び付けていますが、今回の質問内容に他の2相は全く関係しません。あってもかまいませんし断線していてもかまいません。

何度か議論になっている"位相差"は0-u間の電圧と0-v間の電圧の位相差のことです。他のv-w,w-uの電圧との位相差のことではありません。
この0-u間の電圧と0-v間の電圧との位相差が180°ということを言っているのであり、この電圧の位相はv-w,w-vの電圧との位相差は議論の対象となっていません。

もちろん、0-uと電圧とv-wの電圧には120°の位相差があります。(図には60°とありますがこれは明らかに間違いです。1周のコイルのうち1/6だから60°の位相差だと書かれているようですが、u-v間ではどこをとってもv-wと120°の位相差を持ちます。)

お礼

rnakamra様　私の質問に幾度となく回答をしていただき、誠にありがとうございます。
途中には私のレベルでは理解できない内容も多々ありましたが、今後も勉強を続け理解できるようになりたいと思います。

私は、単相三線式配電の基本で間違えた知識を身につけていた事が判明しました。
電気入門者の考え方としては、
まず、乾電池ホルダー２個を直列に接続し、それぞれに１００Vの乾電池　AとBをいれて
５０ヘルツの場合は１秒間に１００回 AとBの乾電池のプラスとマイナスを同時に差し替える。

これで良いのでしょうか。お忙しところ申し訳ありませんが、お時間のある時で構いませんので正誤を御指導お願い致します。

回答No.16

okormazd

#13さん

#14さんとは別のはなしで。

「三相３線式は、線間で１８０°位相なのですか？」
ふつう位相といえば、他との比較の相対的なずれのことだ。
三相３線式は、線間だけなら1本しかないから、それだけでの比較はできないから位相なんて関係ない。他の線の電圧との比較をしないと。しいて言えば、違う時間での位相ならある。50Hzなら0秒のときと1/100秒のときの位相は初期位相がどうあれ180度違うね。

三相３線式は、他の線との比較で、120度になっている。なぜ180度にならないかは、ほかの線の位相の違う電圧が合流しているからね。単3uvはこの合流線がない。中性線とu、vの電圧を比較して位相が180度違うといっている。

「この１°の位相でも、１８０°あると仰るのでしょうか？」
1°の位相と180°の位相は違うのは当たり前。たまたまその位相でたとえば電圧が等しくなることはあるかもしれないがね。
「位相」と言っているが「初期位相」のことでしょうね。

「位相がどういったものかを、まず理解された方が良い」でしょうね。

この辺りは電気というほどのことはない、まして「電検」を持ち出して開き直ることはない。三角関数の振動の話だからね。私は「電検」は持っていないし、この議論に必要とも思われないし、めちゃくちゃな議論のように見えるし。

ベクトル図を持ち出して、何を説明しようとしたのだろう。3相交流の図みたいだけど、単相1本いるだけだから、単3の話にそれ必要ないんだ。

あと続くのかもしれないが、私はこれで終わりにする。たぶんいくら言っても埒があかない。

回答No.15

EleMech

ますます弱りましたね。
このレベルで物理学の修士号ですか。

　＞その瞬時の電位差は瞬時値のそのままの足し算になります。
分かり易い表現のベクトル図でみれば、ＶａｂはＶａと－Ｖｂの合成です。
つまり、瞬時値の引き算です。

　＞電磁誘導に位相差は関係ありません。そのコイルに印加されている電圧だけに関係します。
いいえ、「位相差 → 電位差 ＝ 電圧」なので、大いに関係あります。
交流電圧は周期変化を持っていますから、周期に影響します。
もっとも基本的なことですが、これを理解していないと位相の話は出来ません。

最後に電柱上の変圧器結線の図を添付します。
１８０°位相になるという方々は、次の事が可能であると言っているのと同じです。
　・変圧器Ｕ－Ｖ、Ｖ－Ｗ、それぞれ中性点ｎは接地してあります。
　・ここからｎの進み側は、それぞれＵ－ＶならＵ、Ｖ－ＷならＶとなります。
　・１８０°位相の考えなら、この「Ｕ」と「Ｖ」は同電位です。
　・それなら、これらを接続しても問題ないはずです。

さて実際は、１次側６６００Ｖの「Ｕ」と「Ｖ」の間には１２０°の位相がありますが、問題ないのでしょうか？
勿論、電気に携わっている方々には簡単な問題です。

お礼

EleMech様　私の愚問の為に貴重な時間を費やす事となってしまい誠に申し訳ありません。

私には、内容のレベルが高すぎて理解不能な事項が多々ありますので、勉強を頑張り、回答していただいた
皆様方が書き込みされた中身が理解できるようになりたいと思います。

ありがとうございました。

回答No.14

rnakamra

#13について

この程度で電験(電検ではない)に受かるかね。言っとくけど私も電気主任技術者の資格持ってますからね。ついでに言っておくと物理学の修士号持ちです。

>電位差なので、瞬時値をそのまま足し算しません。

その瞬時の電位差は瞬時値のそのままの足し算になります。
キルヒホッフの法則で必ずそのようになります。
なお、この式を見れば時間変化もちゃんと式に勘案されています。

>関係なければ、電磁誘導は起きません。
電磁誘導が無ければ、２次側に電圧は生じません。

電磁誘導に位相差は関係ありません。そのコイルに印加されている電圧だけに関係します。

回答No.13

EleMech

質問者様に正確な情報として書き込んだのですが、電気を理解されてない方々が間違いを訂正されないので、もう一度回答させていただきます。

　＞No.11様
　＞一般に位相がδずれた電圧Vの正弦波を足し算すると
もう一度勉強された方が良いと思います。
添付ベクトル図を見てください。
電位差なので、瞬時値をそのまま足し算しません。

　＞No.12様
　＞それは単３のu、vの位相差とは何の関係もありません。
関係なければ、電磁誘導は起きません。
電磁誘導が無ければ、２次側に電圧は生じません。

　＞正弦波ではこういうのを位相が１８０度ずれているというのです。
では三相３線式は、線間で１８０°位相なのですか？

位相とはそれぞれが起こす周期のズレの事であり、それから生じる電位差によって電圧が生じているのです。
電圧が同じ、周波数が同じ、しかし位相が１°でもズレたらそこには電位差が生じるわけであり、それが電圧なのです。
この１°の位相でも、１８０°あると仰るのでしょうか？
基本的な、位相がどういったものかを、まず理解された方が良いと思います。

困りましたね、このレベルで電検保持者に噛み付いてくる方々がいるとは。

回答No.12

okormazd

#10さん。
言うに事欠いてとでもいいますか。
「再度回答するときくらいは、詳細を調べてからに」ですよね。

位相というのは、絶対なものではありません。ほかと比較したときの話です。
電源の３相の位相がそれぞれ120度ずれているから、その１相から取り出した電圧も電源の他の２相と比べれば、120度ずれた電圧になる、というのはいいですよ。

でも、それは単３のu、vの位相差とは何の関係もありません。この位相差はuとvを比べたときの話です。電源の位相とは何の比較もしていませんし、その必要も無いのです。
その１相に入れたトランスの出力の両端u、vの電圧はuが最大ならvは最小、vが最小ならuが最大で、中性線との波形では真逆になります。正弦波ではこういうのを位相が１８０度ずれているというのです。

単３の100V、100V、200Vの説明に6600V電源のそれぞれの相の位相など何の関係も無いのですよ。

あるいは、単3の3線間で60度あるいは120度ずれた波形でも描いて100V、100V、200Vの説明をしていいだけますかね。

回答No.11

rnakamra

#10の回答について

一度単相3線式と三相3線式の違いについて勉強した方がよいでしょう。

添付されている図ですが位相が60°ずつずれていると書いていますが、そのようなことはありません。120°位相のずれた100Vの電圧を足し算すると100Vになります。

一般に位相がδずれた電圧Vの正弦波を足し算すると
(√2)V*sin2πft+(-√2)V*sin(2πft+δ)=2*(√2)V*sin(-δ/2)*cos(2πft+δ)
となります。
これも正弦波ですが、これが実効値2Vとなるためには
sin(-δ/2)=±1
とならなければならず、0≦δ<360°の範囲ではδ=180°しかありえません。

単相3線式200Vの場合、二つの100Vの出力は180°位相がずれているのです。

あと、#10に添付されている図ですが位相のずれとは何なのであるか、その点で何か根本的に考え違いをしているように見えます。
2線間だけをとって120°とか60°とか書いてありますが、ひとつの電圧だけをとって位相のずれというものは存在しません。位相のずれとは基準となる電圧があってその電圧との位相のずれが定義できるのです。
それと線を途中でわけて位相のずれが半分になる、ということはありません。
位相とは簡単にいえば電圧の信号のテンポのずれ、つまり時間的なずれ(を周期でわった)ものです。途中で切ったところで時間のずれが半分になるなどということはありません。(もちろん、電線の長さが1周期の時間で電圧が伝わる距離と同じくらいの長さであれば途中で切って位相のずれが得られるでしょうが、数千kmの長さでのことなので通常はあり得ません)

回答No.10

EleMech

質問者様が間違いを正したいという希望の質問なのに、更に間違いを回答する方がおられますので、もう一度回答させていただきます。

　＞ＡＮｏ.７様、ＡＮｏ.８様
まず、電源の６６００Ｖ配電線が、三相３線式の１２０°位相です。
それ以外の電源を、用いているものはありません。
基本的でとても重要な、この部分を理解されていません。
その３本の内、２本だけを取り出しただけなので、その線間の位相は、１２０°です。
Ｎｏ．６で回答した通り、２次電圧は１次コイルの磁束変化による誘起起電力です。
つまり、１次側の電流、周波数その他の影響が、そのまま２次側に現れます。
その為、１２０°位相であったものが、１８０°位相に変化する事はありません。

　＞ＡＮｏ.７様
　＞120度位相差では、0-u100V、0-v100Vでu-v200Vにはなりませんしね。
十分なりますよ。
位相差を説明されている割には、ご理解されてないようです。
線間電圧は、それぞれ相電圧が位相によってずれている為に起こる、電位差によって決まります。
元々が、１２０°位相の６６００Ｖから取り出したＵ－Ｖなので、２次側のｕ－ｖでも１２０°位相の２００Ｖです。
その半分ですから、０－ｕ、０－ｖで６０°位相の１００Ｖになります。

　＞ＡＮｏ.８様
　＞#6の回答で述べられているのは三相三線V結線のことです。
　＞今回の質問にあるのは一般家庭に供給されている単相三線のことです。
Ｖ結線から電灯も取り出せる、三相４線式をご存じないのでしょうか？
これは、単相変圧器２台で、電灯と動力の両方を取り出せる低コストの受電方式です。
このＶ結線の部分は、誰もが認める１２０°位相ですが、これから動力専用変圧器を取り除いてみると、通常の電灯結線と同じになります。
つまり単相３線式とは、そういったものであると説明をしたのです。
単純に説明しても、動力にも使用できる電源から少し省いただけなので、線間の位相はそのまま、赤ｕ－黒ｖで１２０°位相です。

学校で習うような勉強では、分かり易く範囲を限定して説明いるので、その部分だけには有効な勉強法ですが、それ以外を無視している為、今回のような誤りを覚えてしまいます。
人ですから間違いもありますが、再度回答するときくらいは、詳細を調べてからにするべきでしょう。

回答No.9

CC_T

＃２です。
え～っと、色々回答がつきましたね。
質問はおそらく込み入った説明ではなく、単純に概念としてどういうことかを理解したいということだと思いましたので、ちょっと初心者向けにの説明を試みてみます・・・。

～～～

電気回路ってのはよく水の流れに例えて説明されます。
直流の場合は元電源をポンプ、負荷水車などとおいて、電圧を滝の落差として表しますね。
交流は一方通行に流れないので、波の出るプールなどで例えることになります。電圧は波の高さです。

今の場合は図のように造波装置付きの水槽が３つ、並んでいると考えてください。
左の天秤式ピストンが電源側で、奥の水槽と、手前の水槽では波高が高くなるタイミングと低くなるタイミングが真逆になりますが、中央の水槽はでは水面変化が打ち消し合うために波は立ちません。

さて、ここで各水槽にパイプを入れて、パイプの途中に水車（負荷）を置くと考えてください。
図の断面図を見てください。
中央の水槽と奥の水槽を結んだパイプＡでは、奥の水面が高くなったら奥から中央に向かって水が、奥の水面が低くなったら中央の水槽から奥に向かって水が流れますよね。
手前の水槽と奥の水槽を結ぶパイプＢでも同じ事がおきます。置くと手前の水槽では波のおきるタイミングが逆ですから、ＡのパイプとＢのパイプでは水の流れる方向が同じになりますね（図中の矢印の向き）。

では、奥の水槽と手前の水槽を結んだＣのパイプではどうなるでしょうか。
奥の水槽と手前の水槽の水面の差の最大値は、中央と両端の水槽の水位差よりも大きくなりますよね。これは左のピストン（電源）が作り出す水面の差に等しい。

はい。
奥の水槽が＋100V水槽、手前の水槽が-100V水槽、中央の水槽が０V水槽です。トランスそれぞれの端子に相当するとみてください。
パイプＡ，Ｂでは交流100V相当の力を取り出すことができ、パイプＣでは差が倍になるので交流200V相当の力を取り出すことが出来る、と。

こういうことなのです。
イメージ湧きましたでしょうか？

交流において、プラスマイナスといった表記呼称にとらわれると間違いやすい。
２つの電路間の「相対的な差」が電圧として表れ、その中立値をゼロと見ればプラスマイナスと見えるだけなんですね。

お礼

理解しやすい御説明をいただき有難うございました。
私の考えは、間違えていたことが判明しました。

＞交流において、プラスマイナスといった表記呼称にとらわれると間違いやすい。
　２つの電路間の「相対的な差」が電圧として表れ、その中立値をゼロと見ればプラスマイナスと見えるだ　けなんですね。
これは、感動的な発見をしました。またいろいろと教えてください。