変圧器についてなのですが、負荷を接続すると変圧器の電圧、電流が負荷により決まるようですがどう決まる

Question

変圧器についてなのですが、
負荷を接続すると変圧器の電圧、電流が負荷により決まるようですがどう決まるのでしょうか。

例えば単相負荷の容量がP=VIcosθ(W)で
P=100W、力率0.8
とするとV、Iの値はVI=125の範囲でどう決まるのでしょうか。負荷により必要な電圧、電流を設定してあるのですか？

また、もし変圧器の容量以上の負荷や定格電圧以上の負荷を接続するとどうなるのでしょうか。

m-jiro · Accepted Answer

>　 電力会社が受電端6600Vから電圧降下を逆算して送電端電圧を決めているということでいいのでしょうか。
そのとおりです。

>　 私が最初勘違いしていたのは「負荷により変圧器の電圧が決まる」ので負荷を接続したら負荷の定格電圧、電流に合わせて変圧器の電圧がきまるのかと思い込んでいたのです。
負荷の電流は時々刻々変化しますね。最小はゼロです。この場合でも電圧は定格値の範囲を維持しなくてはならないので変圧器の電圧を決める要素に負荷電流は含まれません。すなわち負荷電流によって変圧器電圧が自動的に決まるということはありません。あくまでも電圧優先です。そして送電線での損失を推定して送出電圧を決めています。しかし送電距離が長いなど、特殊な事情があれば自動電圧調整機などで補正します。

>　「負荷によって電圧決まるなら定格電圧50Vの負荷をそこに刺したら変圧器の電圧はどうなるんだ？」と疑問に思ったのです。
変圧器の特性としては負荷の軽重にかかわらず一定の電圧を出します(非常に重い負荷では下がりますが)。

>　ちなみにもしそうした(変圧器の発生している電圧以外の電圧、電流を必要としている負荷を接続した)場合どうなるのでしょうか。
定格電圧50Vの機器に100Vを加えると短時間で破損します。電熱器のような単純な抵抗負荷では流れる電流が2倍になり消費電力は4倍になります。オームの法則で電圧を2倍にすれば電流も2倍になり、電力は4倍になりますね。電熱器は真っ赤になってニクロム線はすぐに切れるでしょう。
パソコンの電源アダプタは外国での使用も考慮して85V~240V程度の広範囲の電圧に対応していますがこれは例外で、一般の機器は瞬時に破損します。
逆に供給電圧が低い場合は所定のパワーが出ないため正常な動作をしません。
モーターでは起動できないため低電圧にもかかわらず定格電流以上の電流が流れて焼損することがあります。

m-jiro · Answer

ご質問の主旨はわかりました。このリンクを最初に張って欲しかったですね。
この問題では末端電圧に2Kmの送電線での降下電圧を加算した値を昇圧器の二次電圧としています。
送電線の電流は負荷電流と同じです。すなわち 300KW÷6600V＝45.45A が線路電流。
送電線での損失は、この電流値と線路のインピーダンスから求めればよいのです。リアクタンスを含んでいるのでちょっと面倒ですが、詳細は解答例を見てください。

>　「無負荷時に例えば100V発生している端子(コンセントのように)に適当な負荷を接続したらV、Iどうなるんだ？100V発生している端子にP=VIcosθのVが50の負荷を接続した場合どうなるんだ？何が基準で決まるんだろうか」と思ったんです。
この補足質問の意味がわかりません。「Vが50」の50は何でしょう？　「50V(ボルト)」ですか？
100V発生している所に定格電圧50Vの機器を接続するのは無謀としか言えないでしょう。線路抵抗がうまく調整してあるならばあり得ないこともないでしょうが・・・。

電圧と電流の問題は基本的には　電流＝無負荷電圧÷(負荷抵抗＋線路抵抗)　で計算することになります。線路抵抗には電源インピーダンスも含みます。また多くの場合負荷抵抗、線路抵抗にはインダクタンス、キャパシタンスが含まれるので計算は面倒ですが考え方としてはオームの法則だけなので難しくないはずです。

m-jiro · Answer

何度も失礼します。

fuefuki-doujiさんの回答は、これから変圧器を選ぶ場合のことですね。
例えば200Vしかない場所で 100V 100W 力率0.8 の機器を運転するにはどのような変圧器を準備すればよいのか、という前提で回答しておられるように思います。
この場合、負荷電流は1.25Aですから　200V:100V 1.25A　より大きい変圧器が必要になります。
二次側の容量は流れる電流で決めねばなりません。許容電流は巻線の太さで決まるからです。力率がいくらであろうと電流値で決めます。

私は、既に変圧器があってこれにある負荷を接続した場合の電圧・電流の関係の問題、として回答しました。
質問者の方はどちらの前提で質問されたのでしょうか？

tknakamuri · Answer

う~ん、話が噛み合ってないですね。というか
回答正しいのに内容を読み取れてない。

ー次電圧がー定で、巻線比が決まっている理想変圧器の
2次電圧は負荷に関わらす決まります。
例えば―次電圧が100Vで巻線比が 10:1なら、2次電圧は
10V。

で、負荷の電力がPときまっているなら、負荷の内容により自動的に
必要な2次電圧が決まるので、それに合わせた1次電圧と
必要な巻線比を持つ変圧器が必要です。

両者はなんら矛盾しません。

m-jiro · Answer

>　ある変圧器に　　P=VIcosθ　　の負荷を接続した場合(無負荷時電流0)、この時変圧器の二次端子電圧はVになり、Iが流れる(これは負荷によって決まる)
二次端子電圧(私は単に「二次電圧」と言っています)は負荷の有無にかかわらず一定です。

>　変圧器二次端子電圧を決めるのは負荷なのか、変圧器なのか私はどこを間違えているのかという事です。
二次電圧を決めるのは変圧器です。
　　二次電圧 ＝ 一次電圧 × 巻線比　で決まります。つまり電圧は設計の仕方で決まります。負荷の有無は関係ありません。

「二次側電圧がある」という所から話が始まります。無負荷でも所定の電圧が出ます。二次電流は二次側につながる負荷によって決まります。二次電圧、二次電流、負荷の関係はオームの法則に因ります。

一次側は　　一次電流 ＝ 二次電流 × 巻線比　になります。
ここで常に　一次電圧 × 一次電流 ＝ 二次電圧 × 二次電流　の関係が成立していることに注意してください。つまり電力不変、エネルギー不滅ということです。

>　負荷=抵抗と考えている点が間違えているのでしょうか。
二次側に接続されるものはすべて負荷と言います。純抵抗のこともあるし L(インダクタンス)、C(キャパシタンス)を含む場合もあります。含んでいても上記の関係はすべて成立します。
LやCを含むと力率が小さくなります。力率は一次側から見ても同じ値になります。

★　二次電圧は負荷があると若干下がりますが、もしかしてその差(低下量)についてお尋ねでしょうか？

m-jiro · Answer

>　>例として200/100V、1Aの～の所なのですが、ここだけがまだちょっとわからないのですが、
>　この変圧器だと「端子電圧が決まっており、そこに負荷を接続するとV、Rが揃うのでオームの法則より電流>　も決まる」
>　という事でしょうか。
そのとおりです。
この変圧器の一次側に200Vを加えると二次側には負荷の有無にかかわらず100Vが出ます(過負荷は論外)。
二次側が無負荷なら一次側の電流はゼロです(実際にはわずかな励磁電流が流れる)。
ここで二次側に200Ωの負荷を接続すると0.5Aが流れます。オームの法則が成立します。このとき一次電流は0.25Aになります(実際にはわずかな励磁電流が加算される)。

>　そうなりますと他の方の解説の「負荷の必要な電圧、電流があり、その負荷を接続することで端子電圧が決>　まり、巻線電圧も決まる」
>　と相反すると思うのですが、私の受け取り方のどこを間違えているのでしょうか。
私にも理解できません。詳細は回答者に尋ねていただくしかないでしょう。
変圧器は一次側に電圧を加えただけで二次側に電圧は発生しますが(その値は巻線比で決まる)、「電流があり」というのは理解できません。負荷を接続しない限り二次側には電流ループはできないので電流は絶対に流れません。
「その負荷を接続することで端子電圧が決>　まり、巻線電圧も決まる」というのはもしかしたら実際の変圧器では負荷を接続した際に二次電圧が若干下がることを指しているのかもしれません。これは巻線の抵抗がゼロでないために生じます。一般に二次側の無負荷電圧は定格電圧より1～5%程度高くしてあります。通称「巻上げ」と言いますがその量の決め方を言っておられるのかもしれません。

くれぐれも間違えないで欲しいことは一次側と二次側で電力値に差のないことです。電力は増えることもないし減ることもありません(現実には若干の損失があるので完全にイコールではない)。
二次側の負荷の有無にかかわらず一次側には定格電流が流れる、てなことは絶対にありません。もしそうであるならエネルギー不滅の法則が成立しません。

m-jiro · Answer

まず大原則として一次側と二次側で電力の増減はありません(現実には若干の損失があるので二次側電力は僅かに小さくなる)。
一次側と二次側の電圧は両巻線の巻数で決まります。
一次側に電圧を加えただけでは一次側に電流は流れません(実際には若干の励磁電流が流れる)。二次側に負荷を接続して初めて流れます。その値は二次側の電流と巻線の巻数で決まります。
力率は変圧器を通すことで改善も悪化もしません。負荷の力率が0.8なら変圧器の一次側でも0.8です。

例として 200V:100V1A という変圧器があったとします。
一次側に200Vを加えただけでは一次側に電流は流れません。
続いて二次側に200Ωの抵抗を接続すると二次側には0.5A流れ、一次側には0.25A流れます。
一次側に定格以上の電圧を加えると焼損しますが、低い電圧では若干損失が増えるものの使用できます。一次側に100Vを加えると二次側には50Vが出てきます。すなわち100V:50Vの変圧器として使用できますが、二次側から取り出せる電流は2Aでなく1Aが最大です。理由は巻線の太さが1Aにしか耐えられないものだからです。

>　例えば単相負荷の容量がP=VIcosθ(W)で
>　P=100W、力率0.8
>　とするとV、Iの値はVI=125の範囲でどう決まるのでしょうか。負荷により必要な電圧、電流を設定してあるのですか？
変圧器の一次側で見ても P=100W、力率0.8 は変化しません。

>　もし変圧器の容量以上の負荷や
過電流が流れて焼損します。巻線の太さがその電流に耐えられないためです。

>　定格電圧以上の負荷を接続するとどうなるのでしょうか。
二次側ではなく一次側に供給する電圧ですね。無負荷電流(励磁電流)が多くなりやがて焼損します。

fuefuki-douji · Answer

>あらかじめ接続する負荷には必要な電圧が決まっているという事は必要な電流も決まっているという事になりますか？
 単相負荷ならP=VIcosθより、P、V、力率が決まっていればIも決まるので。

その通りです。

＞電圧が決まっているなら電流も決まり、変圧器の二次巻線電圧も決まり一次巻線電圧、一次側電流も決まる。となると思います。

負荷に必要な電圧に合わせた二次電圧の変圧器を選択するのです。
一次電圧は当然電源電圧に合わせるので、変圧比が決まり、変圧比と負荷電流から一次電流も決まります。
負荷電流が定格電流（二次側の）であれば、一次側も定格電流になります。

tknakamuri · Answer

>負荷を接続すると変圧器の電圧、
>電流が負荷により決まるようですがどう決まるのでしょうか。

何の話かよく見えないです。これはー次にAC100Vをつないだら
という話ですか? つまり電源トランスを想定した話なのでしょうか?

変圧器というのはいろいろの用途があります。
まず条件を明確にしましょう。

angkor_h · Answer

No.2です。

> 理想変圧器の二次側電圧とは二次側の巻線電圧ですか？
そうです。
一次側電圧を巻き数比で変換した理想電圧です。
その次に、巻き線抵抗、、が直列につながります。

この時、二次側電流は、
　二次側の巻線電圧÷(巻き線抵抗＋外部負荷)

但し、巻き線抵抗は変圧器の内部に存在するので、変圧器電圧は巻き線抵抗での電圧降下後、と言うことになります。

変圧器についてなのですが、 負荷を接続すると変圧器の電圧、電流が負荷により決まるようですがどう決まる

> 電力会社が受電端6600Vから電圧降下を逆算して送電端電圧を決めているということでいいのでしょうか。

ご質問の主旨はわかりました。

何度も失礼します。

う~ん、話が噛み合ってないですね。

> ある変圧器に P=VIcosθ の負荷を接続した場合(無負荷時電流0)、この時変圧器の二次端子電圧はVになり、Iが流れる(これは負荷によって決まる)

> >例として200/100V、1Aの～の所なのですが、ここだけがまだちょっとわからないのですが、

まず大原則として一次側と二次側で電力の増減はありません(現実には若干の損失があるので二次側電力は僅かに小さくなる)。

>あらかじめ接続する負荷には必要な電圧が決まっているという事は必要な電流も決まっているという事になりますか？

>負荷を接続すると変圧器の電圧、

No.2です。

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>　電力会社が受電端6600Vから電圧降下を逆算して送電端電圧を決めているということでいいのでしょうか。

>　ある変圧器に　　P=VIcosθ　　の負荷を接続した場合(無負荷時電流0)、この時変圧器の二次端子電圧はVになり、Iが流れる(これは負荷によって決まる)

>　>例として200/100V、1Aの～の所なのですが、ここだけがまだちょっとわからないのですが、