目指せ！エネルギー管理士 電気分野

変圧器の効率は，負荷損と無負荷損と等しくなる負荷点において最大となる。鉄心材料の進歩により，最近の変圧器は無負荷損が減少し，最大効率の負荷点が軽負荷側に移行する傾向にある。これは，変圧器のように常時使用状態に置かれている機器の省エネルギーには効果的である。

変圧器の鉄心材料の一つとして用いられるアモルファス磁性材料は，鉄，ニッケル，コバルトなどの強磁性元素と，ほう素やけい素などの半金属元素とで作られた非晶質状態の合金である。方向性けい素鋼帯に比べてヒステリシス損が少なく，抵抗率が高く，板圧を $\displaystyle \frac{1}{10}$ 程度にできるので，渦電流損も低減できる。一方，方向性けい素鋼帯に比べて占積率が小さく，飽和時速密度も低いので，変圧器の鉄心断面積は大きくなる傾向にある。

2) パワー半導体デバイスを用いて，直流電流を高頻度でオン・オフすることによって，交流を介することなく直流電圧を直接制御する回路は，直接直流変換装置あるいは直流チョッパと称される。

直流チョッパは，バルブデバイス $S$，ダイオード $D_\text{F}$，リアクトル $L$ 及びコンデンサ $C$ などで構成され，それらの接続位置の相違により，基本的な 3 種類のチョッパ回路がある。

バルブデバイスがオン状態にある期間を $t_\text{on}$，バルブデバイスがオフ状態にある期間を $t_\text{off}$，1 周期を $T=t_\text{on}+t_\text{off}$ で表したとき，$\displaystyle \alpha = \frac{t_\text{on}}{T}$ は 1 周期中でのオン時間比率であり，通流率と呼ばれる。ここで，電源電圧を $E_\text{S}$，負荷電圧を $v_\text{d}$ とし，その平均値を $V_\text{d}$ とすると，3 種類のチョッパ回路での出力電圧と電源電圧との関係を表す式は次のようになる。ただし，バルブデバイス $S$ には損失がないものとする。

図は，これらのうちの降圧チョッパ回路である。

図の回路において，電源電流 $i_1$ の平均値を $I_1$，負荷電流 $i_2$ の平均値を $I_2$ とし，負荷電流のリプルが十分小さければ，$i_1$ は 1 周期 $T$ で $t_\text{on}$ の期間だけ流れるので，$I_1$ と $I_2$ の関係は，

\[ I_2 =\frac{1}{\alpha}\times I_1 \]

で求められる。したがって，交流の変圧器と同様に $V_\text{d}I_2=E_\text{S}I_1$ の関係式が成り立つ。

定格容量 300 kVA，定格一次電圧 6 600 V，定格二次電圧 210 V，定格周波数 60 Hz の単相変圧器がある。二次端子を開放し，一次端子に定格電圧を印加する無負荷試験，及び二次端子を短絡し，二次回路に定格電流を流すように一次端子に電圧を印加する短絡試験を行って，次の結果が得られた。ただし，諸量は 75 °C に換算された値である。

試験名	一次電圧 [V]	一次電流 [A]	電力 [W]
無負荷試験	6 600	0.2	275
短絡試験	277.2	45.45	2 600

短絡試験の結果より，短絡インピーダンスは 6.1 [Ω] と計算されるので，この値を，定格容量 300 kVA の変圧器の 6 600 V 基準での基準インピーダンス 145.2 [Ω] で除すと，この変圧器の短絡インピーダンスは 4.20 [%] となる。さらに，この短絡インピーダンスを抵抗分とリアクタンス分に分けると，抵抗分は 0.867 %，リアクタンス分は 4.11 [%] となる。この変圧器の定格容量は 300 kVA なので，JIS C 4034-2013 規格に基づく基準負荷率は 40 % である。したがって，この変圧器のエネルギー消費効率は 691 [W] となる。