変圧器のソースを表示

[[ファイル:WeldingTransformer-1.63.png|代替文=|右|フレームなし|207x207ピクセル]]
[[ファイル:Transformer 110kV.jpg|thumb|350px|発・変電所の大型変圧器]]
[[ファイル:Polemount-singlephase-closeup.jpg|サムネイル|[[電柱]]に取り付けられた変圧器]]
'''変圧器'''（へんあつき、{{lang-en|transformer}}）あるいは'''[[トランス]]'''とは、[[電磁誘導]]を利用して、[[交流電源]]の[[電圧]]を変化させる[[電力機器]]・[[電子部品]]である<ref>{{Cite web|和書|title=トランスについて｜北川電機 |url=https://www.kitagawa-denki.co.jp/products/about/ |website=www.kitagawa-denki.co.jp |accessdate=2022-03-11}}</ref>。'''[[変成器]]'''（へんせいき）の一種。

変圧器を使用すると、電圧だけでなく電流も変化する。変圧器は静的な（可動部がない）機械であり、周波数を変えずに電力をある電気回路から別の電気回路に転送する<ref name="device">[https://www.electricaldeck.com/2020/07/what-is-transformer-definition-working-principle-of-transformer.html What is a Electrical Transformer ?] - www.electricaldeck.com</ref> 。

[[交流]][[電圧]]の変換（変圧）、[[インピーダンス整合]]、[[平衡系]]-[[不平衡系]]の変換に利用する。

== 理論 ==
=== 原理 ===
[[ファイル:Transformer Flux.svg|thumb|変圧の基本原理]]
変圧器は、磁気的に結合した（[[相互誘導]]）複数の[[コイル]]からなる。コイル内外に磁気回路をともなうものもある。コイルに使用する導線を[[巻線]]という。

特に2個のコイルから成るものにおいて、入力側のコイルを'''一次コイル'''、出力側のコイルを'''二次コイル'''という。一次コイルに[[交流]][[電流]]を流し、変動[[磁場]]を発生させ、それを相互[[インダクタンス]]で結合された二次コイルに伝え、再び電流に変換し、出力する。

変圧器によって電圧を変更することを'''変圧'''（へんあつ）といい、電圧を上昇させることを'''昇圧'''（しょうあつ）、逆に下降させることを'''降圧'''（こうあつ）という。

一次側に入力されるエネルギと二次側から出力されるエネルギーは同じである。そのため、昇圧させれば電流は減る。

変圧器の特有の現象ではないが、エネルギー保存則の影響を受けるため、一次側に入力したエネルギは二次側から出力されるエネルギーと熱、音、漏洩した磁束と等しくなる。そのため実際には変換の際に損失があるため二次側でエネルギーが減少する。

=== 変圧、巻数、変流の関係 ===
一次コイルの電圧''V<sub>1</sub>''、巻数''N<sub>1</sub>''、電流''I<sub>1</sub>''をそれぞれ一次電圧、一次巻数、一次電流という。同様に二次コイルの電圧''V<sub>2</sub>''、巻数''N<sub>2</sub>''、電流''I<sub>2</sub>''をそれぞれ二次電圧、二次巻数、二次電流という。

またそれらの比''V<sub>1</sub>/V<sub>2</sub>''、''N<sub>1</sub>/N<sub>2</sub>''、''I<sub>1</sub>/I<sub>2</sub>''をそれぞれ'''変圧比'''（へんあつひ）、'''巻数比'''（まきすうひ）、'''変流比'''（へんりゅうひ）という。巻数比は'''変成比'''（へんせいひ）とも呼ばれる。

理想的な変圧器では巻数比と変圧比は等しく、さらに変圧比は変流比の逆数と等しい。すなわち、以下が成り立つ：

: <math>\frac{N_1}{N_2} = \frac{V_1}{V_2} = \frac{I_2}{I_1}</math> ... (a)

前者の等号が成り立つ条件は、1次コイルと鎖交する磁束が全て2次コイルと鎖交することである。より一般に1次コイルと鎖交する磁束のうち割合''k'' が2次コイルと鎖交する場合は、

: <math>\frac{N_1}{N_2} = k \frac{V_1}{V_2}</math>

が成立する。この値''k'' のことを1次コイルと2次コイルの'''[[結合係数]]'''という。従って (a) の第一の等号が成り立つ条件は結合係数が1になることであると言い換えられる。

一方 (a) の第二の等号が成り立つ条件は、変圧器で電気的なエネルギーが保存されることである。実際エネルギー保存が成り立てば<math>I_1V_1=I_2V_2</math>であるので、第二の等号が成り立つ。なお回路中に１つでも抵抗があればそこからエネルギーが熱として逃げてしまうので、電気的なエネルギーは保存せず、第二の等号が言えない。しかしこうした熱が十分小さければ第二の等号は近似的に成立する。

=== 励磁電流 ===
鉄心に[[漏れ磁束#変圧器の磁束|主磁束]]を形成する電流が'''励磁電流'''（れいじでんりゅう）である。理想的な変圧器では、励磁電流の位相は一次電圧よりも90&deg;遅れる。実際には鉄心の磁気飽和や[[ヒステリシス]]により励磁電流の波形は主に奇数次の高調波ひずみを含む。

電源周波数を高くすると励磁電流は減少する<ref>電気主任技術者国家試験問題平成16年度第3種</ref>。

=== 損失 ===
; [[無負荷損]]（[[鉄損]]）
: 通電（励磁）している場合、[[負荷]]の大きさに関係なく生じる損失。
; [[負荷損]]
: 負荷電流の2乗にほぼ比例する損失である。
:; [[銅損]]: 巻線による[[電気伝導体]]の[[電気抵抗]]による[[ジュール損]]。
:; 漂遊負荷損: [[漏れ磁束]]による変圧器各部に生ずる[[鉄損#渦電流損|渦電流損]]。

== 変圧比と巻数比の関係の導出 ==
変圧比と巻数比の前述した関係式

: <math>\frac{N_1}{N_2} = k \frac{V_1}{V_2}</math>

を[[マクスウェル方程式]]から導出する。

1次コイルに交流電流を流すと、電圧<math>V_1</math>の変化に応じて1次コイル内の電場<math>\boldsymbol{E}_1</math>が変化する。電磁誘導の法則により<math>\boldsymbol{E}_1</math>の変化は磁束<math>\Phi_1</math>を生じさせ、磁束<math>\Phi_1</math>は変圧器の芯を通って2次コイルへと到達し、一部の磁束は漏れ経路を通りながら2次コイルへと到達せずに一次コイルに戻る。1次コイルから発生する全磁束<math>\Phi_t</math>のうちの有効磁束<math>\Phi_g</math>が2次コイルに到達する。有効磁束の割合は漏れ係数<math>\sigma</math>として表される。すなわち、
:<math>\sigma=\frac{\Phi_t}{\Phi_g}</math>
として、
:<math>\Phi_2=\sigma^{-1}\Phi_1</math> ...(1)

が成立する。磁束<math>\Phi_2</math>は1次コイルの場合と逆の過程をたどることにより、2次コイル内の電場<math>\boldsymbol{E}_2</math>と電圧<math>V_2</math>とを変化させる。

1次コイル、2次コイルの断面をそれぞれ<math>S_1</math>、<math>S_2</math>とし、さらに1次コイル、2次コイル内の磁束密度をそれぞれ<math>\boldsymbol{B}_1</math>、<math>\boldsymbol{B}_2</math>とすると、i=1,2に対し、

: <math>
\frac{\mathrm{d}\Phi_i}{\mathrm{d} t}
 \underset{(2)}{=}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} t}\int_{S_i}\boldsymbol{B}_i\cdot \mathrm{d}\boldsymbol{S}
 \underset{(3)}{=} -\int_{S_i} \nabla \times \boldsymbol{E}_i \cdot \mathrm{d} \boldsymbol{S}
 \underset{(4)}{=} -\int_{\partial S_i} \boldsymbol{E}_i \cdot \mathrm{d} \boldsymbol{s}
 \underset{(5)}{\fallingdotseq} \frac{V_i}{N_i}  
</math> ... (6)

ここで (2)、(3)、(4) はそれぞれ磁束の定義<math>\Phi_i=\int_{S_i}\boldsymbol{B}_i\cdot \mathrm{d}\boldsymbol{S}</math>、[[マクスウェル方程式|ファラデー＝マクスウェル方程式]]<math>\nabla \times \boldsymbol{E}_i =  - \frac{\partial\boldsymbol{B}_i} {\partial t}</math>、[[ストークスの定理]]から従う。また (5) は以下の理由により成り立つ：電圧の定義より、(5) の左辺はコイル一周分の積分から得られる電圧である。それに対しコイル全体に生じる電圧<math>V_i</math>は、コイルの周りを巻数<math>N_i</math>だけ積分して得られるので、<math>V_i \fallingdotseq -N_i\int_{\partial S_i} \boldsymbol{E}_i \cdot \mathrm{d} \boldsymbol{s}</math>となる。

求めるべき式は (1) と (6) から従う。

== 設計 ==
=== 定格 ===
機器に対して製造者が保証する使用限度およびその際の指定条件<ref>電気用語辞典、コロナ社、1997</ref>。

{|
|
* 定格周波数
* [[定格容量]]
* 定格一次電圧
* 定格二次電圧
|
* タップ電圧
* 定格一次電流
* 定格二次電流
* 角変位
|
* [[インピーダンス電圧]]
* [[電圧変動率]]
* [[絶縁階級]]
|}

; 定格周波数 
: その周波数において使用されるよう変圧器が設計された周波数<ref>電気学会規格調査会標準規格 「変圧器」JEC-2200-1995</ref>。
; 定格容量 
: 定格二次電圧、定格周波数および定格力率において、定められた温度上昇限度を超えることなく二次端子間に得られる皮相電力。VAまたはkVAで表し、銘板に記される<ref>{{Cite jis|C|4304|1999|name=配電用6kV油入り変圧器}}</ref>。
; 定格電圧 
: 一次巻線あるいは二次巻線の端子間に、印加するため指定した電圧または無負荷時に発生する電圧。実効値で表す。定格電圧をある巻線に印加したとき、無負荷時には、すべての巻線に定格電圧が発生する。
; タップ電圧 
: 任意のタップについて巻線の線路端子間に、無負荷時に発生または印加される指定電圧。
; 定格電流 
: 定格容量を、定格電圧と相数で決まる係数（単相では1、三相では<math>\sqrt{3}</math>）で除した線路電流実効値。
; 位相変位 
: 中性点と二つの巻線の対応する端子間の位相電圧ベクトルの角度差
; 短絡インピーダンス 
: 一方の巻線を短絡し、定格周波数において、他方の巻線端子間で測定されたインピーダンス。
: 多相の場合は等価的な星形結線に置き換えた1相分の値とする。通常、基準インピーダンスに対する百分率 (%) で表す。
:: 基準インピーダンス= (定格電圧)<sup>2</sup> ÷ 定格容量
: 他方の巻線を短絡し、定格電流を流すために印加する電圧を'''インピーダンス電圧'''という。百分率で表した短絡インピーダンスは、インピーダンス電圧の定格電圧に対する比の百分率に等しい。
; 電圧変動率 
: 一方の巻線に定格電圧を印加されたとき、指定された負荷及び力率において、他の巻線端子に発生する電圧と無負荷電圧との算術差を、定格電圧で除した比で百分率 (%) で表す。
; [[絶縁体#耐熱クラス|耐熱クラス]] 
: 変圧器を構成する絶縁材料の耐熱特性による分類。
: 105 (A) ・120 (E) ・130 (B) ・155 (F) ・180 (H) ・200・220・250の種類がある。それぞれ105 - 250℃が許容最高温度である。絶縁材料は、許容最高温度を長時間連続持続して超えてはならない。

=== 鉄心・巻線 ===
[[ファイル:Drehstromtransformater im Schnitt Hochspannung.jpg|thumb|変圧器の内部]]
一次回路と二次回路を相互インダクタンスで結合する磁気回路として、通常は鉄心が用いられる。高周波用には鉄心を有しないものもある。<!--り原理的には変圧器と同じであるが、一般に[[コイル]]と呼ばれる。--><!--高周波トランス（RFT）と、普通に呼びますけども-->

変圧器の鉄心には鉄損が少なく、飽和磁束密度・透磁率の大きい材料が適しており、[[ケイ素鋼|ケイ素鋼板]]が多く用いられ、特定の方向に磁化し易い[[電磁鋼|方向性鋼板]]が採用されることも多い。また、特に損失の低減を図る目的で[[アモルファス]][[磁性材料]]が用いられることもある。

渦電流損を低減させるため、表面を絶縁処理した薄い鋼板を積層したものや、帯状に圧延した鋼板を巻いた巻鉄心などがある。

<!--EIコアとカットコアをここに入れるか?-->


巻線には絶縁被覆を有する軟銅線が用いられる。断面形状は一般的なものでは丸形だが、大型用は導体断面積を大きくできる角形となっている。一般には一次巻線を巻いた上に二次巻線を重ねる積層巻が行われるが、特に、信号用・高周波用変成器のように一次・二次の密な結合が必要な場合は、一次・二次の巻線を1本ずつ交互に配置するバイファイラ巻なども行われる。

また、複数の二次電圧が必要な場合や電圧の調整が必要な場合は、巻線の途中からタップと呼ばれる端子が取り出される。

鉄心と巻線の配置は以下の2種類ある。
; 内鉄形
:* 鉄心の周りに低圧巻線、その周りに高圧巻線を配置する、同心円配置が多い。
:* 鉄心より巻線が多くなり、銅機械となる。
:* 絶縁のため高電圧に用いられる。
:
; 外鉄形
:* 巻線の周りに鉄心を配置したものである。
:* 鉄心の周りに低圧巻線・高圧巻線を交互に配置する、交互配置が多い。
:* 巻線より鉄心が多くなり、鉄機械となる。

=== 絶縁物の種類 ===
* 油入変圧器 : シリコーン油・鉱油
* モールド変圧器 : 合成樹脂モールド
** [[絶縁体#耐熱クラス|耐熱クラス]] H（H種）乾式変圧器 : [[空気]]
* ガス変圧器 : [[六フッ化硫黄]] (SF<sub>6</sub>) ガス

=== 保安装置 ===
* 機械的保護
** ブッフホルツ継電器
** 衝撃油圧継電器
** 温度継電器
* 電気的保護
** [[比率差動継電器]]
** [[地絡継電器]]
** [[過電流継電器]]

== 変圧器の結線と種類 ==
=== 単相変圧器 ===
単相交流を入出力とするものである。

=== 三相変圧器 ===
[[三相交流]]を入出力とするものである。

{| class="wikitable"
|+ 三相変圧器の結線
|-
!style="width:5em;"|結線
!style="width:8em;"|線間電圧/相電圧
!style="width:8em;"|線電流/相電流
!style="width:10em;"|[[中性点接地方式|中性点接地]]
!style="width:3em;"|角変位
!特徴・用途
|-
|style="text-align:center;"|&Delta; - &Delta;
|1
|&radic;3倍
|不可
|style="text-align:center;"|無
|低電圧の回路で用いられる。
|-
|style="text-align:center;"|Y - Y
|&radic;3倍
|1
|一次、二次とも可能
|style="text-align:center;"|無
|鉄芯の磁気飽和による高調波電圧により誘導起電力が歪むため、Y - Y - &Delta;結線が用いられることが多い。
|-
|style="text-align:center;"|Y - Y - &Delta;
|&radic;3倍
|1
|一次、二次とも可能
|style="text-align:center;"|無
|&Delta;結線の三次巻線に第三調波を流し誘導起電力を正弦波とする。<br />三次巻線が調相や計測用に用いられることもある。
|-
|style="text-align:center;"|Y - &Delta;
|一次:&radic;3倍<br />二次:1
|一次:1<br />二次:&radic;3倍
|一次のみ可能
|style="text-align:center;"|有
|降圧に適しているため受電端に用いられる。
|-
|style="text-align:center;"|&Delta; - Y
|一次:1<br />二次:&radic;3倍
|一次:&radic;3倍<br />二次:1
|二次のみ可能
|style="text-align:center;"|有
|昇圧に適しており、二次側の中性点接地が可能なため送電端に用いられる。
|-
|style="text-align:center;"|V - V
|1
|&radic;3倍
|不可
|style="text-align:center;"|無
|配電用柱上変圧器など。利用率が小さい。<br />&Delta; - &Delta;結線で1相が故障した場合の応急用にも用いられることがある。
|}

==== 異容量V結線 ====
容量が異なる2台の変圧器をV-V結線し、三相負荷と単相負荷を同時に取り出す変圧器の結線方式。配電用柱上変圧器では、単相（電灯）と三相（動力）の需要家が混在する地点でよく使用される。小容量側の変圧器でV結線の三相負荷の一相へ、大容量側の変圧器でV結線のもう一相と単相負荷を兼用する。前者を専用変圧器、後者を共用相変圧器と呼ぶ。同じ目的に、単相変圧器と三相変圧器を1台にまとめた[[灯動共用変圧器]]を使うこともある。

=== 相変換変圧器 ===
三相交流から単相交流に変換する変圧器で、電気鉄道で交流電気車への電力供給や、三相交流電源を用いて単相電気炉や単相電動機を運転する場合などに採用される。

==== スコット結線変圧器 ====
三相交流から90度の位相差の2組の単相交流を出力するもので、2つの巻線を持つ。

出力電圧を揃えるため、1つの巻線の巻数比をもう一方の巻線の巻数比の<math>\frac{\sqrt{3}}{2}</math>倍としている。

鉄道の交流饋電用[[変電所]]などに用いられる。

2次側巻線が2組あり、単相交流が2組出るタイプが一般的である。効率が悪くなるが、2つの出力を直列にして両端で単相1組とすることもできる。注意点として、2つの出力の位相が90度異なるため、電圧が2倍ではなく1.4倍になることが挙げられる。例えば、各々200Vで10kVAの容量があるスコット結線変圧器では、単相1回路結線した場合、280V・14kVAの容量しか得られないため体積効率が悪くなる。また、各巻線の電圧と電流の位相がずれるため力率も悪くなる。そのため非常用発電回路など小規模な設備に限って使われる。

なお、2つの巻線の負荷にアンバランスがあると一次側が不平衡となり逆相電流が発生するため、負荷を均等化することが望ましい。これは次項のウッドブリッジ結線にも共通する留意事項である。

==== ウッドブリッジ結線変圧器 ====
一次側はY巻線とし、二次側は2つの&Delta;巻線を背中合わせに接続した変圧器で、スコット結線と同様に三相交流から90度の位相差の2組の単相交流が得られるが、電圧を揃えるため一方の二次回路に付加巻線が設けられる。また、この付加巻線を外付けの単巻変圧器としたものを変形ウッドブリッジ結線という。スコット結線に比べ、二次側の負荷が不平衡となっても接地した一次中性点に電流が流れない特徴がある（参照：電気工学ハンドブック）。

多量の電力を扱う新幹線の交流饋電用変電所では220kV系以上の超高圧送電線から受電しているが、保安上、一次回路の中性点接地が必要なため、変形ウッドブリッジ結線変圧器が用いられている。<!--結線図検討中：特にウッドブリッジは図があった方が分かり易いので-->

==== ルーフ・デルタ結線変圧器 ====
一次巻線はY結線であり、二次巻線は2つの相の巻線を直列に接続したA座と、&Delta;結線でA座との位相差が90度のB座から構成される<ref group="※">ルーフ・デルタ結線変圧器 [http://www.rtri.or.jp/rd/division/rd44/rd4410/rd44100104.html]</ref>。<!--これも結線図検討中-->

変形ウッドブリッジ結線と同様に、一次側の中性点接地が可能であるため187kV以上の系統から受電する新幹線などの変電所に採用されるが、変形ウッドブリッジ結線と異なり二次側のA座とB座が電気的に独立している。従って、国内の交流電化の主流であるAT饋電方式では単巻変圧器の巻数比を1:1より大きくでき、その場合、饋電線の電圧はトロリ線の電圧よりも高くなると同時に饋電線の電流が減少する。その結果、饋電線の電圧降下を低減でき、AT間隔を広げることが可能である<ref group="※">久水泰司『電圧降下を小さくする交流き電システム』鉄道総研パテントシリーズ114 {{PDFlink|[http://bunken.rtri.or.jp/PDF/cdroms1/0004/2009/0004005104.pdf]}}
* 特許385661号『ATき電システム』 (2006.7.7)</ref>。

変形ウッドブリッジ結線に比べ、ルーフ・デルタ結線は設置スペースや効率などが優れているが、一般的な電力用変圧器と異なる構造であることから岡山開業以降の新幹線では変形ウッドブリッジ結線が採用されてきた。その後、鉄道総研を中心にルーフ・デルタ結線の諸課題について検討が行われた結果、実用化の見通しが得られたため、このほど、東北新幹線新七戸変電所に採用され、今後も新設や既設置換えでの採用が進む見込みである<ref group="※">新型（ルーフ・デルタ）結線変圧器 {{PDFlink|[http://bunken.rtri.or.jp/PDF/cdroms1/0004/2008/0004004777.pdf]}}</ref>。

参考資料（鉄道総研による）
{{Reflist|group=※}}

=== 単巻変圧器 ===
[[ファイル:Transformer-220.jpg|thumb|可変単巻変圧器]]

巻線の一部を一次と二次側とで共用するものである。'''オートトランス'''、または'''オートトランスフォーマー'''([[:en:autotransformer]])、'''オートフォーマー'''ともよばれている。共通部分を'''分路巻線'''（ぶんろまきせん）、そうでない部分を'''直列巻線'''（ちょくれつまきせん）という。

一次・二次電圧のうち高い方をV<sub>H</sub>・低い方をV<sub>L</sub>とした場合、一次・二次巻線を有する通常の変圧器に比べ、単巻変圧器は (V<sub>H</sub>-V<sub>L</sub>)/V<sub>H</sub>倍の容量で足りることとなり、メリットは変圧比 (V<sub>H</sub>/V<sub>L</sub>) が1に近いほど顕著となる。

* 分路巻線に流れる電流は、一次側と二次側の差となるので巻数比が小さいほど細くできる。
* 分路巻線は漏れ磁束が無く、漏れリアクタンスが小さく、電圧変動率も小さくなる。
* 入力電圧と出力電圧との差の少ない用途に適する。
* 一次側と二次側を電気的に絶縁できない。回路構築上、接地極に注意する必要がある。

このような特徴から、単巻変圧器は長距離配電線の電圧降下補償などに用いられている。なお、三相交流の場合、&Delta; - &Delta;接続の単巻変圧器は一次・二次間に位相差が生じるので注意が必要である。

==== 可変単巻変圧器 ====
単層絶縁巻線の露出面の一部の絶縁膜を剥がし、可動式摺動子を接触させ、単巻変圧器を可変電圧出力式とした製品があり、日本では'''スライダック'''が古く<ref group="注釈">日本国商標第299989号で、登録されたのは1938年（昭和13年）である。</ref>から著名な商標であったためその名で呼ばれることも多い<ref group="注釈">スライダック (SLIDAC) は[[東芝]]の[[登録商標]](商標第299989号)であったが、現在の商標権者は東光東芝メーターシステムズ株式会社である。なお東芝はスライダックの生産を終了しており、2016年時点のところ、山菱電機の「ボルトスライダー」（同社名のYAMABISHIは同業他社）や東京理工舎の「リコースライドトランス」などがある。</ref>。最近は、重量や価格の点で半導体による電圧調整装置が用いられることも多いが、出力電圧が波形ひずみを殆ど含まないことは、単巻変圧器の大きな特長である。

=== 磁気漏れ変圧器 ===
[[ファイル:Kvglr.jpg|thumb|磁気漏れ変圧器]]
[[磁気漏れ変圧器]]は一次・二次巻線を別々の区画に離して巻き、これに漏れ磁束のための磁気回路を設けたものである。負荷電流が増加しようとすると漏れ磁束の増加で電圧が低下し、負荷が変動しても電流が一定に保たれる。定電流変圧器とも呼ばれる<ref>鳳誠三郎監修・青木正喜著『電気工学概論』[[実教出版]]、2002年、93頁</ref>。[[漏れインダクタンス]]（[[短絡インダクタンス]]）の値が大きいトランスである。[[蛍光灯]]用磁気安定器・[[ネオン管]]用変圧器・[[アーク溶接]]用変圧器・[[電子レンジ]]（[[マグネトロン]]）安定用変圧器などに用いられる。

=== 共振変圧器 ===
[[File:Tesla distribute.png|thumb|right|テスラコイルの一次巻線側から観測した二次巻線上に発生する共振の様子(多数の共振が存在する)]]
共振変圧器は磁気漏れ変圧器の一種であり、二次巻線に並列に共振コンデンサを接続するかまたは二次巻線の分布容量によって、共振を起こさせるトランスである。磁気漏れ変圧器の二次側[[短絡インダクタンス]]と二次側共振容量とが直列[[共振回路]]を形成し、二次側の直列共振周波数(1')で一次側から駆動することにより、一次巻線で発生する磁束の位相と二次巻線で発生する磁束の位相が同期する[[磁界調相結合]]が起きて昇圧する。二次巻線の短絡インダクタンスをL<sub>sc</sub>とし、二次側の共振容量をC<sub>s</sub>とすると、共振周波数ω<sub>2</sub>は、

:<math>\omega_2=\frac{1}{\sqrt{L_{sc} C_r}}=\frac{1}{\sqrt{(1-k^2)L_2 C_r}}</math>

である。

変圧比（昇圧比）が一定せず、負荷によって変圧比（昇圧比）が変動し、負荷に対して定電流性を持つ。この性質を利用して電子式蛍光灯安定器（蛍光灯[[インバータ]]）・電子式ネオン管安定器・[[冷陰極管インバーター|冷陰極管用インバータ]]・[[テスラコイル]]（放電用）などに用いられる。磁界共振方式の[[ワイヤレス給電]]の原理も共振変圧器の[[結合係数]]を小さくしたモデルとして説明することができる。

== 運用 ==
=== 変圧器の並行運転 ===
負荷に供給したい電力が1台の変圧器の容量で不足する場合、複数台の変圧器の一次側および二次側を並列接続して運転することがある。これを並行運転と呼ぶ。並行運転を行うためには、電圧の極性をそろえること、巻数比が等しいことが必要である。さらに、負荷が複数台の変圧器の容量に応じて分配されるために、各変圧器のパーセントインピーダンスが等しいことが必要となる。

== 歴史 ==
=== 誘導コイルの実験 ===
1831年に[[マイケル・ファラデー]]は変圧器の基本となる原理である[[ファラデーの電磁誘導の法則]]を発見し、コイル間の[[電磁誘導]]に関する実証を行なったが、将来それが[[起電力]]を操作する役割を持つという認識は無かった。1836年に[[アイルランド]]のメイヌース大学 ([[:en:St Patrick's College, Maynooth|St Patrick's College, Maynooth]]) のニコラス・カラン牧師 ([[:en:Nicholas Callan|Nicholas Callan]]) が誘導コイルを発明し、これが変圧器として広く用いられる初めてのものとなった。彼は、一次巻線に対して二次巻線の巻数を増やすほど大きな起電力が発生するということに気づいた初期の研究者の1人であった。誘導コイルは、[[電池]]からより高い電圧を取り出そうとする科学者や発明家の努力によって発展した。電池は交流ではなく直流の電源であることから、電磁誘導に必要な磁束の変化を生み出すために一次側でコネクタを振動させて定期的に電流を遮断することによって誘導コイルが働くようになっていた。1830年代から1870年代にかけて、よりよい誘導コイルを、ほとんどは試行錯誤によって作り出そうとする試みにより、ゆっくりと変圧器の基本原理が明らかとなっていった。効率的で実用的な設計は1880年代まで発明されなかったが<ref name="Coltman">{{Citation | last = Coltman | first = J. W. | title = The Transformer | newspaper = Scientific American | pages = 86–95 | year = 1988 | id = OSTI:http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=6851152 | date=January 1988}}</ref>、それから10年の間に[[電流戦争]]において交流が直流に対して勝利を収め、それ以来支配的な地位を確保し続けているために変圧器が助けとなった<ref name="Coltman"/>。

1876年に[[ロシア]]の技術者である[[パーヴェル・ヤブロチコフ]]は、一次側巻線が交流電源に接続され、二次側巻線を彼の設計した複数の「電気ろうそく」（アーク灯）に接続できる誘導コイルの組み合わせに基づいた照明システムを発明した<ref name=maglab>{{citation |url=http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/museum/stanleytransformer.html|title=Stanley Transformer|publisher=[[ロスアラモス国立研究所]];[[フロリダ大学]]|accessdate=2009-01-09}}</ref><ref name=fonveille>{{cite journal|url=https://books.google.co.jp/books?id=ksa-S7C8dT8C&pg=RA2-PA283&redir_esc=y&hl=ja|page=283|journal=[[Nature (journal)|Nature]]|number=534|volume=21|title=Gas and Electricity in Paris|date=1880-1-22|author=W. De Fonveille|accessdate=2009-01-09}}</ref>。このコイルはシステムの中で原始的な変圧器のように用いられた<ref name=maglab />。この発明に関する特許では、このシステムは「単一の電源からいくつかの照明装置にそれぞれ異なる輝度で電力を供給する」としている。

1878年、[[ハンガリー]]の[[ガンツ (企業)|ガンツ]]社の技術者が[[オーストリア＝ハンガリー帝国]]での電灯装置製造のために大きな技術的な貢献をし、1883年までに50を超える装置を製作した。ガンツはアーク灯・[[電球]]・発電機・その他の備品からなる全般的なシステムを提供した<ref>Hughes, Thomas P, ''Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880-1930'', The Johns Hopkins University Press, Baltimore and London, 1993. ISBN 0-8018-4614-5, 9780801846144.</ref>。

[[ルシアン・ゴーラール]]と[[ジョン・ディクソン・ギブス]]は1882年に[[ロンドン]]で「二次発電機」(secondary generator) と称する鉄心に空間の空いた装置を初めて公開し、このアイデアを[[アメリカ合衆国]]の[[ジョージ・ウェスティングハウス]]の会社に売却した<ref name="allan">{{Citation | last = Allan | first=D.J.| contribution = Power transformers – the second century | title = Power Engineering Journal}}</ref>。また彼らはこの発明を1884年に[[イタリア]]の[[トリノ]]でも公開し、そこで電灯システムとして採用されることになった。

1880年頃まで高圧の電源から低圧の負荷に交流電力を送る方法は、電源に対して直列に負荷をつなぐものであった。直列につなぐことで各負荷に掛かる電圧は下がったが、その代わりに個々の負荷の電源を切ると全体の電源が切れてしまう。このことから、巻数比が1対1の変圧器が使われた。高圧側の電源に直列に変圧器の一次巻線を接続し、二次巻線で低圧の電灯に接続して、二次側で電源を入り切りすることで、全体の電源を切らずに個別の電灯の電源を切ることができるようにしていた。この方法の本質的な問題は、それでもなお1つの電灯を入り切りするだけで他の回路全体に影響を与えてしまうことで、この直列回路の問題のある特性に対応するために多くの調整可能なコイルの設計がなされた。そのために鉄心を調整し、あるいはコイルの周りを迂回して磁束を流すなどの電圧を調整するための多くの方法が開発された。しかし、磁気回路に空間の空いた誘導コイルは電力を変換する効率が悪かった<ref>[https://archive.org/details/historyoftransfo00upperich Uppenborn, F. J., ''History of the Transformer''], E. & F. N. Spon, London, 1889.</ref>。

=== 最初の変圧器の発明 ===
1884年から1885年にかけて、[[ブダペスト]]のガンツ社の技術者、ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリの3人が効率的な"ZBD"式の閉じた鉄心モデルを開発した<ref>{{US patent|352105}}</ref>。これはゴーラールとギブスが開発した設計に一見似ていたが、ゴーラールとギブスはあくまで鉄心に空間のあるものを設計している。ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリは、それ以前の鉄心が無い、あるいは鉄心の磁気回路が閉じていない装置は電圧を調整できず、実用的でないことを発見した。彼らが合同で出願した特許では鉄心に極が無い、鉄心が環状になっているものと、鉄心が覆いのようになっているものの2つの構成が記載されていた<ref>{{cite web|url=http://energyhistory.energosolar.com/en_19th_century_electric_history.htm|title=Hungarian Inventors and their Inventions in the Field of Heavy-Current Engineering|publisher=energosolar.com|accessdate=26 December 2008}}</ref>。

環状鉄心モデルでは、鉄心は環状に構成され、その周りに2つのコイルが同様に巻かれていた。覆い方式のモデルでは、銅製の誘導ケーブルが鉄心の中を通されていた。どちらの設計でも、一次と二次のコイルを結ぶ磁束はほぼ全て鉄心の中をとおり、意図的に空中を通る経路は無い。鉄心は鉄の線あるいは板で作られていた。この発明によって、産業と家庭に経済的に電力を供給することが可能となった<ref>[http://www.hpo.hu/English/feltalalok/blathy.html HPO - OTTÓ TITUSZ BLÁTHY (1860 - 1939)<!-- Bot generated title -->]</ref>。ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリは変圧器の巻数比と電圧比の関係する数式も発見した。この数式により、変圧器は計算して設計できるようになった。彼らの特許の出願の中で、ブラーティが造語した"transformer"という言葉が初めて使われた<ref>{{cite web|url=http://www.hpo.hu/English/feltalalok/blathy.html|title=Ottó Titusz Bláthy|publisher=Hungarian Patent Office|accessdate=26 December 2008}}</ref>。

ジョージ・ウェスティングハウスはゴーラールとギブス、そしてZBD式の両方の特許を1885年に購入した。ウェスティングハウスはZBD式の変圧器を商用化する設計を[[ウィリアム・スタンリー]]に任せた<ref name="Skrabec">{{cite book|last=Skrabec|first=Quentin R.|title=George Westinghouse: Gentle Genius|publisher=Algora Publishing|date=2007|page=102|isbn=978-0875865089|url=https://books.google.co.uk/books?id=C3GYdiFM41oC&pg=PA102&hl=en}}</ref>。スタンリーは、鉄心を組み合わせられたE字形の鉄のプレートから作成した。この設計は1886年に初めて商用に用いられた<ref>{{cite book | last = International Electrotechnical Commission | title = Otto Blathy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky | work = IEC History | url = http://www.iec.ch/cgi-bin/tl_to_htm.pl?section=technology&item=144 | accessdate = 2007-05-17 | archiveurl = https://web.archive.org/web/20101206042832/http://www.iec.ch/cgi-bin/tl_to_htm.pl?section=technology&item=144 | archivedate = 2010年12月6日 | deadlinkdate = 2017年9月 }}</ref>。ロシアの技術者ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキー ([[:en:Mikhail Dolivo-Dobrovolsky|Mikhail Dolivo-Dobrovolsky]]) は、1889年に初めて[[三相交流|三相]]の変圧器を開発した。1891年に[[ニコラ・テスラ]]は高電圧を高周波数で発生させる空芯コアで共鳴を利用した[[テスラコイル]]を発明した。可聴周波数の変圧器は、[[電話]]の開発に際して初期の研究者に利用された。

=== スイッチング電源 ===
1950年代に[[スイッチング電源]]が登場し高効率化・小型化が進むと一般向けの電源では主流となった<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.tdk.com/ja/tech-mag/power/004 |title=スイッチング電源を誕生させたパワーエレクトロニクスの技術史 |accessdate=2022-04-24 |publisher=[[TDK]]}}</ref>。トランス式と比較して高周波ノイズが多いことから、医療機器や高級オーディオなどノイズを嫌う分野ではトランス式が利用されている<ref>{{Cite web|和書|title=今さら聞けないトランスの基本Vol.9　トランス式ＡＣアダプタ編 {{!}} 過去メルマガ一覧 {{!}} 加美電子工業株式会社 |url=https://www.kamidenshi.co.jp/magazine/1395/ |website=www.kamidenshi.co.jp |access-date=2022-04-24}}</ref>。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}

== 関連項目 ==
{{Commons|Category:Transformers|変圧器}}
* [[バラン (電子工学)]]
* [[磁性体]]
* [[変電]]
* [[保護継電器]]
* [[柱上変圧器]]
* [[計器用変成器]]
* [[電気機器の冷却方式]]
* [[ポリ塩化ビフェニル]] (PCB)
* [[大物車]]
* [[結合係数]]
* [[漏れインダクタンス]]
* [[インバータ]]
* [[電源回路]]
* [[スイッチング電源]]
* [[商用電源周波数]]
* [[配線用差込接続器]]
* [[灯動共用変圧器]]

== 外部リンク ==
* {{Kotobank}}
* [https://www.kitagawa-denki.co.jp/products/about/ トランスについて] - 北川電機
* [https://www.kagakueizo.org/movie/industrial/83/ 『68の車輪』(1965年)] - [[日本通運]]の企画の下で[[岡田桑三|東京シネマ]]が制作した短編映画。日立製作所・国分工場で製造された変圧器を[[千葉県]][[野田市]]郊外に所在の[[東京電力ホールディングス|東京電力]]・東東京変電所(当時)に納品するまでの一連の行動を記録した作品。この作品の序盤に於いて、当時東電が同変電所向けに変圧器(容量30万kVA・重量280t)を発注した背景についての簡単な説明が為されている。『[[科学映像館]]』より


{{Electronic components|state=collapsed}}
{{電力供給}}
{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:へんあつき}}
[[Category:変圧器|*]]
[[Category:電力機器]]
[[Category:電子部品]]
[[Category:電力インフラ]]
[[Category:電力変換|*]]