単相変圧器の異容量V結線についての基礎知識まとめ

単相変圧器の異容量V結線（灯動共用V結線）は、主に電灯用（単相3線式・100/200V）と動力用（三相3線式・200V）の負荷を、2台の単相変圧器だけで同時に供給できる非常に合理的な結線方式となっている。

小規模な工場やビル、商店など、電灯負荷と動力負荷の両方がある場所で広く採用されている。

異容量V結線の回路構成

上図：単相変圧器の異容量V結線

異容量V結線では、容量の異なる2台の単相変圧器を組み合わせる。

• 共用変圧器（親変圧器）
  容量が大きい変圧器。電灯負荷（単相）と動力負荷（三相）の両方を負担する。
  二次側の中性点から接地線（B種接地）を引き出し、単相3線式（100V/200V）を取り出す。
  
• 専用変圧器（子変圧器）
  容量が小さい変圧器。動力負荷（三相）だけを負担する。

異容量V結線の仕組み

2台の変圧器の一次側（高圧側）は
通常のV結線（デルタ結線の一部を欠いた形）にする。

二次側（低圧側）は、共用変圧器の片端と専用変圧器の片端を結合し
そこを基準（V相など）とする。

• 電灯出力（単相3線式）
  共用変圧器の「両端」と「中性点」の計3線から取り出す（100V/200V）
  
• 動力出力（三相3線式）
  共用変圧器の両端（2線）に
  専用変圧器のもう一端（1線）を加えた計3線から取り出す（200V）

各変圧器にかかる負荷（容量の計算）

異容量V結線の最大の特徴は、「電灯負荷」と「動力負荷」のベクトル的な合成によって
それぞれの変圧器が負担する容量（kVA）が決まるという点となる。

単に「電灯＋動力」を足し算するわけではなく
三相交流の位相差（120°）があるため、以下のようになる。

各変圧器の必要容量の求め方

電灯負荷の容量を PL [kW]、動力負荷の容量を PM [kW] とし
それぞれの力率を 1（100%）と仮定した場合の簡易計算式は以下のようになる。

専用変圧器の負荷容量（ST）

専用変圧器は動力負荷の一部（全体の 1√3）だけを負担する。

共用変圧器の負荷容量（SC）

共用変圧器は、電灯負荷のすべてと、動力負荷の一部を負担する。
この2つは位相がずれているため、ベクトル合成（三平方の定理の応用）になる。

整理すると下記のようになる。

実際の現場や設計では、電灯と動力の「力率の違い」も考慮してベクトル計算を行うため
上記よりも少し複雑になるため、一般的に共用変圧器の容量は専用変圧器の
1.5倍〜2倍程度の大きさになる。

異容量V結線のメリット

設備コストとスペースの削減

本来、電灯用（単相1台）と動力用（三相＝V結線で2台、またはデルタで3台）を別々に用意すると
計3〜4台の変圧器（または専用の三相変圧器＋単相変圧器）が必要となる。
これが計2台ですむため、キュービクル（受変電設備）を小型化でき、初期投資を抑えられる。

電力損失（無負荷損）の低減

変圧器の台数が減るため、鉄損を減らすことができ、省エネにつながる。

異容量V結線のデメリットと注意点

負荷のアンバランス（電圧不平衡）が起きやすい

共用変圧器だけに電灯負荷が集中するため、三相交流としてのバランス（電圧の対称性）が崩れやすくなる。
過度な不平衡は、動力モータの過熱や逆相電流の原因にもなる。

容量の選定が複雑

負荷計算がベクトル合成になるため、将来的に「電灯だけ増設する」「動力工具を大型化する」といった際
どちらの変圧器にどれだけ余力があるかの判断（管理）が複雑になる。

共用変圧器への負担が大きい

共用変圧器は常に2つの負荷を背負っているため、温度上昇や劣化の進行度合いに注意を払う必要がある
※定期的な電流測定やサーモグラフィによる温度監視が必要

参考資料

新電気2020年　9月号「現場の電気保安実務　第１７４回」変圧器の異容量V結線方式による漏電事故
より画像引用