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技術資料室
| A19 直流と交流の違い・利点 欠点 y-326 |
| 直流と交流の違い 電気には、直流と交流があります。家庭用の コンセントは100V、50Hz60Hzの交流電源 です。 それに対して、乾電池やACアダプターは直流 電源です。 直流電源は常に一定の電圧を維持している 電源で、乾電池 蓄電池は使用する程電圧 は低下していきますが、プラス方向の電圧で あることは変わりません。 交流電源は一定の周期で電圧のプラスとマ イナスが変化する電源となってます。 実は、家庭で使用する電気機器は交流では 使用できなく、交流を直流に変換して電源を 供給してます。 また、小型の電気機器には100Vは過大電圧 であることが多く、5~24V程度の小さい電圧に 変換されています。 このように、家庭内で使用する電気のほとん どが直流です、交流で送電される住宅では、 直流に変換する際の電力ロスが大きく発生 してます。 しかし、発電所から変電所を経て家庭に届け られる電源は交流となってます。 このような実態から、電力会社の発電所にお いて直流電源を作り、直流のまま家庭に送電 すればロスがなくなるのではと思いがちです が、発電所から家庭まで直流で送電する方式 は普及してません。 これは、電力の送電と、保護の容易さが関係 しています。 |
| 交流送電の利点 交流送電の最大の利点は変圧が可能である こと。発電所から供給される電圧は数十万ボ ルトという高い電圧で送電され、都心部に近 ずくにつれ降下させることが可能です。 例えば発電所から数十万ボルト、変電所から 住宅付近まで6600V、住宅付近の柱上変圧器 で200Vに降下するという、必要な所で電圧を 調整する方法が採用され、送配電の設備コスト を最小限に留めることが可能である 交流電源の容易な電圧変換に対し、直流電源 を降下させるには、直流を交流に変換させる コンバーターを通し、交流を変圧器で降下させ、 再びコンバーターを通し直流に変換するという 手順がひつようです。 高圧DC→高圧AC→変圧→低圧AC→低圧DC と言う流れになります。 コンバーターの設置費用スペース、メンテナン ス等増えてきます。 国内の直流電源方式の有名なものに、電気 鉄道の電源があります。 直流電源はモーター類の動作が良好で、低速 高速時の反応が良い為、電動機の運転がほ とんどを占める電気鉄道には最適です。 しかし、業務施設、住宅には電力の汎用性が 重視され、交流送電が主流になっています。 |
| 交流電源の欠点 交流電源には欠点もあります。白熱電球や電 熱機器に電圧を印加したとき、交流電源は常 にプラスとマイナスの変化を繰り返しているた め、電圧と電流が0になっている瞬間には発 熱できません。 その為、所定の熱量を得るためにはより大きな 電圧を与えなければなりません 交流電源を考える場合、正弦波の最大値とい う考え方があります。一般的に100Vと言われ るのは電圧の実効値であり、実際には141V~ 0V~－141Vという電圧の移り変わりが発生して いるのです。 この平均値を計算すると100Vの電圧を印加し たのと同じになるのです 直流電源では、100Vは常に100Vのままであり プラスマイナスの変動もなく一定値を示し ます。 交流の場合は前述したように、電圧が変動す るために141Vに耐えられる性能を求められ、 より高い電圧に耐えられる絶縁性能が必要と なり、そのため電気機器が大きく、製造コスト も高くなることが考えられます。 又、交流電源はコイル・コンデンサの影響を受 ける特性があります。フェランチ効果と呼ばれま す。 送電端電圧よりも受電端電圧が高くなる現象 があります。 長距離で敷設した電力ケーブルでは、ケーブル と大地に発生する静電容量により、進相コンデ ンサを設置したのと同じように力率を進ませる 事があります。 電力系統が進み力率になると電圧が高くなる 傾向にありますので、交流電源系統の問題点 として対策がなされていますが、直流系統であ ればフェランチ効果による電圧の影響がなくな ります。 |
| 直流電源の利点 欠点 直流で送電する場合、交流送電と違い、プラス とマイナス2本の電線で足りる為、電線のコスト 削減が可能。 電圧と電流に位相差がない為、進みや遅れが 発生しない。無効電力を0とし配電機器を設計 できる。 直流送電の欠点。 交流はプラス、ゼロ、マイナスと周期があり、 電源遮断時にゼロの瞬間を狙いもっともショック の少ない電源遮断が可能である。 直流の場合は、常にプラス側に電圧が印加さ れているため電流の大きく流れている中で強 制的に遮断しなければならず、遮断失敗の リスクが大きい。 また、直流電源は常にプラス方向とマイナス方 向が一定であるため、マイナス側が腐食しや すくなる特性があります。 電気鉄道など、枕木程度などでは、大地とレー ルが完全に絶縁出来ない為、付近に迷走電流 を流失させ埋設している金属製の水道管や電 気配管を腐食させる問題が発生している。 |
| 直流と交流の発電方式の違い 交流の発電機は「鉄心を固定して磁石を回転 させる方式」の為、磁石の軸受部分がメンテナ ンスの対象となる為、点検項目が少なくメンテ ナンスにかかるコストが低減できる。そして、 機器の摩耗を最小限に留められます。 これに対し、直流の発電機は「磁石を固定し鉄 心を回転させる方式」の為、接点が多くなり スリップリング・ブラシ部がすり減り清掃や交換 頻度が高くメンテナンスコストが大きくなります |
| 地域による電源周波数と電圧の違い 電源周波数は静岡を分断する形で富士川を境 に東日本を50Hz西日本を60Hzに分かれてい ます。 周波数の違いは、特に電動機の回転速度にそ のまま影響します。 住宅用家庭製品では、インバーター等により入 力周波数を変換しどの地域でも使用できるよう されていますが、一昔前までは洗濯機等は周 波数切り替えスイッチを設置され、周波数の違 う機器は仕様に制限がありました。 蛍光灯などヘルツフリー、ボルトフリーが一般 化されているのでどちらの周波数でも支障が ないと思われますが、インバーター装置を持た ない古い器具を使用している場合、周波数が 違うと発熱や点灯不良を起こしますので注意 が必要です。 |
| 国内の周波数の違いの由来 管轄する電力会社の発電装置がどの国から購 入し運用したかという点が由来となっています。 東日本地区では、東京電燈（現在の東京電力） が、ドイツから50Hzの発電装置を購入し運用 したため50Hzが定着しました。 一方、西日本では大阪電燈（現在の関西電力） がアメリカから60Hzの発電装置を購入したこと が60Hzの定着した由来になっています。 |
| 国内の電圧が100Vに統一された由来 国内の周波数は東西で違いますが、電圧は 100Vに統一されています。 諸外国は200V前後が普及している中で100V に設定されたのは、電圧を決定した1910年代 民間に普及していた電気機器はほとんどが 100Vの照明用電球であり、100V以上の電圧 をかけると寿命が著しく減少してしまうため 100Vで統一されたと言われています。 |
| 電気機器の周波数の違いと使用可否 ヘルツフリーのインバーター式蛍光灯器具を 除きグロー式蛍光灯、ラビット式蛍光灯は決 められた周波数で使用する必要があります。 |
| グロー式蛍光灯の周波数の違い グロー式蛍光灯は、60Hz専用安定器を50Hz 電源で使用した場合、明るさが増加しますが ランプ寿命が短くなります。 50Hz専用安定器を60Hz電源で使用した場合 明るさが低下し、ランプ寿命が短くなります。 安定器の異常加熱は発生しませんが、始動不 良となり点灯しないことがあります。 |
| ラビット式蛍光灯の周波数の違い ラビット式蛍光灯の60Hz専用安定器を50Hz 電源で使用した場合、明るさは低下しランプ寿 命が短くなります。 50Hz専用安定器を60Hz電源で使用した場合 明るさは増加しますが、ランプ寿命は短くなり ます。 安定器が異常加熱し入力電流も増加するため 発熱・発火などの危険性が発生します。 周波数の違いによって、蛍光灯安定器に過度 の負担が発生し、以上発熱や焼損事故の原因 となります。 また、ランプ寿命が著しく変化します。 ラビット蛍光灯とグロー式蛍光灯は周波数によ り逆の現象となりますが、どちらの場合も安定 器の損傷する原因となりますので注意しましょ う。 |
| HID照明の周波数の違い 周波数50Hzの電源に60Hz用のHID安定器を 接続すると、安定器の温度上昇につながり寿 命が短くなります。 逆に60Hzの周波数電源に50Hz用のHID安定 器を接続するとランプの安定点灯までの時間 が長くなり、ランプが暗くなります、寿命も短く なります。 |
| 変圧器の周波数の違いによる使用可否 変圧器は、60Hz用変圧器と50Hz用変圧器を 別に製作しています。 地域により使い分けが必要です。 変圧器の特性上、50Hz変圧器は60Hzに使用 できますが、60Hz用変圧器を50Hz地域で使 用することはできません。 鉄心の磁束が、周波数の減少によって大きく なってしまい、変圧器の断面積が不足するた め励磁電流、励磁突入電流が増大し、また、 無負荷損失が大幅に増え、騒音や振動が非 常に大きくなります 50Hz用の変圧器を60Hz地域で使用した場合 励磁電流や無負荷損失が効率は良くなります が短絡インピーダンスの増加や、電圧変動率 の増加という変化を起こします。 地域の特性を配慮し、設計された変圧器を使 用することが原則です。 |