三相電力

208Y/120ボルトサービス用の4線出力を備えた3相変圧器：1本の線は中性線用、その他の線はA、B、C相用

三相電力（略称3ϕ）^{[ 1 ]}は、発電、送電、配電に最も広く使用されている交流（AC）の形式です。^{[ 2 ]}これは、3本の電線（中性線リターンを含めると4本）を使用する多相システムの一種であり、世界中の 電力網が電力を供給する標準的な方法です。

三相システムでは、3つの電圧はそれぞれ互いに120度の位相差を持ちます。この配置により、単相システムと比較してより安定した電力の流れが得られ、長距離送電や産業機械などの重負荷への電力供給に特に効率的です。交流システムであるため、変圧器を用いて電圧を容易に昇降させることができ、損失を最小限に抑えながら高圧送電と低圧配電が可能です。

三相回路はより経済的でもあります。三線式システムは、同じ相間電圧の二線式単相システムよりも、より少ない導体材料でより多くの電力を伝送できます。^{[ 3 ]} 伝送以外にも、三相電力は大型の誘導モーター、その他の電気モーター、および重い産業負荷を稼働させるために一般的に使用されていますが、小型のデバイスや家庭用機器では、同じネットワークから派生した単相回路に依存することがよくあります。

三相電力は 1880 年代に数人の発明家によって初めて開発され、それ以来、現代の電気システムの基盤となっています。

用語

電圧源と負荷の間の導体は線路と呼ばれ、任意の2本の線路間の電圧は線間電圧と呼ばれます。任意の線路と中性点の間で測定される電圧は相電圧と呼ばれます。^{[ 4 ]}例えば、公称230 Vの電力供給を行っている国では、線間電圧は400 V、相電圧は230 Vです。208/120 Vサービスの場合、線間電圧は208 V、相電圧は120 Vです。

歴史

多相電力システムは、 1880年代後半にガリレオ・フェラリス、ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキー、ヨナス・ヴェンストローム、ジョン・ホプキンソン、ウィリアム・スタンレー・ジュニア、ニコラ・テスラによって独立して発明されました。 ^{[ 5 ]}

イタリアの物理学者ガリレオ・フェラーリスによって開発された最初の交流モーター。これは2相モーターで、4本の電線が必要でした。

三相電力は電気モーターの開発から発展しました。1885年、ガリレオ・フェラーリスは回転磁場に関する研究を行っていました。フェラーリスは様々な種類の非同期電気モーターの実験を行いました。この研究と考察の結果、オルタネーターが開発されました。オルタネーターは、機械力（回転力）を電力（交流）に変換するために、逆方向に動作する交流モーターと考えることができます。1888年3月11日、フェラーリスはトリノの王立科学アカデミーで論文を発表し、この研究成果を発表しました。^{[ 6 ]}

2 か月後、ニコラ テスラは1887 年 10 月 12 日に出願した 3 相電気モーターの設計に関する米国特許 381,968 を取得しました。この特許の図 13 には、テスラが 6 本の配線を介して発電機から電力が供給される 3 相モーターを構想していたことが示されています。

これらの交流発電機は、一定量ずつ位相がずれた交流電流のシステムを作り出すことで動作し、回転磁界を利用して動作しました。こうして生まれた多相電力源は、すぐに広く普及しました。多相交流発電機の発明は、電力変圧器と同様に、電化の歴史において重要な役割を果たしました。これらの発明により、かなりの距離を電線で経済的に送電することが可能になりました。多相電力は、遠隔地でも水力（大規模ダムの水力発電所経由）の利用を可能にし、落水の機械エネルギーを電気に変換し、機械作業が必要なあらゆる場所で電動モーターに供給できるようになりました。この汎用性が、世界中の大陸で送電網の成長を促しました。

ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーは1888年に三相発電機と三相電動機を開発し、スター結線とデルタ結線を研究した。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}彼の三相3線送電システムは1891年にドイツで開催された国際電気技術博覧会で展示され、ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーはそのシステムを使って176km（110マイル）の距離に75%の効率で電力を送電した。1891年には三相変圧器と短絡（かご型）誘導電動機も作成した。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}彼は1891年に世界初の三相水力発電所を設計した。 ^{[ 13 ]}発明家ヨナス・ヴェンストロームは1890年に同じ三相システムでスウェーデンの特許を取得した。^{[ 14 ]}グレンゲスベルク鉱山では、滝から遠く離れた場所に電力を送る可能性が検討された。スメジェバッケンス郡のヘルションにある45 メートルの落差の小さな鉄工所があった場所が選ばれた。1893年に三相送電線が建設された。9.5  kVシステムは400馬力（300 kW）の電力を15 km（10マイル）の距離に送電するために使用され、最初の商用アプリケーションとなりました。 ^{[ 15 ]}

原理

三相システムにおける瞬時電圧の正規化波形。このグラフは、システムの1サイクル全体における電圧の変化を時系列で表しています。時間は左から始まり、右に向かって増加します。3つの相はそれぞれ、サイクルの開始時と終了時に同じ値を持ちます。これは、各サイクルが（理想的には）同一であるためです。相順は1、2、3です。この順序が各サイクルで繰り返され、発電機の 回転周波数が電力システムの周波数を決定します。理想的には、各相の電圧、電流、電力は他の相から120°オフセットされ、すべてが等距離になります。この対称性はコンバータでも再現できます。

三相電力送電線

三相変圧器（ハンガリー、ベケーシュチャバ）：左側が一次線、右側が二次線です。

対称型三相電力供給システムでは、3 本の導体それぞれが、共通基準に対して同じ周波数と電圧振幅の交流電流を流しますが、それぞれの位相差は 1/3 サイクル (つまり、位相が 120 度ずれている) です。共通基準は通常は接地され、多くの場合は中性線と呼ばれる電流搬送導体に接続されます。位相差のため、どの導体上の電圧も、他のいずれかの導体より 1/3 サイクル後にピークに達し、もう一方の導体より 1/3 サイクル前にピークに達します。この位相遅延により、平衡線形負荷に一定の電力が伝送されます。また、電気モーターに回転磁界を発生させ、変圧器を使用して他の位相配置 (たとえば、スコット T 変圧器を使用した 2 相システム) を生成することも可能になります。2 つの相間の電圧差の振幅は、個々の相の電圧の振幅の倍になります。 ${\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots }$

ここで説明する対称 3 相システムは、単に3 相システムと呼ばれます。これは、非対称 3 相電力システム (つまり、不等電圧または不位相シフト) を設計および実装することは可能ですが、対称システムの最も重要な利点がないため、実際には使用されないからです。

平衡した線形負荷に給電する三相システムでは、3本の導体の瞬時電流の合計はゼロです。言い換えれば、各導体の電流の大きさは他の2本の導体の電流の合計と等しく、符号が逆になります。各相導体の電流の帰路は、他の2本の相導体です。

1相以上の任意の相数で、一定の電力伝送が可能です。しかし、2相システムでは中性電流の相殺がないため、導体の使用効率が低下します。また、3相を超えるとインフラが不必要に複雑になります。さらに、一部の実用的な発電機やモーターでは、2相にするとトルクが滑らかでなくなる（脈動する）場合があります。^{[ 16 ]}

三相システムには、低電圧配電で一般的に使用される4本目の線があります。これは中性線です。中性線は、3つの独立した単相電源に一定の電圧を供給することを可能にし、複数の単相負荷への供給によく使用されます。接続は、各グループで可能な限り各相から均等な電力が供給されるように配置されます。配電システムの上流では、電流は通常、十分にバランスが取れています。変圧器は、不平衡負荷とそれに伴う二次側中性線電流を許容しながら、二次側を4線、一次側を3線に配線することができます。

フェーズシーケンス

三相配線は通常、国や電圧によって異なる色で識別されます。三相モーターを意図した回転方向に回転させるには、各相を正しい順序で接続する必要があります。例えば、ポンプやファンは逆接続では意図したとおりに動作しません。2つの電源を同時に接続する場合は、相の同一性を維持する必要があります。異なる2つの相を直接接続すると短絡が発生し、不平衡電流が流れます。

メリットとデメリット

中性線の無い2本の導体を使用する単相交流電源と比較すると、中性線がなく相間電圧が同じ3相電源では、わずか0.75倍の導体材料を使用して同じ電力を伝送することができます。^{[ 3 ]}

三相電源には、電力配電システムに適した特性があります。

• 線形平衡負荷の場合、相電流は互いに打ち消し合い、合計でゼロになる傾向があります。このため、中性線にはほとんど電流が流れないか全く流れないため、中性線のサイズを縮小できます。平衡負荷では、すべての相導体に同じ電流が流れるため、すべての相導体のサイズを同じにすることができます。
• 線形バランス負荷への電力伝達は一定であり、モーター/ジェネレーターのアプリケーションでは振動の低減に役立ちます。
• 三相システムは、指定された方向と一定の大きさの回転磁界を生成できるため、始動回路が不要になり、電気モーターの設計が簡素化されます。

しかし、ほとんどの負荷は単相です。北米では、戸建て住宅やアパートは電力網から単相で供給され、分相システムを介して分電盤に接続されています。分相システムから分岐するほとんどの回路は120Vです。ストーブ、乾燥機、電気自動車用コンセントなど、高出力機器向けに設計された回路は240Vです。

ヨーロッパでは、通常、三相電力はパネルボードに供給され、さらに高出力のデバイスに供給されます。

発電と配電

三相電流のアニメーション

左の画像：各相が別々の一対の送電線を使用する基本的な6線式三相交流発電機。^{[ 17 ]}右の画像：各相が3本の線のみを共有できることを示す基本的な3線式三相交流発電機。^{[ 18 ]}

発電所では、発電機が機械動力を3つの交流電流に変換します。発電機の各コイル（または巻線）から1つずつ電流が流れます。巻線は、電流の周波数が同じでありながら、波形の山と谷がオフセットするように配置されています。これにより、位相が1/3周期（ 120°または2π ⁄ 3ラジアン）ずつ離れた3つの相補的な電流が生成されます。発電機の周波数は、国によって異なりますが、 通常は50 Hzまたは60 Hzです。

発電所では、損失を最小限に抑えるために、 変圧器が発電機からの電圧を送電に適したレベルに変換します。

送電ネットワーク内でさらに電圧変換が行われた後、電圧は最終的に標準利用レベルに変換され、顧客に電力が供給されます。

ほとんどの自動車用オルタネーターは三相交流を生成し、ダイオードブリッジで直流に整流します。^{[ 19 ]}

変圧器の接続

デルタ（Δ）結線された変圧器の巻線は、三相システムの相間に接続されます。一方、スター（Y）結線された変圧器は、各巻線を相線から共通の中性点に接続します。

1 台の 3 相変圧器、または 3 台の単相変圧器を使用できます。

「オープンデルタ」または「V」システムでは、2つの変圧器のみが使用されます。3つの単相変圧器で構成されるクローズドデルタは、変圧器の1つが故障した場合、または取り外す必要がある場合、オープンデルタとして動作できます。^{[ 20 ]}オープンデルタでは、各変圧器はそれぞれの相の電流に加えて、3番目の相の電流も流す必要があるため、容量は87%に低下します。3つの変圧器のうち1つが故障し、残りの2つの変圧器の効率が87%の場合、容量は58%（87%の2 ⁄ 3 ）になります。 ^{[ 21 ] [ 22 ]}

デルタ給電システムにおいて、地絡電流の検出やサージ電圧からの保護のために接地が必要な場合、接地変圧器（通常はジグザグ変圧器）を接続することで、地絡電流を任意の相から接地に戻すことができます。別のバリエーションとして、「コーナー接地型」デルタ給電システムがあります。これは、閉デルタ給電システムで、変圧器の接合部の一つで接地されます。^{[ 23 ]}

3線式回路と4線式回路

ワイ（Y）回路とデルタ（Δ）回路

三相送電線には、Y結線（スター結線）とΔ結線（デルタ結線）の2つの基本的な構成があります。図に示すように、デルタ結線では送電に必要な線は3本だけですが、Y結線（スター結線）では4本目の線が必要になる場合があります。4本目の線は中性線として使用され、通常は接地されています。3線式および4線式の指定には、多くの送電線の上部に存在するアース線は含まれていません。アース線は故障保護のみを目的としており、通常の使用では電流を流しません。

相と中性線間の電圧が対称となる4線式システムは、中性線をすべての電源巻線の「共通スターポイント」に接続することで実現されます。このようなシステムでは、3相すべてが中性線に対して同じ大きさの電圧を持ちます。他にも非対称のシステムがあります。

4線式Y字型システムは、照明やモーター負荷など、単相負荷と三相負荷が混在する負荷に電力を供給する場合に使用されます。適用例としては、ヨーロッパ（およびその他の地域）における地域配電が挙げられます。この地域での各顧客への電力供給は、単相と中性線（三相に共通）からのみ可能です。中性線を共有する複数の顧客が不均等な相電流を消費する場合、共通の中性線がこれらの不均衡に起因する電流を流します。電気技術者は、ある場所の三相電力システムを設計する際に、その場所において三相それぞれから供給される電力が可能な限り同じになるように努めます。^{[ 24 ]}電気技術者はまた、個々の建物に適用される原則が広範囲の配電システム電力にも適用されるため、負荷が可能な限り均衡するように配電網を配置しようとします。したがって、供給当局は、三相それぞれで消費される電力を多数の建物に分配し、平均して供給点で可能な限り均衡のとれた負荷が見えるように、あらゆる努力を払っています。

変圧器コアのデルタ-Y型構成（実際の変圧器では通常、両側の巻数が異なることに注意してください）

家庭用として、英国などの一部の国では、1 つの建物に高電流 (最大 100  A ) で 1 つの相と中性線を供給することがありますが、ドイツなどの他の国では、各顧客に 3 つの相と中性線を供給しますが、通常は相あたり 40 ～ 63 A の低いヒューズ定格で供給し、最初の相に多くの負荷がかかることを避けるために「ローテーション」させます。

同一配電系統において単相負荷と三相負荷が混在する用途で使用される「ハイレッグデルタ」システム用の変圧器です。モーターなどの三相負荷はL1、L2、L3に接続します。単相負荷はL1またはL2と中性線間、またはL1とL2間に接続します。L3相はL1またはL2の中性線間電圧の1.73倍であるため、このレッグは単相負荷には使用されません。

Y結線とΔ結線を基本とします。一般的に、送電および配電を目的とした三相変圧器の巻線接続には、以下の4種類があります。

• Y字型（Y） - Y字型（Y）は小電流および高電圧に使用されます。
• デルタ（Δ） - デルタ（Δ）は大電流と低電圧に使用されます。
• デルタ（Δ）- スター（Y）は、発電所などの昇圧変圧器に使用されます。
• Y 型 (Y) - デルタ型 (Δ) は、降圧変圧器、つまり伝送の最後に使用されます。

北米では、負荷に給電するデルタ結線変圧器の一方の巻線にセンタータップが接続され、そのセンタータップが接地されて中性線として接続される、ハイレッグ デルタ電源が使用されることがあります（2番目の図を参照）。この構成では、3つの異なる電圧が生成されます。センタータップ（中性線）と上部タップ（位相線および逆位相線）間の電圧が120 V（100%）の場合、位相線と逆位相線間の電圧は240 V（200%）、中性線から「ハイレッグ」までの電圧は約208 V（173%）です。^{[ 20 ]}

デルタ結線電源を設ける理由は、通常、回転磁界を必要とする大型モーターに電力を供給するためです。しかし、対象となる施設では、北米で一般的に使用されている120V電源も必要となります。この電源は、センタータップ付きの位相点のいずれかと「中性線」の間で2つ（180度位相がずれて）供給されます。

バランス回路

完全にバランスが取れている場合、3本の線路すべてが等価負荷を共有します。回路を調べることで、Y結線およびデルタ結線負荷における線間電圧と電流、および負荷電圧と電流の関係を導き出すことができます。

平衡システムでは、各線路は互いに等間隔の位相角で等しい電圧を生成します。V ₁を基準とし、V ₃はV ₂より遅れ、V ₁は遅れ、V _LNは線路と中性線間の電圧です。^{[ 25 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}}$

これらの電圧は、Y 型またはデルタ型接続の負荷に供給されます。

ワイ（または、星、Y）

三相交流発電機をY字型またはスター型電源としてY字型またはスター型接続された負荷に接続します。図示の回路では、電源と負荷の間に不平衡電流がグランドを介して流れ、不要な浮遊グランド電圧が発生します。^{[ 26 ]}

負荷にかかる電圧は負荷の接続方法に依存する。Y字型の場合、各負荷を相（線と中性線）に接続すると、次の電圧が得られる。^{[ 25 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-\theta ),\\I_{2}&={\frac {V_{2}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\frac {V_{3}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

ここで、Z _totalは線路インピーダンスと負荷インピーダンスの合計（Z _total = Z _LN + Z _Y）、θは合計インピーダンスの位相（Z _total）です。

各相の電圧と電流の位相差は必ずしも0ではなく、負荷インピーダンスZ _yの種類によって異なります。誘導性負荷および容量性負荷では、電流は電圧に対して遅れたり進んだりします。ただし、各線路ペア（1対2、2対3、3対1）間の相対位相角は-120°のままです。

Y字型結線における位相図。V _{ab は}線間電圧、V _{an は}相電圧を表す。電圧は次のように平衡する。

• V _ab = (1∠α − 1∠α + 120°) √ 3 | V |∠α + 30°、
• V _bc = √ 3 | V |∠α − 90°、
• V _ca = √ 3 | V |∠α + 150°

（この場合α = 0）。

キルヒホッフの電流法則（KCL）を中性点に 適用すると、三相電流の合計は中性線の全電流となります。平衡状態の場合：

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

デルタ（Δ）

デルタ接続負荷にY電源として接続された三相交流発電機

デルタ回路では、負荷は線間に接続されるため、負荷には線間電圧が発生します。^{[ 25 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}}V_{1}\angle (\phi _{V_{1}}+30^{\circ }),\\V_{23}&=V_{2}-V_{3}=(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle (\phi _{V_{2}}+30^{\circ }),\\V_{31}&=V_{3}-V_{1}=(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle (\phi _{V_{3}}+30^{\circ }).\end{aligned}}}$

(Φ _v1は最初の電圧の位相シフトで、通常は 0° とされます。この場合、Φ _v2 = −120°、Φ _v3 = −240° または 120° となります。)

さらに遠く：

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (30^{\circ }-\theta ),\\I_{23}&={\frac {V_{23}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (-90^{\circ }-\theta ),\\I_{31}&={\frac {V_{31}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (150^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

ここでθはデルタインピーダンス（ ZΔ ）の位相で_ある。

相対角度は保存されるため、I _31はI ₂₃よりI ₁₂より120°遅れます。各デルタノードにおけるKCLを用いて線路電流を計算すると、次のようになります。

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle (\phi _{I_{12}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}}$

他の行についても同様です。

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle (\phi _{I_{23}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{23}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle (\phi _{I_{31}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{31}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

ここで、θはデルタインピーダンス（ ZΔ _）の位相です。

デルタ結線とそれに対応する電流の位相図。相電圧は線間電圧に等しく、電流は次のように計算される。

• I _a = I _ab − I _ca = √ 3 I _ab ∠−30°,
• I _b = I _bc − I _ab、
• I _c = I _ca − I _{bc です}。

伝達される総電力は

• S _3Φ = 3 V_相I *_相.

位相図を調べる、または位相図表記から複素数表記に変換すると、2つの線間電圧差が線間電圧を√3倍に増大させる様子が分かります。デルタ構成では、変圧器の相をまたいで負荷を接続するため、線間電圧差が生じます。この電圧差は、Y字構成で負荷に供給される線間電圧の√3倍です。伝送される電力はV ² / Zであるため、同じ電力を伝送するには、デルタ構成のインピーダンスはY字構成の3倍にする必要があります。

単相負荷

ハイレッグデルタシステムとコーナー接地デルタシステムを除き、単相負荷は任意の2相間に接続することができ、また、負荷を相から中性点に接続することもできます。 ^{[ 27 ]}単相負荷を3相システムの相間に分散させることで、負荷のバランスが取れ、導体と変圧器を最も経済的に使用できます。

対称型三相四線式Y字型システムでは、三相導体はシステムの中性点に対して同じ電圧を持ちます。線路導体間の電圧は、相導体と中性点間の電圧の√3倍です。 ^{[ 28 ]}

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

顧客構内から供給変圧器に戻る電流はすべて中性線を共有します。負荷が三相すべてに均等に分散されている場合、中性線に戻る電流の合計はほぼゼロになります。変圧器の二次側に不平衡相負荷が発生すると、変圧器の容量が効率的に使用されません。

供給中性線が断線すると、相間電圧は維持されなくなります。相対負荷の高い相では電圧が低下し、相対負荷の低い相では相間電圧まで電圧が上昇します。

ハイレッグデルタはV _LL = 2 V _LNの相対中性線関係を提供しますが、LN負荷は1つの相に課されます。^{[ 20 ]}変圧器メーカーのページでは、LN負荷は変圧器容量の5％を超えないようにすることを推奨しています。^{[ 29 ]}

√ 3 ≈ 1.73なので、 V _{LN を}100% と定義すると、V LL ≈ 100% × 1.73 = 173% となります。V LL_を100 % とすると_、 V LN _≈ 57.7% となります。

不均衡な負荷

三相システムにおいて、3本の活線に流れる電流が等しくない場合、または位相角が正確に120°でない場合、電力損失は完全に平衡なシステムよりも大きくなります。不平衡システムの解析には、対称成分法が用いられます。

非線形荷重

線形負荷の場合、相間の不均衡により、中性線のみが電流を流します。ガス放電ランプや、スイッチング電源、コンピュータ、オフィス機器などの整流器とコンデンサをフロントエンドに利用する機器は、すべての電源相で同相となる3次高調波を生成します。その結果、このような高調波電流がY結線方式の中性線（またはデルタ結線方式の接地型（ジグザグ）変圧器）に加算され、中性線電流が相電流を超える可能性があります。^{[ 27 ] [ 30 ]}

三相負荷

回転磁界を持つ三相電気機械

三相負荷の重要なクラスの一つは電動機である。三相誘導電動機は設計が単純で、本質的に高い始動トルクと高い効率を有する。このような電動機は産業界で多くの用途に利用されている。三相電動機は、同じ電圧クラスと定格の単相電動機よりも小型で安価であり、10 馬力（7.5kW）を超える単相交流電動機は一般的ではない。また、三相電動機は振動が少なく、同じ条件下で同じ出力の単相電動機よりも長寿命である。^{[ 31 ]}

電気ボイラーや暖房 などの抵抗加熱負荷は、三相システムに接続できます。電気照明も同様に接続できます。

光の線周波数フリッカーは、スポーツ中継のスローモーションリプレイ用に使用される高速度カメラにとって有害で​​す。線周波数フリッカーは、線周波数駆動の光源を三相に均等に分散させることで軽減できます。これにより、照明領域は三相すべてから照らされます。この技術は2008年の北京オリンピックで効果的に適用されました。^{[ 32 ]}

整流器は三相電源を用いて6パルスの直流出力を生成することができる。^{[ 33 ]}このような整流器の出力は単相整流器よりもはるかに滑らかで、単相整流器とは異なり、パルス間でゼロに低下することはない。このような整流器は、バッテリーの充電、アルミニウム生産などの電気分解プロセス、製鉄で使用される電気アーク炉、および直流モーターの駆動に使用することができる。ジグザグ変圧器は、1サイクルあたり12パルスの6相全波整流に相当するものを生成することができ、この方法はフィルタリング部品のコストを削減しながら、生成される直流の品質を向上させるために時々使用される。

ドイツの電気ストーブで過去に使用されていた三相プラグ（ペリレックス規格）

多くのヨーロッパ諸国では​​、電気ストーブは通常、常時接続の三相給電用に設計されています。個々の暖房機器は、三相が利用できない場合に単相回路に接続できるように、相と中性線の間に接続されることがよくあります。^{[ 34 ]}家庭用の一般的な三相負荷としては、タンクレス給湯システムや蓄熱暖房器などがあります。ヨーロッパの住宅では、相とアース間の公称電圧が230 V±10%に標準化されています。ほとんどの住宅群は三相街路変圧器から給電されているため、平均以上の需要がある個々の建物には、第2相または第3相接続で給電することができます。

位相変換器

位相変換器は、三相機器を単相電源で動作させる必要がある場合に使用されます。三相電源が利用できない、またはコストが正当化できない場合に使用されます。このような変換器は周波数を変化させ、速度制御を可能にする場合もあります。一部の鉄道機関車は、単相電源を使用して電子駆動装置を介して三相モーターを駆動します。^{[ 35 ]}

回転位相変換器は、特殊な始動機構と力率改善回路を備えた三相モーターで、バランスの取れた三相電圧を生成します。適切に設計されたこれらの回転位相変換器は、単相電源で三相モーターを正常に動作させることができます。このような装置では、回転部品の慣性（フライホイール効果）によってエネルギーが蓄えられます。シャフトの片端または両端に外付けフライホイールが取り付けられている場合もあります。

三相発電機は単相モーターで駆動できます。このモーターと発電機の組み合わせは、位相変換だけでなく周波数変換器としても機能しますが、2台の機械が必要となり、それに伴う費用と損失が発生します。このモーターと発電機の組み合わせは、大型フライホイールとバッテリー駆動のDCモーターと組み合わせることで無停電電源装置（ UPS）を構成することもできます。この組み合わせは、予備発電機が作動するまでの一時的な周波数低下に比べて、ほぼ一定の電力を供給します。

コンデンサとオートトランスフォーマーは、静的位相変換器で 3 相システムを近似するために使用できますが、追加位相の電圧と位相角は特定の負荷に対してのみ役立つ場合があります。

可変周波数ドライブとデジタル位相コンバーターは、パワーエレクトロニクスデバイスを使用して、単相入力電力からバランスの取れた 3 相電源を合成します。

テスト

回路内の位相シーケンスの検証は、実用上非常に重要です。2 つの三相電源は、同じ位相シーケンスでない限り、並列に接続してはなりません。たとえば、発電機を通電中の配電網に接続する場合や、2 つの変圧器を並列に接続する場合などです。そうでない場合、相互接続は短絡のように動作し、過剰な電流が流れます。3 相モーターの回転方向は、任意の 2 つの相を入れ替えることで反転できます。モーターを瞬間的に通電して回転を観察することで機械をテストすることは、非実用的または有害となる場合があります。2 つの電源の位相シーケンスは、端子のペア間の電圧を測定し、端子間の電圧が非常に低い端子は同じ位相になり、電圧が高い端子のペアは異なる位相になることを観察することで検証できます。

絶対的な位相同一性を必要としない場合は、位相回転試験装置を用いて一回の観察で回転順序を特定することができる。位相回転試験装置には小型三相モーターが内蔵されており、その回転方向は装置ケースを通して直接観察できる。別のパターンでは、一対のランプと内部位相シフトネットワークを用いて位相回転を表示する。別のタイプの装置は、電源を切った三相モーターに接続し、モーターシャフトを手で回転させた際に残留磁気によって誘起される微小電圧を検出することができる。ランプまたはその他のインジケータが点灯し、シャフトの回転方向に応じて端子における電圧の順序を示す。^{[ 36 ]}

三相の代替

分相電力

三相電源が利用できない場合に使用され、高電力負荷に通常の使用電圧の 2 倍を供給できます。

二相電力

2 つの AC 電圧を使用し、それらの間の位相は 90 度ずれています。2 相回路は 2 組の導体で配線することも、2 本のワイヤを組み合わせて回路に必要なワイヤを 3 本だけにすることもできます。共通導体の電流は各相の電流の 1.4 倍 ( ) になるため、共通導体は大きくなければなりません。2 相システムと 3 相システムは、 Charles F. Scottが発明したScott-T 変圧器によって相互接続できます。^{[ 37 ]}非常に初期の AC 機械、特にナイアガラの滝の最初の発電機は2 相システムを使用しており、2 相配電システムの名残がまだ残っていますが、現代の設備では 3 相システムが 2 相システムに取って代わりました。${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

単環式電力

1897年頃にゼネラル・エレクトリック社が用い、チャールズ・プロテウス・シュタインメッツとエリヒュー・トムソンが提唱した非対称の改良型二相電力システム。このシステムは特許侵害を避けるために考案された。このシステムでは、発電機に照明負荷用の全電圧単相巻線と、主巻線と直交する電圧を生成する小さな分数巻線（通常は線間電圧の1/4）が巻かれていた。この「電力線」と呼ばれる追加巻線を用いて誘導電動機の始動トルクを供給し、主巻線で照明負荷に電力を供給することが意図されていた。ウェスティングハウス社の対称二相および三相配電システムに関する特許の失効後、単相システムは使用されなくなった。解析が困難であり、十分なエネルギー計測技術が開発されるまでの期間が短かったためである。

高位相秩序システム

電力送電用に建設され、試験されている。このような送電線は通常、6相または12相を使用する。高相送電線は、線路の両端に高電圧直流（HVDC）コンバータを設置することなく、一定の容積で、比例するよりもわずかに高い電力を送電することができる。ただし、それに応じて多くの機器が必要となる。

DC

交流は、長距離送電のために容易に高電圧に変換できるため、歴史的に使用されていました。しかし、現代の電子機器は直流を高効率で昇圧できるだけでなく、直流は表皮効果を持たないため、送電線を軽量かつ安価にすることができ、長距離送電においても高電圧直流は損失を低減します。

カラーコード

三相システムの導体は通常、負荷のバランスを保ち、モーターの位相回転を正しくするために、カラーコードで識別されます。使用される色は、国際規格IEC 60446（後のIEC 60445）に準拠している場合もあれば、古い規格に準拠している場合もあり、また全く準拠していない場合もあります。また、同一の設備内でも異なる色で識別されることがあります。例えば、米国とカナダでは、接地（アース）されたシステムと接地されていないシステムで異なるカラーコードが使用されています。

国		フェーズ[注1 ]						中性、N [注 2 ]		保護接地、PE [注 3 ]
		L1		L2		L3
オーストラリアおよびニュージーランド（AS/NZS  3000:2007 図 3.2、または AS:3000で承認されたIEC 60446）			赤、または茶色[注4 ]		白; [注 4 ]以前は黄色		濃い青、または灰色[注4 ]		黒、または青[注4 ]			緑/黄色の縞模様（1966年以前の設置：緑）
カナダ	必須[ 38 ]		赤[注5 ]		黒		青		白、またはグレー			緑色、黄色の縞模様、または断熱されていない
	孤立系[ 39 ]		オレンジ		茶色		黄色		白、またはグレー			緑、あるいは黄色の縞模様
欧州CENELEC（欧州連合およびその他、2004年4月以降、IEC 60446、後にIEC  60445-2017）、英国（ 2004年3月31日以降）、香港（2007年7月以降）、シンガポール（2009年3月以降）、ロシア（2009年以降、GOST  R  50462）、アルゼンチン、ウクライナ、ベラルーシ、カザフスタン、韓国（2021年1月以降）			茶色		黒		グレー		青			緑/黄色の縞模様[注 6 ]
旧欧州規格（ IEC 60446以前、国によって異なる）[注7 ]
英国（2006年4月以前）、香港（2009年4月以前）、南アフリカ、マレーシア、シンガポール（2011年2月以前）			赤		黄色		青		黒			緑/黄色の縞模様（1970年頃以前は緑）
インド			赤		黄色		青		黒			緑、おそらく黄色の縞模様
チリ – NCH 4/2003			青		黒		赤		白			緑、おそらく黄色の縞模様
旧ソ連（ロシア、ウクライナ、カザフスタン、2009年以前）、中華人民共和国[注8 ]（GB  50303-2002第 15.2.2条）			黄色		緑		赤		スカイブルー			緑/黄色の縞模様
ノルウェー（CENELEC採択前）			黒		白/グレー		茶色		青			黄色/緑の縞模様。以前は黄色または非絶縁
ノルウェー[注9 ]			黒		茶色		グレー		青			緑/黄色の縞模様
アメリカ合衆国[注10 ]	120、208、または240V		黒		赤		青		白			裸導体（絶縁体なし）
	277Vまたは480V		茶色		オレンジ		黄色		グレー			裸導体（絶縁体なし）
	代替方法（タップ巻線付きデルタ）		黒		オレンジ （ハイレグ[注11 ]）		赤		白			緑または黄色/緑の縞模様、または断熱材なし
							青

参照

• 産業用および多相電源プラグとソケット
• 国際電気技術展
• 三相電力の数学
• 回転位相変換器
• 三相交流鉄道電化
• Y-Δ変換

注記

1. 相には多くのラベル付けシステムがあり、その中には追加の意味を持つものもあります。たとえば、 H1、H2、H3、 A、B、C、 R、S、T、 U、V、W、 R、Y、Bなどです。
2. また、接地導体。
3. また、アース、または接地導体。
4. オーストラリアとニュージーランドでは、活線導体の色は緑/黄、緑、黄、黒、水色を除く任意の色を使用できます。配線規格ASNZS 3000の2007年改訂版では、黄色は使用できなくなりました。ヨーロッパのカラーコードは、延長コード、家電製品用コードなど、すべてのIECケーブルまたはフレキシブルケーブルに使用されており、AS/NZS 3000:2007に従って建物配線にも同様に使用できます。
5. カナダでは、ハイレグデルタシステムのハイレグ車掌は常に赤色で表示されます。
6. 保護接地導体の国際規格である緑と黄色のマーキングは、色覚異常のある設置作業者による混乱のリスクを軽減するために導入されました。男性の約7%から10%は赤と緑を明確に区別できず、これは、赤が活線導体、緑が保護接地または安全接地を示す古い方式では特に懸念されます。
7. ヨーロッパでは、古い色の設備がまだ多数存在していますが、1970 年代初頭以降、すべての新しい設備ではIEC  60446に従って緑/黄色のアースを使用しています。 (例: 相/中性線とアース、ドイツ: 黒/灰色と赤、フランス: 緑/赤と白、ロシア: 赤/灰色と黒、スイス: 赤/灰色と黄色または黄色と赤、デンマーク: 白/黒と赤。)
8. 中国では、フェーズ 1: 黄色、フェーズ 2: 緑、フェーズ 3: 赤、中立: 青、接地: 緑/黄色が公式に使用されていますが、これは厳密に施行されておらず、地域によって大きく異なります。
9. NEK 400-5-51、セクション514.3 NEK:2022のガイダンスによると、ノルウェーではL1：黒、L2：茶、L3：灰色の順で塗装することが推奨されています。ただし、他の順でも構いません。この規則が施行された時期はNEK400:2002だった可能性があります。PEは514.3.3に従い、緑/黄とします。
10. 1975年以降、米国電気工事規定では相導体の色は指定されていません。多くの地域では、120/208 V（Y字型）導体を黒、赤、青、277/480 V（Y字型またはデルタ型）導体を茶、オレンジ、黄色で識別するのが一般的です。208 を持つ120/240 Vデルタシステム 、高圧レグ（通常はB相）は常にオレンジ色でマークされ、一般的にA相は黒、C相は赤または青です。地域の規制によりNECが修正される場合があります。米国電気工事規定では、接地導体、接地、および接地デルタ3相システムの色の要件があり、接地されていない1つのレグは、他の2つの接地されていないレグよりも接地電位が高くなります。
11. ハイレグがある場合は、ハイレグである必要があります。

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

• AC電源の歴史とタイムライン