令和8年度上期 学科試験 問11 解説 変圧器の損失特性
変圧器の出力に対する損失の特性曲線において, aが鉄損, bが銅損を表す特性曲線として, 正しいものは。
- イ.
- ロ. ✓ 正答
- ハ.
- ニ.
解説
鉄損は負荷の大きさに関わらず常に一定（水平な直線）であり、銅損は出力（電流）の2乗に比例して増加する曲線になるという性質から判断します。
変圧器における2種類の損失の性質
変圧器の損失は、大きく分けて鉄損と銅損の2つに分類されます。これらは電力を変換する際に熱として逃げてしまうエネルギーですが、発生するメカニズムが異なるため、出力（負荷）に対する現れ方も異なります。
鉄損（無負荷損）
変圧器の鉄心（コア）で発生する損失です。主にヒステリシス損と渦電流損から構成されます。これらは変圧器が電源に接続されている限り、二次側に負荷が接続されていなくても（電流が流れていなくても）発生するため、無負荷損とも呼ばれます。鉄損は電源電圧と周波数が一定であれば、出力の増減に影響されず常に一定の値を示します。そのため、グラフに表すと出力軸に対して水平な直線となります。
銅損（負荷損）
変圧器の巻線（銅線）に電流が流れることで、電気抵抗によって発生する損失（ジュール熱）です。抵抗を [Ω]、電流を [A] とすると、銅損 は [W] という式で表されます。変圧器の出力 は電圧 が一定であれば電流 に比例するため、銅損は出力の2乗に比例して増加することになります。グラフでは、出力がゼロのときは損失もゼロで、出力が増えるに従って急激に立ち上がる放物線状の曲線を描きます。
グラフの形状から正解を導くプロセス
問題の選択肢を検討する際、以下のステップで絞り込みを行います。
- 鉄損 を探す：負荷（出力）が増えても値が変わらない特性を持つのは、水平な直線です。この時点で が水平線となっている選択肢 イ、ロ、ニ に絞られます。
- 銅損 を探す：負荷（出力）の増加に伴って、その2乗に比例して急激に増加する曲線を探します。出力が0のときに損失が0からスタートしていることも重要なポイントです。
- 両方を満たす組み合わせを確認する： が水平線であり、 が原点から始まる右上がりの曲線（放物線）となっているグラフを選択します。
選択肢 ロ では、 が出力に関係なく一定の水平線（鉄損）であり、 が出力の増加とともに加速的に増えていく曲線（銅損）として描かれているため、これが正解となります。
この知識が実務や設計でどう活かされるか
この損失特性の理解は、単に試験問題を解くだけでなく、変圧器の効率的な運用を考える上で非常に重要です。
変圧器の全損失は「鉄損 + 銅損」で表されます。変圧器の効率が最大になるのは、固定損である鉄損と、変動損である銅損が等しくなったとき（鉄損 ＝ 銅損）です。これを最大効率条件と呼びます。
実際の設備設計においては、常にフルパワーで使う機械なら銅損が小さくなるように設計された変圧器を選び、夜間など負荷が軽い時間が長い設備なら鉄損（待機電力のようなもの）が小さい変圧器を選ぶといった判断が必要になります。第一種電気工事士として、受変電設備の保守や更新提案を行う際、こうした損失の性質を知っておくことは、省エネ性能の高い設備選定（トップランナー変圧器の導入など）のアドバイスに直結する知識と言えます。
参考リンク
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