単相変圧器の無負荷・短絡試験結果からの等価回路定数と電圧変動率の計算
定格容量,定格一次電圧,定格二次電圧,定格周波数の単相変圧器があり,試験結果は次のとおりであった。
無負荷試験 無負荷損:
無負荷電流:
短絡試験 インピーダンス電圧:
一次電流:
インピーダンスワット:
この変圧器について次の問に答えよ。
(1) 図に示す一次換算の簡易等価回路の回路定数を求めよ。
(2) 百分率抵抗降下,百分率リアクタンス降下を求めよ。
(3) 遅れ力率,全負荷における電圧の変動率を求めよ。
(4) 遅れ力率,負荷における電圧の変動率を求めよ。
ただし,定格負荷時の力率における電圧の変動率は,百分率抵抗降下を,百分率リアクタンス降下をとすれば,次式で表せるものとする。

解説
問題の要点と解法の見取り図
本問は、単相変圧器の無負荷試験および短絡試験の測定結果から、一次換算の簡易等価回路定数、百分率降下、および各負荷状態における電圧変動率を導出する標準的かつ極めて重要な問題です。
- 無負荷試験:二次側開放のため、電流は励磁回路(並列アドミタンス )のみに流れます。印加電圧は定格電圧 であるため、鉄損 と励磁電流 から励磁定数を求めます。
- 短絡試験:二次側短絡のため、印加電圧(インピーダンス電圧 )は非常に小さく励磁電流は無視できます。測定電力 (銅損)と電流 から巻線インピーダンス(直列抵抗 、漏れリアクタンス )を求めます。
- 百分率降下と電圧変動率:定格電流による電圧降下の割合を求め、指定された近似式 を適用します。負荷率が変化したときは、負荷電流に比例して降下率が変化します。
ステップ0:変圧器の一次定格電流の算出
定格容量 、定格一次電圧 より、一次定格電流 は次のように求まります。
短絡試験時の一次電流 は、この一次定格電流 と一致している(定格電流で試験が行われている)点に着目しておきます。
ステップ1:(1) 一次換算の簡易等価回路定数を求める
1. 励磁コンダクタンス および 励磁サセプタンス (無負荷試験より)
一次側に定格一次電圧 を印加したときの無負荷試験結果を用います。
無負荷損 は励磁コンダクタンス で消費される電力(鉄損)であるため、
また、無負荷電流 より、励磁アドミタンスの大きさ は、
並列回路において が成立するため、励磁サセプタンス は次式より求まります。
2. 一次換算全巻線抵抗 および 全漏れリアクタンス (短絡試験より)
二次側を短絡して一次電流 を流した短絡試験結果を用います。
インピーダンスワット(全巻線で発生する銅損) より、全巻線抵抗 は、
また、インピーダンス電圧 より、一次換算全合成インピーダンスの大きさ は、
したがって、一次換算全漏れリアクタンス は次のように求まります。
ステップ2:(2) 百分率抵抗降下 と 百分率リアクタンス降下 を求める
一次定格電圧 、一次定格電流 における百分率降下を求めます。
百分率抵抗降下 :
(※別解・検算:定格容量 に対する全負荷銅損 の比からも求まります:)
百分率リアクタンス降下 :
(※検算:百分率インピーダンス降下は であり、短絡試験のインピーダンス電圧比 と完全に一致します)
ステップ3:(3) 遅れ力率 ,全負荷における電圧変動率 を求める
力率 より、遅れ力率における無効力率 は、
問題文に与えられた電圧変動率の近似式に代入します。
ステップ4:(4) 遅れ力率 , 負荷における電圧変動率 を求める
負荷率 のとき、負荷電流は定格電流の になります。
百分率抵抗降下 および百分率リアクタンス降下 は電流に正比例するため、それぞれ 倍となります。
まとめ
変圧器の試験と等価回路の関係は以下のように整理できます。
| 試験 | 測定対象 | 対応する等価回路定数 | 得られた値 |
|---|---|---|---|
| 無負荷試験 | 鉄損・励磁電流 | 並列励磁回路 () | |
| 短絡試験 | 銅損・短絡インピーダンス | 直列巻線回路 () |
