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交流送電と直流送電

家庭や工場に送られてくる電気は、一定の時間ごとに電流の向きが正反対になる交流電気です。
クーラーや冷蔵庫、工作機械といった物理的な力を必要とする機器や照明器具は交流(大型のものは三相交流)、テレビやコンピューターなどの電子機器の内部では電流の向きが変わらない直流を使っています。
直流電気が良いのか、交流電気が良いのか、は昔大議論になったことがあります。

電池を実用化した エジソン は、直流で家庭や工場に電気を送る方が良いと主張し、交流発電機や電圧を変える変圧器を発明した ファラデー は交流で送る方が良いと主張しました。

この議論はファラデーが勝ち、現在は殆どの場所で交流送電が行われています。
交流送電の利点 は、変圧器を使って電圧を自由に変えられる ことです。

変圧器というのは、損失が少ない特殊な鉄を芯にして2つ以上のコイルが巻かれたものです。
例えば、Aコイルの巻き数をN、Bコイルの巻き数をMとし、Aコイルに100ボルトの電圧を加えると、電磁誘導によってBコイルに現れる電圧は 100×(M÷N)となります。

変圧器は大きな物では鉄道沿線にある鉄道用変電所や郊外にある電力会社の変電所で見ることが出来ます(都会では地下に変電所がある)

規模が格段に小さくなりますが、電柱の上にも変圧器が載っています。
円筒や箱形をしています。
はるかに小さい物では、ラジオなどに付属しているACアダプターです。

交流送電の最大の利点 は、電圧を容易に変えられるので送電線に使う銅線が細くても大きな電力が送れることです。
電力は、{ 電圧×電流 }で表されますが、 銅線上で熱として失われる損失は{ 電流の二乗×銅線の抵抗 }なので、電流を小さくして損失を少なくし、電圧を上げて電力を多くする方法がとれます。

ところが、
交流電気には欠点 があります。
例えば、ニクロム線を使った電気ストーブに交流電気を流した場合、交流電気の電圧と電流は0ボルトを基準にして、時間に対して正弦波を描きます。
電圧値と電流値がプラスの最大値からマイナスの最大値まで、1秒間に50回(または60回)変わります。
電圧と電流の向きがマイナスになっても発熱するのでそれは構いませんが、電圧と電流の値が小さくなっている期間は発熱量も小です。
極端な話、電圧か電流の片方が0なら熱が作られません。
(電気回路にコイルやコンデンサーが入ると、電流が遅れたる進んだりするので一方だけ値が0になることがある)

このストーブは直流なら○○カロリーの熱量、交流なら△△カロリーの熱量と表記するのは不便なので、そこで、この電気ストーブを直流電気で作動させた時と同じ発熱量を得るには、交流電気ならどのくらいの電気が必要かと考えてみると、 交流の電圧値が描く正弦波の最大値は直流の場合の約1.41倍(√2)の電圧が必要となります。
ということは、
同じ発熱量を得るには直流なら100ボルト、交流なら最大値が141ボルトの電圧が必要 になります。
これでは取り扱い上不便なので、交流141ボルトを(
実効値 )100ボルトの電圧と表記します。
交流電圧計は最大値の約1.41分の1の値で目盛られています
送電の話に戻しますと、 交流送電の欠点 は、上記の説明で解るとおり、100万ボルトの超高圧送電線を直流で送るときには送電線を支える鉄塔や碍子は100万ボルトに耐えれば良かったのに、交流で送るときには141万ボルトに耐えなければならなくなり、建設費が余計に掛かります。(碍子はセラミックなどで作られている電線を支える絶縁器具です)

交流送電の次の欠点 は、コンデンサーによって損失を受けるということです。
コンデンサーは送電線間や送電線と大地の間に自然に作られてしまいます。
特に、海底ケーブルのように送電線を狭い空間の中を長距離通さなければならないときにはコンデンサーとしての値が大きくなり、それだけ損失が多くなります。
直流送電では基本的にコンデンサーは 直流を通さないのでコンデンサー効果による損失はありません。

また、交流送電は電流の向きが周期的に変わるために末端の負荷と同期をとらないと発電機が暴走するという欠点があります。

実際は、直流送電と交流送電の良いところを組み合わせて使っています。
絶縁が保ちづらく、コンデンサー損失が無視できない長距離区間は、交流を直流に変換して直流送電にし、その区間が終わると、直流を交流に変換して交流送電にします。


直流と交流の変換は、直流モーターで交流発電機を回す(または交流モーターで直流発電機を回す)方法や、電子デバイスを使って行います。


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