【巻き線コイル・油冷却】変圧器の構造と除熱方法

電気電気設計

NEONEEETです。

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象としています。

この記事を読むと、変圧器の概要が分かります。

結論

変圧器の構造、冷却、絶縁について紹介します。

はじめに

電気の話は、ほとんどの人は理解していません。

電気を知らない大半の人はそもそも勉強する気がない。

電気を知っている工場の電気専門家が素人に教えるのが下手。

という状況がどこの工場でも多いのではないでしょうか?

そこにチャレンジする企画です。

変圧器とは

変圧器とは電圧を変化させるための器械です。

構造、絶縁、冷却について紹介します。

構造

変圧器の構造は主に下記のような構造が一般的です。

これは内鉄型というタイプです。

このほかに外鉄型がありますが、省略します。機械エンジニアにとっては重要ではありません。

内鉄型は鉄心があり、その両端にコイルを巻いた構造です。

この巻き数の差で電圧を変えることが可能です。

絶縁

コイルに電流を流すと磁界が発生します。

その次回はコイルの周囲に発散しようとします。

金属があれば、磁界は金属に集中して流れようとします。

金属の鉄心上は磁界が一定と考えます。

片側のコイルと相手側のコイルで同じ磁力が発生して、巻き数が変わることで電圧が変わります。

ここで、磁界は

金属の鉄心にすべてが流れるわけではありません。

多少は漏れます。

その漏れが「多少」ではなく、高圧の場合は非常に大きくなります。

そのため、変圧器の絶縁が重要です。

絶縁の方法として、

油を使うかどうかで分かれます。

前者の油入変圧器は絶縁油を使います。

後者の乾式変圧器は空気や六フッ化硫黄などが使われます。

冷却

コイルに電気が流れれば、当然熱が発生します。

その熱をため込んでしまえば、変圧器は発火します。

そこで冷却方法が大事となります。

油入変圧器は油によって冷却を行い、油冷却器を通じて、水や空気を使って冷却します。

乾式の場合は空気や六フッ化硫黄を冷却媒体とします。

これらは中間的に熱を授受する媒体です。

いずれの冷却媒体も最終的には空気と熱交換します。

  • 変圧器で発生した熱を、油が受け取る。
  • 油が受け取った熱を、冷却水が受け取る。
  • 冷却水が受け取った熱を、空気中に放散する。

このような仕組みです。

プレート熱交

冷却方法はシンプルです。

冷却器はプレート熱交

プレート熱交で熱交換を行います。

被冷却液は油、冷却媒体は空気

駆動方法

油も空気もプレート熱交に流入させるための駆動方法が2種類あります。

  • 自然
  • 強制

自然なので冷却効果は非常に少ないです。

プレート熱交の入口よりも出口の方が、油の温度が低いので、密度が高く、

その密度差で循環が起こることを期待しています。

発生熱量が少ない場合は、これでOK。

強制の場合は、油はポンプで、空気はファンで駆動させます。

当然ながら、同じ伝熱面積でも熱交換量は増えます。

おわりに

変圧器の構造を見た場合、鉄心とコイルを巻いているという話だけに焦点が上がります。

磁界が漏れる、熱が発生する

ということに気が付けば、構造の理解が進みます。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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