直流と交流の違いと利点欠点

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直流と交流の違い

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身近に使用している電気には、直流と交流があります。壁のコンセントから取れる100Vの電源は、50Hzまたは60Hzの交流電源です。対して、乾電池やACアダプターから得られる電源は直流電源です。

直流電源は、常に一定の電圧を維持している電源で、乾電池や蓄電池は使用するほど消耗し電圧が低下していきますが、プラス方向の電圧であることは変化しません。交流電源は、一定の周期で電圧のプラスとマイナスが変化する電源となっています。

家庭内で使用している電気機器は、交流のままで使用できない場合が多く、交流を直流に変換して電源供給しています。小型の電気機器に100Vは電圧過大であることも多いため、5~24V程度の小さな電圧に変換している場合もあります。

家庭内で使用している電気のほとんどは直流ですから、交流で送電される住宅では、直流に変換する際の電力ロスも大きく発生しています。しかし、発電所から変電所を経て家庭に届けられる電源は交流となっています。

このような実態から、電力会社の発電所において直流電源を作り、直流のまま家庭に送電すればロスがなくなるのでは思いがちですが、発電所から家庭まで直流で送電する方式は普及していません。これは、電力の送電と、保護の容易さが関係しています。

国内の直流送電方式で特に有名なものには、電気鉄道の電源があります。そもそも直流電源はモーター類の動作が良好で、低速・高速時の反応が良いため、電動機の運転がほとんどを占める電気鉄道には最適です。

対して、業務施設や住宅などに供給する電力は、電動機の運転に限った使用方法ではなく、電熱、電子機器の駆動など、数多くの用途があります。電力の汎用性が重視されますので、まだまだ交流送電が主流となっています。

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交流送電の利点

変圧が容易

交流送電の最大の利点は、変圧が可能であることです。発電所から供給される電圧は数十万ボルトという高い電圧で送電され、都心部に近づくにつれて降圧させることが可能です。

例えば、戸建住宅など小規模の需要家では200Vや100Vの電圧が供給されていますが、交流送電では変圧器によって電圧を自在に調整可能なため、発電所から変電所では数十万ボルト、変電所から住宅の付近までは6,600V、住宅の付近の柱上変圧器で200Vに降圧するといった必要な場所ごとに電圧を調整する方法が採用できます。この手法により、送配電の設備コストを最小限に留めることが可能です。

交流電源の容易な電圧変換に対し、直流電源を降圧させるには、直流を交流に変換させるコンバータを通し、交流を変圧器で降圧させ、再度コンバータを通して直流に変換するという手順が必要です。高圧DC → 高圧AC → 変圧 → 低圧AC → 低圧DCという流れになります。

コンバータ本体のコスト、変換時のロスなどが無駄なエネルギーになり、コンバータの設置に掛る費用や設置スペース、メンテナンス等のボリュームも増えますので、一般に「直流の変圧は難しい」とされます。

遮断が容易

交流回路は、プラス電圧とマイナス電圧を交互に繰り返す特性があります。電気を停止させたいときや、事故により強制的に遮断しなければならない場合、電流ゼロの瞬間を利用した遮断を行えば、電気系統や遮断器本体に与えるショックを最小限にできます。

交流電源の欠点

目標電圧よりも高電圧が必要

交流電源には欠点もあります。白熱電球や電熱機器に電圧を印加したとき、交流電源は常にプラスとマイナスの変化を繰り返しているため、「電圧と電流が0になる瞬間」は電力が発生せず、発熱ができません。そのため、所定の熱量を得たい場合には、より大きな電圧を与えなければいけません。

交流電源を考える場合、正弦波の最大値という考え方があります。一般的に100Vと言われるのは電圧の実効値であり、実際には √2 ~ 0 ~ -√2 という電圧の移り変わりが発生しています。実効値で100Vと呼ばれる電圧を印加した電気機器には、瞬間的に141Vの電圧が掛かります。この平均値を計算すると、100Vの電圧を印加したことと同じになります。

直流電源では、100Vは常に100Vのままであり、若干の脈動を除き、プラスマイナスの変動もなく一定値を示します。交流の場合は前述したように、100Vを確保するために 141V ~ -141V という変動電圧に耐える電気機器が必要となるため、本来100Vの性能で良い電気機器であっても、141Vに耐えられる性能が求められます。

つまり、直流機器よりも交流機器の方が、より高い電圧に耐えられる絶縁性能が必要となります。絶縁性能の強化により電気機器が大きくなったり、製造コストが高くなることが考えられます。

コイル・コンデンサ成分の影響を受ける

交流電源は「コイル・コンデンサの影響を受ける」という特性も、欠点として挙げられます。電力分野では、フェランチ効果と呼ばれる「送電端電圧よりも受電端電圧が高くなる現象」がありますが、長距離を敷設した電力ケーブルでは、ケーブルと大地に発生する静電容量により、進相コンデンサを設置したのと同じように、力率を異常に進ませることがあります。

電力系統が進み力率に振れ過ぎると、送電電圧よりも受電電圧が高くなることになり、交流電源系統の問題点としての対策が必要になります。対して、直流系統であればフェランチ効果による電圧の影響がなくなります。

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直流電源の利点

送電線が単純化

直流で送電する場合、交流送電と違い、どの電圧域であっても「プラスとマイナスの2本の電線」で送電可能です。交流送電も電線2本で送ることができますが、単相2線式は100Vのみに限られ、送電線では採用されていません。

力率を考慮しなくて良い

直流送電は、電圧と電流に位相差がないため、進みや遅れが発生しません。進みと遅れが発生しないということは、無効電力を0として送配電機器を設計できます。

直流電源の欠点

電流遮断が難しい

直流送電にはいくつかの欠点があります。交流電源はプラス・ゼロ・マイナスという電圧周期を繰り返しているため、電源を遮断する時はゼロの瞬間を狙って、もっともショックの少ない電源遮断が可能です。

直流電源は、常にプラス方向に電圧が印加されているため、電圧ゼロの瞬間がありません。電流が大きく流れている中での強制的な遮断は、遮断失敗に繋がるため危険です。切り離した部分にアークが継続発生し、なかなか電流が遮断されませんし、異常発熱の原因となります。

直流の遮断器では、コンデンサを開極部分に並列接続し、遮断時には直流回路にコンデンサ放電によって電流を重ねあわせ(重畳)、電流ゼロの瞬間を強制的に起こして遮断するといった技術が使われています。構成が複雑であり、交流回路よりも機器が高価で大掛かりになります。

電食作用が強い

直流電源は常にプラス方向とマイナス方向が一定であり、マイナス方向側の電路に接続された金属体は電食作用にさらされることになります。電源においては、プラス側では防食作用がありマイナス側が腐食しやすくなるという特性があります。電気鉄道などで、枕木程度では大地とレールが完全に絶縁できないため、付近に迷走電流を流出させ、並走して埋設している金属製の水道管や電配管を腐食させてしまうという問題が発生します。

メンテナンス部品が多い

交流の電動機は「鉄心を固定し磁石を回転させる方式」のため、磁石の軸受け部分だけがメンテナンス対象となるため点検項目が少なく、機器の摩耗を最小限に留められますのでメンテナンスコストが低減できます。

対して、直流の電動機は「磁石を固定し鉄心を回転させる方式」のため接点が多くなり、スリップリングやブラシがすり減ってしまい清掃頻度や部品交換頻度が高く、メンテナンスコストが大きくなります。

地域による電源周波数と電圧の違い

電源周波数は東日本で50Hz、西日本で60Hzに分けられており、新潟・群馬・埼玉・山梨を境界とし、静岡を分断する形で東日本と西日本で周波数が違います。

周波数の違いは、特に電動機の回転速度にそのまま影響します。住宅用の家電製品では、インバーター等によって入力周波数を変換し、どの地域でも使用できるようにしていることが多いのですが、一昔前の洗濯機などでは、周波数切り替えスイッチを設置した地域に合わせる必要があったり、そもそも周波数が違う電気機器は使用してはいけない、といった制限がありました。

建築設備についても、例えば、電動機やファンは設置する地域によって製品が違います。換気ファンやポンプなど、単純な回転機械では現在でも、50Hz用と60Hz用が別に製作されていますし、変圧器も地域によって周波数を変えて設計されます。特に電動機類は、周波数によって回転速度が変わるため、設置する地域を間違えると、能力が10%~20%も変動してしまい、所定の@いのうが発揮できません。

蛍光灯など、インバーターを内蔵している電気機器であれば、ヘルツフリーやボルトフリーが一般化しているので、新築物件での器具選定ではどちらの周波数でも支障ありません。インバーター装置を持たない古い蛍光灯などは、周波数が違うと発熱や点灯不良の原因になりますので、器具の再利用を行う場合には注意が必要です。

国内の周波数の違いの由来

東日本と西日本で、50Hz・60Hzの違いがあるのは、管轄する電力会社の発電装置がどの国から購入して運用したかという点が由来となっています。東日本地区では、東京電燈(現在の東京電力)の前身会社が、ドイツから50Hzの発電装置を購入して運用したため、50Hzが周波数として定着しました。

対して西日本では、大阪電燈(現在の関西電力)が、アメリカから60Hzの発電装置を購入していたことが、60Hzの定着の由来となっています。

国内の電圧設定の由来

国内の周波数は東西で違いますが、電圧は100Vで統一されています。諸外国は200V前後が普及している中で100Vに設定されたのは、電圧が決定した1910年代、民間に普及していた電気機器はほとんどが100Vの照明用電球であり、100V以上の電圧を印加すると寿命が著しく減少してしまうため、100Vで統一したとされています。

電気機器の周波数の違いと使用可否

50Hzと60Hzのどちらでも使用できる、ヘルツフリーのインバーター式蛍光灯器具を除き、グロー式蛍光灯、ラピッド式蛍光灯は、それぞれ機器に定められた周波数地域で使用しなければいけません。違う周波数の器具を誤って使用すると、機器の異常発熱による焼損につながることがあります。

グロー式蛍光灯の周波数による違い

グロー式蛍光灯は、60Hz専用安定器を50Hz電源で使用した場合、明るさが増加しますが、ランプ寿命が短くなり、安定器が異常過熱となります。50Hz専用安定器を60Hz電源で使用した場合、明るさが低下し、ランプ寿命が短くなります。安定器の異常過熱は発生しませんが、始動不良となり点灯しないことがあります。

ラピッド式蛍光灯の周波数による違い

ラピッド式蛍光灯を60Hz専用安定器を50Hz電源で使用した場合、明るさが低下し、ランプ寿命が短くなります。50Hz専用安定器を60Hz電源で使用した場合、明るさが増加しますが、ランプ寿命が短くなります。安定器が異常過熱し、入力電流も増加するため、発熱・発火などの危険性が高くなります。

周波数の違いによって、蛍光灯安定器に過度の負担が発生し、異常発熱や焼損事故の原因ともなります。ランプの寿命が著しく変化し、期待寿命を満足できません。なお、ラピッド式蛍光灯とグロー式蛍光灯は、周波数によってまったく逆の現象となりますが、どちらの場合も安定器を損傷する原因となりますので、注意しましょう。

HID照明の周波数による違い

周波数50Hz電源に60Hz用のHID安定器を接続すると、安定器の温度上昇につながり、寿命が短くなります。逆に、周波数60Hz電源に50Hz用のHID安定器を接続すると、ランプの安定点灯までの時間が長く、ランプは暗くなり、寿命が短くなります。

どちらも寿命の低下を引き起こしますので、適正な周波数での利用が原則です。

変圧器の周波数の違いによる使用可否

変圧器は、60Hz用変圧器と50Hz用変圧器を別に製作していますので、地域によって使い分けが必要です。変圧器の特性上、東日本用の50Hz対応変圧器は60Hzの西日本で使用できますが、60Hz用変圧器を50Hz地域で使用ことはできません。

鉄心の磁束が周波数減少によって大きくなってしまい、変圧器の断面積が不足するため、励磁電流、励磁突流電流が増大します。無負荷損失が大幅に増え、騒音や振動が非常に大きくなり危険です。

50Hz用の変圧器を60Hz地域で使用した場合、励磁電流や無負荷損失が減少して効率が良くなりますが、短絡インピーダンスの増加や、電圧変動率の増加という変化を起こします。地域の特性に配慮し、設計された変圧器を使用することが原則です。

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