工場で利用する電源は三相交流というものを使うことが多いですが、これがなかなか理解難しい。
なぜ三相交流なのかがなかなかわかりませんでしたが、調べまくったので何とかわかった気がします。
かつて使われていた二相交流が若干特殊な状況なので、余計理解するのに混乱を招いている気が。
電流/電圧/抵抗/電力
「I：電流」とは電子が流れる速さのことで、川の流れだと流れる水の量に例えられることが多いです。
「V:電圧」は電子の持つ位置エネルギーのことで、川の流れだと水の高低差で例えられることが多いです。
「R:抵抗」は電流の流れにくさのことで、川の流れだと川の中にある障害物で例えられることが多いです。
「P:電力」は電流がする仕事のことで、川の流れだと時間当たりに流れた水のエネルギーで例えられます。
それぞれの関係式はV＝IR（オームの法則）、P=IV（電力の定義）です。
直流と交流
「DC:直流」は時間とともに流れる方向が変化しない電流で、電池や太陽光発電などの電気がこれです。
メリットは向きが一定なので安定していること、また充電ができることなどがあげられます。
「AC:交流」は時間の経過とともに周期的に大きさや向きが変化する電流で、発電機などの電気がこれ。
メリットはトランスを利用して変圧がしやすいこと、また電圧が0になるタイミングで切りやすいこと。
変圧とジュール熱
送電する際の電線には必ず電気抵抗があり、電線中を電流が流れるとジュール熱が発生してしまいます。
ジュール熱の発生は電力の浪費だけでなく、電線の強度を下げるなどのデメリットがあります。
ジュール熱は電流の二乗と抵抗と時間をかけた形であらわされ、電流値が大きな影響を与えます。
同量の水を川から流すとき、低所から大量より高所から少しずつ流す方が障害物には当たらないはず…？
発電で得られる電気の多くが交流であること、家庭に近づいてから変圧したいことから交流が好まれます。
単相電源と三相電源
単相電源は2本の電線を用いて交流電流を伝送する方法で、電流電圧のグラフは一本の正弦波になります。
三相電源は単相電源を3つ、120°の位相をずらして重ねたものです（始まるタイミングを1/3ずらした）
メリットは大量の電力を伝えられること、同じ電力を与えるのに必要な線が少なくて済むとことです。
単相交流ではなく、複相交流が良い理由は「回転磁界」を発生させられるからです。
回転磁界についてはこちらの記事が詳しいです。簡潔に言うと回転磁界はモーターを回すのに便利。
https://denginoheya.com/encyclopedia/equipment/rotating_magnetic_field
なぜ二相、四相ではなのか
単相電源よりも三相電源の方が便利なことはわかりましたが、なぜ二相や四相ではなく三相なのでしょうか。
実際に単層電源と二相電源、三相電源、四相電源、さらに上の電源について考えてみましょう。
二相電源の場合、位相は180°ずれています（かつて利用されていた二相電源は位相が90°でした）
位相が180°ずれると三相電源と同じく中性線が必要なくなります。すると現れるのは電圧二倍の単相交流。
次に四相電源です。同じく中性線がなくなると現れるのは電圧2倍の単相交流による二相交流です。
つまりは四相電源は電圧4倍の単層電源であり、偶数の交流回路は単相電源と同じことになります。
奇数の交流電源は三相電源とメリットは同じですが、結局線の数が増えるだけなので良さがありません。
おそらくですが、単相～四相電源を起こそうとすると上のようなコイルが必要になると思います。
追記：読み返したらサッパリ理解できないので後でリライトします
まず電流や電圧の基本的な概念を理解した上で、交流の種類を考えます。単相交流は1つの正弦波の交流ですが、三相交流はこれを120度ずらして3つの波を重ねたもので、大量の電力を効率よく伝えられます。三相交流の大きなメリットは「回転磁界」を作り出せることで、これがモーターの回転をスムーズにし、始動回路など余計な装置を不要にします。
ではなぜ二相や四相交流ではないのかというと、二相交流は90度ずれた2つの波で昔使われていましたが、3本の電線での配電に比べて共通線が太くなるなどコスト面で不利です。四相交流やそれ以上の偶数相の場合は、位相が偶数で割り切れるため単相交流の特性に近くなり、三相交流のもつ回転磁界のメリットが出ません。奇数相交流は三相交流のメリットと似ていますが、線の数が増えて配線が複雑になり無駄が大きくなります。
そのため、三相交流はコスト、効率、安定性のバランスが良いため、特に工場のような大量電力が必要な場所で広く使われています。また、三相交流は送電ロスの低減や電線の本数削減という点でも優秀です。
三相電源についてもう少し
三相電源について三相電源には3線と4線が存在して、それぞれ3D3W、3D4Wと表記します。
三相3線はまた表記方法としてPEとN相が存在します。
PEはProtectiveElectricの略で配電盤において三相電源はRST、UVWと表記されます。
RSTと呼ばれる理由として有力なのが「○Round、Suquare、△Triangle」の頭文字をとったというものです。
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Rは赤、