Transformer／トランス(トランスフォーマー)
Dec 1, 2023.
Transformer／トランス(トランスフォーマー)とは変圧器の事で、交流の電力を上昇・下降させる為の電気部品の事です。「電圧を上下させるだけではないのか？」と思われるかも知れませんが、電流も同時に変化します。例えば電圧を10倍に上昇させる場合には電流は1/10になります。逆に電圧が1/10になれば電流は10倍になります。電圧だけを10倍に上昇させて電流がそのままと言う事だと電力が10倍になると言う事ですから、それでは発電機になってしまいます。損失(ロス)を無視すればトランスに入る電力と、トランスから出て行く電力は必ず同じになります。
トランスの回路図記号です。左右のぐるぐるしているのがコイル、中央の縦線が「コア(≒鉄心)」です。一方のコイルに交流電力を加えると磁気誘導して、他方のコイルに交流電力が現れます。コアを入れるのは磁気誘導を起きやすくするためで、要は効率を上げると言う事です、大抵の場合、コアには珪素(けいそ)鋼板が使用されます、、、要するに鉄板ですね。ローマ字のE字型コア材同士を組み合わせるとか、C字型コア材とI字型コア材同士を組み合わせるとか、色々の作り方がりますが鉄道模型に使う程度でしたら何を使っても大差ありません。
この時にコイルの巻き数比を100：1にすると電圧は1/100になりますから、1次側コイルに100Vの交流電力を加えると、2次側コイルには1Vの交流電力が現れます。電流はどうなるかと言うと、同じ条件で1次側に1A加えれば、2次側には100A出て来ます。1次側は100V×1A＝100W、2次側は1V×100A＝100Wとなり、どちらも電力は同じです。但し実際にはトランス自体でのロスがありますから、2次側には正確に100Wは出て来なくて、99.9Wとか99.999999Wとかになります。ロスになった分は熱として消費されます。トランスを使っていると温まって来るのは熱になって損失分を消費していると言う事です。
同様にコイルの巻き数比を1：1億とかにして1次側に1V加えると、屁理屈上は2次側には1億V出て来ますが、損失はあるし、1億Vなんてものをいったい何に使うのやら、、、と言う問題もありますから製品としては存在しない筈です。尤も、「ロスがあるから必ず巻き数比に比例したなりには変化しない」と言ってもトランスの品種によっても厳密にはロスの出方は違うので、回路設計上は「ロスは無い」と言う前提で設計しておいて、その上で多少の余裕を見込むのが普通です。
此処に100kWのモーターを4基取り付けてある電車があったとします。一応、国鉄の101系電車がこの程度で、車輛全体としては400kW消費する事になります。架線電圧が1500Vとすれば、この電車に流れる電流は266.7Aになります。400kW÷1500V≒266.7Aと言う事です。これが架線電圧600Vだとすれば、この電車に流れる電流は666.7Aになります。400kW÷600V≒666.7Aと言う事です。交流区間用だとして架線電圧が20000Vとすれば、この電車に流れる電流は20Aです。400kW÷20000V＝20Aと言う事です。「20A」と言うと、家庭用電力の契約としてはかなり少ない方ですが、机上の空論上はこんな少ない電流でも電車は走る事が出来ます。
此処までがトランスの回路図的？な説明です。実際の電気回路の中では電柱に取り付けられている「柱上(ちゅうじょう)トランス」で6600Vの交流を降圧(こうあつ)して家庭用電源の100Vや200Vにするものが、最も目にする機会が多いと思われます。鉄道であれば交流区間を走る電車や機関車は交流20000V(在来線)や交流25000V(新幹線)を車内に取り込んで電圧を下げて使うためのトランスを持っています。
それでは鉄道模型はどうかと言えば、代表的な用途は「パワーパック内部で電圧を下げる」役目であると思われますが、これは普通の一般的な電気方式である直流2線式の場合です。
上の写真のトランスは東栄変成器(東京都千代田区外神田1丁目14-2 ラジオセンター1階)の製品で、仮にパワーパックを自作すればこの種のトランスにたどり着くと思われます。一般にこの種のトランスは「ヒータートランス」と呼ばれますが、大昔に真空管のヒーターを点灯するために使う電圧と大差ない程度の出力電圧を持っているからです。現実にヒータートランスを真空管のヒーター点灯用に使う事は先ずありえません。真空管機器用のトランスで、ヒーター点灯用の巻き線を持たないトランスは先ずあり得ないからです。この種のトランスの出力電圧は大抵は2V刻みで設定されているので、アマチュアが試行錯誤を繰り返す場合などに好都合です。この種の形状をしているトランスで、一般的に市販されているのは概ね出力電流が10A程度のモノまでです。
上の写真はヒータートランスを使用して組み立てられたパワーパックで、一般に市販されていた品物の製品の例です。「西澤工業」と言うメーカーの製品で、Nゲージ用の品物です。西澤工業の製品は大手模型問屋である宮沢模型が取り扱っていた事もあって、かなり市中に出回っています。ヤフオクなどのネットオークションで見掛ける事も多いです。
上の写真のトランスは単に「電気部品としてのトランス」であって配線もなにもしてありませんが、下の写真のようにケースに収納されて速度調整機能や、電動逆転器を動作させるための機能を持たせた品物を「トランス」と呼ぶも場合もあります。
この「トランス」はメルクリン(Märklin)の製品で、 上述の通り電動逆転器を動作させる機能も持たせてあります。ケースの中には当然ですがトランスが入っていまして、ケース全体でも「トランス」と呼美ますから、同じ「トランス」と呼んでもかなり意味合いが異なります。「そんな曖昧な呼び方で混乱しないのか？」と言えば、、、まぁ、混乱するでしょうねぇ。「それでは混乱してしまって厄介ではないか？」と言うと、実際には大した混乱はありません。ごく簡単な話で、昔からそうやって来たから、そう言う曖昧な状況に慣れてしまっているから。まぁ、人間の持つ厳格さなんてこの程度ですよ。