技術編 - 三菱電機

目次
技術編
1．受変電・配電設備 ------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1
1.2
1.3
変圧器の損失管理 ----------------------------------------------------------------------------------------------1
力率の管理 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
デマンド管理 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
2．電動力応用設備 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
2.1
2.2
2.3
考え方 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
導入の具体策 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
効果事例（三菱電機の製品の例）------------------------------------------------------------------------- 34
3．空気調和設備----------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
考え方 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
省エネルギー評価基準 -------------------------------------------------------------------------------------- 36
省エネ法の判断基準と空調設備（三菱電機の製品の例）-------------------------------------------- 38
対策
-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38
具体例（三菱電機の製品の例）---------------------------------------------------------------------------- 44
4．照明設備
4.1
4.2
4.3
4.4
考え方 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 49
省エネルギー評価基準 -------------------------------------------------------------------------------------- 50
省エネルギー法・判断の基準に対応した省エネルギー対策 --------------------------------------- 50
対策
-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51
5．その他
5.1
5.2
5.3
5.4
-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 49
-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 57
コージェネレーションシステム -------------------------------------------------------------------------- 57
太陽光発電システム ----------------------------------------------------------------------------------------- 58
風力発電システム -------------------------------------------------------------------------------------------- 60
燃料電池発電システム -------------------------------------------------------------------------------------- 61
1. 受変電・配電設備
受変電・配電設備は，工場内の負荷設備に電気を供給するという性格の設備であることから，電圧・電流と
も大きく，また常時運転されているため，「工場・事業場の判断基準」の中で管理の基準や合理化の目標など
が定められています。また，受変電・配電設備の主要機種である変圧器については，省エネルギー法の特定
機器に指定され，油入変圧器については 2006 年度から，モールド変圧器については 2007 年度からトップラ
ンナー変圧器と呼称される国の定めたエネルギー消費効率の基準値を満足するものに全面的に移行しました。
ここでは変圧器の損失管理とトップランナー変圧器，力率管理及びデマンド管理（電気使用の平準化）につ
いて述べます。
1.1 変圧器の損失管理
（1）変圧器の技術動向と省エネルギー
省エネルギー法の「工場・事業場の判断基準」では，変圧器に関し，稼動台数の調整及び負荷の適正配分，及び，
新設する場合には使用する電力に見合ったものとすることが求められています。
① 変圧器の運転・管理
変圧器は電気機器のなかで最も効率の高い機器ですが，扱う電力が大きいため効率の向上による省エネル
ギー効果も大きく，またよく知られているように変圧器の効率は運転負荷率によって変化するので，変圧
器の運転負荷の適正化による損失管理が重要です。
② 変圧器の選定
変圧器は電磁誘導の法則を用い，鉄心とコイルがお互い取り囲むように構成したシンプルな構造ですが，
特に鉄心材料の技術進歩により後に述べるトップランナー変圧器や更に特性の良いスーパー高効率変圧器
なども広く使用されるようになってきています。標準的にはトップランナー変圧器を使用しますが，変圧
器容量や負荷率によってはスーパー高効率変圧器を採用する方が省エネルギーによって経済的にもメリッ
トが出てくる場合があり，そうした変圧器の機種選定も重要です。
③ 変圧器の更新
変圧器の更新推奨期間は運転開始後：20 年ですが，前述のような鉄心材料の進歩のほか，コイル絶縁構造
や冷却構造の改善により年々改善されてきており，旧年代の変圧器をトップランナー変圧器に更新するだ
けでもかなりの省エネルギー効果が期待でき，かつ損失を発生する鉄心やコイルの小形軽量化も達成して
おり更新が容易です。
以上をまとめると，変圧器に関する省エネルギーの手法としては，
・負荷に対応した変圧器容量の選定 ･･･ 変圧器の運転負荷率が最高効率点近傍となる選定
・省エネルギータイプ変圧器の採用
・更新時期を迎えた変圧器を最新変圧器に更新
が考えられます。
1
（2）技術
変圧器の容量は一般に負荷の大きさやモータ起動時などの電圧変動や将来の負荷増加などに対応し一定の余
裕率をみて決定されます。かつて変圧器の容量により電力量料金のうち基本料金が決まった時代があり，そ
のような料金体系のもとでは変圧器容量が負荷の最大値に近く設定されることが多かったと思われますが，
現在では電力量料金体系へのデマンド制採用が拡大し，変圧器の容量より実際の電力（デマンド値）が重視
されるようになってきています。
したがって，変圧器の容量も最大負荷と契約電力から決まるものから，より省エネルギーを重視した容量選
定が可能となってきており，省エネルギー法の精神を考え合わせると「工場・事業場の判断基準」でいう“負
荷の適正配分”とは変圧器の最高効率点近傍での運転を推奨しているものと判断できます。
① 負荷容量と変圧器の発生損失
表 1.1 及び図 1.1 に今後標準的に使用するトップランナー油入変圧器の発生損失を負荷容量別に示していま
す。
表 1.1 負荷容量別 発生損失
変圧器定格
3 φ 200kVA 50Hz
3 φ 300kVA 50Hz
3 φ 500kVA 50Hz
定格時発生損失
無負荷損 負荷損
（W）
（W）
335
2,380
495
2,785
635
4,185
0
335
495
635
50
484
572
677
各負荷容量に対する変圧器の発生損失（W）
負荷容量（kVA）
100
150
200
250
300
350
400
930 1,674 2,715
804 1,191 1,733 2,429 3,280
802 1,012 1,305 1,681 2,142 2,686 3,313
450
500
4,025
4,820
6,000
5,000
負荷容量
200kVA
発 4,000
生
損 3,000
失
2,000
負荷容量
50kVA
︵Ｗ︶
３φ200kVA 50Hz
３φ300kVA 50Hz
３φ500kVA 50Hz
1,000
0
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500
図 1.1 負荷容量別発生損失
表 1.1 及び図 1.1 から判るように変圧器の容量により同一の負荷容量でも，変圧器の損失は異なります。例
えば，負荷容量を 200kVA として，定格 200kVA，300kVA，500kVA における発生損失を比較してみます。
（a）負荷容量 200kVA を定格 200kVA，300kVA，500kVA 変圧器で運転した場合の発生損失
表 1.1 より，
・ 定格 200kVA 変圧器にて負荷容量 200kVA の場合の発生損失 2,715W
・ 定格 300kVA 変圧器にて負荷容量 200kVA の場合の発生損失 1,733W（− 982W）
・ 定格 500kVA 変圧器にて負荷容量 200kVA の場合の発生損失 1,305W（− 1,410W）
したがって，負荷容量が 200kVA であれば，変圧器容量としては定格 200kVA のもので容量的には十分で
すが，定格 200kVA で運転するのに比べ 300kVA，500kVA の変圧器で 1 年間（8,760h ＝ 24 ｈ ×365 日）
運転すると，電力量料金単価を 11 円／ kWh として，次のような電力料金節減効果が得られます。
・ 定格 300kVA で運転： 0.982kW×8,760h×11 円／ kWh ＝ 95 千円／年
・ 定格 500kVA で運転： 1.410kW×8,760h×11 円／ kWh ＝ 136 千円／年
2
（b）負荷容量 50kVA を定格 200kVA，300kVA，500kVA で運転した場合の発生損失
表 1.1 より，
・ 定格 200kVA 変圧器にて負荷容量 50kVA の場合の発生損失 484W
・ 定格 300kVA 変圧器にて負荷容量 50kVA の場合の発生損失 572W（＋ 88W）
・ 定格 500kVA 変圧器にて負荷容量 50kVA の場合の発生損失 677W（＋ 193W）
したがって，変圧器容量に対し負荷容量が極端に少ない場合は，損失が大きくなり，電力量料金単価を
11 円／ kWh として，次のように電力量料金も増加します。
・ 定格 300kVA で運転： 0.088kW×8,760h×11 円／ kWh ＝ 8 千円／年
・ 定格 500kVA で運転： 0.193kW×8,760h×11 円／ kWh ＝ 19 千円／年
以上のことから，負荷の大きさに応じ変圧器を新たに選定する場合は，変圧器のイニシャルコストを無視
していえば，変圧器の負荷率が最高効率点近傍となるように変圧器容量を選定すれば良いといえます。
トップランナー変圧器の最高効率点（負荷率）は 30 ∼ 40％前後です。変圧器は長年に渡り使用するもの
であり，イニシャルコストを考慮する場合も，変圧器容量に対し負荷が 50 ∼ 60% 程度になるような容量
選定をするのが総合的に経済的といえます。
既設変圧器を使用する場合は各々の変圧器の特性に応じ，その負荷における発生損失を計算し，本当にそ
の変圧器を使用するのが経済的なのかどうかを個別に判断する必要があります。既設変圧器の特性は，製
品の試験成績書に記載されていますが，機種，製造年，製造番号などを連絡すればメーカーにて無負荷損，
負荷損が判明，あるいは推定できます。
② 変圧器運転時発生損失の計算方法
変圧器の運転による発生損失は無負荷損（＝鉄損）と負荷損（＝銅損）があり，無負荷損は負荷の大小に
係りなく常に一定に発生し，負荷損は負荷率の２乗に比例して発生しますので，下記により計算できます。
Ｗ T ＝Ｗｉ＋Ｐ２×Ｗｃ（Ｗ）
ここに
Ｗ T
：変圧器の発生損失（Ｗ）
Ｐ
：負荷率（例 50％なら 0.5）
Ｗｉ
：変圧器の無負荷損（Ｗ）
Ｗｃ
：変圧器の負荷損（Ｗ）
③ 変圧器最高効率点（負荷率）の計算方法
変圧器の最高効率点（負荷率）は，下記により計算できます。
Pmax = Wi/Wc
ここに
Pmax = 変圧器の最高効率点（例 0.4 ⇒ 40％）
表 1.1 に示した 3 φ 500kVA 50Hz 器の例で言えば，
Ｗｉ＝ 635 Ｗ
Ｗｃ＝ 4,185 Ｗ
より，Pmax = 635/4,185 ≒ 0.39 ⇒負荷率 39％が最高効率点であり，この例では変圧器容量は 500kVA
ですから，500kVA × 0.39 ＝ 195kVA 程度で運転するのが最も省エネルギーになります。
一般には運転すべき負荷が決まっていて，その負荷をどのような変圧器で電力を供給するかを検討するの
ですから，既設変圧器について表 1.1 に示しましたように，負荷容量別の損失値を検討し，最も低損失と
3
なる組合せを選定します。その上で，いくつかの選定が可能なのであれば，上述のように変圧器の最高効
率点を考慮して決定すればベストです。
この結果，負荷の大きさからみて運転する変圧器の集約・分散を行うことになりますが，結論として低負
荷率で運転している変圧器の負荷は他の変圧器に集約し，逆に高負荷率で運転している変圧器の負荷は他
の変圧器に分散するのが有効です。
④ 実効平均負荷率の計算方法
変圧器の負荷は季節や曜日，時間により変動することであり，変動負荷が図 1.2 に示すものであれば，図 1.3
に示すような近似を行ったうえで，下記のような実効平均負荷率に整理して検討します。
Pe ＝
P12T1 ＋ P22T2 ＋…＋ Pj2Tj ＋…＋ Pk2Tk
T1 ＋ T2 ＋…＋ Tj ＋…＋ Tk
ここに，
Pe：実効平均負荷率
P1，P2，…Pj，…，Pk：各時間区分毎の負荷容量（ｋＶＡ）
T1，T2，…Tj，…，Tk：各時間（h）
図 1.2 負荷曲線 図 1.3 負荷曲線の階段状近似負荷
（3）具体例（三菱電機製品の場合）
① トップランナー変圧器
総合資源エネルギー調査会省エネルギー基準部会で，平成 13 年 1 月に省エネルギー法の特定機器として
高圧受配電用変圧器の追加が決定され，その満たすべき特性の基準が平成 14 年 12 月に経済産業省告示第
438 号として公布されました。その満たすべき特性はエネルギー消費効率の基準値といい，油入変圧器に
ついては JIS C 4304：2005「配電用 6kV 油入変圧器」
，モールド変圧器については JIS C 4306 ：2005「配
電用 6kV モールド変圧器」，また JIS 規格に該当しない準標準的な仕様のものは JEM 1482「特定機器対応
の高圧受配電用油入変圧器におけるエネルギー消費効率の基準値」及び JEM 1483「特定機器対応の高圧
受配電用モールド変圧器におけるエネルギー消費効率の基準値」により変圧器の製造規格としても規定さ
れています。
エネルギー消費効率の基準値は，国がその設定にあたり実際に使用されている状況での省エネルギー効果
を狙って負荷率の実態調査を行い，その結果から目標基準値を定める負荷率を定めています。この負荷率
を基準負荷率といい，次のようになっています。
基準負荷率：500kVA 以下 40％，500kVA 超過 50％
また，達成すべき目標年度はできる限り早期の目標達成の実現を前提に省エネルギー化のための技術開発
期間，設計変更及び生産準備期間等を踏まえ，以下のように設定されました。
目標年度： 油入変圧器
モールド変圧器
4
2006 年度（2006 年 4 月出荷分から）
2007 年度（2007 年 4 月出荷分から）