工場のモーターの銘板や分電盤には、「3φ 200V」という表記がよく出てきます。φ（ファイ）は「相」を表す記号で、3φは三相交流の電源で動く機器という意味です。
三相交流は、周期が同じで120°ずつタイミングがずれた3つの交流を、3本の電線でまとめて送る方式です。少ない電線で大きな電力を送れることと、モーターを回す「回転磁界」を自然につくれることが、工場で使われる2つの理由です。
三相交流とは｜単相との違いを先に比べる
交流は、電圧の向きと大きさが周期的に入れ替わる電気で、家庭のコンセントに来ているのは、1つの波を2本の線で送る「単相交流」です。
三相交流は、大きさと周波数が同じで、位相が120°ずつずれた3つの交流をひと組にしたもので、位相は波のタイミングのことで、1周期を360°として表します。
3つの相は、電源側ではR・S・T、モーター側ではU・V・Wの記号で呼ぶことが多く、3本の電線でまとめて送ります。家庭向けの単相と、工場の動力向けの三相を並べると次のようになります。
単相3線式も電線は3本ですが、波は1つです。三相3線式は3本それぞれに別のタイミングの波が乗ります。
※パナソニック「配電方式（相線式）」の整理をもとに作成。実際の方式と電圧は、建物の受電設備や契約で変わります。
紛らわしいのが単相3線式で、電線は3本ですが、真ん中の中性線をはさんで100Vと200Vを取り出す方式で、波は1つしかありません。電線の本数ではなく、波の数とずれ方で見分けます。
表には出ない違いが2つあり、1つは電力の流れ方で、単相は電力が1周期に2回0まで落ち込みますが、三相は平衡負荷なら一定です。もう1つがモーターを回す回転磁界で、これは三相にしかありません。どちらも、3つの波が120°ずつずれていることから生まれる性質です。
3つの波が120°ずつずれる仕組み
三相交流をつくる発電機の中には、3組のコイルが120°ずつずらして置かれています。その中で磁石を回すと、磁石がそれぞれのコイルの前を通るタイミングが1/3周期ずつずれるため、3つの波もずれて生まれます。
3つの波を同じ時間軸に重ねたのが図2で、青がU相、黒がV相、破線がW相を表します。
3つの波は形も大きさも同じで、山が来るタイミングだけが1/3周期（120°）ずつずれています。
※対称三相（3相の振幅と周波数が等しく、位相が正確に120°ずつずれた正弦波）の場合。どの時点で縦に切っても、3つの電圧の和は0になります。
どの瞬間も3つの電圧の和は0になる
対称三相の電圧は、最大値をVm、角周波数をωとして、次の式で表せます（正弦波で、3相の振幅と周波数が等しいことが前提）。
vu＝Vm sin ωt、vv＝Vm sin(ωt−120°)、vw＝Vm sin(ωt−240°)
図2の30°の時点では、U相が＋0.5、V相が−1、W相が＋0.5で、足すと0です。3つの相に同じ大きさの負荷をつないだ状態を平衡負荷と呼び、平衡負荷なら3つの電流の和も0になり、帰り道の線がいりません。
三相を電線3本で送れるのは、この打ち消し合いのおかげで、3つの単相を別々に送れば6本必要なところを、半分の本数で済ませています。
矢印の長さが電圧の大きさ、向きが位相です。3本は120°ずつ開いていて、つなぐと三角形に閉じます。
※図2と同じ対称三相を表したものです。V相・W相は、U相から見て時計回りに120°・240°遅れています（反時計回りに回転させて見る慣例による）。
図2は時間の流れに沿った波の形、図3は同じ3つの電圧を「長さ＝大きさ、向き＝位相」の矢印で表したベクトル図です。電流の位相が電圧からずれる遅れ電流・進み電流も、同じベクトル図で考えます。
モーターの電流が電圧より遅れる理由は、力率と有効・無効電力の関係とあわせて押さえると理解が進みます。
「電圧の和が0」と「電力の合計が一定」は別の性質
ここで混同しやすいのが、電圧の和と電力の合計で、電圧の和が0なのは、対称三相の電圧そのものの性質です。
電力は電圧×電流なので、負荷のつなぎ方で変わります。単相では電圧も電流も0を通るため、電力は1周期に2回0まで落ち、脈を打つように流れます。
三相は、平衡負荷であれば3相分の電力を足した合計が時間によらず一定で、ある相の電力が減る瞬間に、ほかの相が補う形になります。モーターにとっては、受け取る電力に波がないため、回転のむらが出にくい電源になります。
送電で三相が有利な理由｜同じ条件で比べる
電線で電気を送ると、電線の抵抗で熱が出て電力の一部が失われます。損失は電流の2乗×抵抗で決まるため、同じ電力をより小さな電流で送れる方式ほど有利です。同じ電力を、同じ線間電圧・同じ電線で、単相2線式と三相3線式で送った場合を比べたのが図4です。
電線1本あたりの電流が小さくなるぶん、三相3線式は損失が単相2線式の半分になります。
損失：I²R × 2本 ＝ 2I²R
電線：2本
損失：(I/√3)²R × 3本 ＝ I²R
電線：3本
※前提：送る電力P・線間電圧V・力率cosθ・距離と電線の材質が同じ、負荷は3相に均等（平衡負荷）。I＝P÷(V×cosθ)、Rは電線1本の抵抗。前提が変われば結果も変わります。
単相2線式で流れる電流をIとすると、損失は行きと帰りの2本分で2I²Rです。三相3線式では1本あたりの電流がI÷√3まで下がり、3本分を足しても損失はI²Rです。
つまり電線は2本から3本に増えますが、損失は半分になります。損失を単相と同じにそろえるよう電線を細くすると、必要な電線の総量は単相2線式の75%で済みます。
ただし、この比較は図4の前提がそろっているときの話で、負荷が1つの相に偏っていたり、比べる電圧が違ったりすると、結果は変わります。「三相ならいつでも損失が半分」ではない点は押さえておきます。
電流を小さく保つという考え方は、工場の中でも同じで、力率が低いと同じ仕事でも電流が増えるため、進相コンデンサによる力率改善で電流を減らす工場は多くあります。
発電所から電柱の配電線まで、日本の電力網は三相が基本で、電線の量と損失を抑えながら大きな電力を運べることが、その理由の1つです。
工場のモーターで三相が使われる理由｜回転磁界
工場の電気の行き先で一番大きいのがモーターです。日本電機工業会の資料では、日本のモーターは約1億台で、全消費電力量の約55%、産業部門では約75%をモーターが使うと推計されています。
その主力が三相誘導モーターで、2015年4月に始まったトップランナー基準（省エネ法の効率基準）も、0.75〜375kWの三相かご形誘導電動機を対象にしています。
誘導モーターは、外側の固定子の巻線に電流を流して回転する磁界をつくり、その磁界に内側の回転子を引っ張らせて回ります。回転子には電源をつながず、磁界の動きで回転子に電流が誘導されるのが名前の由来です。
巻線は動かないのに、3つの電流の強さが順に入れ替わることで、磁界の向きだけが回っていきます。
※対称三相の電流を流した2極の場合。合成した磁界の大きさは一定（1相分の最大値の1.5倍）で、電源の1周期で1回転します。
三相の場合、3つの巻線を空間的に120°ずらして置き、120°ずつずれた電流を流すだけで、合成した磁界が大きさを保ったまま回り続けます。始動用の部品がいらず、構造が単純で丈夫なことが、ポンプ・ファン・コンベヤなど工場の動力に三相誘導モーターが広く使われる理由です。
単相モーターに補助巻線とコンデンサが要る理由
単相を1つの巻線に流すと、磁界は向きが行ったり来たりするだけの交番磁界になります。この磁界は回転しないため、止まっているモーターを回し始める力が生まれません。
単相は回転磁界を自分でつくれないため、補助の巻線とコンデンサで電流のタイミングをずらします。
※単相誘導モータは始動のしかたで、くま取りコイル形・分相始動形・コンデンサモータの3つに分かれます（STマイクロエレクトロニクスの解説）。
そこで単相モーターは、補助巻線とコンデンサで電流の位相をずらし、回転磁界に近い状態をつくって始動します。換気扇や小型のファンなど、単相の電源で動くモーターで使われる方式で、誘導・ブラシレス・サーボなど用途に応じた選び方は、次の記事で比べています。
回転数は周波数と極数で決まり、2本入れ替えると逆に回る
回転磁界の速さを同期速度と呼び、同期速度（min⁻¹）＝120×周波数f÷極数Pで求めます。50Hzの4極なら、120×50÷4＝1,500min⁻¹です。
誘導モーターは、磁界に引っ張られて回るしくみ上、実際の回転数は同期速度よりわずかに遅くなり、この差をすべりと呼びます。極数と回転数の早見表はモーターの極数と回転数の計算にまとめています。
回転の向きは、3つの相が並ぶ順番（相順）で決まります。電源の3本のうちどれか2本を入れ替えると相順が逆になり、モーターは逆に回ります。
逆に回したいときは配線を2本入れ替えるだけで済む一方、配線を戻し間違えると、ポンプやファンが逆回転したまま運転されます。
工場への届き方｜6,600Vから三相200Vと単相100V・200Vへ
東京電力パワーグリッドの説明では、配電線は特別高圧（22,000V）、高圧（6,600V）、低圧（200V・100V）に分かれ、街の電柱を通っている高圧の配電線は、三相の6,600Vです。
一般の家庭には、電柱の変圧器で200Vまたは100Vに下げてから届けられます。高圧で受電する工場は、構内のキュービクル（箱型の受変電設備）で6,600Vを受け、用途に合わせて下げて使います。
電柱までは三相の高圧で届き、工場の中で用途ごとに三相と単相に分けて使います。
※一例です。受電の電圧、構内の電圧（400V級を使う工場もある）、変圧器の構成は、工場の規模や設備によって変わります。
キュービクルの変圧器で、モーターやポンプ向けの三相200Vと、照明・コンセント向けの単相100V・200Vをつくり分けるのが典型的な構成です。大きな設備が多い工場では、400V級の三相を使うこともあります。
低圧で受電する小規模な工場や店舗では、動力と電灯を別々に契約するのが一般的です。東京電力エナジーパートナーの「低圧電力」は、モーターなどの動力を使い契約電力が原則50kW未満の需要向けで、標準電圧200V（三相3線式）で供給されます。
契約の区分や条件は電力会社とプランで異なるため、実際の内容は契約書や約款で確かめます。
現場で「3φ 200V」を扱うときの確認ポイント
保全や電気設計の現場で確かめたいのは、次の4つです。
三相ならではのトラブルは、電線3本の「そろい方」が崩れたときに起きます。
※点検で端子に触れる作業は、電源を遮断・施錠したうえで、資格と社内ルールに沿って進めます。
銘板の「200V」は線間電圧
三相機器の銘板にある200Vは、3本のうち2本の間の電圧（線間電圧）を指し、銘板の相数・電圧・周波数を、電源側の方式と照らし合わせるのが最初の確認です。
平衡負荷の三相電力は、P＝√3×線間電圧V×線電流I×力率cosθで求め、たとえば200V・10A・力率0.8なら、√3×200×10×0.8で約2.8kWの電力を受け取っている計算です。
運転中の電流値から負荷の状態を読む方法は、ポンプの電流値が決まる仕組みが参考になります。
相順：配線を替えたら回転方向を確かめる
モーターの交換や配線のやり替えをした後は、ごく短時間だけ通電して回転方向を見る、検相器で相順を確かめる、といった手順を踏みます。
ポンプやファンは逆回転でも音を立てて回ってしまうため、流量や風量が出ないまま異常に気づかないことがあり、試運転では回転方向の矢印表示と実際の向きを見比べます。
欠相：1本切れても回り続けることがある
欠相は、ヒューズの溶断や端子のゆるみ、断線などで3本のうち1本が途切れた状態で、回転磁界が崩れ、モーターは単相モーターのような動き方になります。
止まっている状態からは回り出しにくく、運転中なら負荷によっては回り続けますが、その間も残りの相に電流が集中して過電流になり、巻線の過熱や焼損につながります。
モーター回路では、電磁接触器と熱動形過負荷リレー（サーマルリレー）を組み合わせたモータスタータや、欠相を検出できる保護リレーで守るのが基本です。上流の遮断器の役割の違いはNFB（配線用遮断器）とELB（漏電遮断器）の違いで整理しています。
電圧不平衡：小さな電圧のずれが大きな電流のずれになる
電圧不平衡は、3つの線間電圧の大きさがそろわない状態で、わずかな電圧のずれでも、モーターに流れる電流は大きく偏ることがあり、発熱や寿命の低下につながります。
米国エネルギー省（DOE）の資料は、米国電機工業会（NEMA）の規格をもとに、モーター端子での電圧不平衡を1%以内に抑えるよう勧めています。1%を超えると、モーターの出力を下げて使う必要があるとしています。
不平衡率は、3つの線間電圧の平均からいちばん離れた値の差を、平均で割って求めます。たとえば203V・202V・210Vなら、平均205Vに対して最大の差が5Vで、約2.4%です。単相の負荷が特定の相に偏ってつながっていると、こうしたずれの原因になります。
まとめ
- 三相交流は、大きさと周波数が同じで位相が120°ずつずれた3つの交流を、3本の電線で送る方式
- 対称三相では3つの電圧の和が常に0。平衡負荷なら帰り道の線がいらず、電力の合計も一定になる
- 同じ電力・電圧・電線の条件なら、三相3線式の損失は単相2線式の半分
- 3つの巻線に三相電流を流すだけで回転磁界ができ、誘導モーターが補助の部品なしで回る
- 現場では銘板の線間電圧、相順（2本入れ替えで逆転）、欠相、電圧不平衡を確かめる
三相交流は、送電・受変電・モーター・保護のすべてに関わる電気の土台です。関わりの深い職種として設備保全や電気・電子設計の仕事も見ておくと、現場で三相に触れる場面が具体的になります。
工場の電気代や効率の話へ進むなら、工場の省エネとエネルギー管理の基本もあわせてご覧ください。
出典
出典・参考資料（12件）を開く出典・参考資料を閉じる
- 配電線の電圧区分：東京電力パワーグリッド「配電設備」
- 6,600Vの配電線から100〜200Vへの降圧：パナソニック「柱上変圧器」
- 配電方式（単相2線式・単相3線式・三相3線式）の電圧と用途：パナソニック「配電方式（相線式）」
- 低圧電力（三相3線式200V、原則50kW未満）：東京電力エナジーパートナー「低圧電力」
- モーターの台数と消費電力量の割合：日本電機工業会（JEMA）トップランナーモータ資料
- トップランナー基準の開始時期と対象：J-Net21（中小企業基盤整備機構）「トップランナーモータとは」
- 単相と三相の電力の違い：Fluke「単相電力と三相電力の違い」、Vertiv「三相電力とは」
- 単相誘導モータの始動方式：STマイクロエレクトロニクス「単相ACインダクション・モータ」
- 交番磁界と回転磁界：長崎大学 講義資料「第2章 誘導モータ」
- 欠相を検出する保護リレー：三菱電機「欠相・反相保護（電子式モータリレー）」
- 欠相・電圧不平衡の影響と計算例：DigiKey TechForum「三相モータの欠相と電圧不平衡」
- 電圧不平衡の目安（1%以内、NEMA MG 1）：米国エネルギー省「Eliminate Voltage Unbalance（Motor Systems Tip Sheet #7）」
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