三相交流とは？単相との違いとポンプの使い分け・選び方

三相交流とは、三つの相を組み合わせた交流で、平衡時は同じ大きさ・周波数の波が電気角120°ずつずれます。工場のポンプでは三相モーターを回す電源として使われ、単相との選択は既設電源と必要性能から決まります。

小型ポンプには単相と三相の両方が用意される機種があります。同じ出力でも接続する電源や始動方式が異なるため、購入時には電気仕様とポンプの仕様を一緒に読みます。

動画では三相交流の基本を紹介しています。120°は電気角であり、発電所から届く電気は設備に合う電圧へ変圧して使う点、小型ポンプにも選定条件がある点を本文で補足しています。

動画内の「電線の太さが流れる電流を決める」という説明は、負荷電流と許容電流を分けて読み替えます。単相の始動の話は単相誘導電動機が対象で、配線本数の比較条件も本文で整理しています。

三相交流は何に使われる？

三相交流は、発電機から送配電設備、工場の大型回転機まで広く使われます。電気をつくる・運ぶ・回転力に変えるという一連の流れに適した方式で、ポンプや送風機の動力を支えています。

• 発電所：タービンなどの回転力を発電機で電気に変える
• 送配電：三相の電力を変電所や配電設備を通して需要先へ運ぶ
• 工場の動力：ポンプ・ファン・圧縮機などのモーターを回す

三つの波が120°ずつずれる

交流は、電圧の極性や電流の向きが周期的に変わる電気です。平衡した正弦波の三相交流では、大きさと周波数がそろった三つの波が、1周期の3分の1ずつずれて繰り返されます。

波の繰り返しの中で、どの位置にいるかを位相と呼びます。1周期を360°で表すため、3分の1周期のずれは120°となり、三つの相をR・S・Tなどの記号で区別します。

図1：三相の電圧波形と1/3周期のずれ

各相と中性点の間の電圧を同じ軸に重ねた概念図。山の位置が120°ずつ移ります。

三相平衡の正弦波を模式化しています。曲線の色は相の区別であり、実際の電線の識別色を指定するものではありません。

例えば50Hzでは、1秒間に50回繰り返すので1周期は20msです。120°の位相差は約6.67msの時間差に相当し、60Hzでは1周期が短くなるため時間差も変わります。

この120°は波形の位相を表す電気角で、モーターの外観を三等分した角度とは区別します。電源の波形と機械内部の配置を分けて考えると、極数の違いにも対応できます。

単相200Vと三相200Vの違い

単相にも100Vだけでなく200Vの電源があります。200Vという数字が一致していても、相数が違えばモーターの設計と接続方法が異なり、同じ機器として置き換えられません。

一般に「三相200V」は、電源線同士の間の電圧を表しています。一つの巻線にかかる電圧との関係は結線で変わるので、線間電圧と相電圧を分けて読むのが出発点です。

単相3線式と三相3線式は、どちらも主幹の電線が3本です。接地線も含めたケーブルの芯数やコンセントの見た目だけで判定せず、配電図と機器の銘板の相数を照合します。

なぜ三相交流が用いられる？

三相が使われる理由は、電力を効率よく運び、回転磁界をつくりやすいためです。送電での導体の使い方と、モーター内部での磁界の動きを分けて見ると、それぞれの利点が分かります。

発電からポンプまで電圧を変えて届ける

発電機は、タービンなどから受けた回転力を電気に変えます。三相発電機では巻線と回転する磁界の関係を利用し、互いに位相のずれた三相の電圧を取り出します。

発電後の電力は、変圧器で高い電圧にして長距離を送り、需要先へ近づくにつれて下げます。同じ電力を送るなら電圧を高くすると電流が小さくなり、電線の抵抗による発熱損失を抑えられます。

工場が高圧で受電していても、低圧モーターには構内変圧器で適切な電圧へ下げて供給します。高圧モーターを採用する場合も、送電線へ直接つなぐのでなく、受配電設備と保護を通します。

ポンプの電源は、発電所の電圧をそのまま使うという理解では選べません。構内の400V・200V・100Vの使い分けとモーターの定格を対応させることが必要です。

交流は変圧器で電圧を変えやすく、送配電と利用設備を組み合わせやすい特徴があります。一方で直流送電も実用化されており、三相交流はすべての送電方式に優先する唯一の選択肢ではありません。

三相電流で回転磁界をつくる

三相誘導電動機は、固定子の巻線に流す三相電流で回転磁界をつくります。かご形の回転子には電磁誘導で電流が生じ、その電流と磁界の作用によって回転する力が生まれます。

図2：巻線の配置と回転磁界を区別する

2極機の各相の磁気軸を簡略表示。実際には各相の巻線が複数の溝へ分布します。

R軸の上端、S軸の右下端、T軸の左下端を各相の磁気軸の正方向とした模式図。R→S→Tの相順で図の時計方向に回ります。結線作業用の配線図ではありません。

巻線の各相の磁気軸は、電気角で120°ずつずらして配置されます。2極機では機械角でも120°ですが、4極機では60°に相当するため、すべての機械に同じ配置角を当てはめません。

磁界の回転速度は電源周波数と極数で決まり、4極50Hzなら同期速度は1500r/minです。誘導電動機の通常の電動運転では回転子がこれより少し遅く回り、この速度差によって誘導電流と回転力が生じます。

回転数の計算とすべりは、モーターの極数と回転数で整理しています。発電側も含めた構造の違いは、同期機と誘導機の違いが理解の助けになります。

単相誘導電動機では、単一の巻線だけでは静止時に一定方向への始動トルクを得られません。コンデンサと補助巻線などで位相差をつくり、始動できる構造にした製品が使われます。

この説明は単相誘導電動機の原理で、単相電源を使う全モーターに共通する制約ではありません。三相でも電源容量や負荷に応じた始動法が必要で、回転磁界を得られることと設備を安全に始動できることは別です。

3本で送れる理由と平衡の条件

平衡した正弦波の三相電流では、各相の瞬時値を足すとゼロになります。三つの相が互いの電流の戻り道を担うため、動力用の三相3線式では中性線を引かずに電力を送れます。

図3：単相の独立3回路と三相3線式の本数

独立した往復線をまとめる仕組みの比較。電圧・総電力をそろえた導体量の比較は図4で別に扱います。

中性線がないことと、接地が不要なことは別の話です。保護接地線は漏電時などの安全に関わる導体であり、三相の電流が打ち消し合うという理由で省略するものではありません。

三相4線式では中性線を設け、単相負荷も接続する構成があります。相ごとの負荷が不均等な場合や高調波がある場合は中性線電流が生じるため、平衡正弦波の説明をそのまま広げません。

三相3線式でも負荷や電圧が不平衡になれば、各相を同じ値として計算できなくなります。特に電子機器を含む系統では、高調波の原因と影響も電源計画の論点になります。

電流と電線の太さを分けて考える

電線の太さは、安全に流せる電流や電圧降下に関係します。一方、負荷に流れる電流は電圧と負荷の性質で決まるため、太い電線へ替えるだけでモーターの必要電流を決めることはできません。

単相と三相の比較では、電圧・総電力・力率をそろえる必要があります。ここでは正弦波の電源で、電気入力3kW・線間200V・力率0.8を共通条件として電流を計算します。

図4：同じ電気入力3kWを送るときの電流

単相2線式と平衡三相3線式を比較。モーターの軸出力ではなく、電源から受け取る電力をそろえています。

単相の線電流

I₁ ＝ PV cosφ ＝ 3000200 × 0.8 ＝ 18.75 A

平衡三相の線電流

I₃ ＝ P√3 V cosφ ＝ 3000√3 × 200 × 0.8 ≒ 10.83 A

P：有効電力［W］、V：線間電圧の実効値［V］、cosφ：力率、I₁：単相の線電流の実効値［A］、I₃：三相の線電流の実効値［A］。三相は平衡した正弦波を仮定。

比較条件	単相2線式	三相3線式
電気入力・電圧・力率	3kW・200V・0.8	3kW・200V・0.8
線電流	18.75A	約10.83A
同じ線径なら線路損失	基準の1	基準の1/2
同じ線路損失にそろえる導体量	基準の1	基準の3/4

導体は同じ材料・長さ、抵抗は断面積に反比例する理想比較。保護接地、許容電流、施工条件、標準線径、機器費用は別途検討します。

この条件では三相の線電流は単相の約0.577倍です。同じ材料・長さ・線径なら電線1本の抵抗は同じなので、本数と電流の二乗を掛けた線路損失は三相が単相の半分になります。

さらに線路損失が同じになるまで三相側の断面積を小さくすると、1本の断面積は単相側の半分になります。本数は2本から3本へ増えるため、合計導体量は4分の3となる理想比較です。

実際のケーブルには許容電流や敷設条件、電圧降下などの制約があります。小型機では標準線径が同じになる場合もあり、導体量の比をそのまま工事費や電気代の削減率にはできません。

モーター銘板のkWは通常は軸出力であり、電気入力とは区別します。ポンプが水へ渡す動力まで含めると損失が重なるので、ポンプ効率とモーター効率を分けて見積もります。

力率は有効電力と皮相電力の比で、効率は軸出力と電気入力の比です。力率0.8だから入力の20％がモーターで失われるという意味ではなく、電流計算に使う力率と入力計算に使う効率を分けます。

例えば軸出力3kW・効率90％なら、電気入力は約3.33kWとなります。これを線間200V・力率0.8の平衡三相で供給すると約12.03Aとなり、図4の電気入力3kWの例より大きい電流になります。

ポンプの三相と単相の使い分けは？

小型ポンプの相数は、利用できる電源と、必要な運転条件に合う機種から選びます。単相と三相の両仕様がある場合も、出力だけを見て「どちらでもよい」と判断しないことが大切です。

単相100Vなら、設置場所の既設回路を利用しやすい場合があります。ただし近くにコンセントがあることだけでは足りず、回路容量とポンプの始動時の条件まで含めて適否を判断します。

三相電源がある工場では、動力を三相系統に統一すると管理しやすくなります。予備品や制御盤の共通化にもつながるため、ポンプ単体の購入価格と構内設備全体の費用を分けて比較します。

既設電源とポンプ性能を先にそろえる

交換時は、既設ポンプとモーターの銘板、電気図面、納入仕様書をそろえます。既設品の型式だけで探すより、電源条件と必要な流量・揚程をメーカーへ伝えると比較の前提が明確になります。

図5：単相・三相ポンプの見積を照合する順番

電源、液を送る性能、始動と保護の条件を合わせてから価格を比較します。

照合する項目	単相の候補	三相の候補
電源との一致	単相・定格電圧・周波数	三相・定格電圧・周波数
ポンプの運転点	同じ液質、流量、全揚程で性能曲線を比較
始動と配線	始動方式、始動電流、回路容量	始動方式、始動電流、電圧降下
保護と接続	過負荷・漏電など、端子と接地	過負荷・漏電・欠相など、端子と接地
構内の運用	動力系統の規約、予備品、制御方式、保守スペース

「1kW以下なら自由に選べる」といった普遍的な境界は置きません。製品ごとの仕様と設置条件で選びます。

例えば出力が同じでも、周波数や羽根車の仕様が違えば性能曲線が異なります。必要流量でどれだけ揚程が出るかを見て、配管抵抗との交点である運転点が目的に合うかを比べます。

50Hz専用と60Hz専用のポンプは、異なる周波数の電源で使いません。性能低下やモーター焼損を招くため、共用形を含め、流量と圧力の関係だけでなく銘板の周波数と取扱説明書に適合させます。

カタログの最大流量と最大揚程を、同時に得られる性能として扱うのも避けます。単相・三相の候補とも、実際に使う点で性能をそろえて初めて、同じ仕事をするポンプとして比較できます。

配線・始動・保護を一組で選ぶ

配線を選ぶときは定常運転の電流に加え、始動時の電流と電圧降下を考えます。長いケーブルの先では電圧が下がりやすく、回路容量に余裕があっても始動条件を満たさない場合があります。

三相誘導電動機では、欠相や電圧の不平衡も異常運転の原因になります。過負荷を検出するサーマルリレーの動作と、欠相などの保護機能の有無を制御盤仕様で区別します。

保護装置の設定は、取り付けたモーターの定格と始動方式に合わせます。停止が繰り返されるからといって設定電流だけを上げると、過負荷や機械側の異常を見逃す原因になります。

三相モーターの回転方向は相順にも左右され、逆回転ではポンプが必要性能を出せないことがあります。試運転は取扱説明書に従い、回転方向を本体の矢印と照合し、異常時は停止して電気担当者が原因を調べます。

工場の動力系統には、力率改善用の設備をまとめて設ける構成もあります。小型だから影響がないと扱わず、構内の設計基準と電気担当の管理方針に合わせることが、更新後の管理を簡単にします。

電源接続や結線の変更は、設備に応じた資格と権限を持つ担当者が実施します。電源の遮断・誤通電防止・無電圧の確認など、設備と作業に応じた手順を踏み、外観から推測した配線で試運転しないようにします。

回転数制御をするならインバータも含める

流量を変えたい場合は、相数と別に回転数制御の方式を決めます。三相モーターをインバータで駆動する構成でも、ポンプとモーターが対応する周波数範囲や冷却条件に合わせて使います。

単相入力・三相出力のインバータもありますが、入力と出力の相数は別の仕様です。単相モーターを三相用インバータへつなぐ発想ではなく、電源・インバータ・モーターの組合せとして選定します。

ポンプの省エネ効果は、流量を下げたときの軸動力と実際の揚程条件で変わります。弁で絞る運転との比較は、インバータで省エネになる仕組みも参考にできます。

三相の配線や保護を資格の勉強として学び直す場合は、第二種電気工事士などのSATの講座内容と受講料も比較材料にできます。

三相交流とポンプのよくある質問

三相200Vのポンプを単相200Vで使えますか？

電圧が同じだけでは使えず、三相モーターには対応した三相電源が必要です。単相から変換する場合は、メーカーが認めるインバータなどの構成を選び、入力容量とモーター適合も一緒に検討します。

単相のポンプは三相より電気代が高いですか？

相数だけで電気代の大小は決まりません。同じ流量・揚程・運転時間で電気入力を比較し、ポンプとモーターの効率、配線損失、契約条件まで含めて判断すると、実際の費用の差が分かります。

小型ポンプなら単相と三相のどちらでもよいですか？

両仕様を選べる機種でも、設置場所の電源と必要性能に合うものを選びます。1kWという出力だけを境界にせず、定格電圧、周波数、始動、保護、工場の動力設備のルールを順に照合します。

三相交流は中性線がいらないのですか？

動力用の三相3線式は中性線なしで使えますが、三相4線式もあります。平衡した正弦波の電流和がゼロになる性質と、負荷の不平衡や高調波による中性線電流、保護接地線の役割を分けて考えます。

三相モーターの120°は内部の角度ですか？

電源では波形の位相差、巻線では各相の磁気軸の電気角を表します。機械角との関係は極数によって変わるため、2極なら120°、4極なら60°と区別すると、配置図と波形を混同せず読めます。

まとめ

更新用ポンプを探すときは、既設の電源条件と必要な運転点を同じ紙に書き出すと比較しやすくなります。三相の波形や電力の基礎をさらに学ぶ場合は、三相交流の基本と工場のモーターもあわせてご覧ください。

出典

出典・参考資料（6件）を開く出典・参考資料を閉じる

• ポンプの定格・周波数・接地・回転方向：川本製作所「FSZ形 取扱説明書」
• 過負荷・欠相・反相保護と設定：荏原製作所「EWSB型 融雪ポンプ制御盤 取扱説明書」
• 性能曲線と運転点：Grundfos「How to read a pump curve?」
• 単相入力・三相出力の仕様例：三菱電機「汎用インバータ総合カタログ」
• 停電作業の措置：厚生労働省「労働安全衛生規則」第339条・第350条
• 直流送電の実用例：日立「電力の広域連系、長距離送電の実現に向けて」

• 巻線配置と電気角：日本電気技術者協会「誘導機の巻線配置と回転磁界」
• 誘導電動機・単相の始動：ニデック「誘導モータの回転原理」
• 同期速度とすべり：ニデック「誘導モータの特性」
• 電流・電力・始動時の電圧降下：三菱電機FA eラーニング「この章のまとめ」
• 変電所の役割：東京電力パワーグリッド「変電所」
• 配線方式と受電方式：Panasonic「配線方式」
• 中性線と高調波：Fluke「Troubleshooting Power Harmonics」
• インバータと単相モーター：オリエンタルモーター公式FAQ