三相交流とは？仕組み・120°の意味・電線が3本で済む理由を図解

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お悩み

こんなふうに思っていませんか？

三相交流とは何か、ひとことで説明できない
なぜ「120°」ずらすのか、なぜ電線が3本で済むのかがわからない
工場の「動力」や「三相200V」が、家のコンセントと何が違うのかピンとこない

この記事でわかること

三相交流の意味と、3つの波が120°ずつずれている理由
帰りの電線がいらず、3本で済む仕組み（動く図と計算つき）
工場やビルで三相が使われる3つの理由と、線間電圧・相電圧の入口
発電所から家と工場まで、三相交流がどう届くか

結論｜まず30秒でわかる答え

三相交流とは、大きさと周波数が同じで、タイミング（位相）が120°ずつずれた3つの交流を、3本の電線でまとめて送る方式です。3つの電流を足すといつでもゼロになるので帰りの電線がいらず、単相より少ない電線で多くの電力を送れます。電力が途切れず一定で、モーターを回す回転磁界も自然に作れるため、発電所から工場の動力まで三相交流が使われています。

家のコンセントの「単相」とのちがいは、1つの波を2本（または3本）の電線で送るか、120°ずれた3つの波を3本で送るかです。単相200Vと三相200Vの見分け方は単相と三相の違いで。

三相交流とは何かを表すアイキャッチ。赤・緑・青の3つの波が120°ずつずれて並んでいる — 120°ずつずれた3つの交流の波

三相交流とは？120°ずつずれた3つの交流をまとめたもの

三相交流は、同じ形の交流を3つ、タイミングを120°ずつずらして組み合わせたものです。家のコンセントの交流は、1つの波（正弦波）で電気を送る「単相（たんそう）交流」です。三相交流は、この波を3つ使います。

「交流そのものがまだあいまい」という場合は、交流とは？直流との違いと正弦波・周波数・実効値で、向きが入れ替わる電気・正弦波・周波数・実効値の基本から確かめられます。

3つの波は、大きさ（振幅）も周波数（1秒間に何回プラスとマイナスを行き来するか）もまったく同じです。違うのは、山が来るタイミングだけ。このタイミングのずれを「位相（いそう）」といい、三相交流では1周期（360°）を3等分した120°ずつずれています。それぞれの波を「a相・b相・c相」のように呼びます。

式で書くと

a相：v_a ＝ V_m sin ωt
b相：v_b ＝ V_m sin（ωt − 120°）
c相：v_c ＝ V_m sin（ωt − 240°）

V_mは波の高さ（最大値）、ωtは時間とともに進む角度です。3つの式の違いは「−120°」「−240°」のずれだけです。

図：3つの波が「120°ずつ」ズレて追いかけっこする

a相（基準） b相（120°おくれ） c相（240°おくれ）

3つの山は同じ形・同じ高さ。違うのは「到着するタイミング」だけです。● が山のてっぺんにいる瞬間、● と ● はそろって −0.5。＋1.0 −0.5 −0.5 ＝ 0 ── 何時どの瞬間を切り取っても、3つの合計はゼロになります。

たとえると

3人でボートをこぐ場面を想像してください。3人が同時にオールを入れると、ボートは「グイッ、止まる、グイッ」とぎくしゃく進みます。3人がタイミングを3等分してずらしてこげば、いつも誰かが水をかいているので、ボートはなめらかに進みます。三相交流は、この「タイミングを3等分してずらす」こぎ方を電気でやっているのです。

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POINT

つまり、三相交流は「同じ交流3つを、120°ずつずらしてまとめたもの」です。三相電源（三相交流を出す電源）とは、この3つの電圧を同時に出す電源のことです。

三相交流の3つの波の図。a相が山のときb相とc相は−0.5で、足すと0になる — a相が山のときb相とc相は−0.5で、合計は0

三相交流は、1つの交流(正弦波)を3つ組み合わせたものです。交流そのものの基本は次の記事で確かめられます。

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なぜ120°ずれるの？発電機の中に3つのコイルがあるから

120°のずれは、発電機の中に3つのコイルが120°おきに並んでいることから生まれます。発電所の発電機は、磁石（回転子）をぐるぐる回し、その周りに置いたコイル（電線を巻いたもの）に電気を起こします。

磁石の近くをコイルが通ると電圧が上がり、離れると下がり、反対向きになると逆向きの電圧が出ます。これが交流の正体です。ここで、コイルを1つではなく、円の周りに120°おきに3つ置いておくとどうなるでしょうか。

STEP 1

回る磁石が、まずa相のコイルの前を通る。a相の電圧が山になる。

STEP 2

磁石が120°回ると、b相のコイルの前に来る。b相の電圧が山になる。

STEP 3

さらに120°回ると、c相のコイルの前に来る。c相の電圧が山になる。そしてまたa相へ。

磁石は1つで、同じ速さで回っているので、3つのコイルに出る電圧は大きさも周波数も同じです。置いた場所が120°ずつ違うので、山が来るタイミングも120°ずつずれます。1台の発電機から、3つの交流が同時に取り出せるわけです。

注意｜ここで間違えやすい

「三相＝3つの別々の発電機」ではありません。1台の発電機の中の3つのコイルから出ているので、3つの波はいつも同じ周波数で、ずれは120°のまま変わりません。この「大きさが同じで、120°ずつきれいにずれた」状態を、対称三相交流といいます。

三相交流が120°ずれる理由の図。発電機の中に3つのコイルが120°おきに並び、回る磁石が順に電圧を起こす — 120°おきに並ぶ3つのコイルが三相交流をつくる

なぜ電線が3本で済むの？3つの電流の合計がいつもゼロだから

三相交流では3つの電流の合計がいつもゼロになるので、帰りの電線がいりません。だから、3つの交流を送るのに電線は3本で済みます。

ふつうの単相交流は、行きの電線と帰りの電線の2本で1組です。3つの交流をばらばらに送ると、2本×3組＝6本の電線が必要です。ところが三相交流では、ある瞬間に1本の電線から出ていった電流は、ほかの2本を通ってちょうど全部戻ってきます。3本がおたがいの帰り道を兼ねているのです。

図：帰り線はどこへ消えた？──単相・直流と比べてみる

帰り線は消えていません。「残りの2本」が帰り線を兼ねているのです。
①の単相・直流は、行きの相棒として帰り線が必ず1本セットで必要でした（直流の＋と−も同じ）。
②の三相では、a相が1.0A送り出す瞬間、b相とc相が0.5Aずつ持ち帰っています。しかも行き役は120°ごとにa→b→cと交代するので、「この線が帰り専用」という線が1本も存在しません。
そして「3つの合計が0」とは、出ていった量と戻ってきた量がぴったり同じ＝余りが出ないという意味。余りが出ないから、余りを流すための帰り線がいらないのです。

本当にゼロになる？ある瞬間で計算してみる

a相の波がちょうど山（ωt＝90°）にある瞬間で確かめます。わかりやすくするため、波の高さV_mを1とします。

a相

sin 90° ＝ ＋1.0

b相

sin（90° − 120°）＝ sin（−30°）＝ −0.5

c相

sin（90° − 240°）＝ sin（−150°）＝ −0.5

合計

＋1.0 ＋（−0.5）＋（−0.5）＝ 0

a相から1.0の電流が出ていく瞬間、b相とc相からは0.5ずつ戻ってきています。どの瞬間で計算しても、合計は0になります（3つの負荷が同じ大きさの「平衡」のとき）。合計が0なので、余りを流すための帰り線がいらないのです。

POINT

つまり、帰り線は消えたのではなく、ほかの2本が帰り線を兼ねています。しかも「行き役」は120°ごとにa→b→cと交代するので、帰り専用の電線は1本もありません。

三相交流で電線が3本で済む理由の図。単相で3回路送ると6本、三相ならほかの2本が帰り線を兼ねて3本 — 単相3回路は6本、三相は3本で送れる

三相交流が使われる3つの理由｜電線・電力・モーター

三相交流が使われる理由は、電線が少なくて済む・電力が一定・モーターを回しやすい、の3つです。どれも、大きな電力を扱う発電所・送電線・工場で大きな差になります。

理由1：電線1本あたりに送れる電力が大きい

同じ太さの電線（流せる電流が同じ）と、同じ電線どうしの電圧で比べてみます。条件は、電線どうしの電圧200V、電線1本に流せる電流10A、力率（電気が仕事に使われる割合）1とします。

方式	送れる電力	電線の本数	電線1本あたり
単相2線式	200 × 10 ＝ 2,000W	2本	2,000 ÷ 2 ＝ 1,000W
三相3線式	√3 × 200 × 10 ≒ 3,464W	3本	3,464 ÷ 3 ≒ 1,155W

三相の電力の式 P＝√3VI の√3（約1.732）は、三相の電圧と電流の関係から出てくる数です。電線1本あたりで比べると、1,155 ÷ 1,000 ≒ 1.15。三相3線式は、単相2線式より電線1本あたり約1.15倍の電力を送れます。何百kmもの送電線や、工場中の配線で考えると、この差は電線の量と工事費に大きく効きます。

理由2：電力が途切れず一定

単相交流は、電圧がゼロを通るたびに、その瞬間の電力もゼロになります。1秒間に100回（50Hzの場合）も電力が脈打っているのです。三相交流では、1つの相がゼロのときもほかの2つの相が電力を送っているので、3つの相の電力を合計すると、どの瞬間も同じ値で一定になります（平衡のとき）。モーターの回転がなめらかになり、振動や音が小さくなります。

理由3：モーターを回す「回転磁界」が自然にできる

モーターの周りに3つのコイルを120°おきに置き、三相交流を流すと、磁石の力の向き（磁界）がぐるぐる回ります。これを回転磁界といいます。中の回転子はこの回る磁界に引っぱられて回るので、三相のモーター（三相誘導電動機）は特別な仕掛けなしで回り始めます。単相のモーターは、そのままでは回り始めないので、コンデンサなどの始動用の仕掛けが必要です。

POINT

つまり、三相交流は「少ない電線で、途切れない電力を、モーターに使いやすい形で」送れる方式です。大きな電力を使う所ほど、三相のありがたみが大きくなります。

三相交流が使われる3つの理由の図。電線1本あたりの電力が約1.15倍、電力が一定、回転磁界でモーターが回る — 三相交流が使われる3つの理由

三相の電圧は2種類｜線間電圧と相電圧の入口

三相交流には「線間電圧」と「相電圧」の2つの電圧があり、ふつう「三相200V」と言うときは線間電圧です。ここが三相でいちばん混乱しやすいところなので、入口だけ押さえておきましょう。

電圧	どこの電圧か
線間電圧	3本の電線のうち、2本の間の電圧。銘板や「三相200V」の200Vはこちら
相電圧	1つの相（1つのコイルや負荷）にかかる電圧

3つのコイルのつなぎ方には、Y結線（スター結線：3つの端を1点に集める）とΔ結線（デルタ結線：三角形につなぐ）があります。Y結線では、線間電圧は相電圧の√3倍（約1.73倍）です。たとえば相電圧が115.5Vなら、線間電圧は 115.5 × 1.732 ≒ 200V です。Δ結線では、線間電圧と相電圧は同じです。

なぜY結線だと√3倍になるのかを図で納得する

注意｜ここで間違えやすい

計算問題で「三相200V」とあれば、まず線間電圧と考えます。相電圧で計算するのか、線間電圧で計算するのかをそろえないと、答えが√3倍ずれます。三相の電力の式 P＝√3VIcosθ のVとIも、線間電圧と線電流（電線を流れる電流）です。

三相交流の線間電圧と相電圧の図。Y結線では線間電圧が相電圧の√3倍で、三相200Vは線間電圧 — Y結線では線間電圧は相電圧の√3倍

三相交流は、理論・電力・機械の3科目にまたがって出てきます。最初のつまずきを残したまま進むと、あとの科目で同じところに戻ることになります。独学で順番に迷ったら、科目のつながりに沿って進む通信講座も選択肢です。SATの電験三種講座(第三種電気主任技術者講座)は、フルカラーのテキストと講義動画で学べて、質問のサポートもついています。料金・内容は公式サイトで確かめてください。

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三相交流はどこで使われている？発電所から家と工場まで

電気は発電所で三相交流として作られ、送電線と配電線も三相のまま運ばれます。家に入る直前で単相に分けられ、工場やビルには三相のまま届きます。

発電所

発電機で三相交流を作る。

送電線・変電所

高い電圧の三相交流で遠くまで送り、変電所で少しずつ電圧を下げる。鉄塔の電線が3本1組（またはその倍数）なのはこのため。

配電線

街の電柱の上を通る6,600Vの三相3線式。

家と工場

家：電柱の上の柱上変圧器が、三相のうち2本から100V・200Vの単相に下げて届ける。
工場・ビル：三相のまま受け取り、モーターやポンプ、エアコンの室外機などの「動力」に三相200Vを使う。

つまり、家のコンセントの単相交流も、もとをたどれば三相交流の一部です。家ではモーターの大きな機械を使わないので、配線が簡単な単相で十分なのです。単相と三相の使い分けや、単相200Vと三相200Vの見分け方は、次の記事でくわしく解説しています。

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相順（相回転）とは？2本を入れ替えるとモーターが逆に回る

相順とは、3つの相の山がどの順番で来るかのことで、電線を2本入れ替えると逆になります。相回転ともいいます。

正相（a → b → c）

山がa相→b相→c相の順に来る
回転磁界が決められた向きに回る
モーターが正しい向きに回る

逆相（a → c → b）

3本のうち2本を入れ替えると、この順になる
回転磁界が逆向きに回る
モーターが逆に回る

三相のモーターは、配線を2本入れ替えるだけで回る向きが変わります。ポンプやファンが逆に回ると、水や風が送れないだけでなく、機械を傷めることもあります。そのため、工事のあとには検相器（相順を確かめる測定器）で相順を確認します。逆に、この性質を使って、コンベヤを正転・逆転させる回路も作られています。

POINT

つまり、三相では「3本のどれをどこにつなぐか」に意味があります。単相のコンセントのように、どちら向きに挿しても同じ、とはいきません。

三相交流の相順の図。電線を2本入れ替えると相順が逆になり、モーターが逆に回る — 電線を2本入れ替えるとモーターは逆に回る

3つの波の大きさと間隔がそろった「対称三相交流」の意味は、次の記事で図解しています。

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三相交流でよくある間違い

三相交流は、言葉のイメージで誤解しやすいところがいくつかあります。よくある間違いと、正しい考え方を並べました。

よくある間違い	正しい考え方
「三相200V」は、1つの相に200Vかかっている	200Vは電線2本の間の線間電圧。Y結線なら1相あたりは約115.5V
合計がゼロなら、電流は流れていない	それぞれの電線には電流が流れている。行きと帰りがぴったり打ち消し合うだけ
三相の電力は、単相の電力の3倍	線間電圧と線電流で計算すると P＝√3VIcosθ。3倍ではなく√3倍の形になる
3本の電線は、どこにつないでも同じ	2本を入れ替えると相順が逆になり、モーターが逆に回る
負荷がばらばらでも、帰り線はいらない	合計がゼロになるのは3つの負荷が同じ（平衡）とき。不平衡では差の電流が残るので、中性線（4本目の電線）を使う方式もある