おすすめの勉強方法って何かない？
特に消防設備士は過去問が公開されてない分、情報を集められたらそのまんま出るから全部ここで教えるわな！
本記事の信頼性
この記事をみれば消防設備士試験に出てくる電気に関する基礎的知識の "変圧器の原理と計算" がサービス問題になるはず！
最新ver.の過去問情報は、青木マーケ(株)noteの消防設備士「過去問テスト」で毎年更新しています。
👆併せて、ご参照ください。
変圧器の基本
変圧器（トランス）は、電磁誘導を利用して交流の電圧を高くしたり低くしたりする装置です。1つの鉄心に一次巻線と二次巻線を巻き、一次側に交流電圧を加えると鉄心の中に磁束が生まれ、その磁束が二次巻線を貫くことで相互誘導による電圧が二次側に発生します。
ここで絶対に忘れてはいけないのが、変圧器は交流でしか動かないということです。誘導起電力は「磁束が変化したとき」にしか生じません。直流電圧を加えると磁束が一定のままになるので二次側にはまったく電圧が出ず、それどころか一次巻線には抵抗分しか効かない大電流が流れて巻線を焼損します。試験では「変圧器は直流の電圧を変える装置である」という誤りの選択肢がそのまま出ます。
押さえるのはこれだけ
①変圧器の原理は電磁誘導（相互誘導）。交流専用で、直流では働かない。
②巻数比 a＝N₁／N₂＝V₁／V₂。巻数の比＝電圧の比。
③電流だけは逆比。I₂／I₁＝a、つまり巻数の多い側ほど電流は小さい。
④理想変圧器なら V₁I₁＝V₂I₂。一次で入れた電力と二次で取り出す電力は等しい。
なお、漏れ磁束がゼロで、巻線抵抗も鉄損も励磁電流もすべて無視できる変圧器を理想変圧器といいます。問題文に「ただし、この変圧器は理想変圧器とする」と書いてあれば、損失をいっさい考えず、上の公式をそのまま当てはめてよいという合図です。
身近な例では、電柱の上に載っている柱上変圧器が、配電線の 6600V を家庭用の 100V／200V に下げています。消防設備では、非常電源や誘導灯の電源回路などで登場します。
巻数比と変圧比
一次巻線の巻数を N₁、二次巻線の巻数を N₂ とすると、この比を巻数比 aといいます。そして一次電圧 V₁ と二次電圧 V₂ の比を変圧比といい、この2つはほぼ同じ値になります。
変圧比の公式
a ＝ N₁／N₂ ＝ V₁／V₂
巻数が多い側に高い電圧が出る、と覚えれば十分です。
巻数比のここが問われる
①巻数の多い側が高圧側
N₁＞N₂ なら V₁＞V₂ で、電圧を下げる降圧変圧器。逆に N₁＜N₂ なら電圧を上げる昇圧変圧器です。柱上変圧器（6600V→100V／200V）は降圧変圧器の代表例です。
②一次・二次は「電源側・負荷側」で決まる
電源に接続される巻線が一次巻線、負荷に接続される巻線が二次巻線です。電圧が高いほうが一次、という決まりではありません。昇圧変圧器なら一次側のほうが低圧になります。
③比は「1巻きあたりの電圧」で考えると速い
1つの鉄心を共有しているので、1巻きあたりに発生する電圧は一次も二次も同じです。V₁÷N₁＝V₂÷N₂ という形で立てても、まったく同じ答えになります。比の向きを間違えたときの保険になる考え方です。
計算例①：二次側の巻数を求める
一次電圧 6600V、二次電圧 220V の理想変圧器がある。一次巻線の巻数が 1200回のとき、二次巻線の巻数はいくらか。
①電圧から巻数比 a を出す
a ＝ V₁／V₂ ＝ 6600 ÷ 220 ＝ 30
②a を使って N₂ を出す
a ＝ N₁／N₂ なので、N₂ ＝ N₁ ÷ a
N₂ ＝ 1200 ÷ 30 ＝ 40回
③検算する
1巻きあたりの電圧で確かめます。一次側は 6600 ÷ 1200 ＝ 5.5V／巻。二次側は 5.5 × 40 ＝ 220V となり、問題の二次電圧と一致しました。
電圧が 6600V→220V と 30分の1になっているので、巻数も 1200回→40回 と 30分の1になっている。比が同じ方向に動いていれば正解です。
変流比と電力保存の公式
二次側に負荷をつなぐと、二次側に電流 I₂、一次側に電流 I₁ が流れます。損失がないものとすれば、一次側で供給した電力と二次側で消費される電力は等しくなります。
覚える公式はこの1本
V₁I₁ ＝ V₂I₂（理想変圧器の電力保存）
これを変形すると、I₁／I₂ ＝ V₂／V₁ ＝ N₂／N₁ ＝ 1／a
この I₁／I₂ を変流比といい、巻数比の逆数になります。
電流のほうを主役にして書けば、I₂／I₁ ＝ N₁／N₂ ＝ a です。
言葉で言えば、電圧を下げた側では電流が同じ倍率だけ増えるということです。電圧を10分の1にすれば電流は10倍になる。掛け算した電力は変わらない。これが電力保存則です。
「巻数比・変圧比・変流比」の言葉を整理する
3つとも似た名前なので、問題文に出てきたときに混乱しないよう一度整理しておきます。
3つの比の関係
巻数比 a ＝ N₁／N₂…一次巻線と二次巻線の巻数の比。すべての基準になる値です。
変圧比 ＝ V₁／V₂…一次電圧と二次電圧の比。巻数比とほぼ同じ値になります（理想変圧器では完全に一致）。
変流比 ＝ I₁／I₂…一次電流と二次電流の比。こちらは巻数比の逆数（1／a）になります。
つまり「巻数比＝変圧比」「変流比＝巻数比の逆数」。仲間はずれは変流比だけと覚えてしまえば、3つの用語で迷うことはありません。
計算例②：一次側に流れる電流を求める
一次 6600V、二次 220V の理想変圧器の二次側に負荷をつないだところ、二次電流が 60A 流れた。一次電流はいくらか。
①巻数比 a を出す
a ＝ V₁／V₂ ＝ 6600 ÷ 220 ＝ 30
②電流は逆比になることを使う
I₂／I₁ ＝ a なので、I₁ ＝ I₂ ÷ a
I₁ ＝ 60 ÷ 30 ＝ 2A
③検算する
一次側の電力：6600 × 2 ＝ 13200W
二次側の電力：220 × 60 ＝ 13200W
ぴったり一致したので正解です。電流を求めたら必ず両側の電力を掛け算して突き合わせる。これをやれば、比を逆に使ってしまうミスは100％防げます。もし一次電流を 60×30＝1800A などと出していたら、一次側の電力が 1188万Wという異常な値になって、その場で間違いに気づけます。
使うときの注意点
電圧と電流で比の向きが逆になります。V₁／V₂＝a に対し、I₁／I₂＝1／a です。試験では「二次巻線の電流は一次巻線の電流の10分の1である」といった、わざと逆にした選択肢が最頻出の引っかけです。巻数比10：1なら、二次電流は一次電流の10倍が正解です。
迷ったら電力で考えるのが確実です。電力＝電圧×電流。電圧が10倍になったなら、積を一定に保つために電流は10分の1でなければならない。この一言で向きは即座に決まります。
また、電力は変圧器で増えも減りもしません。「二次側の電力は一次側の10倍」といった選択肢は、巻数比がいくつであろうと必ず誤りです。変圧器は電圧と電流の配分を変えるだけの装置で、エネルギーを生み出す装置ではありません。
変圧器の損失（鉄損と銅損）
実際の変圧器には損失があります。試験に出るのは無負荷損と負荷損という2つの区分と、それぞれの中身です。
無負荷損＝鉄損
変圧器は負荷がつながっていなくても、一次側に電圧が加わっているだけで損失が生じます。これが無負荷損で、その大部分は鉄損です。鉄損は鉄心の中を磁束が行き来することで生じる損失で、次の2つから成ります。
鉄損の内訳
ヒステリシス損…鉄心に加わる磁界の向きが変わるときに生じる損失。交流なので毎秒何十回も向きが反転し、そのたびに鉄心の磁化をやり直すぶんのエネルギーが失われます。
渦電流損…磁束の増減に反発するように、磁束を中心とした円周状の電流（渦電流）が鉄心の中に流れ、それによって生じる損失。
渦電流損を減らすため、鉄心は薄い鉄板の層間を絶縁して積み重ねた積層鉄心にしています。層と層が絶縁されていると、渦電流が積層方向を貫いて流れられなくなり、渦電流そのものが小さくなるからです。
ここが試験での大きな引っかけどころです。「鉄心を薄い鉄板の積層構造にするのは、渦電流を流しやすくするためである」という選択肢が繰り返し出題されますが、これは誤りです。目的は渦電流を抑えるためです。
負荷損＝銅損
負荷損は、一次・二次に流れる負荷電流によって生じる損失で、主なものは銅損です。銅損は巻線（電線）の抵抗によって生じ、ジュール熱となって放熱します。
銅損の性質
銅損 ＝ I²R。電流の2乗に比例します。
負荷が重くなる（電流が増える）ほど銅損は急激に増えます。逆に無負荷なら銅損はほぼゼロです。
一方、鉄損は加える電圧と周波数で決まるため、負荷の大小に関係なくほぼ一定です。
計算例③：銅損は電流の2乗で効く
巻線の抵抗が 0.5Ω の変圧器に、負荷電流 10A が流れているときの銅損を求め、負荷が半分の 5A になったときと比べる。
①10A のとき
銅損 ＝ I²R ＝ 10² × 0.5 ＝ 100 × 0.5 ＝ 50W
②5A のとき
銅損 ＝ 5² × 0.5 ＝ 25 × 0.5 ＝ 12.5W
③検算する
電流が 2分の1 になったので、銅損は 2乗の 4分の1 になるはずです。50 ÷ 4 ＝ 12.5W。計算どおり一致しました。
この「損失は電流の2乗に比例する」という性質は、送電線の電力損失の問題でもそのまま使います。たとえば 10000W を送るのに、線路抵抗 0.1Ω の電線で「100V×100A」と「10000V×1A」を比べると、前者の損失は 100²×0.1＝1000W、後者は 1²×0.1＝0.1W です。変圧器で電圧を上げて電流を小さくすれば送電損失を大幅に減らせるのは、このためです。
変圧器の効率を求める（応用）
変圧器の効率は、入力に対する出力の割合です。損失が鉄損と銅損として与えられる形で出題されます。
効率の公式
効率 η ＝ 出力 ÷ 入力 × 100 ＝ 出力 ÷（出力＋鉄損＋銅損）× 100 〔％〕
分母は入力＝出力＋全損失です。分母に出力を書き忘れる人が多いので注意してください。
step
1出力〔W〕を求める
容量が〔kVA〕で与えられていたら、力率を掛けて〔W〕に直す。出力＝皮相電力×力率。力率の記載がなければ、そのままの値が出力です。
step
２全損失を求める
鉄損＋銅損を足す。単位が〔W〕で揃っているかを確認する。
step
３入力を求める
入力＝出力＋全損失。入力のほうが必ず大きいことを確認する。
step
４効率を計算する
出力÷入力×100。答えは必ず100％未満。100％を超えたら割る向きが逆です。
計算例④：全負荷時の効率
定格容量 12kVA の単相変圧器を、力率 0.8 の全負荷で運転している。このときの鉄損が 150W、銅損が 250W であるとき、変圧器の効率を求める。
①出力を求める
12kVA ＝ 12000VA。出力 ＝ 12000 × 0.8 ＝ 9600W
②全損失を求める
150 ＋ 250 ＝ 400W
③入力を求める
9600 ＋ 400 ＝ 10000W
④効率を求める
η ＝ 9600 ÷ 10000 × 100 ＝ 96％
⑤検算する
入力 10000W に効率 0.96 を掛けると 10000 × 0.96 ＝ 9600W で、出力と一致します。また 10000 − 9600 ＝ 400W が損失となり、鉄損150＋銅損250 とも一致しました。
効率は 100％未満、かつ実際の変圧器では 95〜99％ 程度になるのが普通です。計算結果が 80％を大きく下回ったり 100％を超えたりしたら、どこかで数字を取り違えています。
変圧器の並行運転と絶縁油
負荷が増えて容量が足りなくなったとき、2台以上の単相変圧器の一次側どうし・二次側どうしをそれぞれ並列に結線して使うことを変圧器の並行運転といいます。
単相変圧器の並行運転の条件
4つの条件（丸暗記でよい）
①各変圧器の極性が一致していること。極性を逆に接続すると、2台の二次電圧が打ち消し合わずに加わってしまい、非常に大きな循環電流が流れて巻線を焼損します。「起電力の向きが同一になるようにつなぐ」という表現でも出題されます。
②各変圧器の巻数比（変圧比）が等しいこと。異なると二次電圧に差が生じ、その差によって循環電流が流れます。
③各変圧器のインピーダンス電圧が等しいこと。異なると負荷の分担が偏ります。
④各変圧器の巻線抵抗と漏れリアクタンスの比が等しいこと。異なると電流に位相差が生じ、余分な銅損が発生します。
「各変圧器の相回転が一致していること」は、単相変圧器の並行運転では必要ありません。これは三相変圧器を並行運転するときに追加で必要となる条件です（角変位が一致していること、も同様）。
単相には「相」が1つしかないのですから、相の回る順序という概念自体が存在しません。「単相なのに相回転」と出てきたら、それが答えという覚え方で確実に取れます。
絶縁油に求められる性質
変圧器の絶縁油（変圧器油）は、変圧器本体を油の中に浸すことで巻線の絶縁耐力を高めると同時に、冷却によって温度上昇を防ぐために用いられます。
絶縁油の条件
①絶縁耐力が大きい…絶縁破壊が起きる電圧が高いこと。
②引火点が高い…燃え出す温度が高いこと。低いと火災の危険がある。
③凝固点が低い…固まる温度が低いこと。凝固点が高いと寒いときに固体化し、絶縁耐力も冷却作用も落ちる。
④化学的に安定で、高温でも反応しないこと。
⑤冷却作用が大きいこと。
出るのは「引火点が高く、凝固点が低い」の一組だけです。ここを片方だけひっくり返した「引火点が高く、凝固点が高いものが使われる」という誤りの選択肢が定番なので、2語セットで音読して覚えてください。
「燃えにくく（引火点は高く）、固まりにくい（凝固点は低く）」と日本語で言い換えておけば、本番で逆にすることはありません。
🔰試験問題を解くときの手順
迷ったらこの順番
①問われているのが電圧か電流か損失かを最初に確定する。この3つで使う公式がまったく違います。
②電圧・巻数なら順比、電流なら逆比。V₁／V₂＝N₁／N₂＝a、I₁／I₂＝1／a。
③答えが出たら V₁I₁＝V₂I₂ で必ず突き合わせる。両辺が一致しなければ比の向きを逆に使っています。
④損失の問題は「無負荷損＝鉄損、負荷損＝銅損」を先に紙の端に書く。入れ替えの引っかけはこれで全部落とせます。
⑤知識問題は定番の逆張りを疑う。「渦電流を流しやすくするため」「凝固点が高い」「単相なのに相回転」の3つは、出たら即座に誤りと判断してよい選択肢です。
【過去問】電気に関する基礎的知識⑬：変圧器の原理と計算
変圧器の一次側の電圧が 500V、コイルの巻数が 20回 のとき、二次側の端子から 100V の電圧を取り出す場合、二次側のコイルの巻数として、正しいものは次のうちどれか。ただし、この変圧器は理想変圧器とする。
- 4
- 8
- 25
- 100
変圧器に関する説明として、誤っているものは次のうちどれか。
- 変圧器は、電磁誘導を利用し、交流の電圧を変える装置である。
- 一定の電力を送電する場合、変圧器で電圧を上げることによって、電流を小さくすれば、送電線での電力損失を小さく抑えることができる。
- 電力損失が無視できる変圧器では、一次側コイルに流れ込む電力と二次側コイルから流れ出る電力が等しく、エネルギーが保存される。
- 鉄心は絶縁した薄い鉄板を何枚も重ねてつくられているが、これは渦電流を鉄心に流しやすくするためである。
変圧器に関する説明として、誤っているものは次のうちどれか。
- 電源に接続される巻線を一次巻線、負荷に接続される巻線を二次巻線という。
- 絶縁油は、絶縁耐力が大きく引火点が高く、凝固点が低いものが使われる。
- 変圧器の損失は無負荷損と負荷損に区分され、無負荷損はほとんどが銅損であり、負荷損はほとんどが鉄損である。
- 単相変圧器を並行運転するときは、各変圧器の起電力の向きが同一となるようにつなぐ。
消防設備士「過去問テスト」は、その名の通り“過去に出た問題” のテストです。
ブログでお馴染みの管理人が過去問に関する情報収集を積み重ね、その中からピックアップして過去問ベースの模擬試験を作成したものです。
上記以外に新傾向問題の情報など提供あり次第、解説を毎年追記して更新しています。これから消防設備士の試験を受けられる方は是非ご覧下さい。
それでは続いて国家資格「消防設備士」試験の ❝電気に関する基礎的知識❞ に出題される過去問をみていきましょう。
