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力率
(power factor)

だが、誘導性の負荷を接続した場合、負荷に流れる電流の波形は電圧の波形よりも遅れ、 その時に負荷で実際に消費される電力は電圧と電流を単純に掛け合わせたものよりも小さくなる。 また、容量性の負荷を接続した場合、電流の波形は電圧の波形よりも進むが、 この場合も同様となる。

電圧と電流を単純に掛け合わせたものを皮相電力 (apparent power)、 負荷で消費される電力を有効電力 (active power) と言い、 皮相電力に対する有効電力の比率を力率 (power factor) と言う。 また、負荷で消費されない電力を無効電力 (reactive power) と言う。

有効電力は、一般には電圧と電流の瞬時値の積を時間積分することによって得られるが、 電圧と電流の波形がいずれも正弦波である場合には、 その位相差から簡単に求めることができる。

電圧と電流が実効値がそれぞれ V と I の正弦波、 その位相差が φ とすると、その力率は cosφ となり、 皮相電力、有効電力、及び無効電力は、それぞれ、

皮相電力: S = V I   [VA]
有効電力: P = S cosφ = V I cosφ   [W]
無効電力: Q = √(S² − P²) = V I sinφ   [var]

いずれの単位も定義上は V・A であるが、上で示したように、 電気工学分野では VA、W、及び var という単位が使い分けられている。

負荷によっては、 電流波形が高調波を多く含んだものとなることもある。 この場合、先の例のように単純に位相差を考えることはできないが、 有効電力は電圧と電流の瞬時値の積を時間積分することによって得られ、 力率は皮相電力に対する有効電力の比率として求められる。 また、このような場合でも力率は cosφ と表記されることがある。

力率が低い場合、 その負荷が消費する電力に相当する電流よりも多くの電流を供給することが必要となり、 これは電力設備に余計な負担をかけることになる。 このため、産業設備などでは、力率をある値以上に維持するように、 力率改善 (力率補償) が行なわれることが多い。

かつては、力率の低下はモーターなどの誘導性負荷による電流の遅れに起因するものが主で、 大抵は進相コンデンサのみによる補償が可能であった。 だが、非線型負荷による高調波電流については それほど簡単ではなく、それぞれの高調波に同調させた共振回路や、 能動的な補償装置などが用いられることもある。

by Tom Sato, 2008-04-27