力率が重要な理由：効率的な電気システムの鍵
一般に力率は以下の3つの方法で定義できます。
- 「交流回路における電流と電圧の位相角のコサインを力率と呼ぶ」
- 「交流回路における抵抗と総インピーダンスの比を力率と呼ぶ」
- 「有効電力と皮相電力の比を力率と呼ぶ」
誘導性負荷では電流が電圧に遅れるため力率は遅れ力率となります。一方、容量性負荷では電流が電圧に進むため進み力率となります。
力率は負荷に応じて交流回路で重要な役割を果たします。力率が低いほど負荷電流は大きくなり、逆もまた然りです。遅れ力率には、KVA定格が大きくなる（KVAは力率に反比例）などのデメリットがあります。
- 遅れ力率では送電線により太い導体が必要となり、低力率では導体に大電流が流れます。
- 低力率では導体に大電流が流れるため、大きな銅損（I²R損失）が生じ、効率が低下します。
- 低力率での大電流は、発電機や送電線で大きな電圧降下を引き起こし、システムの負荷処理能力を低下させる可能性があります。
低力率の原因
低力率は経済的観点から望ましくありません。
- ほとんどの交流モーター（単相・三相）は誘導電動機であり、極めて低い力率（0.2〜0.3）で動作します。
- 工業用炉、アーク灯、電気放電灯なども低力率で動作します。
力率改善
低力率の主原因は誘導性負荷です。これを改善するには、負荷と並列にコンデンサを接続して力率を安定化させます。力率改善には以下の機器が用いられます。
- 静止コンデンサ
誘導性負荷と並列にコンデンサを接続することで力率を改善できます。コンデンサは進み電流を引くため、誘導負荷による遅れ力率を相殺できます。三相負荷では、コンデンサを星型またはデルタ結線できます。
同期調相機
同期電動機は過励磁時に進み電流を引くため、コンデンサのように振る舞います。無負荷で過励磁運転している同期電動機を「同期調相機」と呼びます。これを電源と並列に接続すると、進み電流を引いて遅れ力率を部分的に相殺・最小化し、力率を改善します。
位相進相機
位相進相機も力率改善装置の一つです。低力率は誘導電動機の固定子が励磁電流として電源電圧に対して90°遅れた大電流を引くために生じます。位相進相機は実質的に電動機への外部交流励磁装置であり、固定子巻線を励磁電流から解放して力率を改善します。
産業技術