低電力因数ワットメータとは何か？（そしてなぜ使用されるのか）

低電力因数ワットメーターとは

低電力因数メータは、低値の電力因数を正確に測定するための装置です。低電力因数メータについて詳しく学ぶ前に、まずなぜ我々が標準的な電動計量器ワットメータではなく、低電力因数ワットメータが必要なのか理解する必要があります。

答えは単純で、標準的なワットメータでは不正確な結果が出るからです。

以下は、低電力因数を測定する際には普通のワットメータを使用すべきではない2つの主要な状況です：

1. 電流コイルと圧力コイルを完全に励磁しても、偏向トルクの値が非常に低い場合。

2. 圧力コイルのインダクタンスによる誤差。

上記の2つの理由により、通常のまたは一般的なワットメータを使用して低電力因数を測定すると非常に不正確な結果が出ます。

しかし、いくつかの改良や新しい機能を追加することで、改良された電動ワットメータまたは低電力因数メータを使用して低電力因数を正確に測定することができます。

理想的には、電力因数補正によって電力因数を上げるべきですが、技術的理由や予算の制約により、十分に高い電力因数を得られない場合があります。

ここでは、どの部分を改良する必要があるかについて説明します。以下に順番に説明します：

(1) 普通のワットメータの圧力コイルの電気抵抗を低値に減らし、圧力コイル回路の電流を増やすことで、以下の2つの図のように2つのケースが生じます：

第1のカテゴリーでは、圧力コイルの両端が供給側（すなわち、電流コイルが負荷と直列）に接続されます。供給電圧は圧力コイルの電圧と同じです。したがって、この場合、最初のワットメータで示される電力は、負荷での損失電力と電流コイルでの損失電力の合計となります。

第2のカテゴリーでは、電流コイルは負荷と直列ではなく、圧力コイルの電圧は適用電圧と等しくありません。

圧力コイルの電圧は負荷の電圧と同じです。この2つ目のワットメータで示される電力は、負荷での損失電力と圧力コイルでの損失電力の合計です。

上記の議論から、どちらのケースでもある程度の誤差があるため、これらの回路を改良して最小限の誤差にする必要があります。

改良された回路は以下の通りです：
ここでは、特別なコイルである補償コイルを使用しています。これは、負荷電流と圧力コイル電流の合計に等しい電流を流します。

圧力コイルは、補償コイルによって生成される磁場が圧力コイルによって生成される磁場と反対方向になるように配置されています。

したがって、ネットの磁場は電流Iのみによるものです。このようにして、圧力コイルによる誤差を中和することができます。

(2) 回路に補償コイルを必要とするのは、低電力因数メータを作るためです。これは上記で詳細に説明した2つ目の改良です。

(3) 3つ目のポイントは、圧力コイルのインダクタンスの補償であり、上記の回路を改良することで達成できます。

次に、圧力コイルのインダクタンスの補正係数の式を導出します。そして、この補正係数から圧力コイルのインダクタンスによる誤差の式を導出します。

圧力コイルのインダクタンスを考慮すると、圧力コイルの電圧は適用電圧と位相が一致しません。

したがって、その場合は以下の角度だけ遅れます：

ここで、Rは圧力コイルに直列に接続された電気抵抗、rpは圧力コイルの抵抗です。また、電流コイルの電流も圧力コイルの電流に対して若干の角度だけ遅れます。この角度はC = A – bで与えられます。このとき、ボルトメータの読み取り値は以下の通りです：

ここで、Rpは(rp+R)、xは角度です。圧力コイルのインダクタンスの影響を無視し、b = 0とすると、真の電力の式は以下の通りになります：

方程式(2)と(1)の比を取ると、補正係数の式が以下のようになります：

そして、この補正係数から誤差を計算することができます：

補正係数の値を代入し、適切な近似を行うと、誤差の式はVIsin(A)*tan(b)になります。

圧力コイルのインダクタンスによる誤差はe = VIsin(A) tan(b)で与えられ、電力因数が低い場合（つまり、φの値が大きい場合）には大きな誤差があります。

この状況を避けるために、上図のように可変直列抵抗とコンデンサーを接続しています。

最終的に得られる改良された回路は、低電力因数メータと呼ばれます。

現代の低電力因数メータは、0.1未満の電力因数でも高精度に測定できるように設計されています。

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