電力係数とは：改善、公式、定義

電力係数とは何ですか？

電気工学において、交流電力システムの電力係数（PF）は、負荷によって吸収される実効電力（キロワット、kWで測定）と回路を流れる視在電力（キロボルトアンペア、kVAで測定）の比として定義されます。電力係数は−1から1までの閉区間の次元のない数値です。

「理想的な」電力係数は1（または「単位」とも呼ばれます）。これは、回路にリアクティブ電力が存在せず、視在電力（kVA）が実効電力（kW）と等しい場合です。電力係数が1の負荷は、供給に対する最も効率的な負荷です。

ただし、これは現実的ではなく、実際には電力係数は1未満になります。様々な電力係数改善技術が用いられ、この理想的な状態に近づけることが行われます。

これをよりよく説明するために、一歩後退して、電力について話しましょう。

電力は、仕事をする能力です。電気の領域では、電力は単位時間あたりに他の形（熱、光など）に変換できる電気エネルギーの量を表します。

数学的には、電力係数は要素全体の電圧降下とその中を流れる電流の積です。

まず、直流回路を考えると、直流電源のみを持つ場合、インダクタとキャパシタはそれぞれステディステートでショート回路とオープン回路として動作します。

したがって、全回路は抵抗回路として動作し、全電力は熱として放出されます。ここで、電圧と電流は同じ位相であり、全電力は次の式で与えられます：

次に交流回路を考えると、ここではインダクタとキャパシタは以下のインピーダンスを提供します：

インダクタは磁気エネルギーとして電気エネルギーを蓄え、キャパシタは静電エネルギーとして電気エネルギーを蓄えます。どちらもそれらを放出しません。さらに、電圧と電流の間に位相差があります。

したがって、抵抗器、インダクタ、およびキャパシタで構成される全回路を考慮すると、電源電圧と電流の間に位相差が存在します。

この位相差の余弦は電力係数と呼ばれます。この係数（-1 < cosφ < 1）は、有用な仕事に使用される総電力の割合を表します。

残りの電力は、インダクタとキャパシタでそれぞれ磁気エネルギーまたは静電エネルギーとして蓄えられます。

この場合の全電力は次の通りです：

これは視在電力と呼ばれ、単位はVA（ボルトアンペア）で、'S'で表されます。この全電力のうち、有用な仕事を行う部分は有効電力と呼ばれ、'P'で表されます。

P = 有効電力 = 全電力.cosφ そしてその単位はワットです。

他の部分の電力は無効電力と呼ばれ、有用な仕事を行いませんが、有用な仕事を行うために必要です。これを'Q'で表し、数学的には次の式で与えられます：

Q = 無効電力 = 全電力.sinφ そしてその単位はVAR（ボルトアンペアリアクティブ）です。この無効電力はソースと負荷の間で振動します。これをより良く理解するために、これらの電力は三角形の形で表現されます。

数学的には、S2 = P2 + Q2, そして 電力係数 は有効電力 / 視在電力です。

電力係数改善

電力係数という用語は、交流回路でのみ問題となります。数学的には、電源電圧と電流の位相差の余弦です。これは、全電力（視在電力）のうち、有用な仕事を行うための有効電力を指します。

電力係数改善の必要性

• 有効電力は P = VIcosφ で与えられます。一定の電圧で特定の電力を送る場合、電流は cosφ に反比例します。したがって、電力係数が高いほど流れている電流が少なくなります。小さな電流の流れは導体の断面積を小さくすることができ、導体とコストを節約することができます。

• 上記の関係から、電力係数が低いと導体を流れる電流が増え、銅損失が増加します。発電機、電気変圧器、送電線および配電線で大きな電圧降下が生じ、非常に不良な電圧調整になります。

• 電力係数が高いと、以下の式により機器のKVAレーティングも減少します：

したがって、機器のサイズとコストも減少します。

これが電力係数を1に近づけるべき理由であり、大幅にコスト削減につながります。

電力係数改善の方法

電力係数を改善する主な方法は以下の3つです：

• キャパシタバンク

• 同期コンデンサー

• 位相進捗装置

キャパシタバンク

電力係数の改善は、電圧と電流の位相差を減らすことを意味します。多くの負荷は感応性であり、機能するためにはある程度のリアクティブ電力を必要とします。

負荷と並列に設置されたキャパシタまたはキャパシタバンクは、このリアクティブ電力を提供します。これらは局所的なリアクティブ電力源として機能し、結果として線路を通るリアクティブ電力が減少します。

キャパシタバンクは電圧と電流の位相差を減らします。

同期コンデンサー

同期コンデンサーはシャフトに負荷が付いていない3相同期モーターです。

同期モーターは励磁によって先行、遅延、または単位の任意の電力係数で動作する特性を持っています。感応性負荷の場合、同期コンデンサーは負荷側に接続され、過励磁されます。

同期コンデンサーはキャパシタのように動作します。供給源から遅延電流を引き出すか、リアクティブ電力を供給します。

位相進捗装置