力率：定義、原因、改善方法と実用上の重要性

力率の計算方法

正弦波かつ線形の回路では、この関係は一般に P = V・I・cos φ と表される。ここで P は有効電力、V・I は皮相電力 S である。したがって力率は PF = P / S となり、純粋な正弦波の場合、その大きさは0から1の範囲にある。位相角 φ は、電流が電圧より進んでいるか遅れているかを示し、通常は進みまたは遅れと表現される。波形ひずみを伴う現代のシステムでは、高調波電流によって総合力率がさらに低下することがある。技術者は、位相差による変位力率と、波形形状によるひずみ力率を区別する。

低力率の一般的な原因

• モーター、変圧器、リアクトルなどの誘導性負荷。これらは電流を電圧より遅らせる。
• 一部の特殊な機器における容量性負荷。これにより電流が電圧より進むことがある。
• 整流器、可変周波数駆動装置、スイッチング電源などの非線形負荷。高調波を発生させ、有効な力率を低下させる。
• 軽負荷で運転される機械や長い配電網。これらは有効電力に対する無効電流の割合を増加させる。

力率を改善する方法

組織では、複数の確立された方法により無効電流を低減し、力率を改善する。受動的なコンデンサバンクは局所的な無効電力補償を行い、産業設備で広く用いられる。同期調相機、すなわち機械的負荷なしで運転する同期電動機は、制御のもとで無効電力を発生または吸収できる。電子機器内のアクティブ力率改善回路は、使用地点で力率を向上させる。より大規模なシステムでは、電力会社や技術者がこれらの方法を組み合わせ、高調波ひずみを抑えるためにフィルターを追加することがある。

実用上の重要性と例

力率を改善すると、同じ有効負荷に対して必要な電流が減少する。その結果、導体の I2R 損失が低下し、変圧器やフィーダーの容量に余裕が生まれ、力率不良に対する電力会社の料金上のペナルティを回避できる場合がある。例えば、多数の誘導電動機を使用する工業施設では、通常、モーターフィーダーの近くにコンデンサバンクを設置する。データセンターでは、規格への適合のため電源装置にアクティブPFCを採用する。力率の測定と改善は、適切な電気設計およびエネルギー管理の一部である。

測定、規格および重要な区別

力率は、電力計、アナライザー、または専用の力率計で測定される。これらは有効電力、無効電力、皮相電力に加え、高調波成分を報告する。規格や優遇制度は管轄区域によって異なり、一部の電力会社は低力率の顧客に料金を課すか、補正装置を要求する。力率を評価する際には、対策が異なるため、変位（位相差）の問題とひずみ（高調波）の問題を分けることが重要である。コンデンサは変位に対処するが、フィルターを用いなければ高調波の問題を悪化させることがある。技術的な補足情報については、電力に関する資料、比の概念の解説、電圧と電流の関係についての説明、および回路の挙動に関する実用的な資料を参照。