安全性と信頼性の他に、電気システムの設計と実装では、効率を含む他のいくつかの目標を追求する必要があります。電気システムの効率の尺度の1つは、システムが受け取ったエネルギーを有用な仕事に変換する効率です。この効率は、力率として知られる電気システムのコンポーネントによって示されます。力率は、実際に有用な作業を実行するために使用されているどのくらいの電力を示し負荷によって、どのくらいの電力それは「消耗」です。その名前が聞こえるほど些細なことですが、それは高額な電気料金と停電の背後にある主要な要因の1つです。
力率とその実際的な重要性を適切に説明できるようにするには、存在するさまざまなタイプの電気負荷と電力のコンポーネントについてメモリを更新することが重要です。
基本的な電気クラスから、電気負荷は通常2つのタイプがあります。
- 抵抗負荷
- リアクティブロード
1.抵抗負荷
名前が示すように、抵抗性負荷は純粋に抵抗性の要素で構成されています。この種の負荷（理想的な条件を考慮）の場合、電流が電圧と同相であるため、それに供給されるすべての電力が作業のために消費されます。抵抗性負荷の良い例には、白熱電球とバッテリーが含まれます。
抵抗性負荷に関連する電力成分は、実際の電力と呼ばれます。この実際の電力は、有効電力、真の電力、または実電力と呼ばれることもあります。AC電源を初めて使用し、これらすべての波形に混乱している場合は、ACの基本について読んで、AC電源がどのように機能するかを理解することをお勧めします。
2.リアクティブロード
一方、リアクティブロードはもう少し複雑です。それらは電圧の低下を引き起こし、電源から電流を引き出しますが、電源から引き出す電力は機能しないため、それ自体は有用な電力を消費しません。これは、リアクティブロードの性質によるものです。
反応性負荷は、容量性または誘導性のいずれかです。誘導性負荷では、引き出された電力は直接作業を行わずに磁束を設定するために使用されますが、容量性負荷では、電力はコンデンサの充電に使用され、直接作業を生成しません。このように無効負荷で消費される電力は、無効電力と呼ばれます。反応性負荷は、電圧よりも進んでいる電流（容量性負荷）または遅れている電流（誘導性負荷）によって特徴付けられます。そのため、通常、電流と電圧の間に位相差が存在します。
上記の2つのグラフは、力率がそれぞれ遅れている場合と進んでいる場合の誘導性負荷と容量性負荷を表しています。電気システムにおける3つのパワー成分の存在に荷重リードこれらの2つのタイプの変化、すなわち、。
- 実際の電力
- 無効電力
- 皮相電力
1.実際の電力
これは、抵抗性負荷に関連する電力です。これは、電気システムの実際の作業のパフォーマンスに消費される電力コンポーネントです。暖房から照明などまで、ワット（W）で表され（乗数、キロ、メガなどとともに）、文字Pで象徴的に表されます。
2.無効電力これは、無効負荷に関連する電力です。リアクティブ負荷の電圧と電流の間の遅延の結果として、リアクティブ（容量性または誘導性のいずれか）で引き出されるエネルギーは仕事を生み出しません。これは無効電力と呼ばれ、その単位はボルトアンペア無効（VAR）です。
3.皮相電力一般的な電気システムは、抵抗性負荷と誘導性負荷の両方で構成されます。抵抗性負荷用の電球とヒーター、およびモーター、コンプレッサーなどを備えた機器を誘導性負荷と考えてください。したがって、電気システムでは、総電力は実際の電力成分と無効電力成分の組み合わせであり、この総電力は皮相電力とも呼ばれます。
皮相電力は、実際の電力と無効電力の合計によって与えられます。その単位はボルトアンペア（VA）であり、数学的に次の式で表されます。
皮相電力=実際の電力+無効電力
理想的な状況では、電気システムで消費される実際の電力は通常、無効電力よりも大きくなります。次の画像は、3つの電源コンポーネントを使用して描画されたベクトル図を示しています
このベクトル図は、以下に示すように累乗三角形に変換できます。
力率は、上記の角度シータ（ϴ）を取得することで計算できます。ここで、シータは有効電力と皮相電力の間の角度です。次に、余弦定理（斜辺に隣接）に従って、力率は皮相電力に対する実際の電力の比率として推定できます。計算力率の式を以下に示します。
PF =実際の電力/皮相電力またはPF = Cosϴ
これを皮相電力を決定する式と並べると、無効電力の増加（多数の無効負荷の存在）が皮相電力の増加と角度ϴのより大きな値につながることが簡単にわかります。その余弦（cosϴ）が得られると、最終的に力率が低くなります。反対に、無効負荷（無効電力）を減らすと力率が高くなり、無効負荷が少ないシステムでは効率が高く、その逆も同様です。力率の値は常に0から1の値の間にあり、1に近づくほど、システムの効率が高くなります。インドでは、理想的な力率の値は0.8と見なされます。力率の値には単位がありません。
力率の重要性
力率の値が低い場合は、その大部分が意味のある作業に使用されていないため、主電源からのエネルギーが無駄になっていることを意味します。これは、ここでの負荷が実際の電力と比較してより多くの無効電力を消費するためです。これにより、供給システムに負担がかかり、負荷に必要な実際の電力と無効負荷を満たすために使用される無効電力の両方がシステムから引き出されるため、配電システムに過負荷が発生します。
この負担と「浪費」は、通常、電力会社が皮相電力で消費量を計算するため、消費者（特に産業消費者）に莫大な電気料金をもたらします。そのため、「意味のある」作業を達成するために使用されなかった電力を支払うことになります。 。一部の企業は、システムに過負荷を引き起こすため、より多くの無効電力を消費する場合、消費者に罰金を科します。この罰金は、産業で使用される負荷の原因となる低力率を低減するために課せられます。
同社の発電機から電力が供給されている状況でも、大量の発電機が無駄になりそうなときに、電力を供給するために必要な大型の発電機や大型のケーブルなどにお金が無駄になります。これをよりよく理解するために、以下の例を検討してください
70kWの負荷を運用している工場は、力率1で稼働している場合、発電機/変圧器と定格70 kVAのケーブルで正常に電力を供給できます。ただし、力率が0.6に低下すると、同じ負荷でも70KW、定格116.67 kVA（70 / 0.6）のより大きな発電機または変圧器が必要になります。これは、発電機/変圧器が無効負荷に追加の電力を供給する必要があるためです。この電力要件の大幅な増加に加えて、使用するケーブルのサイズも大きくする必要があり、導体に沿った抵抗の結果として、機器のコストが大幅に増加し、電力損失が増加します。力率の悪い企業は通常、是正を促すために多額の罰金を科されるため、これに対する罰は一部の国では高額の電気料金を超えています。
力率の改善
以上のことをすべて踏まえると、特に大規模な産業では、巨額の電気料金を払い続けるよりも、力率の低下を是正する方が経済的に理にかなっていることに同意するでしょう。また、力率を補正して低く抑えれば、巨大な産業や製造工場で電気代の40％以上を節約できると推定されています。
電力会社は、変圧器の数と運用に必要な同様のサポートインフラストラクチャ。
負荷の力率を計算する
力率を修正するための最初のステップは、負荷の力率を決定することです。これは次の方法で実行できます。
1.負荷のリアクタンスの詳細を使用して無効電力を計算する
2.負荷によって消費される実際の電力を決定し、それを皮相電力と組み合わせて力率を取得します。
3.力率計の使用。
力率計は、負荷のリアクタンスの詳細と消費される実際の電力を決定することが難しい大規模なシステム設定で力率を簡単に取得するのに役立つため、主に使用されます。
力率がわかっている場合は、修正を進めて、可能な限り1に近づけることができます。n電力会社が推奨する力率は、通常0.8〜1であり、これは、ほぼ純粋に実行している場合にのみ達成できます。システム内の抵抗性負荷または誘導性リアクタンス（負荷）は、両方が互いに打ち消し合うため、静電容量リアクタンスに等しくなります。
誘導性負荷の使用が低力率のより一般的な原因であるという事実のため、特に産業環境（重いモーターの使用など）では、力率を修正する最も簡単な方法の1つは、力率をキャンセルすることです。システムに容量性リアクタンスを導入する補正コンデンサの使用による誘導性リアクタンス。
力率補正コンデンサは無効電流発生器として機能し、誘導性負荷によって「浪費」されている電力を相殺/相殺します。ただし、これらのコンデンサをセットアップに挿入するときは、可変速ドライブなどの機器でのスムーズな動作とコストとの効果的なバランスを確保するために、慎重な設計上の考慮が必要です。設備と負荷分散に応じて、設計は、誘導負荷ポイントに設置された固定値コンデンサ、または大規模システムで通常より費用効果の高い集中補正のために配電パネルのバスバーに設置された自動補正コンデンサバンクで構成できます。
セットアップで力率補正コンデンサを使用すると、特に適切なコンデンサが使用されていない場合やシステムが適切に設計されていない場合に、欠点があります。コンデンサを使用すると、電源を入れると短時間の「過電圧」が発生し、可変速ドライブなどの機器の適切な機能に影響を及ぼし、断続的にオフになったり、一部のコンデンサのヒューズが飛んだりする可能性があります。ただし、速度ドライブの場合はスイッチング制御シーケンスを調整するか、ヒューズの場合は高調波電流を排除することで解決できます。
ユニティ力率とそれが実用的でない理由
力率の値が1に等しい場合、力率は単一力率であると言われます。最適な力率1を取得したくなるかもしれませんが、真に理想的なシステムがないため、それを達成することはほとんど不可能です。ある意味では、負荷は純粋に抵抗性、容量性、または誘導性ではありません。そのような典型的な実現可能な力率範囲は通常0.9 / 0.95までであるため、すべての負荷は、どんなに小さくても、他の要素のいくつかで構成されます。 ESRおよびESLwith Capacitorsの記事で、RLC要素のこれらの寄生特性についてすでに学習しました。
力率は、エネルギーをどれだけうまく使用しているか、および電気料金でいくら支払うか（特に産業の場合）の決定要因です。ひいては、それは運用コストの主な要因であり、あなたが注意を払っていなかった利益率の低下の背後にある要因である可能性があります。電気システムの力率を改善すると、電気料金を削減し、パフォーマンスを最大化するのに役立ちます。