【基礎から学ぶ電気回路】交流回路の電力～位相差による力率・無効率という考え方～

電気回路に流れる電気信号は、直流と交流に二分されます。
直流は基本的に一定値として取り扱うので比較的理解しやすいのですが、交流になると正弦波状に変化するせいでちょっとわかりづらくなってきます。
なるべく初心者の方でもわかりやすいよう噛み砕いて説明をしていきますので、腰を据えて読んでみてください。

今回は、「交流回路の電力」についての説明です。

１．交流回路の電力
２．皮相電力と有効電力と無効電力の関係

１．交流回路の電力

交流回路は直流回路と違い、電圧と電流に位相差があります。
その関係上、交流回路の電力は皮相電力S、有効電力P、無効電力Qについて考慮する必要があります。
では、それぞれの電力が何を示しているのか解説していきます。

直流回路の場合、常に電流と電圧のベクトルは同じ方向を向いていました。
この時の電力PはP=VIと表すことができました。
この電流と電圧のベクトルが合っている状態での電力が実際に消費される電力となります。

交流回路の場合、電圧と電流に位相差がある為、ベクトルの向きが一致していません。
図1のように電圧と電流に位相差θがあるとします。

位相差を考慮せずに、電流と電圧の大きさをかけた値を皮相電力と呼びます。
量記号はS、単位は[VAボルトアンペア]です。
式で表すと、S=VIとなります。
皮相電力は実際に消費される電力ではなく、あくまで見かけ上の電力です。
電流と電圧の位相差を考慮していない為、実際の消費電力よりも大きい値となっています。

位相差を考慮してベクトルの向きを合わせた時の消費電力を有効電力と呼びます。
量記号はP、単位は[Wワット]です。
式で表すと、P=VIcosθとなります。
有効電力は負荷で実際に消費される電力です。
ベクトルが揃っている分のみが実際に消費される電力なので、cosθをかけることでベクトルを合わせていいるんです。
ここで出てきたcosθは力率といい、有効になる割合を表しています。

VIcosθを有効電力と呼ぶのに対し、VIsinθを無効電力と呼びます。
量記号はQ、単位は[varバール]です。
無効電力は、仕事をせずに電源に回帰する電力とのことです。
要するに、向きが揃っていない成分の電力です。
この成分を取り除けば実際に消費される電力逆算できます。
ここで出てきたsinθは無効率といいます。