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交流の力率と消費電力:有効電力と皮相電力

の交流に が流れています。掛け算すれば ですが、実際に消費されているのは です。

差の は、どこかで失われているわけではありません。行って戻ってきているだけです[1]。

交流では、電圧と電流の山がずれます。そのずれの分だけ、掛け算の値が目減りする。

平均の電力

交流の消費電力は、実効値の積に を掛けた値になります[1]。

は電圧と電流の位相のずれで、 を力率といいます。

抵抗だけの回路ではずれが なので 。掛け算がそのまま消費電力になります。

コイルとコンデンサーは熱を出さない

純粋なコイルでは電流が電圧より 遅れ、純粋なコンデンサーでは 進みます。

どちらも なので、平均の電力は です[1]。

半周期のあいだにエネルギーを受けとり、次の半周期でそっくり返す。差し引きで何も消費していません。

抵抗

受けとったエネルギーは熱になって出ていく。返ってこない

コイルとコンデンサー

磁場や電場としていったん蓄え、次の半周期で回路へ返す

例:抵抗とコイルの直列

と、リアクタンス のコイルを直列にし、 を掛けます。

合成のインピーダンスは、直角三角形の斜辺として出ます。

電流は 。力率はインピーダンスの比で決まります。

力率は インピーダンスの三角形の底辺と斜辺の比 です。

底辺が 、高さが 、斜辺が 。位相のずれを測らなくても、抵抗とリアクタンスから読める。

抵抗で消える電力と一致する

別の道からも確かめられます。熱になるのは抵抗だけなので、そこでの消費を出します[3]。

同じ値でした。 と は、いつも一致します。

コイルのほうも計算してみます。 ですが、これは熱になりません。行き来しているだけの量です。

呼び名式今回の値
見かけの電力
実際に消費する電力
行き来するだけの量

見かけの電力は で、 と の直角三角形の斜辺になっています。。

力率が低いと送る側が損をする

消費側が しか使わなくても、線には が流れます。

力率が なら、同じ を で送れる。線の損失は電流の 2 乗で効くので、差が大きくなります[2]。

送電線の抵抗を とします。

倍の損失です。使う側は同じ電力しか受けとっていないのに、途中で捨てる量が増えている。

力率を上げる

コイル性の負荷にコンデンサーを組み合わせると、位相のずれを打ち消せます。

直列の場合、 にすればリアクタンスが消えて 。力率は になります。

工場のモーターはコイル性なので、コンデンサーを並列に足して力率を改善する形がよく使われます。

例:力率が 0 に近い場合

、 とします。 で、力率は 。

を掛ければ電流は 流れますが、消費電力は しかありません。

見かけ上は の負荷に見えて、実際に使っているのは 。線には がそのまま流れ続けます。

送る側から見れば、ほとんど何も届けていないのに線を占有されている状態です。

検算のしかた

が から のあいだに入るかを見ます。外れたら と をとり違えています。

2 通りの式で計算して一致するかも確かめます。 と です。

インピーダンスの三角形も確かめられる。 が成り立っていれば、途中の計算が合っています。

見かけの電力をそのまま消費電力とする。 が掛かります。
力率を とする。 です。
コイルやコンデンサーでも熱が出ると考える。純粋なものは出しません。
実効値と最大値を混ぜる。実効値は最大値の です。
インピーダンスを と足し算で出す。2 乗の和の平方根です。

とリアクタンス のコイルを直列にし、 の交流を掛けます。消費電力はどれですか。

__RESULT__

、、 です。 で、 とも一致します。 は力率を掛け忘れた値になります。

熱にするのは抵抗だけ。この 1 点を押さえれば、 が何を削っているかが見えてきます。

参考

Power in an AC Circuit. University Physics Volume 2, OpenStax.
Transformers. University Physics Volume 2, OpenStax.
*Versuch 21: Spezifische Wärme von Wasser*. Praktikum für Nebenfächler, Karlsruher Institut für Technologie.
$100\ \mathrm{V}$ に $2.0\ \mathrm{A}$ が流れていても、消費されているのは $200\ \mathrm{W}$ ではなく $120\ \mathrm{W}$。交流では電圧と電流の山がずれ、そのぶん $\cos\phi$ が掛かるためです。純粋なコイルやコンデンサーはずれが $90^\circ$ なので平均の電力が $0$。半周期で受けとり、次の半周期で返しているだけです。力率はインピーダンスの三角形の $R/Z$ で読め、$I_\mathrm{rms}V_\mathrm{rms}\cos\phi$ と $I^2R$ はいつも一致する。力率が低いと同じ電力を送るのに大きな電流が要り、線の損失が $2.8$ 倍まで増えることまで。