力率とは入門｜有効電力・無効電力と力率改善

電気設備の話でときどき出てくる「力率（りきりつ）」という言葉。とくに工場やビルの電気を考えるとき、電気代にも関わる大切な指標です。名前は難しそうですが、「送った電気のうち、どれだけがちゃんと役に立っているか」という割合のことです。数字が高いほど、電気を無駄なく使えているということになります。

この記事では、電気設備の基礎として、力率と力率改善をやさしく整理します。3つの電力の関係、力率が下がる理由、改善の方法、電気料金とのつながりまで、これまでのV・A・Wや動力の記事の続きとして順番に解説します。

力率とは（役に立った電気の割合）

力率とは、電源から送り出した電気のうち、実際に仕事に使われた割合のことです。ここで、電気には3つの種類の「電力」があることを知っておく必要があります。ビールのジョッキにたとえると、とても分かりやすくなります。

• 有効電力（W）：実際に機器の仕事に使われる電力。ジョッキの「飲めるビール」です。
• 無効電力（var）：仕事には使われず、電源と機器の間を往復するだけの電力。ジョッキの「泡」です。
• 皮相電力（VA）：電源が送り出す全体の電力（見かけの電力）。ジョッキ「全体」です。

力率は、有効電力（飲めるビール）を皮相電力（ジョッキ全体）で割った値です。泡が少なく、ジョッキいっぱいにビールが入っているほど、力率は良い（100%に近い）状態です。逆に泡ばかりだと、たくさん注いだのに飲める量が少ない、つまり力率が悪い状態です。

3つの電力の関係と単位

3つの電力は、それぞれ単位が違います。以前のV・A・Wの記事でkVA（キロボルトアンペア）が出てきましたが、あれが皮相電力の単位です。整理すると次のようになります。

電気を送る電線や変圧器は、有効電力だけでなく、皮相電力（全体）の大きさに耐える必要があります。無効電力が大きい（力率が悪い）と、実際の仕事は少ないのに、送る側は大きな電気を扱わなければならず、無駄が生じます。だから力率は、電気を効率よく使えているかの目安になるのです。3つの電力は、直角三角形の関係（有効が底辺、無効が高さ、皮相が斜辺）で表され、力率はその角度の余弦（cosθ）として計算されます。ここでは「泡が少ないほど力率が良い」と、イメージで押さえておけば十分です。

なぜ力率が下がるのか

力率を下げる主な犯人は、モーターです。ポンプやファン、エアコンなど、モーターを使う機器（誘導性負荷）は、その性質上、磁界をつくるために無効電力を必要とします。この無効電力が、ジョッキの泡のように増え、力率を下げてしまうのです。

動力設備の記事で「モーターは力率が下がりがち」と触れましたが、その理由がこれです。モーターの多い工場などでは、何も対策しないと力率が悪くなり、電気を効率よく使えなくなります。だからこそ、力率を良くする工夫（力率改善）が必要になります。

アッシュくんメモ：無効電力は「まったくの無駄」かというと、そうでもないんだ。モーターが回るには、磁界をつくるための無効電力がどうしても必要。ゼロにはできないから、「増えすぎた分を打ち消して、ちょうどよくする」のが力率改善の考え方なんだよ。

力率改善のしくみとメリット

力率を良くするために使われるのが、進相コンデンサ（力率改善用コンデンサ）です。以前の動力の記事でも触れた機器です。

モーターが生む無効電力は「遅れ」の性質を持ちます。コンデンサは、逆に「進み」の無効電力を出す性質があります。この2つを組み合わせると、遅れと進みが打ち消し合い、全体の無効電力（泡）が小さくなります。すると、送り出す皮相電力（ジョッキ全体）も小さくてすみ、力率が良くなるのです。

力率を改善すると、いくつものメリットがあります。電線や変圧器を流れる余分な電流が減るため、配電のロス（発熱による無駄）が減り、省エネになります。機器にかかる余計な負担も減り、寿命の延長にもつながります。同じ変圧器や電線でも、力率が良くなれば、より多くの有効な電力を送れるようになる（設備の余力が生まれる）という利点もあります。そして、次に見るように電気料金の面でも有利になります。

力率と電気料金の関係

力率は、電気料金（とくに基本料金）にも関わります。多くの電力会社では、力率割引という制度があり、力率が良いと基本料金が安く、悪いと高くなる仕組みになっています。

一般的な目安として、力率85%が基準です。これより力率が良ければ、1%上がるごとに基本料金が割引され、悪ければ1%下がるごとに割増されます。工場やビルのように電気を多く使う建物では、この差が年間で大きな金額になることもあります。だから、進相コンデンサで力率を改善して、基本料金を抑える取り組みが行われるのです。力率改善は、省エネと電気代の両面で効く、費用対効果の高い対策だといえます。

力率改善で気をつけたいこと

力率改善は有効な対策ですが、やみくもにコンデンサを付ければよいわけではありません。設計や運用でいくつか注意点があります。

• 入れすぎに注意：コンデンサを入れすぎると、今度は「進み」の無効電力が増えすぎて、かえって力率が悪くなったり、電圧が上がりすぎたりします。負荷に合った容量を選ぶことが大切です。
• 負荷に応じて切り替える：工場などは、時間帯で使う電気の量が変わります。コンデンサを何段かに分け、負荷に合わせて自動で入り切りする方式（自動力率調整）が使われます。
• インバーターとの相性：動力の記事で触れたように、インバーターを使う回路では、モーターに直接コンデンサをつながないなどの配慮が必要です。組み合わせ方に注意します。
• 点検と更新：コンデンサは消耗する部品です。劣化すると効果が下がるため、定期点検と、寿命に応じた更新が欠かせません。

力率改善は、ただコンデンサを置くだけでなく、設備の使い方に合わせて適切に計画・維持してこそ効果を発揮します。省エネや電気代削減の観点から、電気設備設計で重視されるポイントの一つです。

まとめ：力率と力率改善の基礎を押さえる

• 力率は、送った電気（皮相電力）のうち、実際に役立った電気（有効電力）の割合。
• 電力は有効（W）・無効（var）・皮相（VA）の3つ。ビールのビール・泡・全体で覚える。
• モーターなどの誘導性負荷が無効電力を生み、力率を下げる。
• 進相コンデンサで無効電力を打ち消すと力率が改善。省エネ・機器保護・配電ロス減に効く。
• 力率85%が料金の基準。良ければ基本料金が割引、悪ければ割増になる。
• コンデンサは入れすぎ注意。負荷に合わせた容量・自動調整・定期点検が大切。

よくある質問

力率が悪いと何が困るのですか

実際の仕事は少ないのに、送る側は大きな電気を扱う必要があり、無駄が生じます。電線や変圧器に余分な電流が流れてロスが増え、電気料金の割増にもつながります。設備の効率が下がる、と考えるとよいでしょう。

無効電力は完全になくせないのですか

なくせません。モーターが回るには、磁界をつくるための無効電力がどうしても必要だからです。力率改善は、無効電力をゼロにするのではなく、増えすぎた分をコンデンサで打ち消して、ちょうどよい状態に近づける取り組みです。

力率改善はどんな建物で必要ですか

モーターを多く使う工場や、大きな空調設備のあるビルなど、電気を多く使う建物でとくに重要です。家庭では力率が問題になることは少なく、主に事業用の高圧受電の建物で取り組まれます。逆にいえば、高圧受電の建物では、力率改善は当たり前に検討すべき基本の対策だといえます。

力率を良くすると電気代は下がりますか

基本料金の面で有利になります。多くの電力会社では、力率85%を基準に、良ければ割引、悪ければ割増となります。電気を多く使う建物ほど効果が大きく、進相コンデンサの導入費用を上回る節約になることもあります。