有効電力、無効電力、皮相電力の違い

電気・電子
ヤベ
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電力って言葉知っとるやろ?そう。W(ワット)で表すやつや。
 
実はな、電力ゆーても細かく3つに分類されるんや。交流の場合だけやけどな。
 
今回はそこらへん詳しく説明していくで!

 
ども!学生時代ぶりにサイゼにいって、相変わらずミラノ風ドリアが美味くて安心したamasawaです!

 
今回は電力の違いについてまとめたいと思います。

 

電力ってよく聞くけどなんや?

電力とは「単位時間あたりに電流がする仕事量」のことで、単位は[W]ワットで表します。よく電化製品に書いてあるW(ワット)とはこのことで、電化製品が動作するのに必要な電力を示していて、そこから使用する電流を計算することもできます。

 
電力や電流なんて知ってて意味あるの?と思いますが、日常生活でも計算する場面はあります。

 
例えば、賃貸の契約電力が30Wだった場合は、使用してる電力が30W超えた場合にブレーカーが落ちてしまうので超えないように使うことができますし、さらに差込口が多い電源タップを使っている方も多いと思いますが、電源タップにも定格電圧、定格電流、定格電力があるため、これらを超えないようにしないといけません。

 
もし超えて使っちゃうと故障する危険もあるので注意が必要です。

 
こんな感じで、日常生活で身近な存在である電力ですが、電気屋としてもう一歩踏み込んで考えてみたいと思います。

 
電力は電圧と電流から計算で求めることが出来ます。高校の物理でもお馴染みの以下の式で表します。

 
$$
\begin{eqnarray}
P &=& VI ・・・①
\end{eqnarray}
$$

 
電流と電圧をかけるだけなので単純ですね!でも、実はこの式はあくまで直流の場合でしか使えません。なぜなら、この式は電圧が時間的に変化しないことが前提の式だからです。

 
それでは、交流の場合どう考えればよいのでしょうか。

 
交流の場合は、電圧が時間的に変化するため、時間的要素を含めて、電力P(t)、電圧V(t)、電流I(t)、位相差θと考えると、

 
$$
\begin{eqnarray}
v(t) &=& E_{m}sinθ \\
\\
i(t) &=& I_{m}sin(ωt-θ)
\end{eqnarray}
$$

 
となります。

 
これから電力をもとめると、

 
$$
\begin{eqnarray}
p(t) = |EI|cosθ \ – \ |EI|cosθcos2ωt \\
\ \ \ \ \ – \ |EI|sinθsin2ωt ・・・②
\end{eqnarray}
$$

 
とかなり複雑な式になります。 

 

交流における電力は大きく3つに分けることができる

直流における電力は①のようにかなり単純な式になりますが、交流における電力は②のように複雑な式となります。

 
実は、この交流については大きく3つの電力の要素から成り立っています。

 
あんな複雑な式なのにさらに分類されるのかよーって思いますが、あんなに複雑な式だからこそ、分類されます。笑

 
交流における電力は有効電力と無効電力と皮相電力に分けられ、それぞれ意味が違うので、これらについて説明します。

 

有効電力

有効電力とは電気回路で有効になる電力のことです!

 
いやいや、電力に有効じゃないことなんてあるんかい!って感じですが、あるんです。笑

 
交流回路で絶対無視できないことが位相の考え方です。

 
負荷回路がただの抵抗のみであれば位相差は発生しませんが、インダクタだと位相が90度遅れ、コンデンサだと位相が90度進みます。交流回路では位相差があることで、有効な電力と無効な電力に分けられてしまうんです!

 

無効電力

無効電力とは、電気機器を動かすために消費されない電力のことです。

 
電力会社から供給される電力にも無効電力は含まれていて、送電するにあたり、重要な役割を担っています。

 
無効電力が増加すると電圧が低下してしまい、不具合が生じることもあります。

 

皮相電力

皮相電力とは電源から送られている全ての電力のことです。

 
 皮相電力の2乗=有効電力の2乗+無効電力の2乗

 
で表わすことができます。

 
実効値Vの電圧を加えたときに、回路に流れる電流の実効値をIとすると皮相電力はVIとなり、これに力率を掛けたものが「有効電力」になります。

 
そもそも皮相とは「物事の表面、うわっつら」を意味した単語です。

 
その名の通り、現実世界では「有効電力と無効電力」しか存在しないのに、理想的に考えて、皮相電力という考え方も存在しています。

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