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電源のW、VA、力率、効率の関係は?

「ワット」(W)はスカラ量で、パワーとも呼ばれ、システム効率の測定に関連して多く用いられます。ワットとは、顧客の仕事を実行するために電力会社から単位時間に供給されるエネルギーのことです。大量に電気を消費する事業者の場合を除いて、電力会社はユーザが使用したワット数(VAではなく)で料金を請求します。ワットは、機械的な仕事(馬力)や熱量単位のBTU(British Thermal Units)に直接変換できます。

  • 1馬力 = 746 W
  • 1 BTU/時間 = 0.293 W

数学的には、ワットは2つのベクトル量(電圧と電流)のベクトル積から得られるスカラ量です。rms電圧とrms電流の単純な算術積ではありません。

これに対して「VA」とは、ベクトル量である電圧と電流のrmsの大きさを乗算して得られるスカラ量です。この値は、機器が要求するワット数よりも小さくなることはありません。製品の全効率と消費電力をVAを使って評価している例が見られますが、これは誤りです。VAの正しい用途は、AC電源導体のゲージとサーキット・ブレーカのサイズ、および「力率」を求めるために使うことです。

「力率」とは、ある条件下で製品が消費するワット数を、そのパワーを供給するために必要なVAで割ったものです。力率が1.0、すなわち消費ワット数と必要なVAが等しいのは、負荷が純抵抗の場合だけです。現実にはこのようなことはほとんどありません。力率は通常は1.0より小さい値を取ります。

負荷のリアクタンスが大きくなるほど、同じワット数を負荷に供給するために必要なVAは大きくなります。電源のrms電圧が一定と仮定すると、力率が低いほど、負荷に同じ公称ワット数を供給するために大きなrms電流が必要です。この不釣り合いに大きい電流を生成して分配する能力が、発電施設と配電網に必要となります。このため電力会社にとっては、製品の力率はなるべく1.0に近いのが望ましいのです。

「効率」とは、単にシステムが行う仕事をシステムに供給される仕事で割ったものです。ある条件下での電気負荷の効率は、通常は出力パワーを入力パワーで割って求めます。結果は常に1.0より小さくなります。出力パワーと入力パワーの差は、システムから熱として失われるワット数です。失われたワット数をBTU/時間に変換すると、周囲環境に放出される熱量がわかります。