Technology
力率制御
(りきりつせいぎょ)
自動力率調整器
力率制御とは、設備の負荷に応じて変化する力率や無効電力を監視し、進相コンデンサを段階的に投入・遮断することで、電源側へ流れる無効電流を抑える制御です。自動力率調整とも呼ばれ、モーターや変圧器などの誘導性負荷が多い工場・ビルで使用されます。
力率が低いと、同じ有効電力を使用する場合でも電流が大きくなり、配線の発熱、電圧降下、変圧器や遮断器の負担が増えます。力率制御によって遅れ無効電力を適切に補償すれば、電力設備を効率よく利用しやすくなります。
力率制御の基礎となる電力
有効電力
モーターを回す、ヒーターを加熱する、照明を点灯するといった、実際の仕事や熱に使われる電力です。記号はP、単位はWまたはkWです。
無効電力
モーターや変圧器の磁界、コンデンサの電界をつくるため、電源と負荷の間を行き来する電力です。記号はQ、単位はvarまたはkvarです。仕事として直接消費されませんが、配線には電流が流れます。
皮相電力
電圧と電流の実効値から求める、電源設備が負担する電力の大きさです。記号はS、単位はVAまたはkVAです。
正弦波交流では、次の関係があります。
S＝√（P2＋Q2）
力率＝P／S＝cosφ
φは電圧と電流の位相差です。力率が1に近いほど、皮相電力に対して有効電力の割合が大きくなります。
力率制御の仕組み
モーターや変圧器などの誘導性負荷では、電流が電圧より遅れ、遅れ無効電力が発生します。これを補償するため、設備へ進相コンデンサを接続します。コンデンサは進み無効電力を発生させるため、電源側から見た無効電力を小さくできます。
自動力率調整器は、電圧入力とCTで測定した電流から、有効電力、無効電力、力率、進み・遅れを演算します。遅れ無効電力が増えた場合はコンデンサを投入し、負荷が減少した場合や進み側へ補償しすぎた場合は遮断します。
コンデンサを複数段へ分けておけば、負荷変動に合わせて必要な容量だけを投入できます。例えば10kvar、20kvar、20kvarの3段を設けると、0～50kvarの範囲で段階的に補償できます。
必要なコンデンサ容量
改善前の力率角をφ1、改善後の目標力率角をφ2、有効電力をPとすると、必要な補償無効電力Qcは次の式で概算できます。
Qc＝P（tanφ1－tanφ2）
例えば、有効電力100kW、改善前力率0.7、目標力率0.95の場合、必要な補償量は概ね次のようになります。
Qc≒100×（1.02－0.33）＝69kvar
実際には負荷が変動するため、約69kvarを1段で投入するのではなく、複数段へ分割して制御します。高調波、設備電圧、既設コンデンサ、将来増設も確認して容量を決定します。
自動力率調整器の基本動作
力率制御では、設定した目標力率だけでなく、不感帯、投入遅延時間、遮断遅延時間、再投入禁止時間などを設定します。
負荷がわずかに変動するたびにコンデンサを切り替えると、電磁接触器やコンデンサの寿命が短くなります。一定時間継続して補償が必要と判断した場合だけ切り替えることで、不要な頻繁動作を防ぎます。
コンデンサを遮断した直後は内部に電荷が残っています。十分に放電する前に再投入すると、大きな突入電流が流れるため、放電時間を考慮した再投入禁止時間を設けます。
制御設計上のポイント
過補償による進み力率を防ぐ
夜間や休止時間など負荷が小さいときにコンデンサが接続されたままだと、進み力率になる場合があります。進み側へ移行したことを検出したら、速やかに不要な段を遮断します。
目標値を力率1.00へ固定すると、段容量によって進みと遅れを繰り返しやすいため、設備条件に応じた目標力率と不感帯を設定します。
コンデンサの段数と容量を決める
1段当たりの容量が大きすぎると、投入後に一気に進み側へ移り、遮断すると再び遅れ側へ戻るハンチングが発生します。負荷の最小変動量に対して細かく追従できる段容量を検討します。
等容量で構成する方法のほか、10、20、40kvarのように容量を変えて、少ない段数で広い補償範囲を持たせる方法もあります。
投入順序と使用回数を管理する
常に同じ段から投入すると、特定のコンデンサや接触器だけが早く劣化します。先入れ先切り、循環投入、使用回数の少ない段を優先する方式などにより、動作回数を分散します。
高調波共振を確認する
インバーター、UPS、スイッチング電源などが多い設備では、高調波とコンデンサが共振し、コンデンサ電流や電圧が増大することがあります。力率だけを見て容量を追加せず、高調波電圧・電流を確認します。
必要に応じて直列リアクトル付きコンデンサを使用します。コンデンサをインバーターの出力側へ直接接続してはいけない場合があるため、機器メーカーの仕様も確認します。
CTの相と向きを正しくする
CTの取付方向や電圧入力との相対応が誤っていると、無効電力の符号や進み・遅れを正しく判定できません。コンデンサを投入するほど力率が悪化するような場合は、CT極性、電圧相、相順を確認します。
接触器と保護機器を適切に選ぶ
コンデンサ投入時には大きな突入電流が流れます。一般負荷用の接触器では接点溶着や寿命低下を招く場合があるため、コンデンサ開閉に適した接触器や抵抗付き接触器を使用します。
各段には遮断器、ヒューズ、放電抵抗などを設けます。異常段だけを切り離し、正常な段で制御を継続できる構成も検討します。
異常監視とフェイルセーフ
主な異常には、電圧入力異常、CT断線、相違い、コンデンサ用遮断器の動作、接触器の溶着、コンデンサ劣化、温度上昇があります。
コンデンサへ投入指令を出したにもかかわらず力率や無効電力が変化しない場合は、接触器不良、ヒューズ切れ、コンデンサ容量低下が考えられます。投入前後の無効電力変化を監視すると、段ごとの異常を検出しやすくなります。
計測異常や通信異常が発生した場合は、誤った判定でコンデンサを投入し続けないよう、自動制御を停止して各段を安全側へ遮断します。復電後も負荷状態を再計測してから制御を再開します。
保守と設備更新
定期点検では、コンデンサの膨れ、液漏れ、変色、異音、接触器の接点摩耗、端子緩み、リアクトルの発熱を確認します。コンデンサは経年劣化によって容量が低下し、投入しても期待した補償量が得られなくなる場合があります。
自動力率調整器を更新する場合は、電圧入力、CT定格、相線式、出力段数、接点仕様、目標力率、遅延時間を確認します。旧機器の設定値をそのまま移すだけでなく、現在の負荷とコンデンサ状態を再確認します。
負荷設備の増設やインバーター化によって高調波環境が変化している場合は、コンデンサ設備全体の見直しが必要になることがあります。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、電圧とCT入力から有効電力、無効電力、皮相電力、力率を計測し、電力用コンデンサを段階制御する自動力率調整器を開発・提供しています。
受電方式、相線式、負荷容量、力率変動、既設コンデンサの段数・容量、CT定格、高調波環境を確認し、用途に応じた計測・制御構成を検討します。
コンデンサの投入・遮断出力、進み・遅れ判定、不感帯、動作遅延、再投入禁止時間、段の循環制御、異常警報などを設備条件に合わせて設定します。
既設の力率調整器やコンデンサ盤の更新についても、電源回路、CT配線、接触器、保護機器、通信仕様を確認し、盤改造や上位監視システムとの連携を検討します。
よくある質問
Q. コンデンサを投入しても力率が改善しない場合は何を確認しますか？
A. CTの相と向き、接触器、ヒューズ、コンデンサ容量、電圧入力を確認します。高調波や負荷変動により表示が安定しない場合もあります。
Q. コンデンサが頻繁に投入・遮断を繰り返す場合はどうしますか？
A. 1段当たりの容量、不感帯、投入・遮断遅延時間を確認します。段容量が大きすぎる場合は、細分化を検討します。
Q. 夜間に進み力率になる原因は何ですか？
A. 負荷が減少しているのにコンデンサが残っている可能性があります。自動遮断条件や、個別負荷に直結されたコンデンサを確認します。
Q. 既設の自動力率調整器だけを交換できますか？
A. CT入力、相線式、出力段数、接点仕様が適合すれば交換できる場合があります。既設コンデンサや接触器の劣化状態も合わせて確認します。
Q. 高調波が多い設備でも力率制御できますか？
A. 可能な場合がありますが、コンデンサとの共振や過電流を確認する必要があります。高調波測定を行い、直列リアクトルなどを含めて構成します。