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、設備の運転状態に応じて変化する力率を監視し、電力用コンデンサの投入・遮断を自動的に切り替えることで、無効電力を抑える制御です。工場やビルではモーター、変圧器などの誘導性負荷が多く使用されるため、電流が電圧より遅れ、力率が低下することがあります。
力率が低い状態では、同じ有効電力を使用する場合でも電源から流れる電流が大きくなります。力率制御によって遅れ無効電力を補償することで、配線や変圧器に流れる電流を抑え、電力設備を効率よく使用できる状態へ近づけます。
有効電力・無効電力・皮相電力
交流の電力は、有効電力、無効電力、皮相電力に分けて考えます。
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、実際の仕事や熱として消費される電力です。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に、電源と負荷の間を行き来する電力です。仕事として直接消費される電力ではありませんが、電源や配線には電流が流れます。記号はQ、単位はvarまたはkvarです。
皮相電力
電源側から見た電力の大きさで、電圧の実効値と電流の実効値を掛けた値です。電源、変圧器、配線、遮断器などが負担する容量に関係します。記号はS、単位はVAまたはkVAです。
有効電力P、無効電力Q、皮相電力Sは直角三角形のベクトル関係として表すことができ、次の式が成り立ちます。
S＝√（P2＋Q2）
水平成分が有効電力P、垂直成分が無効電力Q、そのベクトルの合成が皮相電力Sに相当します。
力率と電力の関係
有効電力Pと皮相電力Sのベクトルに挟まれる角度をφとすると、力率は次の式で表されます。
力率＝cosφ
また、力率は有効電力と皮相電力の比としても求められます。
力率＝P／S
したがって、有効電力Pは次の式で表せます。
P＝S cosφ
単相交流で皮相電力S＝VIとすると、次の関係になります。
P＝VI cosφ
角度φが0°に近づくほどcosφは1へ近づき、無効電力Qは小さくなります。理想的に力率が1の場合、皮相電力と有効電力は等しくなります。
無効電力は、力率角φを用いて次のようにも表せます。
Q＝S sinφ
また、有効電力との関係では次の式になります。
Q＝P tanφ
力率が低い場合の影響
設備の負荷にはさまざまな種類があり、運転台数や負荷率によって力率は変化します。特にモーターや変圧器などの誘導性負荷が多い設備では、電流が電圧より遅れ、遅れ無効電力が大きくなります。
同じ有効電力Pを使用する場合、単相交流の電流Iは次の式で表せます。
I＝P／（V×力率）
この式から、力率が低くなるほど必要な電流が大きくなることが分かります。電流が増えると、配線の発熱や電圧降下が大きくなり、変圧器や遮断器の容量にも余裕が必要になります。
力率低下そのものが直ちに設備の故障や火災を引き起こすわけではありませんが、電流増加による発熱や設備負担を放置すると、配線や機器の劣化を早める一因となる可能性があります。
力率制御の仕組み
誘導性負荷で発生する遅れ無効電力を補償するため、設備へ進相コンデンサを設置します。コンデンサは進み無効電力を発生させるため、モーターなどの遅れ無効電力を打ち消す方向に働きます。
力率制御では、電圧とCTで測定した電流から有効電力、無効電力、力率などを演算し、現在の負荷状態を監視します。力率が設定値を下回った場合はコンデンサを投入し、進み側へ補償しすぎた場合や負荷が減少した場合はコンデンサを遮断します。
必要な補償無効電力をQc、改善前の力率角をφ1、改善後の力率角をφ2とすると、コンデンサ容量の目安は次の式で求められます。
Qc＝P（tanφ1－tanφ2）
ここで、Pは有効電力です。実際の設備では、負荷が常に一定ではないため、計算した容量を複数のコンデンサへ分割し、必要量に応じて段階的に投入・遮断します。
自動力率調整器の動作
自動力率調整器は、電力負荷を継続的に計測し、設定した目標力率へ近づけるようにコンデンサ制御信号を出力する装置です。接点出力などを介して電磁接触器を動作させ、複数段のコンデンサを切り替えます。
例えば、負荷が増えて遅れ無効電力が大きくなるとコンデンサを順番に投入し、負荷が減少すると順番に遮断します。投入・遮断を頻繁に繰り返さないよう、動作時間、復帰時間、不感帯などを設定します。
コンデンサを遮断した直後は内部に電荷が残るため、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可能性があります。そのため、再投入までの待機時間を設けることが重要です。
制御上のポイント
進みすぎを防止する
コンデンサを過剰に投入すると、力率が進み側になることがあります。特に夜間や設備停止時など、負荷が小さい状態でコンデンサが接続されたままになると過補償になりやすいため、負荷の減少に合わせて確実に遮断します。
適切な段数と容量を設定する
コンデンサ1段当たりの容量が大きすぎると、投入するたびに遅れ力率と進み力率を行き来し、目標力率へ安定しにくくなります。設備の負荷変動幅に合わせて、段数と各段の容量を決定します。
投入・遮断の順序を管理する
同じコンデンサだけを繰り返し使用すると、特定の段の電磁接触器やコンデンサへ動作回数が集中します。設備条件に応じて、投入順序を循環させるなど、使用回数を均等化する制御を検討します。
高調波の影響を確認する
インバーターや整流機器が多い設備では、高調波とコンデンサが共振し、電流が増大する場合があります。力率だけでコンデンサ容量を決定せず、高調波の発生状況を確認し、必要に応じて直列リアクトルを組み合わせます。
CTの向きと相を確認する
CTの取付方向や電圧入力との相対応が誤っていると、力率の進み・遅れや無効電力の符号を正しく判定できません。三相回路では、電圧と電流の相、CTの極性、相順を確認します。
異常時の動作を定める
電圧異常、CT入力異常、コンデンサ回路の遮断器動作、電磁接触器の不良などが発生した場合は、該当するコンデンサの投入を禁止し、警報を出します。保守時には自動制御を停止し、各段を個別に確認できる構成も検討します。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、電圧と電流から有効電力、無効電力、皮相電力、力率を計測し、電力用コンデンサを制御する信号を自動出力する自動力率調整器を開発・販売しています。
設備の受電方式、負荷容量、力率の変動、コンデンサの段数と容量、CTの定格などを確認し、用途に応じた計測・制御構成を検討します。
また、コンデンサの投入・遮断出力、動作間隔、進み・遅れの判定、警報表示、外部機器との接点連携など、設備の運用条件に合わせた構成に対応します。
よくある質問
Q. 力率制御を行えば、力率は常に1になりますか？
A. 負荷は連続的に変化しますが、コンデンサは段階的に切り替えるため、常に完全な1になるとは限りません。設定した範囲内で目標力率を維持するように制御します。
Q. コンデンサは多く設置するほど効果がありますか？
A. 必要以上に設置すると進み力率となり、電圧上昇や高調波共振などの問題が生じる場合があります。設備の有効電力と改善前後の力率から適切な容量を求めます。
Q. 負荷ごとにコンデンサを設置する方法と一括制御は何が違いますか？
A. 個別設置は負荷の運転と同時に投入・遮断しやすい方法です。一括制御は受電点などで設備全体の力率を監視し、複数段のコンデンサを自動で切り替えます。
Q. インバーター設備でも力率制御できますか？
A. 設備構成によって可能ですが、高調波や入力側の力率特性を確認する必要があります。コンデンサをインバーター出力側へ接続することは避け、機器メーカーの仕様に従って構成します。
Q. コンデンサの投入・遮断状態を外部へ出力できますか？
A. 自動力率調整器や制御回路の仕様に応じて、各段の投入状態、警報、現在の力率などを外部機器へ出力できる構成を検討できます。