real power、reactive power、apparent power(有効電力、無効電力、皮相電力

電源測定に関する翻訳で、real power、reactive power、apparent power(有効電力、無効電力、皮相電力)という言葉がよく出てくる(例えば、U1881A/U1882Aパワー測定アプリケーションのp3の表)。

交流(AC)の電力は、交流の瞬時電圧値Vac(t)と瞬時電流値Iac(t)の積である瞬時電力値P(t)=Vac(t)×Iac(t)の、1サイクル(T秒)に渡る時間平均であり、

P=(1/T)∫P(t)dt   (1)

で定義される。

交流電圧源Vac(t)=V0cos(ωt)に、負荷として抵抗Rのみが接続されている場合は、オームの法則から、

Iac(t)=Vac(t)/R=(V0/R)cos(ωt)

であり、瞬時電圧値の位相ωtと瞬時電流値の位相ωtが同じ(同相)である。これは、瞬時交流電圧値が正のときは瞬時交流電流値も正であり、瞬時交流電圧値が負のときは瞬時交流電流値も負なので、瞬時電力値は常に正であることを意味し、交流電圧源から供給されたエネルギーが常に負荷で消費されている。このように、負荷で消費される電力を有効電力と呼ぶ。

交流電圧源Vac(t)=V0cos(ωt)に、負荷としてインダクタスLのみが接続されれいる場合は、回路に電流Iac(t)が流れると、電磁誘導の法則、L(dIac(t)/dt)=-V_L(t)からコイルに自己誘導起電力V_L(t)が生じ、キルヒホッフの第2法則からVac(t)+V_L(t)=0が成り立つので、L(dIac(t)/dt)=Vac(t)を積分することにより、

Iac(t)=(1/L)∫V0cos(ωt)dt=(1/ωL)V0sin(ωt)

となり、瞬時電流値の位相は瞬時電圧値の位相ωtに対して90度(π/2)遅れる(sin(ωt)=cos(ωt-π/2))。この場合は、(1)式を計算すると、電力はゼロになる。

同様に、キャパシタンスCのみが接続されている場合は、瞬時電流値の位相が90度進むので(Q=∫I(t)dt=CV(t)の関係を微分)、電力はゼロになる。

どちらの場合も電力がゼロになるのは、供給されたエネルギーが負荷で消費されずに、電源に戻るからである。このように、負荷で消費されずに電源に戻る電力を無効電力と呼ぶ。

一般には、負荷はL、C、Rの合成回路であり、瞬時電圧値Vac(t)と瞬時電流値Iac(t)の位相に差が生じる。この位相差をθとして、Vac(t)=V0cos(ωt)、Iac(t)=I0cos(ωt-θ)を(1)式に代入して電力を計算すると、

P=(1/2)V0×I0×cosθ=Vrms×Irms×cosθ(Vrms、Irmsは、Vac(t)、Iac(t)の実効値

となる。これは、(電圧ベクトルに対する)電流ベクトルの同相成分Irms×cosθが、実際に負荷で消費されるエネルギーに寄与することを意味し、

有効電力=Vrms×Irms×cosθ [W]、Wは有効電力の単位

となる。

一方、(電圧ベクトルに対する)電流ベクトルの直交成分Irms×sinθは、負荷で消費されず電源に戻るエネルギーに寄与するので、

無効電力=Vrms×Irms×sinθ [var]、varは無効電力の単位

となる。

Vrms×Irms [VA]、VAは皮相電力の単位

は、実際に負荷で消費される電力ではなく、電源から負荷に供給される見かけ上の電力であり、皮相電力と呼ばれる。

また、cosθ=有効電力/皮相電力は力率(power factor)と呼ばれる。

有効電力、無効電力、皮相電力については、以下を参照。

交流電力

電気主任技術者-電験3種の試験と実務有効電力と無効電力

dissipation factor(損失係数)

LCR測定に関する翻訳で、dissipation factor(損失係数)という言葉がよく出てくる(例えば、U1730Cシリーズ ハンドヘルドLCRメータのp2)。損失係数は、コンデンサの性能指標の1つである。

コンデンサのキャパシタンスCは、形状パラメータ(電極の面積S、電極間の距離d)と電極間の誘電材料の誘電率εから、C=ε(S/d)で与えられる。しかし、実際には、誘電材料の漏れ電流による誘電損失があるので、図2のようにキャパシタンスCを、純粋なキャパシタンスCpとコンダクタンスGの純抵抗(R=1/G)の並列回路でモデル化して、複素誘電率を導入する。この複素誘電率の実数部と虚数部の比が損失係数(ロス・タンジェント、誘電正接、タンデルタとも呼ばれる)である。

図1

図1

図2

図2

図2から、

損失係数 = (G/(ωC0))/(Cp/C0)
      = G/(ωCp)
      = 1/(RωCp)         、G=1/Rなので
      = (V^2/R/ω) / (Cp*V^2) 、分母と分子にV^2を掛ける
      = (1サイクル毎の抵抗Rによる損失エネルギー)/(コンデンサに蓄積されているエネルギー)

となり、損失係数が小さいほど、抵抗成分による損失エネルギーが少なく、自己発熱の少ない優れたコンデンサと言える。

損失係数については、以下を参照

誘電体測定の基礎

Kelvin connection(ケルビン接続)

計測関係の翻訳に、Kelvin connection(ケルビン接続)という言葉がよく出てくる(例えば、パラメトリック測定器 アクセサリ・ガイドのp6)。ケルビン接続とは、抵抗測定における4端子法(または4線式と呼ばれることもある)のことである。

デジタル・マルチメータやアナログ・テスタなどで2端子法(2線式)で被測定抵抗を測定する場合は、リード線の抵抗値や端子とリード線の接触抵抗値を含む抵抗値が測定される。被測定抵抗の抵抗値が大きく、リード線の抵抗や端子とリード線の接触抵抗による電圧降下が被測定抵抗による電圧降下に比べて無視できる場合は、2端子法でも測定誤差が少なく問題はない。

被測定抵抗の抵抗値が微小な場合は、2端子法では大きな測定誤差が生じる。これは、電流を流すリード線と電圧を測定するリード線が共用されている(リード線や端子による電圧降下が、被測定抵抗による電圧降下に対して相対的に大きくなる)からである。

この問題を回避するための手法が4端子法(4線式抵抗測定)で、電流を流すリード線とは別に電圧を測定するリード線を被測定抵抗の両端に追加する測定法(被測定抵抗に合計4個の端子ができるので4端子法と呼ばれる)である。このようにして、電流を流す回路と電圧を測定する回路を分けることにより、被測定抵抗による電圧降下のみを正確に測定でき(電圧測定回路にはほとんど電流が流れないので)、被測定抵抗のみの抵抗値が得られる。

4端子法については、以下を参照。

低い抵抗値を4端子法で測定する方法