2026.08.28

力率改善と高調波対策の基本｜進相コンデンサ・直列リアクトルの役割と計算

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受変電設備の単線結線図を見ると、変圧器の二次側や高圧母線に「SC」と「SR」が並んでいることがあります。SCは進相コンデンサ、SRは直列リアクトルです。進相コンデンサは力率を改善する機器ですが、インバータなどが発生する高調波の影響を受けやすいため、直列リアクトルと組み合わせて使います。

ここで混同しやすいのが、力率改善と高調波対策の関係です。力率改善の目的は、同じ仕事をするために電源から流す電流を減らすことです。一方、高調波対策の目的は、ひずんだ電流がコンデンサやほかの機器へ与える影響を抑えることです。目的は別ですが、進相コンデンサを設置すると両方を一緒に検討する必要があります。

この記事では、有効電力200kWの負荷を例に、力率を0.80から0.95へ改善したときの電流、配線損失、必要なコンデンサ容量を計算します。そのうえで、6%・13%直列リアクトルの違い、高調波抑制対策ガイドラインの確認方法、設計図書のどこを見ればよいかまでつなげます。

この記事でわかること

力率、有効電力、無効電力、皮相電力の関係
力率改善によって電流と配線損失が減る理由
進相コンデンサ容量をkvarで求める計算方法
高調波が進相コンデンサへ流れ込みやすい理由
6%・13%直列リアクトルを数値だけで選べない理由
負荷集計表、単線結線図、機器仕様書で確認する項目

力率とは、有効電力が皮相電力の何割を占めるかを示す値

モータへ電気を送る場面を考えてみましょう。モータの軸を回すために実際に使われる電力が、有効電力P[kW]です。ただし、交流モータや変圧器は磁界を作るために無効電力Q[kvar]も必要とします。無効電力は電源と負荷の間を往復する成分で、機械仕事には変わりませんが、モータや変圧器を動かすうえで不要というわけではありません。

電源、変圧器、幹線が受け持つ電力全体の大きさを皮相電力S[kVA]といいます。電圧・電流波形を正弦波として考えられる回路では、三つの関係を次の式で表せます。

S = √(P² + Q²)

P：有効電力[kW]
Q：無効電力[kvar]
S：皮相電力[kVA]

力率は、皮相電力のうち有効電力が占める割合です。

力率 = P / S

力率0.80なら、100kVAの皮相電力に対して有効電力は80kWです。残りの大きさを単純に20kvarとすることはできません。P、Q、Sは直角三角形の関係にあるため、この例の無効電力は√(100²−80²)=60kvarです。

モータや変圧器のような誘導性負荷では、電流の位相が電圧より遅れる「遅れ力率」になります。この記事で扱う力率改善は、この遅れ無効電力の一部を進相コンデンサから供給し、電源側が受け持つ無効電力を減らす方法です。

なお、インバータなどで電流波形が大きくひずむ回路では、力率低下には位相差だけでなく波形ひずみも関係します。cosφで表す基本波の変位力率と、計器が示す総合力率を同じものとして扱わず、機器仕様書や高調波測定結果も確認してください。

力率改善で三相電流が361Aから304Aへ減る計算

平衡した三相回路で、電圧と電流を正弦波として扱える場合、有効電力は次の式で求められます。

P = √3 × V × I × cosφ

電流Iを求める形に直すと、次のようになります。

I = P / (√3 × V × cosφ)

P：負荷へ入る有効電力[W]
V：三相の線間電圧[V]
I：線電流[A]
cosφ：力率

有効電力200kW、三相400Vの負荷について、力率0.80と0.95を比べます。ここでは負荷の有効電力と電圧は変わらず、高調波電流は含まないものとします。

力率0.80の電流は、

I = 200,000 / (√3 × 400 × 0.80) = 360.8A

したがって約361Aです。

力率0.95へ改善した後は、

I = 200,000 / (√3 × 400 × 0.95) = 303.9A

となり、約304Aまで下がります。同じ200kWを負荷へ送っていても、電源から流す基本波電流は約57A減りました。

三相配線の抵抗損失は、各相の抵抗をR[Ω]とすると3I²Rで表せます。同じ配線で改善前後を比べる場合、Rは同じなので電流の二乗だけを比べれば足ります。

改善後の損失 / 改善前の損失 = (303.9 / 360.8)² = 0.709

この条件では、コンデンサ接続点より上流側の配線損失が約29%小さくなる計算です。建物内のすべての配線損失が29%減るわけではありません。高圧母線へコンデンサを設けた場合、その下流にある低圧幹線の電流は減りません。変圧器や低圧幹線まで電流を減らしたい場合は、コンデンサをどこへ接続するかも単線結線図で検討します。

200kW三相400Vで力率を0.80から0.95へ改善したときの基本波電流と上流側配線損失の比較

進相コンデンサ容量を力率0.80から0.95へ改善する計算

進相コンデンサは、負荷が必要とする遅れ無効電力の一部を負荷側から供給します。電源から送る無効電力が減るため、上流側の皮相電力と電流が小さくなります。

必要なコンデンサ容量Qc[kvar]は、改善前後の力率から次の式で概算できます。

Qc = P × (tanφ1 − tanφ2)

tanφ = √(1 / cos²φ − 1)

Qc：補償する進み無効電力[kvar]
P：負荷へ入る有効電力[kW]
cosφ1：改善前の力率
cosφ2：目標力率

有効電力200kW、改善前力率0.80、目標力率0.95を代入します。

tanφ1 = √(1 / 0.80² − 1) = 0.7500

tanφ2 = √(1 / 0.95² − 1) = 0.3287

Qc = 200 × (0.7500 − 0.3287) = 84.26kvar

必要なコンデンサ容量の概算は約84.3kvarです。ただし、これは計算の終点ではありません。実際にはメーカーの標準容量から選び、負荷が小さくなる時間帯にもコンデンサを接続したままでよいかを確認します。

夜間や中間期にモータ負荷が止まっているのにコンデンサだけが残ると、供給地点から見て進み力率になることがあります。そこで、負荷と一緒に個別コンデンサを開閉する方法や、複数段に分けたコンデンサを自動力率調整装置で増減する方法を検討します。目標力率を高く設定するほどよいとは限らないため、月ごとの負荷変動、運転スケジュール、契約上の力率の扱いを合わせて見ます。

力率割引・割増は契約書と最新約款で確認する

力率を改善すると基本料金が下がるという説明を見かけますが、85%という基準をすべての電気契約へ当てはめることはできません。電力会社、小売電気事業者、料金プラン、受電電圧によって条件が異なるためです。

現行例として、東京電力エナジーパートナーの2026年4月1日実施「電気需給約款［特別高圧・高圧］」では、ベーシックプランの平均力率が85%を上回る場合、上回る1%につき基本料金を1%割引し、85%を下回る場合は下回る1%につき1%割り増すと定めています。平均力率は、原則として毎日8時から22時までの値から算定します。

この条件で力率95%なら、割引・割増前の基本料金へ掛ける係数は次のように求められます。

1 − (95 − 85) / 100 = 0.90

参考書で見かける(185 − 力率[%]) / 100も同じ結果になり、(185−95)/100=0.90です。0.90は「割引率90%」ではなく、基本料金を90%にする係数です。つまり、この例では10%割引となります。

一方、東京電力エナジーパートナーの低圧料金では力率割引・割増が2024年に廃止されています。料金効果を試算するときは、電気料金請求書に書かれた契約プランを特定し、そのプランの最新約款で、対象時間、平均力率の算定方法、割引・割増の適用有無を確認してください。

高調波はインバータなどが電流波形をひずませて生じる

商用電源の基本周波数は50Hzまたは60Hzです。その整数倍の周波数成分を高調波と呼びます。50Hz系統なら、第3高調波は150Hz、第5高調波は250Hzです。

抵抗負荷へ正弦波電圧を加えると、電流もおおむね正弦波になります。これに対して、インバータ、サーボアンプ、整流器、UPSなどの電力変換装置は、半導体素子を使って電流を断続的に取り込みます。その結果、電流波形が正弦波から崩れ、基本波に第5、第7などの成分が重なります。

高調波電流は発生機器の中だけにとどまりません。構内配線や変圧器を通り、系統条件によってはほかの機器や電力系統へ流れます。変圧器・ケーブルの発熱、保護装置や電子機器の誤動作、進相コンデンサ・直列リアクトルの過熱や異音につながることがあるため、負荷容量だけでなく高調波電流も確認します。

設計時は、負荷集計表で「インバータあり」と書くだけでは足りません。空調機、ポンプ、エレベーター、UPSなどの仕様書から、入力容量、回路方式、リアクトルの有無、高調波電流、ガイドライン用の換算係数を拾い、高調波流出電流計算書へまとめます。

進相コンデンサへ高調波電流が流れ込みやすい理由

コンデンサの交流に対する抵抗成分を容量性リアクタンスXc[Ω]といい、次の式で表します。

Xc = 1 / (2πfC)

f：周波数[Hz]
C：静電容量[F]

周波数fが高くなるほどXcは小さくなります。つまり、進相コンデンサは基本波より高い周波数の電流を通しやすい性質があります。系統に高調波電圧があると、想定以上の高調波電流がコンデンサへ流れ込み、過熱や異音の原因になります。

さらに、電源・変圧器・配線が持つインダクタンスとコンデンサが組み合わさると、特定の周波数で共振することがあります。共振条件が高調波の次数と重なると、コンデンサを設置する前より高調波電流や電圧ひずみが大きくなる場合があります。力率だけを見てコンデンサ容量を決めず、系統の高調波と直列リアクトルを一緒に確認する理由はここにあります。

直列リアクトルは高調波の拡大とコンデンサ投入時の突入電流を抑える

直列リアクトルは、進相コンデンサと直列に接続するコイルです。コンデンサが力率改善を担当し、リアクトルは主に次の二つを担当します。

インバータ負荷、高圧母線、進相コンデンサSC、直列リアクトルSRの関係と高調波拡大を抑える役割を示す図

コンデンサ枝路を対象となる高調波に対して誘導性にし、電源側インダクタンスとの並列共振による高調波の拡大を防ぐ
コンデンサを回路へ投入した瞬間の突入電流を抑える

日本規格協会が公開するJIS C 4902-2:2010の規格概要にも、回路電圧の波形ひずみを軽減し、コンデンサ投入時の突入電流を抑制する機器として直列リアクトルが示されています。この規格は2024年6月に内容確認され、現在も有効です。

三菱電機の技術教材では、リアクトルなしでコンデンサを投入すると定格電流の数十倍から数百倍の突入電流が流れることがあり、L=6%の例では約5.1倍に抑えられると説明しています。ただし、この数値をそのまま開閉器やヒューズの選定へ使うことはできません。並列コンデンサの台数、残留電圧、開閉頻度によって条件が変わるため、メーカーの組合せ表で確認します。

6%・13%直列リアクトルは高調波の測定値と許容電流種別で選ぶ

「6%」「13%」は、基本周波数におけるコンデンサのリアクタンスに対して、直列リアクトルのリアクタンスが何%かを表します。コンデンサ設備容量に対するリアクトルの単純な重量比ではありません。

JEMAは、高圧進相コンデンサには直列リアクトルを取り付けることを原則とし、6%または13%を用いる考え方を案内しています。現行JIS準拠品では、L=6%の許容電流種別II、すなわち第5高調波電流を基本波電流の55%まで許容する製品が基本とされています。一方、メーカーは、高調波ひずみが顕著な場所向けにL=13%や、より大きな第5高調波電流に対応するL=6%製品も用意しています。

そのため、「通常は6%、第3高調波があれば13%」と一行で決めるのは危険です。13%を選ぶ前に、次の資料をそろえます。

受電点とコンデンサ母線で測定した、次数別の電圧ひずみ・電流ひずみ
高調波発生機器の種類、入力容量、換算係数、最大稼働率
既設コンデンサとリアクトルの定格、製造年、JISの新旧、6%・13%の混在状況
メーカーが示す第5高調波許容電流、最大許容電流、適用場所
一般送配電事業者から指定されたリアクトル条件

高調波は時間帯や設備の運転台数で変わります。既設設備で異音や過熱が起きている場合は、音が大きい時間帯を含めて測定し、コンデンサだけ、またはリアクトルだけを別世代の製品へ交換しないようメーカーへ組合せを確認します。

6%・13%直列リアクトルでコンデンサ端子電圧が上がる計算

直列リアクトルとコンデンサには同じ基本波電流が流れますが、両者の電圧は逆向きに作用します。そのため、コンデンサ単体の端子電圧は回路電圧より高くなります。

リアクタンス率をpとした理想的な基本波計算では、コンデンサ端子電圧Vc[kV]を次の式で求められます。

Vc = V / (1 − p)

V：回路電圧[kV]
Vc：コンデンサ端子電圧[kV]
p：リアクタンス率（6%なら0.06、13%なら0.13）

6.6kV回路へ6%リアクトルを入れると、

Vc = 6.6 / (1 − 0.06) = 7.02kV

です。回路電圧6.6kVに対して、コンデンサ端子電圧は約6.38%上がります。「6%リアクトルだから端子電圧も6%上がる」ではなく、1/(1−0.06)で計算する点に注意してください。

13%リアクトルでは、

Vc = 6.6 / (1 − 0.13) = 7.59kV

となります。東芝の公式FAQでも、6.6kV回路、13%リアクトルの組合せでコンデンサ定格電圧7.59kVの計算例が示されています。

この電圧上昇を見込んで、コンデンサ、直列リアクトル、放電コイル、開閉器を一つの設備として選定します。例えば6.6kV・6%用には7.02kV定格のコンデンサがあります。旧JIS品と現行JIS品を混ぜると、端子電圧や実際のリアクタンス率が設計値から外れることがあるため、銘板の電圧と容量だけで互換と判断してはいけません。

高調波抑制対策ガイドラインは機器の等価容量から確認する

「高圧又は特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」は1994年に制定された名称ですが、現在も一般送配電事業者の系統連系要件と、民間技術指針JEAG 9702を通じて実務に使われています。JEMAの2026年更新資料では、機器の新設・増設・更新、契約電力や受電電圧の変更時に、高調波流出電流が上限以下になるよう検討する扱いが説明されています。

東京電力パワーグリッドの2026年4月版資料では、高圧需要設備について、高調波発生機器を6パルス変換器容量へ換算した「等価容量」の合計が50kVAを超える需要家を対象としています。対象になると、機器ごとの定格高調波電流を次数別に合計し、最大稼働率と低減設備の効果を考慮して、40次以下の流出電流を上限値と比べます。

50kVAはインバータの銘板容量を単純に足した値ではありません。回路方式ごとの換算係数を使うため、メーカーのカタログ・仕様書にあるガイドライン対応資料が必要です。また、特別高圧の抽出閾値は受電電圧によって異なり、他エリアでは提出様式も異なります。設計を始めるときに、受電する地域の一般送配電事業者が公開する最新の系統連系要件と申込様式を確認してください。

力率改善と高調波対策で確認する図面・資料

計算式だけでは、コンデンサの接続位置、段数、対策機器を決められません。手元の資料を次の順に開くと、何を計算し、誰へ確認するかが整理できます。

電気料金請求書・契約書・最新約款

請求書と契約書で、小売電気事業者、料金プラン、受電電圧を特定します。次に、そのプランの最新約款で平均力率の算定時間と、力率割引・割増が適用されるかを確認します。ここが違えば、同じ力率95%でも料金効果の計算は変わります。

負荷集計表

有効電力、入力容量、力率、台数、同時使用率、昼夜の運転状態を読みます。この値から補償容量の概算を行い、夜間や中間期にもコンデンサを接続したままで進み力率にならないかを確認します。負荷の大きさだけでなく、いつ何台が動くかを見る資料です。

機器仕様書

空調機、ポンプ、エレベーター、UPSなどについて、インバータ・整流回路の有無、高調波電流、ガイドライン用の換算係数、交流・直流リアクトルの内蔵または指定を確認します。高調波対策は「インバータあり」という記載だけでは決められないため、ここで発生源と必要な入力データを確定します。

単線結線図

変圧器容量、母線、SC・SRの接続位置、コンデンサの段数、開閉器、保護装置を追います。コンデンサをどこへつなぐかで、電流と損失を減らせる上流側の範囲が変わります。個別負荷と連動させるのか、自動力率調整装置で段階制御するのかも、この図面へ反映します。

高調波流出電流計算書と一般送配電事業者の要件

機器ごとの次数別電流、最大稼働率、低減係数を使って流出電流を集計し、受電地域の一般送配電事業者が示す上限値と比べます。上限を超える場合に、直列リアクトルだけで終わらせず、発生源側の交流・直流リアクトルやPWMコンバータ、設備全体のLC形フィルタ、アクティブフィルタ、多パルス化を候補にします。方式ごとの効果は系統条件と運転状態で変わるため、機器メーカーと一般送配電事業者へ確認します。

メーカー選定表

コンデンサと直列リアクトルの定格電圧・容量、6%・13%、許容電流種別、開閉器・ヒューズの組合せを確認します。銘板の電圧と容量だけが同じでも互換とは限りません。新築では選定表で組を決め、改修では既設品の製造年とJISの新旧もメーカーへ伝えます。

現地測定記録

改修では、時刻別の力率、電圧、電流、次数別ひずみ、コンデンサ盤の温度、異音を確認します。異音や過熱が特定の時間だけ起きるなら、その時間帯の運転台数と測定値を照合します。測定せずにコンデンサまたはリアクトルの片方だけを交換すると、端子電圧や高調波電流が想定から外れるおそれがあります。

まとめ｜力率だけでなく高調波と運転状態まで一緒に見る

力率改善では、進相コンデンサが負荷の近くで進み無効電力を供給し、接続点より上流側の電流を減らします。200kW、三相400Vの例では、力率0.80から0.95への改善で基本波電流が約361Aから304Aになり、同じ配線抵抗なら上流側の損失は約29%小さくなります。必要なコンデンサ容量の概算は約84.3kvarです。

ただし、コンデンサは高調波電流が流れ込みやすく、系統インダクタンスとの共振も起こり得ます。直列リアクトルは、高調波の拡大と投入時の突入電流を抑えるために組み合わせます。6%・13%は数字の大小だけで選ばず、次数別の電圧ひずみ、許容電流種別、既設機器、メーカーの組合せ表を確認します。

実務では、料金約款、負荷集計表、機器仕様書、高調波流出電流計算書、単線結線図を一つずつ照合します。この順番で確認すれば、「力率を何%にするか」だけで終わらず、どこへ、何kvarを、どのリアクトル・保護機器と組み合わせて設置するかを検討できるようになります。