第二種電工 令和4年度上期午後 問15｜電気の基礎理論

力率は「実際に電力を消費する割合」を表す指標。電気トースター（ア）は純粋な発熱体（電熱線）で抵抗負荷だから力率＝1.0=100%が理想値で、他の選択肢より優秀。電気洗濯機（イ）はモータが入っていて遅れ力率0.7〜0.85程度、電気冷蔵庫（ウ）も圧縮機モータで力率0.6〜0.8程度。抵抗負荷（電熱器・電気こたつ・電気トースター・電気ヒータ・電気給湯器）が力率最良で、モータを使う家電は力率が落ちる。よって正答ア。

家電機器の力率比較問題。各機器の負荷特性と力率の関係を理解する。

【正答ア：電気トースター（力率1.0＝最良）】

ニクロム線などの電熱体は純抵抗負荷。交流回路でも電流と電圧が同位相のため、cosφ=1（100%）。電気こたつ・電気ストーブ・電気ヒータ・電気給湯器も同様の純抵抗負荷。

【選択肢イ：電気洗濯機（力率0.7〜0.85）】

洗濯機は誘導電動機で回転駆動。電動機はコイル巻線によりインダクタンス成分を持つRL負荷。軽負荷時0.5、定格負荷時0.85程度。

【選択肢ウ：電気冷蔵庫（力率0.6〜0.8）】

圧縮機（コンプレッサ）として誘導電動機を使用。間欠運転で平均力率は0.7前後。最新インバータ冷蔵庫は0.9以上に改善。

【一般則】

①純抵抗負荷（電熱器類）：cosφ=1.0

②誘導性負荷（電動機・蛍光灯・変圧器）：cosφ=0.5〜0.85

③容量性負荷（コンデンサ）：cosφ進相、絶対値1未満

力率が低いほど無効電流が増え、電線損失（I²R）が増大。電気事業法では力率85%を基準に基本料金割引/割増。LED照明・インバータ家電は力率0.95以上で省エネ。

家電機器の力率比較は、電気の基礎理論で交流回路の理解を問う実用的論点。各機器の負荷特性と力率の物理的根拠を理解する。

【主要家電の力率一覧】

【力率の物理的根拠】

①純抵抗負荷（電熱体）：

電流と電圧が完全に同位相、無効電力Q=0、全電力が熱に変換。

cosφ=1.0

②RL負荷（誘導電動機）：

コイル巻線のインダクタンスにより電流が電圧から90°遅れる成分を持つ。

電流は電圧より位相が遅れ、遅れ力率となる。

等価回路：R（巻線抵抗・出力換算）＋ X_L（漏れリアクタンス・励磁リアクタンス）

③整流負荷（電子機器）：

ダイオード整流回路は基本波の力率は良好だが、高調波（3次、5次、7次…）を発生。

力率は基本波力率cosφ_1×ひずみ率λ=PF（総合力率）。

【誘導電動機の力率特性】

軽負荷時：cosφ=0.3〜0.5（励磁電流が占める割合大）

半負荷時：cosφ=0.7〜0.8

定格負荷時：cosφ=0.85〜0.92

過負荷時：cosφ↓（電流増加で巻線抵抗損失増）

【蛍光灯の力率】

①低力率型（磁気安定器のみ）：cosφ=0.5〜0.6

20W蛍光灯：S=40VA、P=20W、Q=34var、cosφ=0.5

②高力率型（コンデンサ内蔵）：cosφ=0.85〜0.95

ラピッドスタート型でコンデンサ並列接続で改善

③インバータ蛍光灯（Hf）：cosφ=0.95以上、高効率

④LED照明：力率改善回路（PFC）次第で0.5〜0.99

【力率改善の実務】

①家庭用負荷：

個別機器単位での改善は不要。多数のインバータ家電の普及で全体力率0.9以上が一般的。

②業務用・工場：

誘導電動機の力率改善は必須。各電動機にコンデンサ並列接続、または受電点に集中設置（自動力率制御装置）。

③電気事業法上の割引/割増：

低圧電力契約：力率85%基準、±1%で基本料金±1%変動

高圧電力契約：力率85%基準、力率95%以上で5%割引、85%未満で5%割増

【力率の電気事業上の意義】

①送配電損失の削減：

力率0.6→0.95に改善で電流2/3、損失（I²R）4/9に削減。発電所〜需要家までの全段で効率向上。

②変圧器容量の有効活用：

皮相電力S=P/cosφ。力率が低いと、同じ有効電力Pに対し変圧器が大容量必要。

例：100kW負荷で力率0.6→S=167kVA、力率0.9→S=111kVA、変圧器を1ランク小型化可能。

③発電設備の効率：

発電機は皮相電力で容量決定。需要側力率改善で発電機の有効電力出力余力が増える。

④電力品質：

無効電流が大きいと電圧変動が大きくなり、機器の動作不安定や寿命短縮の原因。

【関連法令・規格】

①電気事業法施行規則：契約電力の力率算定（85%基準）

②JIS C 4034：誘導電動機の定格力率

③JIS C 8108：蛍光灯安定器の力率規格

④JIS C 9335：家庭電気機器の安全性・効率規定

【類問パターン】

①最も力率が悪い機器：誘導電動機（蛍光灯磁気安定器）

②最も力率が良い機器：電熱器（純抵抗）

③同じ消費電力で電流が大きい機器：力率の悪い機器

④同じ電圧で消費電力が小さい機器：力率の悪い機器

【電験三種への接続】

電験三種「機械」では誘導電動機の等価回路と力率特性、「電力管理」では受電設備の力率管理と進相コンデンサ容量計算が頻出。第二種で家電機器の力率分類を理解しておくことが、実務・上位資格への基礎。最近はインバータ・LED普及で家庭の総合力率が改善傾向、HEMS（家庭エネルギー管理システム）でリアルタイム力率監視も可能に。