第二種電工 電気の基礎理論 問76：電気の基礎理論

電力計（電流力計形）は「電流コイル」と「電圧コイル」の2つのコイルを持ち、接続方法はそれぞれ異なる（正答イ）。電流コイルは回路に直列に接続して測定対象の電流を通す（電流計と同じ）。電圧コイルは測定対象の両端に並列に接続して電圧を検出する（電圧計と同じ）。電力計の指示値は「電流 × 電圧 × 力率（cosφ）」= 有効電力 [W] を示す。アは電流と電圧の接続が逆で、ウ・エは両コイルが同じ接続方法になっており誤り。「電流コイル=直列」「電圧コイル=並列」と電流計・電圧計の接続法則と対応させて覚える。

電力計（電流力計形）の接続方法と指示値の仕組みを整理する。

【電流力計形電力計の構造と原理】

電流力計形電力計は2組のコイルで構成：

①固定コイル（電流コイル）：測定電流 I が流れる → 太い線・低抵抗・直列接続

②可動コイル（電圧コイル）：測定電圧 V に比例する電流が流れる → 細い線・高抵抗・並列接続

動作原理：

固定コイルの電流が作る磁界と、可動コイルの電流が作る磁界の相互作用（電磁力）でトルクが発生。

平衡トルク ∝ I × (V/R_V) × cosφ ∝ V × I × cosφ = P（有効電力）

→ 指示値は有効電力 [W]（力率 cosφ を含む）

【接続確認】

電流コイル：直列（測定対象の電流 I を直接流す）

電圧コイル：並列（測定対象の電圧 V を印加 → V/R_V の電流が流れる）

正答イ：電流コイルは直列・電圧コイルは並列 → 正しい

【誤答分析】

ア：電流コイルを並列にすると短絡に近い状態 → 過電流・破損

イ：正答

ウ：両コイル並列 → 電流を直接測れない

エ：両コイル直列 → 電圧コイルに大きな電圧降下が生じて電圧を正しく測れない

【電力計の誤差と補正】

電圧コイルの接続位置によって誤差の性質が変わる：

電流コイルの負荷側に電圧コイルを接続 → 電流コイルの消費電力が含まれる誤差

電流コイルの電源側に電圧コイルを接続 → 電圧コイルの消費電流が含まれる誤差

高精度測定では補正計算が必要。

電力計の接続方法は三相電力測定・力率改善設計の基礎。2電力計法・3電力計法・力率計との関係まで体系的に整理する。

【電流力計形電力計の詳細設計】

構造：

①固定コイル：断面積 A・巻き数 N₁・抵抗小（線径大）

②可動コイル：断面積 a・巻き数 N₂・直列高抵抗 R_V（電圧コイル保護・感度調整）

③バネ（制動スプリング）：可動コイルの回転を制動

電磁トルク T ∝ (N₁ × I₁) × (N₂ × I₂) × cosα（α：2コイルのなす角）

≒ k × I₁ × (V/R_V) × cosφ（電源電圧と電流の位相差 φ）

= k' × V × I × cosφ = k' × P（有効電力）

→ 可動コイルの回転角が有効電力に比例 → 電力計として使える

感度：I₁ の感度（電流コイル）× V の感度（電圧コイル）の積に比例。

精密電力計では固定コイル・可動コイルともに多巻き設計（Nが大きい）で感度を確保。

【2電力計法（三相電力測定）】

三相3線式負荷の電力は2台の電力計で測定できる（2電力計法・2W法）：

W₁ = V_AB × I_A × cos(φ + 30°)

W₂ = V_CB × I_C × cos(φ - 30°)

合計：P = W₁ + W₂ = √3 × V_L × I_L × cosφ（三相有効電力）

無効電力：Q = √3 × (W₂ - W₁)

力率：cosφ = P / (P² + Q²)^0.5

2W法の接続：

• 電流コイル：U相・W相の2本に直列接続
• 電圧コイル：各電流コイルの位置から V相へ並列接続

→ 中性線のない三相3線式で完全な電力測定が可能

注意：力率が 0.5 以下（φ > 60°）になると W₁ が負を指す場合がある

→ 電圧コイルの接続極性を反転し、W₁ の符号をマイナスとして計算

【3電力計法（三相4線式・不平衡負荷）】

三相4線式（中性線あり）の不平衡負荷では3台の電力計が必要：

P = P₁ + P₂ + P₃（各相の電力の合計）

各電力計は対応する相の電流（直列）と相電圧（並列・対中性線）を測定。

変電所・工場の電力管理では三相電力トランスデューサ（デジタル電力計）が使われ、

電圧・電流の瞬時値をA/D変換 → デジタルフーリエ変換で有効電力・無効電力・高調波を同時計測。

【力率計（位相計）との接続方法の違い】

電力計と同様に2コイルを持つが、電力計との違い：

電力計：可動コイル1組 + バネ制動 → 指示値 P = VI cosφ

力率計：可動コイル2組（90°互い違い）+ バネなし → 指示値 cosφ（力率のみ）

力率計の可動コイル：一方を純抵抗接続（R）・もう一方をリアクトル接続（jX）

電流の比（IR : IX）がそれぞれのコイルに流れ、位相差 φ に応じて可動部が位置決め → cosφ を指示

力率計の接続方法：

電流コイル：直列（電力計と同じ）

電圧コイル（2組）：並列（一方は純抵抗経由・一方はリアクトル経由）

【電力計の精度と JIS 規格】

JIS C 1102（電力量計）・JIS C 1104（電力計）では確度クラスが規定：

クラス 0.1：標準計器・エネルギー管理の基準器

クラス 0.2/0.5：精密電力測定（工場・変電所）

クラス 1.0/2.5：一般パネル計器

スマートメーター（電力量計）の精度クラス：

日本の家庭用スマートメーター：JIS C 61036（計量法計量器検定規則）0.2〜0.5 クラス

電力会社の基準計器：0.1 クラス以上

【電験三種への接続】

電験三種「理論」：電力計の接続方法・2電力計法の計算（有効電力・力率）が重要問題。「機械」：電動機の負荷試験での電力計使用法。「法規」：計量法の電力量計検定・スマートメーターの整備計画。

第二種電気工事士では電力計の「電流コイル=直列・電圧コイル=並列」の接続と「指示値は有効電力 [W]」を確実に覚えることが基礎。電流計（直列接続）と電圧計（並列接続）の原則が2コイルに同時に適用されている点を「電力計=電流計+電圧計の2in1」として理解すると覚えやすい。