W(ワット)とVA(ボルトアンペア)の換算・計算

電気設備の知識と技術 > 電気設計・電気計算 > W(ワット)とVA(ボルトアンペア)の換算・計算

ワットとボルトアンペアの違い

電力を示す単位に、W(ワット)とVA(ホルトアンペア)があります。どちらも電気設備の分野では一般的に使用する単位です。単位の違いと使い分けを解説します。

ワットという単位は、空調機や照明器具のカタログでも良く使用されている単位で、例えば「エアコンの消費電力:13kW」「Hf蛍光灯の消費電力:32W」というように表記されています。ワットを用いた数値は、電気機器の消費電力を示す数値となります。

消費電力には「有効電力」「無効電力」「皮相電力」と呼ばれる3種類があります。身近で使用している消費電力は「有効電力」を示していることが一般的で、実際に仕事を行うエネルギーとなるものです。下記、3種類のエネルギーの違いについて解説します。

消費電力

消費電力は「電圧 × 電流 × 力率」で示され、電気機器を運転・稼働させるために必要な電力を示しています。電気機器に電圧を印加し、電流が流れれば、照明器具は光と熱を放ち、電動機は回転を始めます。機器運転状態を継続しているときに必要な電力を「消費電力」と呼びます。これに「時間」を掛けあわせたものは「消費電力量」となり、積算値が電気料金の根拠となります。

力率は「電圧に対して電流がどれだけ遅れているか」を数値化した指標です。負荷に対して「コイル」や「コンデンサ」があると力率が変動し、特に「コイル」は力率悪化を引き起こします。電熱の仕組みを持つ電気機器を除き、国内で流通している電気機器は、ほとんどがコイル成分を持っていますので、ほとんどの場合力率は100%を下回ります。

一般家庭用であれば大きく影響しませんが、業務用の高圧機器は、力率が電気料金に関わる重要な指標となります。電熱器など、供給電力がそのまま熱に変換する機器であれば、前述したように力率100%ですが、空調機や換気ファンなどのモーターは、電圧に対して電流の遅れが発生し「無効電力」と呼ばれる「仕事をしない電力」が生まれます。

消費電力を考える場合「有効電力」「無効電力」「皮相電力」を理解しなければいけません。

有効電力[W]

有効電力は「W:ワット」という単位で表現され、実際に電気機器で使用される電力を表します。ワットで表現される数値は、電力のロスを含んだ数値ではありません。実際に必要となる全体の電力は、若干大きくなります。

有効電力は、電力会社からの料金請求の根拠となるものです。一般家庭や高圧需要家の受電点に設置される電力メーター(電力量計)は、有効電力を計測できるものが設置されており、有効電力分を計測し電気料金を請求します。

高圧や特別高圧など、大電力を使用するような施設の場合、無効電力の数値は電気料金に大きく影響します。高圧以上の需要家は電力消費量が非常に大きく、電動機など無効電力を必要とする機器を多数設置する可能性があります。高圧受電または特別高圧受電を行う需要家に対し、進相コンデンサーなどを用い、負荷側で無効電力を補償してもらうことができれば、電気料金を割引くという施策を行っています。

無効電力が著しく大きくなると、電力会社が用意する発電機や変電施設は、無効電力を十分に供給できるような大規模な施設を用意しなければなりません。無効電力は負荷側に電動機がある場合必ず発生し、電圧維持に対して一定量を必要とするものですから、電力会社側としては、無効電力の低減が運用コストに大きく影響します。

なお、一般家庭や小規模施設など低圧受電の場合は、無効電力がどれだけ多く含まれていても、電気料金には関係ありません。

無効電力[var]

無効電力は「var:バール」という単位で表現され、電力会社から供給される電力のうち、実際に何の仕事もせずに発電設備に戻ってくる電力を示しています。無効電力は、負荷と電源の間を往復しているだけの電力であり、負荷のコイル成分やコンデンサ成分の有無によって大きさが変化します。無効電力は何の仕事もしませんので、「熱の消費の伴わない電力」とされています。

コイル成分が多く電圧に対し電流が遅れている場合、進相コンデンサなどの容量性の機器を設置することによって、遅れている系統の電流を押し進める事ができます。コイル成分で遅れた電流をコンデンサ成分で打ち消すことができれば、送電効率を向上できますので、特に高圧以上の需要家では進相コンデンサ設備を受電設備に設置してもらい、無効電力を補償する措置を講じるよう求めています。

通常、一般需要家に設置されている電気機器のほとんどがコイル成分のため、誘導によって電圧に対し電流が遅れた状態になり、無効電力の供給が必要となります。白熱電球や電熱器など、電力を熱として使用する設備は無効電力がほぼ0となりますので、最も効率良く電力を消費している状態といえますが、電熱機器だけが設置される需要家などは有り得ず、大小様々な電動機が設置されるのが通常です。

需要家がコンデンサーを設けなければ、全ての無効電力を電力会社から供給することになります。無効電力に対応できる発電・変電設備を設けると、供給側は過大な設備投資を求められます。

無効電力は負荷の末端で調整することが可能であり、需要家で無効電力を補償してくれれば電力会社にメリットがありますので、無効電力を調整する進相コンデンサー設備を設けてもらう対価として、電気代の基本料金低減を行っています。

皮相電力[VA]

皮相電力は、電源から送り出される消費電力、無効電力の両方をあわせたものです。「VA:ボルトアンペア」と単位表記する電力であり、負荷が有効利用する「有効電力」と、負荷が利用しない「無効電力」を合成していますので、数値としては最も大きく表現されます。

発電機や変圧器の能力は、有効電力と無効電力を合成した、皮相電力で表現しています。例えば、10kWの電動機負荷に電力供給する変圧器を検討する場合、10kVAの能力の変圧器で計画すると、過負荷運転になってしまいます。

電動機負荷を10kWと表現している場合、一般的にその力率は80%程度ですから、皮相電力は12.5kVAになります。このような計画では、変圧器能力を15~20kVAで計画します。始動電流や突入電流が大きな場合は、もっと大きな変圧器が必要となるかもしれません。

消費電力と皮相電力が一致するのは、力率100%となる「電熱器」などに限られます。従来普及していた白熱電球などは、電力を全て熱に変換して光を放つ仕組みですから、力率は100%でした。しかし蛍光灯や水銀灯、LED照明などは、電力を全て熱に変換しておらず、力率が若干低い数値となっており、kWとkVAが一致しません。

力率[cosθ]

電気機器の消費電力の計算には、力率という指標が影響します。力率とは交流電源における「皮相電力」と「有効電力」の比率を示したものであり、100%に近いほど無効電力が小さく、皮相電力と消費電力が同じ値に近いことを示します。

白熱電球など電気エネルギーを熱と光に直接変換する機器や、電熱器などコイル成分を持たない負荷であれば、交流電源であっても電流の遅れや進みが発生しないために、力率は100%となります。

力率の良し悪しは、電路にある「コイル成分」と「コンデンサ成分」の量が影響します。国内に流通している電気機器はそのほとんどにコイル成分を含んでいますので、電流が電圧よりも遅れてしまい、遅れた分の無効電力が必要となります。

遅れている分だけコンデンサ成分を入れれば、電流の遅れを進ませることができ、無効電力を低減させることでWとVAの数値差を小さく抑えられます。電流の遅れを改善することで、効率の良い電力消費を行うことができるため、力率改善と呼ばれています。

例えば電熱器など、消費する電力の全てが熱に変えられる電気機器の場合を考えて見ます。電熱器には無効電力が存在しないため、力率は1.0になります。「有効電力/力率 = 皮相電力」という式で皮相電力を算出してみた場合、1,000Wの電熱器を計算すると、

  • 1,000[W] / 1 = 1,000[VA]

という計算式で表すことができ、有効電力と皮相電力は同じ数値になります。これに対して、モーター類や空調機など、力率が悪い機器で算出をする場合を考えて見ましょう。モーターなどの回転機械は力率が悪いため、無効電力が発生しますので、皮相電力が有効電力よりも大きくなります。例えば、消費電力1,000Wで力率0.94の空調機で計算した場合、

  • 1,000[W] / 0.94 = 1,064[VA]

となります。1,000Wは機器を運転させるために有効に消費されている電力ですが、64VAの電力ロスが発生しています。消費電力1,000Wと表現されていても、実際はそれ以上の電力を供給しなければならないことがわかります。先程計算した64VA分が無効電力に該当し、電気機器の運転に寄与しない無駄なエネルギーとなります。

無効電力と電力会社の対策

電力会社にとって、無効電力を発電機から供給するのは設備増大を伴うため避けたいものです。無効電力を少なくすれば、電力会社の配電線や送電線の持つ本来の性能を発揮できます。無効電力を少なくするためには、送電先の需要家が動かしている電気機器の力率に左右されてしまうので、需要家が対策しなければ無効電力を削減できません。

電力会社では、無効電力を小さくするために、電気料金の割引施策を採用しています。需要家側が積極的に力率改善してくれれば、電気料金を割引するという手法です。例えば、進相コンデンサの設置によって力率を改善をしてくれれば、電気料金を改善力率の分だけ安くするというような方法です。

電力会社の発電・変電・送電・配電設備全ては、皮相電力以上の設備容量が求められますから、無効電力が大きいほど、電力会社が用意すべき発電・変電設備の規模が大きくなってしまい経済面で不利となります。需要家側で無効電力を小さくしてくれれば、電力会社側の発電・変電設備の規模を小さくできるため、コストメリットが生まれます。

高圧需要家では、進相コンテンサなどを導入し、需要家内の無効電力を低く抑えることに協力してくれた需要家に対して、電気料金を割引します。基本力率を85%とし、1%増減するごとに基本料金が1%割増・割引されます。このような電気料金の契約方式により、需要家側での力率改善を促し無効電力を小さくしています。

力率による基本料金の増減は、高圧以上の受電を行っている需要家のみとなりますので、一般家庭や小規模事業所など、低圧受電を行っている需要家では、割引対象となりませんので注意しましょう。

WとkVAの電流換算

消費電力を電流に換算する場合、電圧と力率から計算が可能です。

単相3線式 200-100Vの場合

単相3線式、200Vの負荷に対する電流換算の事例を示します。例として、20kW、力率100%の電灯負荷に対し、単相2線式200-100Vの配電を行い、分電盤では黒-白、赤-白に対して平均的に負荷を分散している状態を想定します。

電流の計算は、電力を求める公式「 P = I × V × cosθ」を変形した「 I = P / ( V × cosθ) 」を用います。P = 20[kW] ですが、力率は100%なので、kW = kVAとします。

  • I = 20[kVA] / 200[V] = 100[A]

単相3線式で電流計算をする場合「消費電力[kW] × 5 」で電流値を求められます。10kWであれば 50A、20kWであれば 100A として差し支えありません。

三相3線式 200Vの場合

三相3線式、200Vの負荷で、上記同様に電流値を計算してみます。負荷容量は20kW、力率80%とします。

電流の計算公式は、三相3線式ですから「P = √3 × I × V × cosθ」を用います。変形すると「 I = P / ( √3 × V × cosθ) 」です。

  • I = 20[kW] / ( √3 × 200[V] × 0.8 ) = 72.25[A]

三相3線式で電流計算をする場合「消費電力[kW] × 4 」で電流の概算値を求められます。これは内線規程でも定められている計算方法です。10kWであれば 40A、20kWであれば 80A になります。

消費電力の計測

消費電力を計測して、省エネルギーを図るための指標とするため、各種計測器が販売されています。業務用の製品も数多くありますが、家庭用としては「ワットチェッカー」や「ワットモニター」といった製品が開発されており、広く普及しています。

ワットモニター・ワットチェッカー

ワットモニターとは、主に瞬間的な消費電力を計測するための装置です。壁のコンセントにワットモニターを取付け、ワットモニターを経由してプラグを接続することで、電気を供給している機器への消費電力を測定します。コンセントに差し込めば使える簡易な機構となっているのが一般的です。

ワットモニターは瞬間的な電力計測だけでなく、累積の電力量を記録し、電力量を元にした電気料金の表示や、消費した電力量をCO2に換算した数値などを計算し表示する機能を持っています。

消費電力を数字として確認できる「電力の見える化」により、「今現在使用している電気機器の消費電力は?」「1日あたり何kWhの電力量を使っている?」といった疑問を解決し、電気を使っている人に対して、省エネルギーに対する意識の向上につながります。

実際に消費される「電力の見える化」により、「テレビに搭載されている省エネルギーモードといった機能は、実際にどれだけ省エネなのか」を数値として測定したり、「白熱電球をLEDに交換したらどれだけの電力が削減できるのか」を数値として把握するなど、カタログなどに示された数字が本当に正しいのか、自ら確認できます。

ワットモニター・ワットチェッカーの機能

ワットモニターやワットチェッカーは、消費電力を単純に目視するだけでなく、データを保存し、各種分析を行うための機能が搭載されています。

消費電力を電気代に換算

ワットモニター・ワットチェッカーには、消費電力を電気料金に換算する機能があります。電気料金の自動算出機能は、電力を購入する事業者によって単価レートが違いますので、これを個別に設定できます。近年の電力事情により、電力事業者によって大きく電力単価が違っており、かつ更新の頻度も高く一定ではありません。

単価が変動するたびに設定値を変更するのは煩雑な作業となりますが、使用している地域の電気料金単価を設定するだけで、簡易に電気料金を算出できます。地域によって違う単価設定に対応できますので、引っ越しなどで単価が違う地域へ移動した場合でも再利用可能です。

累積データのPC分析

単純に、計測データを本体表示するだけの機種のほか、パソコンにデータを取り込むことで、エネルギーのグラフ化が可能な高機能製品もあります。測定結果をグラフィカルに表示することで、電力を大きく消費している時間帯や機器を特定できます。

データ保存ができる計測器においては、保存期間に注意が必要です。業務用のエネルギー監視機器であれば、1年間や数ヶ月間といった長期間のデータ保存が可能ですが、家庭用のワットモニター程度では、長くても1ヶ月程度のデータ保存しかできませんので、定期的なデータ抽出が必要となります。

長期間のデータ保存を行いたい場合、1ヶ月に1回はデータを抽出し、CSVファイルなどで保存しておくことが望まれます。CSVファイルを読み込み、グラフ作成を行うツールがあれば、わかりやすく詳細なデータ分析ができます。

消費電力計測の目的と効果

一般家庭でワットチェッカーやワットモニターを使用する目的は、測定したデータを用いて省エネルギーを図ることです。「長時間使用している機器」「特に消費電力が大きな電気機器」に対してワットチェッカーで測定し、月々の電気料金や消費電力量と照らしあわせて節電を図ります。

大きな電力を消費している電気機器を特定できれば、その使用時間を抑制すれば節電につながります。空調機であれば、設定温度を変更した場合の消費電力を比較して、無理のない温度設定で省エネルギーを図る設定値を見つけることも可能です。

使用方法や設定変更でも節電できないなら、省エネルギー性能が向上した最新機器に買い換えることも考えられます。これらは対象の電気機器がどれだけの電力を消費しているか把握しなければ、解決が難しい課題です。

エネルギーの「見える化」による効果

使用している電気機器の消費電力がリアルタイムで表示されると、利用者は電気を使わなくなるという傾向があります。数値がそのまま支払い金額に直結することが理由でしょう。このような「電力エネルギーの見える化」は、利用者の節電意識を高める方策としてとても有効です。省エネルギーに対する意識の向上や啓発につながるという効果も備えています。

使用している電気機器の電力が、数字となって示されることは、省エネルギーに取り組むための重要な指標となるだけでなく、省エネルギーに取り組むモチベーション維持にも大きく貢献します。

省エネルギーになっていると思い込んでいた節電対策が、実はほとんど消費電力の削減に寄与していなかったり、日常的に行っている習慣が消費電力を大きく必要としていたことがわかるなど、思いがけない節電項目を発見できる可能性があります。

200V機器の測定は難しい

ワットモニターやワットチェッカーは、100V機器の測定は可能ですが、200V機器の消費電力を測定する事ができません。200V機器の測定をする場合、エアコン本体に搭載されている表示モニターを利用するか、200V対応の計測装置を使用します。

エアコン本体にリアルタイム電力表示機能が搭載されていることがあります。この機能により消費電力や累計電力を把握することが可能ですが、エアコン使用時の瞬間的な電力表示を行うだけの製品もあり、累積消費電力やCO2換算、PCへのデータ転送などの付加機能が、全てのエアコンに搭載されているわけではありません。

200V機器の測定をする場合、分電盤内の配線に変流器(CT)をクランプし、流れる電流を計測して消費電力を割り出すことになります。このようなセンサーを設ける場合、感電の危険を伴う作業となるため、電気工事店や電気工事士など資格者に作業を依頼すると良いでしょう。

瞬時値の計測による省エネルギー啓発

ワットモニターを含む「累積電力の測定」が可能な装置は、多くのメーカーで販売されています。この中には、累積値だけを表示し、瞬時値が表示されない製品も存在します。電力の見える化という観点では、累積電力だけでなく、瞬間的に発生する電力を確認できることも、省エネルギーへの啓発効果を高めます。

計測器のデータを用いて、省エネルギーに対する啓発効果を高めたい場合、累積消費電力表示、瞬間電力表示、CO2換算表示、PCデータ転送といった基本機能が全て搭載されている、高機能な計測器を選択するのが無難です。

消費電力計測の注意点

ワットモニターやワットチェッカーでの測定には、測定値の信頼性を高めるための注意点があります。機器本体の安全性を維持するための禁止事項や、測定電力量の課金の扱いについては、法的規制がありますので注意が必要です。

測定結果を元にした課金は不可

ワットチェッカーやワットモニターで計測される数値は、目安として取り扱うべきものです。計測した数字によって、電気料金などの支払いを求めることは出来ません。「電力量を計測し、その数値を元に電気料金を請求する」といった業務は、「計量法」に定められた検定に合格したメーターを使用しなければならないので、ワットモニターやワットチェッカーで計測したデータを電力支払いの根拠としてはいけません。

測定した電力量で課金をしたい場合、計量法の検定を受けた電力量計(電力メーター)を使用します。例えば、電力会社との契約などで用いている電力量計は、計量法に基づいたケイ素聞く気・標準機でトレーサビリティーが担保されており、測定した電力は非常に高精度で、誤差が少ない製品です。電気の供給を受けている需要家は、検定に合格した電力メーターで測定した電力量を提示され、電気料金の支払いをします。

市販されている簡易な計測器は「計量法に基づく検定」を受けていませんので、「使った分の電気料金を支払ってもらう」といった使い方は禁止されています。

エアコン、ヒーターへの接続は保証対象外

エアコンやヒーターは、電気製品の中でも大きな電力を必要とします。ワットモニターやワットチェッカーを経由して、その消費電力を計測したいものですが、これら電気機器を製造しているメーカーは、取扱説明書に「壁のコンセントから直接接続すること」と明記している場合がほとんどです。

ワットモニターを壁のコンセントに設置し、経由してエアコンやヒーターに接続する行為は「壁コンセントから直接接続していない」と判断されます。

大電力を消費する電気機器は、流れる電流が多いため、メーカーはプラグによる接続部が増えることによる発熱の危険性を回避しています。メーカーからすれば、ワットモニターを使用するのは「保証対象外」の使用方法となりますので、エアコンやヒーターの消費電力の測定は、その機器メーカーが標準として提供している測定機能を使うか、分電盤から送られているケーブルや電線に直接計測器を挟み込んで測定すると良いでしょう。

前述のとおり、分電盤への機器追加は、電気工事士など電気工事に精通した工事業者に依頼するのが望まれます。

CO2換算値の設定と電力会社(事業者)毎の違い

ワットモニター本体で「CO2換算」ができれば、節電による電力がどれだけ環境に貢献できているかをひと目で把握できます。CO2の削減値を知ることは、地球温暖化抑制に対する意識の向上や、環境啓発に役立つという利点があります。通常、ワットモニターやワットチェッカーにCO2排出係数を入力すると、消費電力に対してCO2をどれだけ抑制したかの目安が付きます。

CO2換算値は、電気の供給を受ける事業者によって設定されています。「電力会社が1kWh発電すると発生する二酸化炭素量」ですから、発電所の種類や燃料の違いによって、CO2排出係数は変化します。かつ、排出係数は毎年改定されているため、CO2の正確な排出量を知るためには、定期的に排出係数の再入力が必要です。

CO2排出係数は、環境省による報道発表資料にて、電力事業者ごとのCO2排出係数を確認できます。供給を受ける電力事業者に応じて、ワットモニターやワットチェッカーにCO2排出係数値を設定します。

電力会社(一般電気事業者)のCO2排出係数

平成23年度の一般電気事業者毎のCO2排出係数は下記の通りです。一般電気事業者とは、一般の需要家に電力を供給する事業者で、国内にある10の電力会社を示しています。ワットモニターやワットチェッカーに、下記の数値を設定することでもー、CO2放出量が算出されます。

国内10電力会社のCO2排出係数

  • 北海道電力株式会社:0.485[kg-CO2/kWh]
  • 東北電力株式会社:0.547[kg-CO2/kWh]
  • 東京電力株式会社:0.464[kg-CO2/kWh]
  • 中部電力株式会社:0.518[kg-CO2/kWh]
  • 北陸電力株式会社:0.641[kg-CO2/kWh]
  • 関西電力株式会社:0.450[kg-CO2/kWh]
  • 中国電力株式会社:0.657[kg-CO2/kWh]
  • 四国電力株式会社:0.552[kg-CO2/kWh]
  • 九州電力株式会社:0.525[kg-CO2/kWh]
  • 沖縄電力株式会社:0.932[kg-CO2/kWh]

特定規模電気事業者のCO2排出係数

国内の特定規模電気事業者毎の排出係数は下記の通りです。一般電気事業者から電力を購入していない場合、特定規模電気事業者のCO2排出係数を入力します。

特定規模電気事業者とは特別高圧または高圧受電によって、契約電力50kW以上の需要家へ電力を供給する事業者で、一般電気事業者が管理する送電線を通じて小売りを行っている事業者を示しています。

自ら発電所や送電線を持たず、電力会社の送配電線を活用して電力供給を行う事業者であり、50kWに満たない小規模工場や事業所、一般家庭への電力供給はまだ行われていません。(平成24年11月現在)

国内の特定規模電気事業者毎の排出係数

  • イーレックス株式会社:0.612[kg-CO2/kWh]
  • 出光グリーンパワー株式会社:0.275[kg-CO2/kWh]
  • 伊藤忠エネクス株式会社:0.604[kg-CO2/kWh]
  • エネサーブ株式会社:0.503[kg-CO2/kWh]
  • 荏原環境プラント株式会社:0.437[kg-CO2/kWh]
  • 王子製紙株式会社:0.432[kg-CO2/kWh]
  • オリックス株式会社:0.459[kg-CO2/kWh]
  • 株式会社エネット:0.409[kg-CO2/kWh]
  • 株式会社F-Power:0.448[kg-CO2/kWh]
  • 株式会社G-Power:0.379[kg-CO2/kWh]
  • 株式会社日本セレモニー:0.817[kg-CO2/kWh]
  • 株式会社ミスターマックス:0.823[kg-CO2/kWh]
  • サミットエナジー株式会社:0.480[kg-CO2/kWh]
  • JX日鉱日石エネルギー株式会社:0.379[kg-CO2/kWh]
  • JENホールディングス株式会社:0.442[kg-CO2/kWh]
  • 志賀高原リゾート開発株式会社:0.768[kg-CO2/kWh]
  • 昭和シェル石油株式会社:0.371[kg-CO2/kWh]
  • 新日鉄住金エンジニアリング株式会社:0.601[kg-CO2/kWh]
  • 泉北天然ガス発電株式会社:0.378[kg-CO2/kWh]
  • ダイヤモンドパワー株式会社:0.393[kg-CO2/kWh]
  • テス・エンジニアリング株式会社:0.391[kg-CO2/kWh]
  • 東京エコサービス株式会社:0.065[kg-CO2/kWh]
  • 日本テクノ株式会社:0.476[kg-CO2/kWh]
  • 日本ロジテック協同組合:0.463[kg-CO2/kWh]
  • パナソニック株式会社:0.601[kg-CO2/kWh]
  • プレミアムグリーンパワー株式会社:0.016[kg-CO2/kWh]
  • 丸紅株式会社:0.343[kg-CO2/kWh]
  • ミツウロコグリーンエネルギー株式会社:0.405[kg-CO2/kWh]

本数値の出典は、平成24年11月6日に発表された平成23年度の電気事業者ごとの実排出係数・調整後排出係数等の公表についてを引用しています。

電気設備の知識と技術 > 電気設計・電気計算 > W(ワット)とVA(ボルトアンペア)の換算・計算