有効電力

交流回路における電力の基本概念と定義

交流回路において、電気機器が実際に仕事（光、熱、動力など）として消費する真の電力量を「有効電力」と呼ぶ。直流回路であれば電圧と電流の単純な積がそのまま消費電力となるが、交流回路においては電圧と電流の波形が時間とともに周期的に変化する。有効電力は、電圧と電流の位相が一致している成分のみが仕事に寄与して発生する、実質的に意味のある電力の指標である。

インピーダンスと位相差がもたらす無効電力

モーターや変圧器などのコイル成分（インダクタンス）や、ケーブルの静電容量やコンデンサ成分（キャパシタンス）を持つ電気機器に交流電圧を印加すると、電圧と電流の間に時間的なズレである「位相差」が生じる。電流の位相が電圧に対して遅れたり進んだりすることにより、電源と負荷の間をただ往復するだけで、実際の仕事（発熱や動力）には一切寄与しない電力が生じる。この消費されない電力を「無効電力」と呼び、有効電力とは明確に区別して扱われる。

電力のベクトル関係と皮相電力

有効電力と無効電力をベクトル的に合成した総合的な電力を「皮相電力」と呼ぶ。皮相電力は「電圧の実効値×電流の実効値」で単純に計算される見かけ上の電力であり、単位はワット（W）ではなくボルトアンペア（VA）が用いられる。発電機や変圧器の容量選定では、この皮相電力を基準として選定する。

力率（Power Factor）のメカニズムと純抵抗負荷

皮相電力に対して、どれだけの割合が有効電力として実際に消費されたかを示す指標が「力率」である。力率は、電路に含まれるコイル成分とコンデンサ成分のバランスによって左右され、力率が1（100％）に近いほど無効電力の値が少なく、効率よく電力が消費されている状態を示す。

例えば、電熱器（ヒーター）や白熱電球など、ほぼ抵抗成分で構成される電気機器は、電圧と電流に位相差が生じない。したがって力率は常に1となり、皮相電力と有効電力が完全に一致するため無効電力は発生しない。一方、工場で多用される誘導電動機（モーター）などは、始動時や軽負荷時に著しく力率が低下する特性を持つ。

電力量計による計量と電気代の算定根拠

一般の需要家が電力会社から供給を受ける電力において、月々の電気料金の直接的な支払対象となるのは、実際に消費された「有効電力」の積算値（キロワットアワー：kWh）である。そのため、受電点に設置される取引用の電力量計（スマートメーターなど）は、電圧と電流の瞬時値を掛け合わせて有効電力のみを正確に計量できる構造となっており、これが電気代の算定根拠となる。無効電力自体が直接的な消費電力量料金として請求されることはない。

力率改善によるメリットと電力会社の料金制度

しかし、電力会社側の視点に立つと、需要家の力率が悪い（無効電力が多い）状態は、発電所から送電線、変圧器に至るまでの広範な電力インフラに無駄な電力を供給し続けることを意味する。無効電力をできるだけ小さくし、力率を「1」に近づけることで、電力会社は自らが保有する発電機や送電設備を効率よく運用でき、インフラ全体の送電ロスを大幅に削減できる。

そのため、高圧または特別高圧で受電する工場やビルなどの大口需要家に対しては、需要家側で力率を改善することを促すための契約メニューが提供されている。基準となる力率（一般に85％）を上回る場合は電気料金の基本料金を割引し、逆に下回るなど力率が悪い需要家に対しては、設備占有のペナルティとして料金を割増して請求する制度が設けられている。

需要家側は、受電設備に「進相コンデンサ」などの力率改善装置を設置して無効電力を打ち消すことで、電気料金の削減という経済的メリットが受けられる。