電気設備の知識と技術 > 電気設備設計の基礎知識 > W（ワット）とVA（ボルトアンペア）の換算・計算
電力を示す単位に、W（ワット）とVA（ホルトアンペア）がある。どちらも電気設備の分野では一般的に使用する単位である。単位の違いと使い分けを解説する。
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「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る。ワットを用いた数値は、電気機器の消費電力を示している。
消費電力には「有効電力」「無効電力」「皮相電力」と呼ばれる3種類がある。身近で使用している消費電力は「有効電力」であり、実際に仕事を行うエネルギーとなる。ここでは、3種類のエネルギーの違いについて解説する。
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である。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る。このように、電気機器を稼働させ、運転状態を継続させるために必要な電力は「消費電力」と呼ばれている。これに「時間」を掛けあわせたものを「消費電力量」と呼び、その積算値を計量して電気料金の根拠としている。
消費電力には無効電力という成分も存在しており、消費電力にどれだけ無効電力が含まれているかを示す指標を「力率」と呼ぶ。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あり、負荷の中に「コイル成分」や「コンデンサ成分」が含まれていると力率が変動する。「コイル」は電動機があれば必ず発生する性質があり、力率悪化（遅れ）を引き起こす。
コイル成分が多いと、無効電力がどんどんと大きくなってしまうため、コンデンサを回路内に設けて力率を改善（進み）して、電力を効率良く利用できるよう計画する必要がある。
力率はコイル成分とコンデンサ成分で変動する。電力を熱に変換するような電気回路の場合、コイルやコンデンサが含まれていないため力率は100％となる。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るため、力率は100％を下回る。空調機や換気ファンのモーターは、コイル成分により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」が生まれる。
一般家庭用であればモーターやインバーターの容量が小さく、送電線や配電線、電力会社の変圧器や発電機に影響するような大電力にならないため影響することはないが、業務用の高圧機器や大型クレーン、大規模なUPSやCVCFといったインバーター類など、力率を大きく変動させる原因の電気機を多数設置している需要家では、契約している電気容量が大きく、力率の影響も大きなものとなる。
消費電力を考える場合「有効電力（kW）」「無効電力（kvar）」「皮相電力（kVA）」を理解しなければならない。
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現している。ワットで表現される数値は、消費電呂の全体（皮相電力）のうち、有効に使用される電力分のみを抽出した数値であり、無効電力は含まれていない。有効電力と無効電力の両方が含まれた電力は「皮相電力」と呼ばれる。
有効電力は、電力会社から送電された電力のうち実際に仕事をした電力となるので、その数値を根拠として電力料金の請求が行われる。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いるので、有効電力だけが数値化され、電気料金を請求するための数値として用いられる。
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、有効電力だけでなく無効電力も大きくなる可能性がある。大容量の電力を利用するという建物において、力率100％の電熱器だけが使われるということは考えにくく、汎用の大型ファンや空調機、ポンプなど多くの電気機器は無効電力を発生させるため、電力会社は有効電力の値よりも大きな発電機や変圧器から電力を供給している。
無効電力が少なければ、電力会社は効率よく発電機や変圧器を運用できるため、力率の高い契約者（需要家）に対して、割引を行うという契約メニューを用意している。これは基本料金の15％にまで影響するため、力率の改善は電気料金に大きな変動を与える。
高圧以上で受電する需要家は消費電力が非常に大きく、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る。高圧受電や特別高圧受電を行う大口需要家に対しては、進相コンデンサを受変電設備に設けるといった施策を行い、負荷側での力率改善を行って無効電力を低減させ、電気料金の割引を受けるよう計画している。
なお、低圧受電を行っている戸建住宅や小規模店舗などは、無効電力の存在を契約の中に含んでいないため、電気料金への影響はない。
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である。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する。無効電力は何の仕事もしないため「熱の消費を伴わない電力」とされている。
コイル成分が多く、電圧に対し電流が遅れている状態の電路は、コンデンサ成分を注入することで力率改善を図ることができる。進相コンデンサは容量性の性質を持っているので、コンデンサを電路に設置することで遅れ電流を進めることができ、有効電力が大きくなる。コイル成分で遅れた電流をコンデンサ成分で打ち消せれば、送電効率を向上できるので、高圧以上の需要家では進相コンデンサの設置が必須となっている。
通常、一般需要家に設置されている電気機器はほとんどが誘導性負荷であり、ファンやポンプによって電気回路は遅れ状態となっている。誘導によって電圧に対し電流が遅れた状態になっているため、無効電力が発生する。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をゼロと考えることができるが、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ある。
需要家がコンデンサを設けていない場合、全ての無効電力は電力会社から供給された状態となる。無効電力ばかりが大きな需要家に対して電力を供給するのは電力会社として負担が大きく、設備投資も大きくなってしまう。
無効電力の補償は需要家がコンデンサを設けることで達成できることもあり、需要家で無効電力を小さくすれば電力会社にメリットが生まれる。このような事情から、無効電力を調整する進相コンデンサ設備を設けてもらう対価として、電気料金の基本料金の割引がメニューとして設定されている。
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ある。「VA：ボルトアンペア」と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」を合成しているため、電力の数値としては最も大きく表現される。
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る。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％程度であり、皮相電力は12.5kVAである。力率80％の10kW電動機は、12.5kVAの皮相電力を必要とするため、定格として10kVAが供給される容量で設計を行うと、所定の能力が発揮できないといった不具合につながる。
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」に限られる。白熱電球やハロゲン電球といった照明器具は、電力を全て熱に変換して光を放つ仕組みで力率100％であった。しかし蛍光灯や水銀灯、LED照明は、電力の全てが熱に変換されていないため、力率が若干低い数値となっており、kWとkVAが一致しない。
電気機器の消費電力の計算には、力率という指標が影響する。力率とは交流電源における「皮相電力」と「有効電力」の比率を示しており、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力率は100％となる。
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」の量が影響する。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るため、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る。
遅れている分だけコンデンサ成分を注入すれば、電流の遅れは小さくなり、無効電力が小さくなる。無効電力が低減できれば、WとVAの数値差を小さく抑えられ、効率の良い電力消費を行える。このような性質から、コンデンサによって電流の遅れを進ませる行為を「力率改善」と呼んでいる。
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で、有効電力と皮相電力を計算式として考える。電熱器には無効電力が存在しないため、力率は1.0である。「有効電力/力率 = 皮相電力」という式を用いて皮相電力を算出した場合、1,000Wの電熱器では、
となる。単純な式であるが、電熱器は有効電力と皮相電力が同じ数値となることがわかる。これに対しモーター類や空調機など、力率が悪い機器を仮定し、消費電力1,000W・力率0.94の空調機を計算すると、
同じ「1,000W」という数値であっても、電熱器は1,000VAとなっているのに対し、電動機の場合は1,064VAというように、64VAの差が発生している。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る。先程計算した64VAの差分が無効電力の影響であり、電気機器の運転に寄与しない無駄なエネルギーとなる。
電力会社にとって、無効電力を発電機から供給することは設備増大を伴うため避けたい事項である。無効電力が少なければ、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る。無効電力を少なくするためには、送電先の需要家が設置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ない。
電力会社では、需要家側が無効電力を低減してくれることを期待して、基本料金の割引を実施している。需要家側が積極的に力率改善すれば、電気料金を割引するのでコンデンサを設けて力率改善をしてもらえないか、という手法である。進相コンデンサの設置によって力率を改善することを条件に、電気料金を改善力率の分だけ安く設定している。
電力会社の発電・変電・送電・配電設備全ては、皮相電力が十分に送電できる設備規模が求められるため、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る。需要家側で無効電力を小さくすれば、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る。
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た需要家に対して電気料金を割引している。この割引値は「力率85％」を基準として、ここから1％増減するごとに基本料金の割増と割引を1％ごとに設定している。なお力率による基本料金の割引設定は、高圧以上の受電を行っている需要家のみである。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メニューはない。
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ある。
単相3線式、200Vの負荷に対する電流換算の事例を示す。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する。
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) 」を用いる。P = 20kW であるが、力率は100％なので、kW = kVAとする。
単相3線式で電流計算をする場合「消費電力kW × 5」で簡易に電流値を求められる。10kWであれば 50A、20kWであれば 100A として差し支えない。
三相3線式、200Vの負荷で、上記同様に電流値を計算する。負荷容量は20kW、力率80％とする。三相3線の電流は「P = √3 × I × V × cosθ」を用いて算出する。変形すると「 I = P / ( √3 × V × cosθ) 」である。
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る。これは内線規程でも定められている計算方法であり、簡易に電流値を求める根拠として広く採用されている。10kWであれば40A、20kWであれば80Aとして計算して良い。
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る。業務用の製品も数多くあるが、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、広く普及している。
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ある。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する。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ある。
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機能を持っている。
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る。
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、カタログに示された数字が本当に正しいのか、自ら確認できる。
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る。ワットチェッカーを経由した電気機器は、その消費電力が本体に表示されるため、どれだけの電力が使われているかを目視確認でき、過負荷になっていないかを確認したり、消費電力を計算し電気代を算出するといった分析が可能となる。
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る。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うため、これを個別に設定できる。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ない。
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るが、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る。地域によって違う単価設定に対応できるので、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ある。
単純に、計測データを本体表示すだけの機種のほか、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る。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る。
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ある。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あるが、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ないため、定期的なデータ抽出が必要となる。
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すると良い。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る。
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。「長時間使用している機器」「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る。
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る。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ある。
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る。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ある。
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る。数値がそのまま支払い金額に直結することが理由であろう。「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非常に有効である。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る。
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する。
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る。
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あるが、200V機器の消費電力を測定する事ができない。200V機器を測定する場合、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する。
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。この機能により消費電力や累計電力を把握できるが、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ない。
200V機器を測定する場合、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。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。
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る。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する。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る。
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ある。
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る。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、法的規制があるので注意が必要である。
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ある。計測した数字に電気料金の支払いを求めることはできない。「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ため、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ならない。
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）を使用する。電力会社との契約などで用いている電力量計は、計量法に基づいた計測器・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ある。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する。
市販されている簡易な計測器は「計量法に基づく検定」を受けていないため「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る。
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する。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ある。
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」と判断される。
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る。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」の使用方法となるため、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。
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る。
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る。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る。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く。
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る。「電力会社が1kWh発電すると発生する二酸化炭素量」であり、発電所の種類や燃料の違いにCO2排出係数は変化する。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ある。
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る。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排出係数値を設定する。
基礎排出係数は年度ごとに更新されるため、環境省の報道発表資料等で確認すると良い。令和２年度の電気事業者ごとの基礎排出係数・調整後排出係数等の公表についてを参照。
