三相電力の求め方|P=√3×V×I×cosθの√3の出どころと、測った値からkWを出す方法

三相電力の求め方 電力と力率

三相電力は、1相分の電力の3倍です。相電圧をVp、相電流をIpとすると、P=3×Vp×Ip×cosθ。これを線間電圧Vと線電流Iで書き直すと、P=√3×V×I×cosθになります。√3は、Y結線なら線間電圧と相電圧の比から、Δ結線なら線電流と相電流の比から出てきて、どちらの結線でも同じ式になります。

ただし、この式は三相が平衡していることが前提です。また、クランプメータで測った電流と、テスタで測った線間電圧を掛けて出るのは、皮相電力(kVA)までです。有効電力(kW)を出すには、力率が要ります。

Y結線とΔ結線で√3が出てくる場所。Y結線では線電流=相電流、線間電圧=√3×相電圧。Δ結線では線間電圧=相電圧、線電流=√3×相電流。どちらも、3×相電圧×相電流=√3×線間電圧×線電流になる。

三相電力は、1相分の3倍

日本電気技術者協会の解説は、Y結線の電源の三相平衡回路で、有効電力を「P=√3 VI cosθ=3EI cosθ」としています。Vは線間電圧、Eは相電圧、Iは線電流、θは負荷の力率角です。無効電力も同じ形で、Q=√3 VI sinθ=3EI sinθです。

3EIcosθは、1相分の電力EIcosθの3倍です。三相平衡回路では、3つの相が同じ大きさの電力を使うので、1相分を3倍すれば全体になります。

√3は、線間と相の換算から出てくる

同じ協会の別の解説は、Y結線とΔ結線のあいだで、電圧や電流の大きさが√3倍または1/√3倍になるとしています。どちらが√3倍になるかは、結線で違います。

結線線間電圧Vと相電圧Vp線電流Iと相電流Ip
Y結線V=√3×VpI=Ip
Δ結線V=VpI=√3×Ip

これを3×Vp×Ip×cosθに入れると、次のようになります。

  • Y結線:3×(V÷√3)×I×cosθ=√3×V×I×cosθ
  • Δ結線:3×V×(I÷√3)×cosθ=√3×V×I×cosθ

3÷√3=√3なので、結線が違っても式は変わりません。銘板に書かれ、盤で測りやすいのは線間電圧と線電流なので、現場ではこの形を使います。線間電圧と相電圧の1.73倍の関係は、記事「三相はなぜ3本で足りるのか」で扱いました。

θは、相電圧と相電流の角度

式のcosθは、負荷の力率です。電圧と電流が正弦波のときの式で、インバータの入力のように電流がひずむときは、力率は角度のずれだけでは決まりません。θは、各相の相電圧と相電流のあいだの角度で、線間電圧と線電流のあいだの角度ではありません。

日本電気技術者協会の解説は、相順がabcのとき、Y結線の相電圧は線間電圧より位相が30°遅れ、Δ結線の線電流は相電流より位相が30°遅れるとしています。線間電圧と線電流の角度をそのまま使うと、θとは違う値になります。どの線間電圧とどの線電流を組むかで、ずれ方が変わります(二電力計法では30°-θと30°+θ)。

同じ協会は、単相の電力計1台の指示を単純に3倍して三相電力とすると誤る例題も載せています。電力計にどの電圧とどの電流を入れたかで、指示の意味が変わるからです。

計算の例:200V・30A・力率0.8

三相200Vの負荷で、線電流が30A、力率が0.8だとします(説明用の値)。

求めるもの計算値
皮相電力√3 × 200V × 30A約10.4kVA
有効電力10.4kVA × 0.8約8.3kW

力率が分からなければ、出せるのは上の段の皮相電力までです。kVAとkWの違いは、記事「kVAとkWの違い」で扱いました。

電流と電圧を測っただけでは、kWは出ない

横河計測の解説は、電圧の実効値と電流の実効値の積を皮相電力(VA)とし、電力の計算には電圧と電流の位相差(cosφ)が要るとしています。日置電機も、同社のクランプメータ(CM4371シリーズ)は位相を測る機能がないので交流電力を表示できない、としています。

有効電力まで測るには、電力計を使います。日置電機の電力計(PW3360・PW3365)は、電圧と電流の瞬時値を掛けて積分して有効電力を出し、それを皮相電力で割って力率を出す、としています。

クランプ形の電力計もあります。日置電機の CM3286-50 は、有効・皮相・無効電力と力率を測れます。ただし、この機種で1回の測定で出す三相電力は「平衡、波形歪み無し」を前提にした推定値です。三相3線の不平衡のときは、単相電力の測定を2回行って足し算するとしています。

インバータの入力電流は、計測器で値が変わる

日置電機は、インバータやスイッチング電源のように波形がひずむ箇所では、真の実効値形と平均値整流形で、電流や電圧の指示値が変わるとしています。歪んだ波形でも正しい実効値を示すのは、真の実効値形です。インバータの入力電流がひずむ仕組みは、記事「インバータの入力電流を大きく歪ませているのは、平滑コンデンサ」で扱いました。

不平衡なら、三相3線式は電力計2台、三相4線式は3台で測る

日本電気技術者協会の解説は、ブロンデルの定理により、三相3線式なら電力計を2台使えば、平衡・不平衡によらず有効電力を測れるとしています(二電力計法)。三相4線式では3個です。三相3線式では、各電力計の電圧に、基準にした1線との線間電圧を入れます。横河計測は、中性線に電流が流れる場合は、二電力計法では誤差が出るとしています。

一方、電力計1台の値を3倍する方法(一電力計法)は、平衡回路で、電力計に同じ相の相電圧と相電流を入れた場合に限って使えます。日本電気技術者協会は、二電力計法から無効電力を求める式も、不平衡では成り立たないとしています。

2台のうち1台の値がマイナスになっても、結線の誤りとは限りません。日置電機は、軽い負荷のモータ(力率0.5以下など)で、二電力計法の片方がマイナスになる場合があり、三相電力は2つの和で求めるとしています。横河計測も、低力率で電力値が負になっても理論的には正しいとしています。

測るときは、測定器の定格と測る場所を合わせる

日置電機は、電力系統を測るときは、測る箇所の測定カテゴリ以上の定格(CAT II、CAT III、CAT IV)が表示された測定器を使うよう書いています。分電盤から屋内配線を経てコンセント裏側の配線端子までがCAT III、引込線から分電盤までがCAT IVです。測定カテゴリの電圧は対地間電圧です。日置電機は、中性点を接地したスター結線の400V系では、線間電圧は415Vでも対地間電圧は240Vになる、という例を挙げています。デルタ結線や非接地の場合は、この例から除くとしています。

同社は、仕様に「絶縁導体」と書かれた電流センサは、裸導体には使えないとしています。

盤の中で電圧や電流を測るのは、充電部に近づく作業です。職場の作業手順と、保護具の決まりに従います。

三相電力を出す順番

  1. 線間電圧と線電流を確かめる。測定器の測定カテゴリが、測る場所に合っているかを先に見る
  2. 三相が平衡しているかを見る。3本の線電流と線間電圧がそろっているか。そろっていなければ、√3×V×I×cosθの式は使わず、三相3線式なら電力計2台(二電力計法)、三相4線式なら3台で測る
  3. 皮相電力を出す。√3×V×I。これがkVA
  4. 力率を掛けて有効電力を出す。力率は電力計で測る。銘板やカタログの力率は定格負荷のときの値で、運転中の値とは限らない
  5. インバータの入力などひずんだ電流は、真の実効値形で測る。この場合も、kWと力率は電力計の値を使う

まとめ

  • 三相電力は1相分の3倍。P=3×Vp×Ip×cosθ=√3×V×I×cosθ(三相平衡のとき)
  • √3は、Y結線では線間電圧=√3×相電圧、Δ結線では線電流=√3×相電流から出てくる。どちらの結線でも同じ式
  • θは相電圧と相電流の角度。線間電圧と線電流の角度は、組み合わせによってθとずれるので、そのままcosθには使えない
  • 電流と電圧を掛けて出るのは皮相電力(kVA)まで。有効電力(kW)には力率が要る
  • 不平衡なら、三相3線式は電力計2台(二電力計法)、三相4線式は3台で測る。2台のうち片方がマイナスでも、和が三相電力
  • インバータの入力のようにひずんだ電流は、真の実効値形で測る
  • 測定器は、測る場所の測定カテゴリ以上の定格のものを使う

参考にした資料

  • 日本電気技術者協会「計測『二電力計法』適用上の留意点」(https://www.jeea.or.jp/course/contents/08218/)
  • 日本電気技術者協会「三相交流回路2(対称三相回路のΔ-Y変換と相順との関係)」(https://www.jeea.or.jp/course/contents/08215/)
  • 日本電気技術者協会「理論計算の落とし穴(1)」(https://www.jeea.or.jp/course/contents/01102/)
  • 日置電機「ACクランプパワーメータ CM3286-50」(https://www.hioki.com/jp-ja/products/pqa/portable/id_451444)、「安全にお使いいただくために」(https://www.hioki.com/jp-ja/support/warranty/safe-operation)
  • 日置電機 サポートFAQ:交流電力測定(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370549911439)、有効電力と力率の求め方(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370510036239)、真の実効値形と平均値整流形(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370476725263)、P1の値がマイナスになる(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370496748303)、対地間電圧(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370459762575)、バスバーへのクランプ(https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370566545935)
  • 横河計測「電力計と電力計測の基礎」(https://tmi.yokogawa.com/jp/library/resources/measurement-tips/fundamentals_of_power_meter_and_power_measurement/)、「交流電力の基礎知識と電力測定器の仕組み」(https://tmi.yokogawa.com/jp/library/resources/measurement-tips/basic_knowledge_of_ac_power_and_mechanism_of_power_measurement_equipment/)
この記事を書いた人
高卒電気マン

高卒から電気の道へ。プラントの電気保全を8年あまり、受配電設備の設計を経て、現在はクレーンの電気制御設計に従事。2026年に電験三種合格。壊れる側と作る側の両方を見てきた視点で、日々の学びを記録しています。

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