電圧降下とは？電線が長いと電圧が下がる仕組みを初心者向けに解説【電気の基礎】

ELECTRICAL BASICS / 電気の基礎

電源は正常なのに、遠くの機器では電圧が低い。長い配線や、大きな電流を流す回路では、「電圧降下」が関係している場合があります。

電圧降下とは、電線などに電流が流れることで生じる電圧の差です。配線にも抵抗があるため、電源側と機器側の電圧は、いつも同じとは限りません。

この記事では、電線の長さ・太さ・電流との関係、基本の計算例、機器への影響、対策の考え方を初心者向けに解説します。

電圧降下とは？｜配線にも電圧がかかる

電線は電気を流しやすい材料でできていますが、抵抗がゼロではありません。配線に電流が流れると、その抵抗に応じた電圧が生じます。

直流の基本回路では、電源電圧の一部が配線の抵抗にかかり、機器に届く電圧が小さくなると考えられます。

たとえば直流電源が24Vでも、配線全体で1Vの電圧降下があれば、機器にかかる電圧は23Vになります。

なぜ電線が長いと電圧が下がるのか？

同じ材料・断面積・温度の電線では、長くなるほど抵抗が大きくなります。電流が通る距離が長くなるためです。

電線の抵抗は、基本的に次の関係で表せます。

同じ電流が流れるなら、配線抵抗が大きいほど電圧降下も大きくなります。反対に、断面積を大きくすると抵抗は小さくなります。

長さ・太さ・電流の3つを押さえる

「太さ」は直径と断面積を混同しないようにします。断面積が2倍なら抵抗は半分ですが、直径が2倍なら断面積は4倍になります。

電圧降下の基本式｜ΔV = I × R

直流の抵抗回路では、配線に生じる電圧降下をオームの法則で求められます。

ここでのRは、計算対象となる配線経路の抵抗です。機器までの電圧降下を求める直流2線式の例では、行きと帰りの両方の配線抵抗を含めます。

計算例｜DC24Vの機器へ20m先から給電する

次の条件で、配線抵抗による電圧降下を計算します。

• 電源電圧：DC24V
• 電源から機器までの片道距離：20m
• 行きと帰りの電線：同じものを使用
• 電線1mあたりの抵抗：0.01Ω/mと仮定
• 運転時に流れる電流：2A

この例は、電源が24Vを維持し、運転時に2Aが流れているものとした学習用の計算です。端子やコネクターの接触抵抗、電源側の電圧変動などは含めていません。

同じ配線で電流が2倍なら？

配線抵抗が0.4Ωのまま、4Aが流れた場合は、電圧降下が1.6Vになります。機器側の電圧は22.4Vです。

同じ配線でも、電流が変わると電圧降下が変わることを押さえましょう。

電圧降下率とは？｜電源電圧に対する割合

電圧降下率は、電圧降下が基準とする電圧の何％に当たるかを表したものです。

計算した割合だけで使用可否は決まりません。機器の許容電圧、電源の変動、始動時の状態、適用する設計基準を合わせて判断します。

交流の電圧降下は、抵抗だけでは決まらない

交流では、電線の抵抗に加えてリアクタンスや負荷の力率なども関係します。また、単相2線式、単相3線式、三相3線式など、電気方式によって計算式が異なります。

そのため、直流2線式の「往復抵抗」の式を、三相回路などへそのまま当てはめないことが大切です。

実務では、ケーブルメーカーの技術資料などを使い、電気方式、片道距離、電流、導体抵抗、リアクタンス、力率に合った計算を行います。

電圧降下が大きいと、どんな影響がある？

制御機器が正常に動作しない

センサーやリレー、PLC関連機器などは、使用できる電圧範囲が決まっています。機器端子の電圧が下限を下回ると、動作不良やリセットなどが起きる場合があります。

電源装置の出力が正常でも、長い配線や接続部分の影響で、機器の端子では電圧が低くなっている可能性があります。

モーターの始動に影響する

モーターの始動時には、大きな電流が流れる場合があります。その電流で電源や配線に電圧低下が生じると、始動トルクが不足したり、始動時間が長くなったりすることがあります。

電圧が低いときの電流や動作は、モーターの種類、負荷、制御方式などによって異なります。

負荷の種類によって電流の変化が違う

一定抵抗の負荷なら、電圧が下がると電流と消費電力も小さくなります。一方、一定の電力を保とうとする電子機器では、動作範囲内で入力電流が増えることがあります。

電圧降下と、配線の発熱はどう違う？

配線抵抗による電圧降下はΔV = I × R、配線で熱に変わる電力はP損失 = I² × Rで表せます。

先ほどの例なら、2Aが0.4Ωの往復配線に流れるため、配線全体の電力損失は1.6Wです。

ただし、この1.6Wがすべて1か所で発生するわけではありません。配線に分散する発熱と、接触不良部分での局所的な発熱は区別して考えます。

電圧降下を小さくする対策

• 配線を短くする：不要な迂回や延長を減らし、電源と負荷の配置を見直す。
• 導体の断面積を大きくする：適切に太い電線を選び、配線抵抗を減らす。
• 共通配線の電流を減らす：負荷の分散や給電経路の見直しを検討する。
• 接続部分を適切に保つ：端子やコネクターの接続不良、腐食、損傷を確認する。
• 始動時も確認する：通常運転だけでなく、大電流が流れる場面を考慮する。

設備によっては、負荷の近くに電源を設ける、高い電圧で送り必要な場所で変換するなどの設計もあります。絶縁・接地・保護・機器の適合性を含めた検討が必要です。

現場では、どこを確認する？

電圧不足が疑われる場合は、電源側と機器側を分け、負荷が動いているときの状態を確認します。

• 電源側：負荷がかかったときも、必要な電圧を維持できているか。
• 配線：長さ・断面積・材質・電流が設計条件に合っているか。
• 接続部分：端子やコネクターに異常がないか。
• 機器端子：運転中や始動時に、許容電圧範囲を外れていないか。

配線途中で分岐している場合、区間ごとに流れる電流が異なります。すべての区間へ末端機器の電流だけを当てはめず、共通部分の負荷も考慮します。

実際の測定や接続部分の点検は、適切な測定器と作業手順で行います。通電中の端子を締め直すなどの作業は行わないでください。

まとめ