[전기 이론] 역률

 역률(力率, Power Factor)은 부하에서 사용되는 유효전력과 부하에 공급되는 피상전력에 비율을 의미하며 기호는 pf나 cosθ를 사용하며 단위는 %이다. 역률은 전기를 사용하는 효율과 비슷하게 생각할 수 있지만 엄연히 다르고 전기에서 말하는 효율은 입력 대비 출력의 비율을 말하며 이 둘의 차이를 정리하면 다음과 같다.

역률, 효율 공식

 

 직류에서는 위상차가 존재하지 않기 때문에 유효전력만 존재하지만 교류에서는 인덕터와 커패시터가 존재하기 때문에 위상차가 발생할 수밖에 없고 그로인하여 유효전력과 무효전력이 발생한다. 여기서 유효전력(有效電力, Active Power)은 실제로 소비되는 전력을 의미한다. 무효전력(無效電力, Reactive Power)은 무효전력은 실제로 소비되지 않는 전력이지만 인덕터나 커패시터로 인하여 발생하는 리액턴스로 생기는 전력을 의미한다. 피상전력(皮相電力, Apparent Power)은 이 둘의 백터합을 의미하며 역률을 고려하지 않은 전압과 전력의 곱이다.

 

 피상전력은 유효전력과 무효전력의 백터합을 의미하기 때문에 이 셋의 관계는 피타고라스의 정리로 표현할 수 있으며 다음 그림과 같이 정리할 수 있으며, 유효전력과 무효전력은 90° 의 위상 차이를 가지기 때문에 다음과 같은 공식으로 표현할 수 있고 역률은 다음과 같은 공식으로 도출할 수 있다.

유효전력, 무효전력, 피상전력의 관계

유효전력, 무효전력, 피상전력, 역률 공식

 

 역률을 개선하는 이유는 가장 단순하게 역률이 높을수록 전류가 적게 흐르고 전선에 무리를 덜 준다. 그 외로는 한전에서 역률요금제를 산정하는데 오전 9시 ~ 오후 11시까지는 지상역률, 오후 11시 ~ 오전 9시까지는 진상역률을 따진다. 그 이유는 오전 9시 ~ 오후 11시까지는 사람들이 활동한 시간이기 때문에 여러 전동기나 냉난방기, 공장에서 사용되는 장비 등이 가동되어 리액터가 작용하므로 지상전류가 많이 발생하여 지상역률값을 기준으로 한다. 반대로 오후 11시 ~ 오전 9시까지는 많은 장비들이 가동을 멈추기 때문에 소비전력이 낮아져 지상역률을 잡기 위해 설치한 커패시터들이 진상전류를 계속 흘려 진상역률값을 기준으로 한다.

 

 여기서 진상전류가 과도하게 흐르게 되면 커패시터에 의하여 수용가측 전압이 한전측 전압보다 높아지는 현상인 패란티현상(Ferranti Phenomena)이 발생하게 된다. 간단하게 말하면 전류가 반대로 흐르는 현상으로 이를 방지하기 위해서 한전에서는 분로리액터(Shunt Reactor)를 설치한다.

분로리액터 / 출처 : Hitachi Energy

 

 역률을 개선하기 위해서는 진상역률을 높여야 하는데 이를 위해서 리액터를 병렬로 설치하면 된다. 하지만 지상역률도 문제가 되는데 리액터로 낮아진 지상역률을 보상하기 위해 커패시터를 설치하면 된다. 하지만 커패시터의 용량을 과도하게 잡을 경우 패란티현상이 발생할 수 있기 때문에 적절한 커패시터 용량을 사용하는 것이 중요하며 커패시터 용량을 다음 공식으로 구할 수 있다.

역률 개선 커패시터 용량 공식

 

개인 공부를 위한 게시물로 틀린 내용을 포함할 수 있는 점 참고 부탁드립니다.