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1. 개요
역률 / 力 率 / power factor전기기기에서는 저항 성분만 가진 저항성 부하[1]와, 인덕턴스 성분이 높은 유도성 부하[2], 정전용량 성분이 높은 용량성 부하[3]로 나뉘는데, 유도성 부하와 용량성 부하에서 전압과 전류 간 위상차가 얼마나 생기는지를 수치로 나타낸 것을 역률이라고 한다.
2. 역률값
저항성 부하에서 소비되는 전력을 유효전력[4]이라고 하며, 유도성 부하와 용량성 부하에서 소비되는 전력을 무효전력, 이들을 제곱합제곱근을 취한 것을 피상전력이라고 한다.[5] 피상전력에 대한 유효전력의 비를 바로 역률이라고 하며, 무효전력과의 비는 무효율이라고 한다.[6]기호로 [math(\cos \theta)] 혹은 [math(PF)]로 나타내며, 무차원 물리량으로 단위는 없다.
역률값은 피상전력에 대한 유효전력의 비이므로 [math(\cos \theta = \dfrac P{P_a})]로 구하며, 저항과 임피던스 값만 알면 [math(\dfrac P{P_a} = \dfrac{I^2R}{I^2Z})]이므로 [math(\cos \theta = \dfrac RZ)]으로도 구할 수 있다.
간단하게, 전압 그래프와 전류 그래프를 서로 비교해 보았을 때 상대적인 위상각이 얼마나 일치하느냐의 정도를 생각하면 쉽다. 깨끗하게 일치한다면 역률은 [math(\cos 0 = 1)]에 가깝고, 불일치가 중간 즈음 가면 [math(\cos \dfrac \pi 4 = 0.5)] 이런 식으로 나온다. 실제 제품의 역률을 표기할 때에는 설계상에서 계산해둔 수치만으로 표기하므로 0.9 정도로 표기된다.
벡터도에서는 아래의 예에서처럼 유효전력은 수평으로, 무효전력은 수직으로 표시한다. 피상 전력은 유효전력과 무효전력의 합, 대각선 방향으로 나타내어진다. 피상전력이 유효 전력과 포개어 지는 경우, 즉 유효전력만 소비하는 경우 역률값은 1이며, 그렇지 않은 경우 무효 전력이 발생하는 것이다.
역률값이 1에 가까울수록 역률이 좋다고 말하며, 반대로 0에 가까울수록 나쁘다고 말한다.
역률을 측정하기 위한 계기인 역률계라는 것도 존재한다. 아날로그식 지시계기의 경우 보통 왼쪽이 진상(leading)이며 오른쪽은 지상(lagging)임을 나타낸다.
3. 역률개선이 중요한 이유
역률은 교류전원의 발송배전에 있어서 매우 중요하다. 발전기에서 공급하는 전원 용량에도 관련된 문제이기 때문이다. 역률이 낮아질 경우 높을 때보다 발전과 송전에 더 큰 부담을 주는데, 이 전류는 무효분이기 때문에 기계식 전력량계에는 찍히지도 않지만, 무효전류도 발전기로부터 흘러나가는 것이기 때문에 실제로 발전기나 기타 교류전원에는 부하가 걸린거나 마찬가지가 된다. 즉, 원래 [math(50 \rm [W])]인데 역률이 [math(\cos \theta = 0.1)]이면 발전기에선 [math(500 \rm [VA])]를 공급하는 것과 마찬가지가 된다. 하지만 일반 계량기에선 [math(50 \rm [VA])] 쓰는 걸로만 찍히니 크나큰 손실이 아닐 수 없다.2007년까지만 해도 다들 기계식 전력량계를 사용하여 이러한 역률 문제로 인해 부담하는 추가금액이 가정집에는 없었지만, 전자식[7] 전력량계로 바꾸는 순간 실제 공급전력 기준으로 계산되는 관계로[8] 가정집도 요금폭탄의 마수를 피할 수 없게 된 곳이 많다. 가정부하에서 의외로 역률이 낮은 경우가 많아 이렇게 전자식으로 바꾸면 사용량 그래프가 천원돌파한 아주 아름다운 고지서를 보고 그냥 전기를 끊어버리고 싶을 때가 많아지게 된다. 다행히도 거의 모든 국가에서는 일반 가정용 사용자에 대해서는 유효전력에만 요금을 부과한다.[9]
그러나 산업용으로 가게되면 중대형의 전동기와 변압기 등의 유도성 부하에 공급되는 전력을 마주하게 되는데, 피상전력이 엄청난 만큼 발생되는 무효전력도 엄청나다. 따라서 역률을 어떤 방식으로든 개선하지 않으면 무효전력에 대해서도 요금을 징수당하며, 추가로 역률에 대한 비용도 지불하게 된다.
그래서 산업용이나 일반용[10] 수요처에선 일찍이 저 전자식 전력량계가 도입된 경우가 많으며, 역률을 개선하기 위해 여러 가지 부가 설비를 장착하고 있다. 이미 중규모 전력공급체계(3kW 이상 일반용)에선 익히 사용되고 있으나 일반 가정용 기기의 내부 장치에 도입된 지는 그렇게 오래되진 않았다.[11]
4. 역률 개선하기
역률 개선 방식은 양상에 따라 2종류, 방식에 따라 4종류로 나뉘어진다.4.1. 양상별 분류
- 수동식 역률개선(Passive PFC) - 수동소자[12]를 사용하는 역률 개선 방식이며, 비교적 변동이 적은 부하에서 미리 측정된 무효분만큼 무효전류를 추가하거나 빼는 작업에 진상용 커패시터나 리액터를 사용해 고정적인 교정을 가한다. 교정범위가 좁아서 부하변동이 큰 경우에 쓰기가 까다롭다.
- 능동식 역률개선 (Active PFC) - 능동소자인 반도체 소자를 사용하는 역률 개선 방식으로, 전력을 발생시킬 때 선형부하인 것 처럼 흉내내기 위한 여러 FET과 다이오드 등의 전력용 반도체 소자를 이용해 추가 배전압정류회로 등의 회로를 구현해 선형부하의 역률을 흉내낸다. 소스 전압의 변동에 별로 영향을 받지 않으며[13] 상당히 정밀하게 선형부하를 모델링하므로 역률이 0.95 이상 높게 나온다. 다만 가격이 약간 올라가며, 전력변환 과정에서의 손실이 발생한다. 보통 파워서플라이의 정류회로부 출력 최대값이 311V[14] 정도인데 APFC 지나가면 최대값이 380Vdc[15] 내외로 출력된다. 파워서플라이 말고 전력선에 병렬로 연결하는 APFC 모듈도 있는데 원리는 거의 같다. 충방전을 반복하면서 위상차로 인한 부분을 빼주고 매꿔주고를 반복해 선형부하처럼 보이게 한다.
4.2. 방식별 분류
- 커패시터 병렬연결 - 부하 전류가 진상 전류가 되는 용량성 부하는 대부분 거의 없다. 하지만, 유도성 부하는 매우 많은데, 전동기나 변압기같은 인덕턴스 성분이 많은 전기전자기기를 매우 많이 사용하므로 그럴 수밖에 없다. 심지어 백열등조차도 큰 거 달면 필라멘트의 인덕턴스 때문에 전류가 전압보다 조금 뒤진다. 이를 보정하기 위해 커패시터를 사용하여 진상 전류로 지상 전류를 상쇄해주게 되며, 병렬로 연결한 커패시터는 전체 역률의 개선에 도움을 주게 된다. 물론, 하나의 커패시터로 넓은 부하 범위를 감당할 수 없어 보통은 여러개의 커패시터가 부하와 역률상황에 따라 주전원과의 접속을 제어받는다.
- 인덕터 직렬연결 - 일부 SMPS에서 고조파를 완화시키기 위해 전파 브리지 정류회로 전후에 인덕터를 사용하는 경우가 있다. 그러나 인덕터는 크고 무거우며 부스트 컨버터를 이용한 능동 역률 제어에 비해 성능도 떨어진다. 또한 능동 역률 제어방식이 점차 저렴해지고 있는 추세이므로 보기 힘들어지고 있다.
- 리액터 직렬연결 - 리액터는 가정집에서는 아예 볼 일이 없고 산업현장에서도 대부분 볼 일이 없으나 한전에 취직해서 변전소에 가게 되면 볼 수 있는 물건이다. 전압위상속도를 조절하는 데 쓰이며, 같이 전압도 조절할 수 있다. 그 외에는 전동기를 제어하는 곳에서 주로 볼 수 있다.
- IGBT-FET-커패시터 능동 충방전 제어 - 대개는 커패시터를 사용하는데, 커패시터 뱅크에 전원을 충전하고 방전하는 과정을 반도체로 제어, 여러 고조파가 발생하는 상황에서도 전압위상에 따라 전류위상을 선형부하의 것으로 모델링한다. 너무 비싼 관계로 전원에 민감한 곳이 아니면 사용하는 곳이 없다.
- 부스트 컨버터 능동 역률 제어 - 교류 전압이 첨두치 미만일때도 부스트 컨버터로 전압을 끌어올려 DC 부하로 전력을 공급한다. PWM 제어를 통해 선형부하에 가까운 전류 파형을 만들어낸다. SMPS에서 일반적으로 사용되는 방식이다.
5. 역률개선 시 주의할 점
- 역률개선은 만능이 아니다. 저항성 부하에 대해서는 효과가 하나도 없으며, 오히려 무효분을 개선하기 위한 인덕터나 커패시터가 무효전력을 발생시켜 역률개선 행위를 안하느니만도 못한 상황이 된다. 그리고 대부분의 유도성 부하에서는 설계에 이미 역률개선이 반영되어 있다. 이에 대해서는 전기절감기 문서 참조.
- 평소 역률변동률이 너무 클 경우 수동식 역률개선은 포기하는 게 좋다.
- 일부 역률개선 기기는 고전압으로 작동된다. 공급전압의 1.5배, 많게는 2배까지 올라간다.
6. 관련 문서
[1]
주로
전기히터 등
[2]
주로
변압기,
교류전동기 등. 가정집에서 볼 수 있는것을 예로 들면 유도가열식(IH)
전기밥솥,
인덕션레인지,
전자레인지,
에어컨,
선풍기,
세탁기 등
[3]
주로 진상용
커패시터, 전력용 콘덴서,
SMPS 등
[4]
실효전력이라고도 한다.
[5]
쉽게 말하자면 사람이 걷는 데 필요한 힘에서 앞으로 나아가는 데 사용되는 힘이 유효전력이며, 불필요한 잉여 힘인 위로 들썩거리게 하는 힘은 무효전력이라고 생각하면 된다.
[6]
다만
회로이론을 배우는 학생들은 단순히 위상차에 코사인을 취한 것으로만 알아둘 게 아니라, 어떨 때 진상(leading)이고 어떨 때 지상(lagging)인지 잘 알아둬야 한다. 전압이 전류보다 위상이 앞서면 위상각은 (+)가 되지만 역률은 지상이 된다. 왜냐하면 역률은 전압 대비 전류가 얼마나 앞서있냐 혹은 뒤처져있냐를 보기 때문이다.
[7]
電
子
式. 電
磁式이 아님에 주의.
[8]
즉, W 가 아니라 VA 로 계산된다.
[9]
모든 가정용 디지털 전력량계는 피상, 유효, 무효 및 역률까지 계산하여 표시되긴 한다. 만약 피상전력으로 계산되었다면 고지서에 kWh가 아닌 kVAh가 적혀있었을 것이다. 라고는 하지만 대부분의 가정용 2선식 디지털 전력량계에선 무효전력을 꽤 많이 포함시킨다(...).
[10]
상가나 마트 등.
전기요금 문서 참조.
[11]
가정용 PFC 강제가 2001년부터 였는데 1970년대부터 논의된 전력조류 발생에 대한 대응책으로 PFC가 배전망이나 상업용 전원에 적용된 것에 비하면 오래되지 않은 거 맞는다.
[12]
RLC라고 하는 그거 맞는다.
[13]
86~264V 범위를 처리하는 회로가 있다.
[14]
[math(= 220 \sqrt 2)]
[15]
[math(= 220 \sqrt 3)]
[16]
단, 오디오필터의 경우 일부러 인덕터가 집에 엄청나게 설치된 경우가 있는데, 이건 PowerHouse 사에서 특별하게 디자인한 인덕터-커패시터 모듈을 설치한 경우이다. 순간전력공급속도를 빠르게 하기 위해서 설치한 경우가 대부분.
[17]
실제로 순간적인 부하에 대응하는 속도가 많이 올라가지만 2cycle 이라는 게 병맛