[전기공학] 역률(Power Factor)의 정의와 제어방법

오늘은 전기공학에서 항상 혼동되는 개념인 역률에 대해 알아보자. 역률은 전기에너지를 효율적으로 사용하기 위해 가장 중요한 내용이다. 

 

1. 역률(Power Factor)이란?

피상전력(전체 전력)에 대한 유효전력의 비율

 

2. 전력이란?

전압과 전류의 곱임 (W = V x I)

 

1) 유효전력

교류에서 회로 중 코일이나 콘덴서 성분에 의해 전압과 전류사이에 위상차가 발생하므로 실제로 유효하게 일을 하는 전력(유효전력)은 전압 x 전류(=피상전력)가 아니고 전압과 동일방향 성분만큼의 전류(=전류 x COS(theta)) 만이 유효하게 일을 하게 된다. 따라서 유효전력 = 전압 x (전류x COS(theta)) 이며, COS(theta) 을 역률이라 한다.

 

2) 무효전력

전압과 90도 방향 성분만큼의 전류(전류 x SIN(theta))와 전압의 곱으로서 기기에서 실제로 아무 일도 하지 않으면서(전력소비는 없음) 기기의 용량 일부만을 점유하고 있는데 SIN(theta)를 무효율이라 한다.

 

3. 역률의 크기와 의미

1) 역률이 큰 경우 ; 역률이 크다는 것은 유효전력이 피상전력에 근접하는 것으로서 (1) 부하측(수용가측)에서 보면 : 같은 용량의 전기기기를 최대한 유효하게 이용하는 것을 의미하며 (2) 전원측(공급자측)에서 보면 : 같은 부하에 대하여 적은 전류를 흘려보내도 되므로 전압강하가 적어지고 전원설비의 이용효과가 커지는 이점이 있다.

 

2) 역률이 작은 경우 ; 위와 반대되는 불이익이 있다.

 

4 역률저하의 원인

1) 유도전동기 부하의 영향 ; 유도전동기는 특히 경부하일 때 역률이 낮다.

 

2) 가정용 전기기기(단상유도전동기)와 방전등(기동장치에 코일을 사용하기 때문)의 보급에 의한 역률저하

 

3) 주상 변압기의 여자전류의 영향

 

5 역률개선 효과

1) 전력회사 측면

- 전력계통 안정 - 전력손실 감소 - 설비용량의 효율적운용 - 투자비 경감

 

2) 수용가 측면

 

(1) 역률개선에 의한 설비용량의 여유증가

역률이 개선됨으로써 부하전류가 감소하게 되어 같은 설비로도 설비용량에 여유가 생기게 된다. 즉, 설비용량을 더 늘리지 않고도 부하의 증설이 가능해 진다.

 

(2) 역률개선에 의한 전압강하 경감

역률을 개선하면 선로전류가 줄어들게 되므로 선로에서의 전압강하는 경감된다.

 

(3) 역률개선에 의한 변압기 및 배전선의 전력손실 경감.

배전선 및 변압기에 전류가 흐르면 PL = 3*I2 *R 의 손실이 발생한다. 역률개선에 의해 무효전력이 감소하므로 이 전력손실이 경감된다.

 

(4) 역률개선에 의한 전기요금 경감

- 전력 수용가의 부하역률을 개선하면 그 만큼 전력회사는 설비 합리화가 이루어지기 때문에 수용가의 역률개선을 촉진한다는 목적으로 기본요금에 역률할증제도를 실시하고 있다.

 

- 우리나라의 전기요금제도는 역률이 90%에 미달한 역률만큼 전기요금을 추가하는 역률 할증제도를 적용하고 있다.

 

- 역률을 개선함으로서 전기요금이 그 만큼 절약된다.

 

6 역률제어 방법

1) 무효전력에 의한 제어

(1) 콘덴서는 부하에 무효전력을 공급하기 위해 설치되는 것이므로 무효전력에 의해 콘덴서를 투입, 개방 하는 것이 합리적이다.

(2) 무효전력검출을 위해 무효전력계전기를 사용해서 정정치 보다 커졌을 때 투입하고 작아 졌을 때 개방한다.

(3) 이 방식은 역률개선용으로 콘덴서를 설치하는 경우에 가장 적합한 방식이며, 콘덴서의 군 용량을 부하의 성질에 따라 변경하는 방식으로 무효전력계전기를 2조 또는 수조 사용하여 군 제어를 하는 경우도 있다.

 

2) 전압에 의한 제어

(1) 이 방식은 모선전압이 정정치 보다 내려갔을 때에 콘덴서를 투입하고 정정치 이상이 되면 차단하는 방법임.

(2) 1차 변전소처럼 그 목적이 모선전압 조정에 있는 경우에 사용하며 역률개선용으로는 사용되지 않는다.

 

3) 역률에 의한 제어

(1) 무효전력과 마찬가지로 역률계전기를 사용해서 제어하는 방법임.

(2) 조정폭이 부하의 감소와 더불어 작아지고 그 폭이 1군의 용량보다 작아지는 곳에서는 헌팅을 일으키게 된다. 때문에 회로전력이 기준이하가 되면 자동제어 기능을 정지시켜 헌팅을 방지 하도록 하고 있다.

 

4) 전류에 의한 제어

(1) 부하상태에 따라 역률이 일정한 경우에 쓰이는 것으로 전류계전기로 검출하여 제어한다.

(2) 이 방식은 미리 무효전력과 부하전력의 관계를 조사하여 정정할 필요가 있다.

 

5) 시간에 의한 제어

(1) 상점, 백화점 처럼 조업시에는 일정한 부하가 되고 종업시에는 무부하가 되는 경우에 사용한다.

(2) 타임 스위치에 의해 제어 되지만 컴퓨터에 의한 년간 제어도 실시되고 있다.