역률에 대한 기본적인 이해

글 내용이 오래되어 새로운 내용을 추가합니다.

https://ds1orj.tistory.com/204

임피던스 와 임피던스 크기 그리고 역률

 

모든 책이나 자료에서 역률에 대한 설명은 어딜 봐도 똑같습니다.

전압과 전류에 위상 차이가 발생한다는 것.

 

여기서는역률 이라는 것이 어떻게 발생하고

그것으로 인해 어떤문제가 발생 하는지에 대해 설명 합니다.

 

먼저...

 

전력은 전압과 전류의 곱인 W = I * E 으로 계산된다는 점을 상기 합니다.

그림 1, 12V 배터리로 부터 전구를 켜는 그림

전류계의 파란 화살표 방향대로 전류는전원에서 부하로 흐른다

 

위 그림처럼, 전원에 부하인 전구를 연결하면 당연하게도 부하측으로 전류가 흐릅니다.

 

그림 2, 부하를 9V 배터리로 대체한 모습

여전히 9V 배터리로 전류가 흐른다

 

전구가 아닌 9V 배터리를 연결해도 전류는 흐릅니다,

그 이유는 전류가 항상 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로

흐르기 때문이지요.

그림 3, 부하를 24V 배터리로 대체한 모습

부하에서 전원으로 역방향전류가 흐른다.

 

부하전압이 더 높아지면 전류의 방향이 거꾸로 흐릅니다,

다시 말해, 전류계에는마이너스 방향의 전류가 흐른다는 것인데,

이것 때문에 소비전력이 마이너스가 됩니다.

 

만약에 -1A 가흐른다고 하면,

W= -1 * 12= -12W 즉, -12W 가 된 상황이지요,

 

즉, 현재 부하는 전기를 소비하는게 아니라 오히려 전기를 만들고 있다는 뜻 입니다 .

지금은, 부하 전압이 더 높기 때문에 역전류가 흐르는 것이지만요.

이 현상은 아래 교류 전원에서다시 설명 합니다

 

만약에축전지가 아닌 일반 배터리(1차 전지) 라면, 부하측에서 전원측으로 오는 역방향 전력은 일반 배터리에서

모두 열로 소비됩니다.

 

전류의 방향으로 인해 소비전력이 마이너스가 된다는 개념을 이해하는 것은 역률을 이해하는 기본 입니다.

 

문제는 AC 전원 입니다, 교류전원에서는 전원이 +, 0V, - 로 수시로 바뀝니다, 아래를 보세요.

 

그림 4, 교류전원에콘덴서(캐패시터)를 연결한 모습

 

 

교류전원이므로 극성이 수시로 바뀝니다,

현재 전원 극성에서는 부하측 컨덴서로 전류가 흐르고 있는 것을 나타냅니다.

 

 

그림 5, 전원의 0V 시점에서 콘덴서에서 전원으로 역전류가 흐르고 있음.

 

 

교류 전원의전압이 0V 가되어도(Zero cross 지점) 전류는 0 이 되지 않습니다.

콘덴서는 축전된 전기를 전원측으로 되돌려 보냅니다, 이로 인해 전류는 역방향으로 흐릅니다.

 

일반부하라면 아래 그림처럼, 전압이 0 이면 전류도 흐르지 말아야 합니다.

 

 

그림 6, 전원의 0V 지점에서는 전류가 흐르지 않음.

 

 

정 리

 

 

부하가 전기를 저장하지 않는성분 다시말해,순수하게 저항으로만 되어 있을 경우에는,

부하에서 전원으로 역전류가 흐르지 않으므로 전원에서 공급되는 모든 전류는 그대로 부하에서 소모 됩니다.

 

이러한 순저항일 경우에 역률을 값으로 표시하면 1 이고, 백분율로 표시하면 100% 입니다.

 

반대로위에 콘덴서만 연결된 것은 역률이 0 입니다. 백분율로 표시하면 0% 입니다.

이 말의 뜻은, 부하로 온 모든 전력이 다시 전원으로 되돌아 갔으며 전력소모가 없었다는 뜻 입니다.

하지만 틀림없이 콘덴서로 전류는 흐릅니다,그러나 위상(전압방향)이 바뀔 때마다 모두 다시 전원으로 되돌아가 버리지요.

 

우리가 사용하는 일반 전기에서 전원은 "발전기" 입니다,

이렇게 역률이 0인부하를 교류 전원에 연결하면 공급되는 모든 전력은

변압기나 발전기로 되돌아가 열로 변환되어 사라집니다.

 

앞서 말한 콘덴서 부하처럼, 역률이 1 이 되지 못하는 상황, 즉 순저항 성분이 아닐 때,

부하에 리액티브(Reactive, 용수철처럼 에너지를 가하면 일시적으로 보관 했다가다시 반발하는 현상) 성분이

있다고 말하고, 그 값을리액턴스(Reactance)값 이라고 부르며 단위는 저항처럼 옴 입니다.

리액턴스는 우리가 RF 용어(아마추어무선)에서 쓰는 것과 같은 사전적(공학적) 의미 입니다.

 

리액티브 성분은 앞서 말했다시피, 부하로 공급되는 전력을 다시 전원으로 보내 비효율적으로 낭비시키므로

이것을 상쇄시켜 가능한 역률이 1 이 되도록 해야, 전력 사용 효율이 증가 합니다.

여러가지 방법이 있지만, 보통 병렬 컨덴서를 많이 사용 합니다.

 

나머지역률 관련 수학적 내용은 다른 역률 관련 자료에도 나와 있기에,

여기서는별도 설명 없이정리만 하고 넘어갑니다.

 

; 전원에서 부하로 가는 전력(피상전력)

피상전력P= V*I 또는I^2* Z 단위 VA,Z 는 부하 임피던스(R + X), R 는 순저항, X 는 리액턴스

 

; 실제로 부하에서 소모된 전력(유효전력)

유효전력 P = V*I*Cos 세타 또는 I^2 * R단위 W, R 는 부하의 순저항

 

; 부하에서 소모되지 않은 전력(무효전력)

유효전력 P = V*I*Sin 세타 또는 I^2 *X단위 Var, X 는 부하의 리액턴스

 

여기서 각도 세타는, 유효전류와 무효전류를 벡터로 표현 했을 때, 무효전류의 크기로 인해발생하는

벡터상의각 이고,역률 값을 알면역수로 각을 계산할 수 있겠지요.

 

즉,피상전력에서 유효전력으로 사용되는 비율을 역률이라 하고피상전력 대 유효전력 비로(=cos 세타)나타냄.

 

※ 이 글은 매우 오래된 글입니다. 최근 작성된 아래 글도 참고 하십시요. 

https://ds1orj.tistory.com/204

임피던스 와 임피던스 크기 그리고 역률