전기를 조금 접해보거나 공부하는 학생이라면 한번쯤은 들어봤을법한 진상과 지상에 대한 내용입니다. 나아가 역률이란 무엇인지 이것의 의미와 함께 개선방법에 대하여 살펴보고, 유효전력, 무효전력, 피상전력에 대해서도 알아보겠습니다.
목차
진상과 지상이란, 역률의 의미와 개선방법
1.진상 leading이란
진상 leading이라는 의미는 직류가 아닌 교류에서 나오는 용어입니다.
이는 교류전기에서 용량성부하(ex. 콘덴서[C])에 의해 나타나게되며, 공급되는 전압의 위상에 비해서 전류의 위상이 앞서는것을 말합니다.
전기에서는 전류와 전압이 동상이 되어야 최대로 유효한 전력을 낼 수 있는데 이것에 차이가 나버리게 되면 그만큼의 무효성분이 생겨서 유효한 전력의 비율이 줄어들기 때문입니다.
<교류전기의 위상>
진상에 대해 조금더 파고들기전에 먼저 ‘위상 phase’이라는것의 개념에 대해 짚고 넘어가보겠습니다.
위 그래프는 전류와 전압의 위상을 나타낸 그래프입니다.
여기서 주목해야할 것은 빨간색인 direct 그래프와 초록색인 alternating 그래프인데요. direct의 그래프가 직류에서의 전류 전압의 위상을 나타내며, alternating의 그래프가 교류에서의 전류 전압의 위상을 표현합니다.
(위 그래프에서는 전압과 전류의 위상차이가 없는 ‘동상’인 셈입니다.)
직류에서는 (+) 와 (-)가 일정함으로 극의 변화가 없기 때문에 ‘항상 전류와 전압의 위상이 같습니다’
반면, 교류에서는 초 단위로 (+)와 (-)가 뒤바뀌게 됩니다. 따라서 극의 변화로 인하여 전류와 전압이 정현파와 같은 파형을 띄게 되면서 위상이 생기게 되죠.
이때, 교류에서는 추가적으로 주파수(Hz)의 개념이 생기게 되는것이죠.(일반 가정집에서 사용하는 전기는 교류전기로써 220V에 60Hz 입니다.)
1-1)진상의 그래프 표현
그렇다면 위상의 개념에 대해서 알게 되었으니 이제 진상에 대한 그래프 표현을 알아보겠습니다.
위 그래프에서 초록색의 그래프 파형이 전류의 위상이라고 하고 파란색의 그래프 파형이 전압의 위상이라고 해보겠습니다. 이때, 전류의 위상은 전압의 위상보다 θ만큼앞서게 되는데 이러한 현상을 ‘진상’이라고 표현합니다.
또한, 이러한 성질을 가진 전기설비로는 대표적으로 커패시터(콘덴서)가 있습니다.
2.지상 lagging이란
지상 lagging이라는 의미 역시 교류전기에서 나오는 용어인데요. 진상과 반대로 전압의 위상을 기준으로 했을때 전류의 위상이 쳐지는 것을 말합니다. 보통 전압에 비해 전류의 위상이 ‘뒤짐(뒤쳐짐)’이라고 표현을 합니다.
이는 주로 유도성부하(ex. 인덕터[L])에 의해서 나타나게 되죠.
지상 또는 진상 한쪽의 비율로 치우칠수록 부하에는 유효한 성분을 보다 덜 받게 되어 효율이 떨어지게 되는데요 이는 아래에서 다시 자세히 설명하겠습니다.
2-1)지상의 그래프 표현
앞서 보았던, 전압의 위상보다 전류의 위상이 앞선것과는 반대로 전류의 위상이 전압의 위상에 비해 θ만큼 뒤쳐져있습니다. 이것을 보고 우리는 ‘지상’이라고 표현하는 것이죠.
3.역률이란, 역률의 의미와 개선방법
그렇다면, 진상과 지상에 대해서 알아보았으니 역률이라는것에 대하여 알아보겠습니다.
3-1)역률이란
역률 power-factor란, 전류가 단위 시간에 하는 일의 비율을 뜻합니다.
전력기기에 따른 출력률로 말할수도 있으며 얼마나 유효하게(잘 쓰이는지)를 나타내는 비율이죠.
이러한 역률은 비(ratio)이기에 0~1까지로 나타내어집니다.
따라서, 역률이 좋다는 의미는 1에 가깝다는 의미이며 역률이 나쁘다는 의미는 0에 가깝다는 의미이기도 합니다.
이때, 저항(R)부하만으로 이루어진 회로에서는 전압과 전류의 위상이 동일하기 때문에 역률이 항상 1로 일정하게 됩니다.
하지만, 저항(R)부하 뿐만 아니라 인덕터(L) 또는 커패시터(C)와 같은 부하가 추가되면 전압과 전류의 파형이 어긋나기 때문에 그와의 차이로 인해 역률이 떨어지게 됩니다.
따라서 역률이 발생한다는것은 그 만큼의 손실을 야기하는 셈입니다!
3-2)역률의 도형화
역률은 보통 COSθ로 나타내며, 이는 Pa(피상전력)을 P(유효전력)으로 나눈값을 의미합니다.
다시, 이것을 그래프로 나타낸다면 위의 그림으로 표현이 되어지죠.
이때 Pa(피상전력) = P(유효전력)이 되는것은 곧 COSθ 즉, 역률이 1이되는것을 의미합니다.
<피상전력, 유효전력, 무효전력의 개념>
앞서 나온 단어인 피상전력, 유효전력, 무효전력의 개념을 풀어서 설명하면 다음과 같습니다.
①피상전력 : 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력으로써 전원에서 공급되는 전력을 의미합니다. (단위 [VA])
②유효전력 : 전원에서 공급되는 전력중 부하에서 ‘유효하게’ 이용되는 전력을 말합니다. 즉, 부하에서 실제로 소비되는 전력이죠. (단위 [W])
③무효전력 : 실제로는 아무런 일을 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용될 수 없는 전력을 말합니다. (무효전력이라고 단어만 지칭할 뿐 부하에는 아무런 영향을 끼치지 못하는 허상이라고 할 수 있습니다. 단위는 [Var])
역률이 낮으면 부하에서 사용되는 실제 전력(유효전력)보다 버려지는 무효전력의 비율이 많아지게 됩니다. 그렇다면 전원에서 공급되는 피상전력 자체가 많아져야하기 때문에 비용적으로 크게 손실이 생기게되죠. 따라서, 전기설비에서는 역률을 최대한 1에 가까운 값으로 끌어올려서 손실을 개선할 필요가 있습니다.
3-3)역률의 개선방법
실제로 역률이 일정값 이상 낮다면 한전에서는 전기요금에 패널티를 주고 있습니다. 그렇기에 수용가에서는 낮은 역률을 개선할 필요가 있습니다.
위는 전기실의 S.C (전력용 콘덴서)의 배전반에서 볼 수있는 진상콘덴서의 모습입니다.
이러한 진상콘덴서의 목적은 낮은 부하의 역률을 개선하는데에 있으며 역률콘덴서라고도 부릅니다. 이러한 콘덴서는 일반적으로 부하와는 병렬로 연결하게 되고, 전압에 비해 뒤쳐지는 전류의 위상을 전압의 위상에 근접하게 만들어 개선을 하는것이죠.
이러한 역률을 개선하는 원리를 나타내보았는데요.
기존 설비가 Pa의 피상전력으로 P만큼의 유효전력을 사용한다면은 Pa와 P의 값의 차이가 줄어드는것이 개선입니다. (반대로 말하면 Pr인 무효전력의 값을 낮추는것이 바로 역률 개선이죠)
따라서, Pr의 값을 Pr’로 낮추는것이 진상콘덴서의 역할이며 그 만큼의 cosθ값이 커지게 되죠.
결국 지상인 역률값을 개선할 때는 진상인 콘덴서의 성분을 추가하여 역률을 개선하는 것입니다.
이렇게 진상과 지상의 의미와 함께 역률이란 무엇인지 이것에 대한 개선방법에 대한것을 살펴보았습니다.
