본문내용
1. 서론
1.1. 역률의 개념과 정의
역률이란 교류회로에서 유효전력과 피상전력의 비율을 나타내는 개념이다. 직류회로에서는 전압과 전류의 곱이 곧 전력이 되지만, 교류회로에서는 전류와 전압의 실효치와의 곱이 반드시 전력이 되지는 않는다. 교류회로에서는 전압과 전류의 곱을 피상전력이라 하며, 이에 역률을 곱해야 비로소 전력이 된다. 역률은 최대 1이고 최소 0이며, 이를 백분율로 표현하면 최대 100%, 최소 0%에 해당된다. 역률이 낮다는 것은 공급 전압과 소비 전류의 위상 편차가 크다는 것을 의미하며, 이에 따라 무효전력이 많이 발생하게 된다. 역률을 개선하려면 이 위상 편차를 최대한 줄여야 한다.
전력 교류회로에 리액턴스 성분이 있으면 전류와 전압 간의 위상차가 생기는데, 회로에 인덕터가 있으면 전압의 위상이 전류보다 90도 앞서게 되고 커패시터가 있으면 전류의 위상이 전압보다 90도 앞서게 된다. 이 때 전력은 cos 90도 성분으로 인해 0이 되며, 충방전에 의해 소비전력이 0이 된다는 의미이다. 이 회로에 저항 성분이 더해질 경우 위상은 90도보다 작아지게 되며, 실제 전력이 소모된다. 이 때 저항에 의해 소모되는 전력을 유효전력이라 하며, 인덕터와 커패시터에 의해 소모되는 것처럼 보이는 전력을 무효전력이라 한다. 피상전력은 유효전력과 무효전력의 벡터 합으로 표현된다.
역률이 크다는 것은 유효전력이 피상전력에 근접하는 것을 의미하며, 수용가 측면에서는 같은 용량의 전기기기를 최대한 유효하게 이용할 수 있고, 전원 측면에서는 같은 부하에 대해 적은 전류를 흘려보내도 되므로 전압강하가 적어지고 전원 설비의 이용 효과가 커진다는 이점이 있다. ()
1.2. 전력계통에서의 역률 중요성
전력 시스템에서 역률은 매우 중요한 요소이다. 역률은 전력계통의 효율성과 안정성을 결정짓는 핵심 지표이기 때문이다. 특히 전력 공급의 품질을 유지하기 위해서는 전압을 적절하게 유지하고 역률을 개선하는 것이 필수적이다.
낮은 역률은 전력 손실을 증가시키고 전압 변동을 초래하여 전력 공급의 신뢰성을 저하시킨다. 송변전 설비의 용량이 증대되어야 하고, 전력 손실이 증가하며, 전압 불안정성이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서는 역률 개선이 필요하다.
역률 개선을 통해 송변전 설비의 용량 증설을 억제할 수 있고, 전력 손실을 감소시킬 수 있으며, 전압을 안정화할 수 있다. 즉, 역률 개선은 전력 공급의 효율성과 안정성을 높이는 데 핵심적인 역할을 한다.
따라서 전력계통에서 역률은 매우 중요한 요소이며, 전압 유지와 전력 공급 품질 향상을 위해 역률 개선이 필수적이다. [1,2,3]
1.3. 역률 관련 용어 정의
역률은 교류 전력 회로에서 유효전력과 피상전력의 비율을 나타내는 지표이다. 직류 회로에서는 전압과 전류의 곱이 전력이 되지만, 교류 회로에서는 전류와 전압의 실효치의 곱이 반드시 전력이 되지 않는다. 교류 회로에서 전압과 전류의 곱을 피상전력이라 하며, 이에 역률을 곱해야 비로소 전력이 된다.
역률은 최대 1, 최소 0의 값을 가지며 백분율로 표현했을 때 100%와 0%에 해당한다. 역률이 낮다는 것은 공급 전압과 소비 전류의 위상 차이가 크다는 것을 의미하며, 이로 인해 무효전력이 많이 발생하게 된다. 역률을 개선하기 위해서는 이러한 위상 차이를 최대한 줄여야 한다.
유효전력은 실제로 전동기 등의 동력을 구동하는 데 사용되는 전력이며, 무효전력은 전원과 부하 간에 축적 및 방출되는 전력으로 실제 일을 하지 않는 전력을 의미한다. 피상전력은 유효전력과 무효전력의 벡터합으로 표현되며, 교류 회로에서 전원 용량을 나타내는 전력이다.
2. 전력 이론
2.1. 유효전력, 피상전력, 무효전력
교류회로에서 전압의 실효값과 전류의 실효값의 곱을 피상전력이라고 한다. 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력이며, 전원에서 공급되는 전력이다. 하지만 실제 전기사용 시 각 사용설비의 저항 값으로 인하여 실제사용전력은 80~90% 밖에 사용하지 못한다.
실제로 전동기 등의 동력을 돌리는 일을 행하는 전력이 유효전력이다. 전원에서 공급되어 부하에서 유효하게 이용되는 전력으로 전원에서 부하로 실제 소비되는 전력이다. 유효전력은 피상전력에 역률을 곱한 값이다.
실제로는 아무런 일도 행하지 않는 전력이 무효전력이다. 에너지를 소비하지 않고, 전원과 부하 간에 축적 후 방출되며 교환되는 전력 요소이며 무효전력은 피상전력에 sin을 곱한 값이다.
교류회로에 리액턴스 성분(L이나 C)이 있으면 전류와 전압간의 위상차가 생기는데, 교류 회로에 인덕터가 있으면 전압의 위상이 전류보다 90˚ 앞서게 되고 커패시터가 있으면 전류의 위상이 전압보다 90˚ 앞서게 된다. 이 때의 전력은 cos 90˚ 성분으로 인해 0이 된다. 즉, 충방전에 의해 소비전력이 0이 된다는 의미이다. 이 회로에 R성분이 더해질 경우 위상은 90˚보다 작아지게 되며, 실제 전력이 소모된다. 이 때 R에 의해 소모되는 전력을 유효전력이라 하며, L,C에 의해 소모되는 것처럼 보이는 전력과 함께 피상전력이라 한다. 무효전력은 순수하게 L,C에 의해 소모되는 것처럼 보이는 전력을 의미한다. 즉, 피상전력 = 유효전력 + 무효전력 이다.
2.2. 역률의 수학적 표현
역률의 수학적 표현이다. 역률은 유효전력과 피상전력의 비로 정의되며, 수학적으로는 cosθ로 나타낼 수 있다. 피상전력은 전압의 실효값과 전류의 실효값의 곱으로 계산되며, 유효전력은 피상전력에 역률을 곱한 값이다. 따라서 역률은 유효전력을 피상전력으로 나눈 값이 된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다. 역률 = 유효전력 / 피상전력 = P / S = cosθ 여기서 θ는 전압과 전류 사이의 위상차이다. 역률이 높을수록 유효전력과 피상전력의 차이가 작아지며, 전력 공급...
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