역률

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1. 개요

역률은 교류 회로에서 전압과 전류 사이의 위상차를 나타내는 지표로, 유효 전력과 피상 전력의 비율로 정의된다. 역률은 0과 1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 전력 효율이 높다. 역률이 낮으면 전력 손실이 증가하고, 전력 설비의 용량이 커지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 역률 개선 장치를 사용하며, 자동 역률 제어 장치는 실시간으로 역률을 감시하고 제어하여 전력 효율을 높인다. 한국에서는 역률에 따라 전기 요금이 부과되며, 기업들은 자동 역률 제어 장치를 통해 전기 요금을 절감하고 있다.

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역률
기본 정보
명칭	역률 (力率)
영어 명칭	power factor
정의
정의	교류 회로에서 유효 전력과 피상 전력의 비율
수식	유효전력 / 피상전력
기호	cos ⁡ φ
범위	0 ~ 1
설명	역률은 교류 전력 시스템의 효율성을 나타내는 지표이다. 역률이 1에 가까울수록 효율이 높고, 0에 가까울수록 효율이 낮다. 역률이 낮으면 전력 손실이 증가하고, 전기 요금이 증가할 수 있다.
역률 개선
필요성	전력 시스템의 효율성 향상 전력 손실 감소 전기 요금 절감 전압 강하 방지 설비 용량 감소
방법	콘덴서 설치 동기 조상기 설치 전력용 반도체 소자 사용
관련 용어
유효 전력	실제로 소비되는 전력
무효 전력	실제로 소비되지 않고, 코일이나 콘덴서에 저장되는 전력
피상 전력	유효 전력과 무효 전력을 합한 전력
부하	전력을 소비하는 장치 (예: 전등, 모터)
추가 정보
참고 자료	위키백과 역률

2. 역률의 정의 및 종류

역률은 유효 전력과 피상 전력의 비율로 정의되며, 일반적으로 0과 1 사이의 값을 가진다. 유효 전력은 실제로 부하에서 소비되는 전력이며, 피상 전력은 전압과 전류의 실효값의 곱으로 계산된다. 역률은 다음과 같이 표현할 수 있다.

: $\mbox{역률} = \frac{P}{P_a}$

여기서 $P$ 는 유효 전력, $P_a$ 는 피상 전력이다.

부하가 발전기 쪽으로 전력을 다시 공급하는 경우에는 역률이 음수가 될 수 있다.

일반적인 교류 회로에서 역률은 다음과 같이 전류와 전압의 순간값, 그리고 파형의 주기를 이용하여 계산할 수 있다.

:

\mbox{역률} = \frac{\int_{t'}^{t'+T} i(t)v(t) dt}{\sqrt{\int_{t'}^{t'+T}{i^2(t)dt}\int_{t'}^{t'+T}{v^2(t)dt}}}

여기서

i(t)

는 순간 전류,

v(t)

는 순간 전압,

t'

는 임의의 시작 시간,

T

는 파형의 주기이다.
선형 부하의 경우, 저항, 인덕터, 커패시터의 조합으로 구성된 선형 회로에서는 전류가 정현파 전압에 대해 정현파 응답을 갖는다. 이러한 선형 부하는 입력 파형의 모양을 바꾸지는 않지만, 인덕턴스나 커패시턴스 때문에 전압과 전류 사이에 위상차를 발생시킬 수 있으며, 위상차의 코사인 값이 역률이 된다.
비선형 부하는 전류 파형의 모양을 사인파가 아닌 다른 형태로 변화시킨다. 정류기, 형광등, 전기로 등이 비선형 부하의 예시이다. 비선형 부하는 기본 주파수 외에 고조파 전류를 생성하며, 이는 전력 시스템에 문제를 일으킬 수 있다.

비선형 부하의 경우, 왜곡 역률이라는 개념이 추가적으로 고려된다. 왜곡 역률은 부하 전류의 고조파 왜곡이 부하로 전달되는 평균 전력을 얼마나 감소시키는지를 나타내는 척도이다. 왜곡 역률은 다음과 같이 계산된다.

:

\mbox{왜곡 역률} = \frac{1} {\sqrt{ 1+THD_i^2}}

여기서

THD_i

는 부하 전류의 총 고조파 왜율이다.

전체 역률(PF)은 변위 역률과 왜곡 역률의 곱으로 나타낸다.

:

\mbox{PF} = \frac{\cos{\varphi}} {\sqrt{ 1+THD_i^2}}

전류 파형이 전압 파형보다 뒤쳐지면 지상 역률, 앞서면 진상 역률이라고 한다.

2. 1. 지상 역률 (Lagging Power Factor)

유도성 리액턴스에서는 전류가 전압보다 위상이 뒤지는데, 이는 전류의 위상각이 전압의 위상각보다 작다는 것을 의미하며, 이때의 역률을 지상 역률(Lagging Power Factor)이라고 한다.^[1]

0.71). 파란색 선 (순간 전력)은 부하가 받는 에너지의 일부가 로 표시된 사이클의 일부 동안 그리드로 반환됨을 보여준다.

저항, 인덕터, 커패시터의 조합으로 구성된 선형 회로에서 전류 흐름은 정현파 선 전압에 대한 정현파 응답을 갖는다. 선형 부하는 입력 파형의 모양을 변경하지 않지만, 인덕턴스 또는 커패시턴스로 인해 전압과 전류 간의 상대적 타이밍(위상)을 변경할 수 있다.

리액턴스 부하(예: 커패시터 또는 인덕터)가 있는 경우, 부하에 저장된 에너지는 전류와 전압 파형 간의 위상차를 초래한다. 교류 전압의 각 사이클 동안 부하에서 소비되는 모든 에너지 외에 추가 에너지가 전기장 또는 자기장에 일시적으로 저장된 다음, 기간의 일부 후에 전력망으로 반환된다.

주로 저항성 부하를 포함하는 전기 회로(백열 전구, 가열 요소를 사용하는 장치(예: 전기 토스터, 전기 오븐))는 역률이 거의 1이지만, 유도성 또는 용량성 부하(전기 모터, 솔레노이드 밸브, 변압기, 형광등 밸러스트 등)를 포함하는 회로는 역률이 1보다 훨씬 낮을 수 있다.

역률이 낮은 회로는 높은 역률의 회로보다 주어진 양의 유효 전력을 전송하기 위해 더 많은 전류를 사용하므로, 전력선에서 저항성 가열로 인해 손실이 증가하고, 더 높은 정격의 도체 및 변압기를 사용해야 한다.

전력 계수는 전류 파형이 전압에 비해 위상이 앞설 경우 '진상'으로, 전류 파형이 전압 파형보다 뒤쳐질 경우 '지상'으로 설명된다. 지상 역률은 부하가 유도성임을 의미하며, 부하는 무효 전력을 '소모'한다. 무효 성분

Q

는 무효 전력이 회로를 통해 이동하고 유도성 부하에 의해 '소모'되므로 양수이다.

θ가 전류와 전압 사이의 위상각이면, 역률은 각도의 코사인

\cos\theta

와 같다.

:

|P| = |S| \cos\theta

단위가 일관성이 있으므로, 역률은 정의상 -1과 1 사이의 무차원 수이다. 역률이 1일 때, '단일' 역률이라고 하며, 소스에서 공급되는 모든 에너지는 부하에 의해 소비된다. 역률은 일반적으로 위상각의 부호를 표시하기 위해 '진상' 또는 '지상'으로 표시된다. 용량성 부하는 진상(전류가 전압보다 앞섬)이고, 유도성 부하는 지상(전류가 전압보다 뒤쳐짐)이다.

유도 전동기(모든 유형의 권선 코일)와 같은 유도성 부하는 전류 파형이 전압보다 뒤쳐지면서 무효 전력을 소비한다.

2. 2. 진상 역률 (Leading Power Factor)

용량성 리액턴스에서는 전류가 전압보다 위상이 앞서는데, 이는 전류의 위상각이 전압의 위상각보다 크다는 것을 의미하며, 이때의 역률을 진상 역률이라고 한다.^[1] 진상 역률은 부하가 용량성임을 의미하며, 부하는 무효 전력을 '공급'하므로 무효 성분

Q

는 음수이다.

진상 역률도 지상 역률과 마찬가지로 전기 설비가 커지는 등의 손실이 증가하며, 전압 상승과 고조파 왜곡이 심해지는 문제가 더해진다. 야간 경부하 및 무부하 시에는 반드시 콘덴서를 선로로부터 개방시켜야 한다.

θ가 전류와 전압 사이의 위상각이면, 역률은 각도의 코사인

\cos\theta

와 같다.

:

|P| = |S| \cos\theta

단위가 일관성이 있으므로, 역률은 정의상 -1과 1 사이의 무차원 수이다. 역률이 0일 때, 에너지 흐름은 완전히 무효이며, 부하에 저장된 에너지는 각 사이클마다 소스에 반환된다. 역률이 1일 때, '단일' 역률이라고 하며, 소스에서 공급되는 모든 에너지는 부하에 의해 소비된다. 역률은 일반적으로 위상각의 부호를 표시하기 위해 '진상' 또는 '지상'으로 표시된다. 용량성 부하는 진상(전류가 전압보다 앞섬)이고, 유도성 부하는 지상(전류가 전압보다 뒤쳐짐)이다.

커패시터 뱅크 또는 매설 케이블과 같은 용량성 부하는 전류 위상이 전압보다 앞서면서 무효 전력을 생성한다. 콘덴서와 같은 용량성 부하는 교류(AC) 사이클의 일부 동안 에너지를 흡수하여 장치의 전기장에 저장한 다음, 사이클의 나머지 동안 이 에너지를 소스에 다시 반환한다.

2. 3. 과진상 현상 (페란티 효과)

경부하 또는 무부하 시에는 선로의 역률 조정 소자의 용량이 과도하게 커져 전류가 전압보다 앞서는 진상역률이 된다. 이때문에 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상이 발생하는데, 이를 페란티 효과라고 한다.

3. 역률과 전력의 관계

역률은 유효 전력과 피상 전력의 비율로 정의된다.^[5]^[6] 송전선을 따라 전력이 전송될 때, 부하로 전달되어 실제 작업을 수행하는 유효 전력과 무효 전력의 조합인 피상 전력으로 구성된다. 역률은 송전선에서 흐르는 총 피상 전력 대비 유효 전력의 양을 나타낸다.^[5]^[6]

교류 전력의 구성 요소는 벡터 공간에서 전력 삼각형을 사용하여 나타낼 수 있다. 유효 전력은 실수축을 따라 수평으로, 무효 전력은 허수축 방향으로 표현된다. 복소 전력 (및 그 크기인 피상 전력)은 유효 전력과 무효 전력의 벡터 합으로 계산된다.

정현파 교류에서 역률은 전압과 전류의 위상차 θ의 코사인 값(

\cos\theta

)으로도 계산할 수 있다.^[7]

:

|P| = |S| \cos\theta

역률은 -1과 1 사이의 무차원 수이며, 위상각의 부호를 나타내기 위해 '진상' 또는 '지상'으로 표시된다. 용량성 부하는 진상(전류가 전압보다 앞섬), 유도성 부하는 지상(전류가 전압보다 뒤쳐짐)이다.

역률이 0이면 에너지 흐름은 완전히 무효이며, 부하에 저장된 에너지는 매 사이클마다 전원으로 반환된다. 역률이 1(단일 역률)이면, 전원에서 공급되는 모든 에너지가 부하에서 소비된다.

예를 들어, 1 kW의 유효 전력을 얻으려면 역률이 1일 때 1 kVA의 피상 전력을 전송해야 한다(1 kW ÷ 1 = 1 kVA). 역률 0.2에서 1 kW의 유효 전력을 얻으려면 5 kVA의 피상 전력을 전송해야 한다(1 kW ÷ 0.2 = 5 kVA).

교류 전력을 소비하는 전기 부하는 유효 전력과 무효 전력을 모두 소비한다. 유효 전력과 무효 전력의 벡터 합은 복소 전력이며, 그 크기는 피상 전력이다. 무효 전력이 존재하면 유효 전력이 피상 전력보다 작아지므로, 전기 부하의 역률은 1보다 작다.

태양광 패널이 설치된 건물에서 잉여 전력이 공급원으로 다시 공급되는 경우와 같이, 음의 역률(0 ~ -1)은 유효 전력을 전원으로 반환할 때 발생한다.^[8]^[9]^[10]

정현파 교류에서, RLC로 구성된 선형 부하에서는, 임피던스에 따라 전압과 전류의 위상차가 발생하며, 그 위상차의 코사인 값이 역률이 된다.

'''주요 역률의 예'''
회로	역률
RL 직렬 회로	$\frac{R}{\sqrt{R^2 + (\omega L)^2}}$
RC 직렬 회로	$-\cfrac{R}{\sqrt{R^2 + \left(\cfrac{1}{\omega C}\right)^2}}$
RLC 직렬 회로	$\cfrac{R}{\sqrt{R^2 + \left(\omega L - \cfrac{1}{\omega C}\right)^2}}$

4. 역률 개선의 효과

높은 역률은 전력 공급 시스템에서 부하의 손실을 줄이고 전압 조절을 개선하여 시스템의 피상 전력 요구량을 줄여준다. 역률 개선은 네트워크의 안정성과 효율성을 향상시킬 수 있다.

역률 개선은 교류 전력 회로의 역률을 1에 가깝게 만들기 위해 무효 전력을 공급하거나 흡수하여 부하의 유도성 또는 용량성 효과를 상쇄하는 작용을 하는 콘덴서나 인덕터를 추가한다. 모터 부하의 유도성 효과를 상쇄하는 경우, 커패시터를 국부적으로 연결할 수 있다. 이러한 커패시터는 유도성 부하의 요구를 충족시키기 위해 무효 전력을 생성하는 데 도움을 준다. 이를 통해 해당 무효 전력이 유틸리티 발전기에서 부하로 흐르는 것을 막을 수 있다. 전력 산업에서는 인덕터가 무효 전력을 소비한다고 하며, 커패시터는 무효 전력을 공급한다고 한다. 무효 전력은 각 교류 사이클에서 앞뒤로 움직이는 에너지일 뿐이다.^[1]

역률 개선 장치의 무효 요소는 켜거나 끌 때 전압 변동 및 고조파 노이즈를 생성할 수 있다. 이는 주변에 작동하는 해당 부하가 있는지 여부에 관계없이 무효 전력을 공급하거나 흡수하여 시스템의 무부하 손실을 증가시킨다. 최악의 경우, 무효 요소는 시스템 및 서로 상호 작용하여 공진 조건을 생성하여 시스템 불안정 및 심각한 과전압 변동을 초래할 수 있다. 따라서 공학적 분석 없이 무효 요소를 단순히 적용할 수는 없다.

1. 무효 전력 제어 릴레이, 2. 네트워크 연결 지점, 3. 슬로우 블로우 퓨즈, 4. 돌입 전류 제한 접촉기, 5. 커패시터 (단상 또는 삼상 유닛, 델타 연결), 6. 변압기 (제어 및 환기 팬용)

'''자동 역률 개선 장치'''는 접촉기를 통해 스위칭되는 몇 개의 커패시터로 구성된다. 이러한 접촉기는 전기 네트워크의 역률을 측정하는 제어기에 의해 제어된다. 네트워크의 부하 및 역률에 따라 역률 제어기는 역률이 선택된 값 이상을 유지하도록 필요한 커패시터 블록을 단계별로 전환한다.

스위칭된 커패시터 세트 대신, 무부하 동기 전동기가 무효 전력을 공급할 수 있다. 동기 전동기가 소비하는 무효 전력은 그 계자 여자에 따라 달라진다. 이를 '''동기 조상기'''라고 한다. 이는 시동되어 전기 네트워크에 연결된다. 이는 진상 역률로 작동하며 시스템의 전압을 지원하거나 시스템 역률을 지정된 수준으로 유지하기 위해 필요한 만큼 바를 네트워크에 공급한다.

동기 조상기의 설치 및 작동은 대형 전동기의 설치 및 작동과 동일하다. 이의 주요 장점은 보정량을 쉽게 조정할 수 있다는 점이다. 이는 가변 커패시터처럼 작동한다. 커패시터와 달리 제공되는 무효 전력의 양은 전압의 제곱이 아닌 전압에 비례한다. 이는 대형 네트워크의 전압 안정성을 향상시킨다. 동기 조상기는 종종 고압 직류 송전 프로젝트 또는 제철소와 같은 대형 산업 플랜트와 관련하여 사용된다.

고전압 전력 시스템 또는 크고 변동하는 산업 부하의 역률 개선을 위해 정지형 무효 전력 보상기 또는 STATCOM과 같은 전력 전자 장치가 점점 더 많이 사용된다. 이러한 시스템은 접촉기 스위칭 커패시터 뱅크보다 훨씬 빠르게 역률의 갑작스러운 변화를 보상할 수 있으며, 반도체이기 때문에 동기 조상기보다 유지 보수가 덜 필요하다.

4. 1. 전력 회사 측면

전력 회사는 일반적으로 0.9에서 0.95 사이의 특정 한계 미만의 역률을 가진 상업 고객에게 추가 요금을 부과한다. 엔지니어는 전력 전송 효율에 영향을 미치는 요인 중 하나로 부하의 역률에 종종 관심을 갖는다.^[28]

1.0 미만의 역률은 전력 회사가 유효 전력(와트)을 공급하는 데 필요한 최소 볼트-암페어보다 더 많은 전력을 생성해야 함을 의미한다. 이는 발전 및 송전 비용을 증가시킨다. 예를 들어, 부하 역률이 0.7로 낮을 경우, 피상 전력은 부하가 사용하는 유효 전력의 1.4배가 된다. 회로의 선 전류 또한 역률 1.0에서 필요한 전류의 1.4배가 되므로, 회로의 손실은 두 배가 된다 (손실은 전류의 제곱에 비례하기 때문). 또는, 발전기, 전선, 변압기, 개폐 장치 등 시스템의 모든 구성 요소의 크기 (및 비용)를 증가시켜 추가 전류를 처리해야 한다. 역률이 1에 가까울 경우, 동일한 kVA 정격의 변압기에 더 많은 부하 전류를 공급할 수 있다.^[28]

전력 수용가의 부하역률을 개선하면 그만큼 전력회사는 설비 합리화가 이루어지기 때문에 수용가의 역률개선을 촉진한다는 목적으로 역률에 따른 요금 추가(역률할증제도) 또는 감액 제도를 시행하고 있다. (한국전력 전기공급약관 제43조)

역률 개선에 따른 효과는 다음과 같다.

전력 손실 경감 (무효 전력 공급 감소)
전력 계통 안정 (전력 품질 향상)
블랙아웃 예방 (전력 계통 부하 예비율 추가 확보)
설비 용량의 효율적 운용
투자비 경감

역률을 개선하면 요금 추가 부담을 해소하고 감액 혜택도 누릴 수 있다. 역률 개선으로 무효 전력이 감소하므로 변압기 및 배전선의 전력 손실이 경감되어 전기 요금 경감 효과가 생긴다. 변압기 동손실 감소 및 선로 전류 감소에 의한 피크치(Peak) 전력량 감소로 추가적인 전기 요금 발생을 억제할 수 있다.

역률이 개선되면 부하 전류가 감소하여 같은 설비로도 설비 용량에 여유가 생겨 설비 용량을 더 늘리지 않고도 부하 증설이 가능하다. 전력 품질 향상에 따라 생산성 및 전기 설비 수명이 연장된다. 선로 전류가 줄어들면 선로에서의 전압 강하가 경감된다.

가구와 같은 소규모 고객은 일반적으로 무효 전력에 대한 요금을 부과받지 않으므로 이러한 고객을 위한 역률 측정 장비는 설치되지 않는다.

4. 2. 수용가 측면

역률이 낮으면 같은 양의 전력을 공급하기 위해 더 많은 전류를 사용해야 하므로, 전력선에서 저항성 가열로 인한 손실이 증가하고 더 높은 정격의 도체와 변압기를 사용해야 한다.^[1] 이러한 이유로, 수용가(일반 소비자) 측면에서는 역률을 개선하면 다음과 같은 이점이 있다.

전기 요금 절감: 낮은 역률로 인해 전력 회사로부터 요금을 부과받는 개별 전기 고객은 비용을 절감하기 위해 역률을 높이는 보정 장비를 설치할 수 있다. 일본에서는 일정 이상의 수전 설비 용량을 가진 경우 역률에 따라 전기 요금 할인이나 할증이 적용된다.^[38]
변압기 및 배전선 손실 감소: 1.0 미만의 역률은 전력 회사가 유효 전력(와트)을 공급하는 데 필요한 최소 볼트-암페어보다 더 많은 전력을 생성해야 하므로 발전 및 송전 비용을 증가시킨다. 역률이 1에 가까울 경우, 같은 kVA 정격의 변압기에 더 많은 부하 전류를 공급할 수 있다.^[28]
설비 용량 증설 없이 부하 증설 가능: 역률 개선을 통해 추가적인 설비 용량 증설 없이도 부하를 증설할 수 있다.
전압 강하 감소 및 전력 품질 향상: 높은 역률은 부하에서의 손실을 줄이고 전압 조절을 개선한다.

임피던스의 리액턴스 성분에 의해 교류 전압과 교류 전류의 위상에 차이가 생겨 부하 회로에서 소비되는 전력보다 많은 전력의 배전이 필요하게 된다. 이 때문에 전기 시설의 필요 용량 증가, 손실 증가, 전압 강하 및 상승에 의한 장애 등이 발생한다. 이를 줄이기 위해 콘덴서나 리액터 등을 회로에 접속하여 역률을 관리한다.^[37]

5. 역률 개선 방법

높은 역률은 전력 공급 시스템에서 부하 손실을 줄이고 전압 조절을 개선하여 일반적으로 바람직하다. 전기 부하 근처에 역률 개선 요소를 설치하면 공급 시스템의 피상 전력 요구량을 줄일 수 있다. 역률 개선은 네트워크의 안정성과 효율성을 향상시키기 위해 전력 전송 유틸리티에 의해 적용될 수도 있고, 낮은 역률로 인해 요금이 부과되는 개별 전기 고객이 비용 절감을 위해 역률을 높이는 보정 장비를 설치하기도 한다.

역률 개선은 교류 전력 회로의 역률을 1에 가깝게 만들기 위해 무효 전력을 공급하거나 흡수하여 부하의 유도성 또는 용량성 효과를 상쇄하는 방식으로 이루어진다. 전력 산업에서는 인덕터가 무효 전력을 소비하고, 커패시터는 무효 전력을 공급한다고 한다. 여기서 무효 전력은 각 교류 사이클에서 앞뒤로 움직이는 에너지를 의미한다.

역률 개선 장치의 무효 요소는 켜고 끌 때 전압 변동 및 고조파 노이즈를 생성할 수 있다. 이는 주변 부하 작동 여부와 관계없이 무효 전력을 공급하거나 흡수하여 시스템의 무부하 손실을 증가시킨다. 최악의 경우, 무효 요소가 시스템 및 서로 상호 작용하여 공진 조건을 생성, 시스템 불안정 및 심각한 과전압 변동을 초래할 수 있으므로, 단순 적용에는 공학적 분석이 필수적이다.

일본에서는 일정 규모 이상의 수전 설비 용량을 갖춘 수요자의 경우 역률에 따라 전기 요금을 할인 또는 할증하는 제도가 있다.

5. 1. 역률 조정 소자 (진상 콘덴서) 이용

에너지로서 전력을 필요로 하는 장치는 용량성 부하보다 유도성 부하(인덕턴스 성분)가 많으며, 유도성 부하의 역률 개선을 위해 콘덴서를 사용하는 경우가 많다. 이 용도로 사용하는 콘덴서를 진상 콘덴서라고 한다. 유도성 부하에서는 전압에 대해 전류의 위상이 늦어지므로, 이 위상을 맞추는 방향으로 조정함으로써 역률이 향상된다. 구체적인 유도성 부하 장치로는 모터가 대표적이며, 조명용 형광등(의 안정기)도 유도성을 나타낸다.

모터 부하의 유도성 효과를 상쇄하는 경우, 커패시터를 국부적으로 연결할 수 있다. 이러한 커패시터는 유도성 부하의 요구를 충족시키기 위해 무효 전력을 생성하는 데 도움을 준다. 이를 통해 해당 무효 전력이 유틸리티 발전기에서 부하로 흐르는 것을 막을 수 있다.

'''자동 역률 개선 장치'''는 접촉기를 통해 스위칭되는 몇 개의 커패시터로 구성된다. 이러한 접촉기는 전기 네트워크의 역률을 측정하는 제어기에 의해 제어된다. 네트워크의 부하 및 역률에 따라 역률 제어기는 역률이 선택된 값 이상을 유지하도록 필요한 커패시터 블록을 단계별로 전환한다.

5. 2. 수동 제어

관리자는 수동으로 개별 역률조정소자의 가동과 중지를 제어할 수 있으나, 관리자의 지속적인 관리가 필요하기 때문에 역률 관리 지속성에 대한 확신이 어려워 최근에는 거의 사용되지 않고 있다.

5. 3. 타이머 제어

건물의 전력 부하 패턴을 토대로, 전력 부하가 큰 시간에는 역률 조정 소자를 투입하고 부하가 적어지는 시간에는 분리하는 방식의 제어 방법이다. 실제 역률을 계측하여 제어하는 것이 아니기 때문에, 예상치 못한 전력 부하 상황이 발생하면 역률 개선 효과가 사라진다.^[37]

타이머는 프로그램에 의한 자동 제어 방식이므로, 프로그램에서 예상치 못한 상황이 발생하면 대비할 방법이 없다. 그 영향으로 역률 개선 효과가 없어진다.^[37]

5. 4. 자동 역률 제어

자동 역률 개선 장치는 접촉기를 통해 스위칭되는 몇 개의 커패시터로 구성된다. 이러한 접촉기는 전기 네트워크의 역률을 측정하는 제어기에 의해 제어된다. 네트워크의 부하 및 역률에 따라 역률 제어기는 역률이 선택된 값 이상을 유지하도록 필요한 커패시터 블록을 단계별로 전환한다.^[17]

스위칭된 커패시터 세트 대신, 무부하 동기 전동기가 무효 전력을 공급할 수 있다. 동기 전동기가 소비하는 무효 전력은 그 계자 여자에 따라 달라진다. 이를 '''동기 조상기'''라고 한다. 이는 시동되어 전기 네트워크에 연결된다. 이는 진상 역률로 작동하며 시스템의 전압을 지원하거나 시스템 역률을 지정된 수준으로 유지하기 위해 필요한 만큼 바를 네트워크에 공급한다.

동기 조상기의 설치 및 작동은 대형 전동기의 설치 및 작동과 동일하다. 이의 주요 장점은 보정량을 쉽게 조정할 수 있다는 점이다. 이는 가변 커패시터처럼 작동한다. 커패시터와 달리 제공되는 무효 전력의 양은 전압의 제곱이 아닌 전압에 비례한다. 이는 대형 네트워크의 전압 안정성을 향상시킨다. 동기 조상기는 종종 고압 직류 송전 프로젝트 또는 제철소와 같은 대형 산업 플랜트와 관련하여 사용된다.

고전압 전력 시스템 또는 크고 변동하는 산업 부하의 역률 개선을 위해 정지형 무효 전력 보상기 또는 STATCOM과 같은 전력 전자 장치가 점점 더 많이 사용된다. 이러한 시스템은 접촉기 스위칭 커패시터 뱅크보다 훨씬 빠르게 역률의 갑작스러운 변화를 보상할 수 있으며, 반도체이기 때문에 동기 조상기보다 유지 보수가 덜 필요하다.

6. 자동 역률 제어의 활용

'''자동 역률 개선 장치'''는 접촉기를 통해 스위칭되는 여러 개의 커패시터로 구성된다. 이 접촉기들은 전기 네트워크의 역률을 측정하는 제어기에 의해 제어된다. 네트워크의 부하 및 역률에 따라, 역률 제어기는 역률이 선택된 값 이상을 유지하도록 필요한 커패시터 블록을 단계별로 전환한다.

스위칭된 커패시터 세트 대신, 무부하 동기 전동기가 무효 전력을 공급할 수 있다. 동기 전동기가 소비하는 무효 전력은 그 계자 여자에 따라 달라지는데, 이를 '''동기 조상기'''라고 한다. 동기 조상기는 시동되어 전기 네트워크에 연결되며, 진상 역률로 작동한다. 이를 통해 시스템의 전압을 지원하거나 시스템 역률을 지정된 수준으로 유지하기 위해 필요한 만큼 바를 네트워크에 공급한다.

동기 조상기의 설치 및 작동은 대형 전동기의 설치 및 작동과 동일하다. 주요 장점은 보정량을 쉽게 조정할 수 있다는 점이며, 이는 가변 커패시터처럼 작동한다. 커패시터와 달리 제공되는 무효 전력의 양은 전압의 제곱이 아닌 전압에 비례하므로, 대형 네트워크의 전압 안정성을 향상시킨다. 동기 조상기는 종종 고압 직류 송전 프로젝트 또는 제철소와 같은 대형 산업 플랜트와 관련하여 사용된다.

고전압 전력 시스템 또는 크고 변동하는 산업 부하의 역률 개선을 위해 정지형 무효 전력 보상기 또는 STATCOM과 같은 전력 전자 장치가 점점 더 많이 사용된다. 이러한 시스템은 접촉기 스위칭 커패시터 뱅크보다 훨씬 빠르게 역률의 갑작스러운 변화를 보상할 수 있으며, 반도체이기 때문에 동기 조상기보다 유지 보수가 덜 필요하다.

610 W PC 전원 공급 장치의 포장에서 발췌한 사양으로, 능동형 역률 보상 등급을 나타낸다.

능동형 역률 보상(Active PFC)은 부하가 소비하는 전류의 파형을 변경하여 역률을 개선하기 위해 전력 전자를 사용하는 것이다.^[25] 능동형 역률 보상의 일부 유형으로는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터 및 동기 조상기가 있다. 능동형 역률 보정은 단일 단계 또는 다단계로 수행될 수 있다.

스위치 모드 전원 공급 장치의 경우, 부스트 컨버터가 브리지 정류기와 주 입력 커패시터 사이에 삽입된다. 부스트 컨버터는 라인 전압과 항상 위상이 같고 동일한 주파수를 갖는 전류를 소비하면서 출력에서 일정한 전압을 유지하려고 시도한다. 전원 공급 장치 내부의 또 다른 스위치 모드 컨버터는 DC 버스에서 원하는 출력 전압을 생성한다. 이 방식은 추가적인 반도체 스위치와 제어 전자 장치를 필요로 하지만 더 저렴하고 작은 수동 부품을 사용할 수 있게 한다. 실제로 자주 사용된다.

3상 SMPS의 경우, 비엔나 정류기 구성을 사용하여 역률을 실질적으로 개선할 수 있다.

수동형 역률 보상을 갖춘 SMPS는 약 0.7–0.75의 역률을 달성할 수 있으며, 능동형 역률 보상을 갖춘 SMPS는 최대 0.99의 역률을, 역률 보정을 전혀 하지 않은 SMPS는 약 0.55–0.65의 역률을 갖는다.^[26]

매우 넓은 입력 전압 범위를 가지므로 능동형 역률 보상을 갖춘 많은 전원 공급 장치는 약 100 V (일본)에서 240 V (유럽)까지의 AC 전원으로 작동하도록 자동으로 조정할 수 있다. 이 기능은 노트북용 전원 공급 장치에서 특히 유용하다.

동적 역률 보정(DPFC)은 때때로 실시간 역률 보정이라고도 하며, 급격한 부하 변화가 있는 경우(예: 대규모 제조 공장) 전기적 안정화를 위해 사용된다. DPFC는 표준 역률 보정이 과보정 또는 부족 보정을 유발할 수 있는 경우에 유용하다.^[27] DPFC는 반도체 스위치, 일반적으로 사이리스터를 사용하여 커패시터 또는 인덕터를 신속하게 연결하고 분리하여 역률을 개선한다.

6. 1. 일반 역률 제어와의 비교

자동 역률 제어는 여러 배전반의 역률을 하나의 제어 장치로 통합 관리할 수 있어 공간 효율성과 비용 효율성이 높다.^[25] 불필요한 커패시터 투입을 방지하고, 역률 조정 소자를 효율적으로 사용할 수 있다.^[26]

일반적인 역률 제어 방식에서는 각 배전반마다 역률 제어기가 필요했지만, 자동 역률 제어는 제어기 한 대로 여러 배전반을 관리할 수 있다. 또한, 일반 역률 제어는 각 배전반에 역률 조정 소자를 설치해야 하므로 더 많은 용량이 필요하지만, 자동 역률 제어는 필요한 용량을 절반 정도로 줄일 수 있다.^[27]

6. 2. 적용 분야

전력계통 내부의 무효전력 발생은 변압기와 배전선로의 손실을 증가시켜 전력 품질을 저하시키고, 전력사고 및 생산 제품의 품질 저하를 초래할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 역률 개선이 활용될 수 있다.^[28]

역률 개선은 다음과 같은 다양한 부하에 적용될 수 있다.

적용 분야
직류 전동기 및 인버터가 접속되어 가동되는 부하
크레인 및 기중기가 접속된 변압기
대용량의 정류기가 가동되는 부하
변압기의 여유율이 부족한 전력계통
콤프레셔, 압출기, 압연기, 엘리베이터 등 대형 가변 부하 측
고조파에 의해 왜곡이 심한 부하
전압 강하 및 전원 변동이 많은 부하가 접속된 변압기의 2차 측
다중역률제어 솔루션을 전력 수요관리시장 분야

또한, 에너지 절약 시설 투자(조세특례제한법 시행규칙)에 따라 자동역률제어 솔루션은 세액 공제 대상 설비로 적용될 수 있다.
사례

경기도 시흥의 열처리업체 D사는 연간 평균 지상역률이 90% 미만(86%)으로, 연간 수백만 원의 지상역률 과징금을 납부했다. 역률 관리를 통해 95% 지상역률을 달성하면 연간 1000만 원의 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상되어 자동역률제어장치 설치를 검토 중이다.
경남 함안의 열처리업체 S사는 진상역률이 61%로, 연간 수백만 원 이상의 진상역률 과징금을 납부했다. S사는 공장 증설 계획을 고려하여 자동역률조정장치 도입을 제안받았고, 이를 통해 불필요한 전기요금 지출을 절감할 수 있게 되었다.

높은 역률은 전력 공급 시스템에서 부하 손실을 줄이고 전압 조절을 개선하여 바람직하다. 전기 부하 근처의 보상 요소는 공급 시스템의 피상 전력 요구량을 줄인다. 역률 개선은 네트워크의 안정성과 효율성을 향상시키기 위해 전력 전송 유틸리티에 의해 적용될 수 있다. 낮은 역률로 인해 유틸리티로부터 요금을 부과받는 개별 전기 고객은 비용을 절감하기 위해 역률을 높이는 보정 장비를 설치할 수 있다.^[28]

역률 개선은 교류 전력 회로의 역률을 1에 가깝게 만들기 위해 무효 전력을 공급하거나 흡수하여, 부하의 유도성 또는 용량성 효과를 각각 상쇄하는 작용을 하는 커패시터 또는 인덕터를 추가한다. 모터 부하의 유도성 효과를 상쇄하는 경우, 커패시터를 국부적으로 연결할 수 있다. 이러한 커패시터는 유도성 부하의 요구를 충족시키기 위해 무효 전력을 생성하는 데 도움을 준다. 이를 통해 해당 무효 전력이 유틸리티 발전기에서 부하로 흐르는 것을 막을 수 있다. 전력 산업에서는 인덕터가 무효 전력을 소비한다고 하며, 커패시터는 무효 전력을 공급한다고 한다. 무효 전력은 각 교류 사이클에서 앞뒤로 움직이는 에너지일 뿐이다.^[28]

역률 개선 장치의 무효 요소는 켜거나 끌 때 전압 변동 및 고조파 노이즈를 생성할 수 있다. 이는 주변에 작동하는 해당 부하가 있는지 여부에 관계없이 무효 전력을 공급하거나 흡수하여 시스템의 무부하 손실을 증가시킨다. 최악의 경우, 무효 요소는 시스템 및 서로 상호 작용하여 공진 조건을 생성하여 시스템 불안정 및 심각한 과전압 변동을 초래할 수 있다. 따라서 공학적 분석 없이 무효 요소를 단순히 적용할 수는 없다.^[28]

'''자동 역률 개선 장치'''는 접촉기를 통해 스위칭되는 몇 개의 커패시터로 구성된다. 이러한 접촉기는 전기 네트워크의 역률을 측정하는 제어기에 의해 제어된다. 네트워크의 부하 및 역률에 따라 역률 제어기는 역률이 선택된 값 이상을 유지하도록 필요한 커패시터 블록을 단계별로 전환한다.^[28]

스위칭된 커패시터 세트 대신, 무부하 동기 전동기가 무효 전력을 공급할 수 있다. 동기 전동기가 소비하는 무효 전력은 그 계자 여자에 따라 달라진다. 이를 '''동기 조상기'''라고 한다. 이는 시동되어 전기 네트워크에 연결된다. 이는 진상 역률로 작동하며 시스템의 전압을 지원하거나 시스템 역률을 지정된 수준으로 유지하기 위해 필요한 만큼 바를 네트워크에 공급한다.^[28]

동기 조상기의 설치 및 작동은 대형 전동기의 설치 및 작동과 동일하다. 이의 주요 장점은 보정량을 쉽게 조정할 수 있다는 점이다. 이는 가변 커패시터처럼 작동한다. 커패시터와 달리 제공되는 무효 전력의 양은 전압의 제곱이 아닌 전압에 비례한다. 이는 대형 네트워크의 전압 안정성을 향상시킨다. 동기 조상기는 종종 고압 직류 송전 프로젝트 또는 제철소와 같은 대형 산업 플랜트와 관련하여 사용된다.^[28]

고전압 전력 시스템 또는 크고 변동하는 산업 부하의 역률 개선을 위해 정지형 무효 전력 보상기 또는 STATCOM과 같은 전력 전자 장치가 점점 더 많이 사용된다. 이러한 시스템은 접촉기 스위칭 커패시터 뱅크보다 훨씬 빠르게 역률의 갑작스러운 변화를 보상할 수 있으며, 반도체이기 때문에 동기 조상기보다 유지 보수가 덜 필요하다.^[28]

7. 한국의 역률 관리 제도

한국전력공사는 역률에 따라 요금을 추가하거나 감액하는 제도를 시행하여 수용가의 역률 개선을 장려하고 있다. (한국전력 전기공급약관 제43조)^[38] 일정 규모 이상의 수전 설비를 갖춘 수용가는 역률에 따라 전기 요금이 할인 또는 할증된다.

예를 들어, 경기도 시흥의 열처리업체 D사는 연간 평균 지상역률이 90% 미만인 86% 수준으로, 지상역률 과징금을 납부해야 했다. 그러나 자동역률제어장치를 설치하여 지상역률을 95%로 개선하면 연간 10억원의 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

경남 함안의 열처리업체 S사는 진상역률이 61% 수준으로, 진상역률에 대한 과징금을 납부하고 있었다. S사는 자동역률조정장치 도입을 통해 불필요한 전기요금 지출을 줄일 수 있게 되었다.

이처럼 역률 개선을 통해 전기 요금 절감 효과를 얻을 수 있다. 특히, 산업 현장에서는 자동 역률 제어 장치 등을 도입하여 적극적으로 역률을 관리하고 있다. 에너지절약시설투자에 대한 세액공제 대상설비로 자동역률제어 솔루션이 적용될 수 있다.

8. 상용화된 자동 역률 제어 방식 사례

콘덴서 용량을 자동 또는 수동으로 입력하여 다양한 콘덴서 용량을 자유롭게 연결할 수 있으며, 각 상 결선방식 및 CT/PT 비율을 입력하여 고조파가 함유된 계통에서도 정확한 제어가 가능하다.^[1] 별도의 역률조정소자의 고장검출장치를 통해 자동역률제어장치와 동기화하여 콘덴서 고장을 검출할 수 있다.^[2]

자동역률제어기와 일체형으로 설치하여 일체형 저압반을 제공하며, 링 카운터 방식을 통해 전자접촉기(MC)의 접점 마모 현상을 줄여 수명을 연장시킨다.^[3] 링 카운터는 논리회로에서 데이터가 회전하는 형태의 시프트 레지스터를 말하며, 순차적으로 변경되는 방식을 사용한다.

무효전력 컨트롤러를 이용하여 스위칭 시간을 줄이고, 마그네트 소음을 줄일 수 있다.^[4] SCR 소자 불량 체크를 통해 신뢰성 있는 제어가 가능하며, 콘덴서 뱅크 투입 및 SCR 동작 유무를 실시간 감시할 수 있다. 온도 감지 부분은 SCR 온도를 감지하여 마이크로프로세서에 전달하고, SCR 개폐를 통해 콘덴서 뱅크 투입이 이루어진다.

현재 역률을 정확히 계측 및 연산하여 목표 역률을 유지하고, 역률 개선 효과로 고조파를 감소시켜 기기 수명을 연장할 수 있다.^[5] 전원 관련 데이터는 필요에 따라 외부로 전송된다.

하나의 부하로 복수의 부하에 대해 일괄적으로 역률 제어가 가능하다.^[6] 최적의 역률조정소자만으로 일괄적인 역률 제어를 하여 비용을 절감하고 공간 이용 효율을 높인다. 역률조정소자 이용 기록을 파악하여 수명이 다한 콘덴서를 교체하고, 고장난 역률조정소자를 파악하여 추가할 수 있도록 한다.

영미권 전력 공학 전공 학생들은 역률을 쉽게 이해하기 위해 "ELI the ICE man" 또는 "ELI on ICE"와 같은 기억술을 사용한다. 이는 전압(E)이 인덕터(L)에서 전류(I)보다 앞서고, 전류(I)가 커패시터(C)에서 전압(E)보다 앞선다는 것을 의미한다. 또 다른 기억술은 "CIVIL"로, 커패시터(C)에서 전류(I)는 전압(V)보다 앞서고, 전압(V)은 인덕터(L)에서 전류(I)보다 앞선다는 것을 나타낸다.

참조

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