초보가 설명하는 역률

공지 : 이 글은 e-book "왕초보지침서 - 전기쟁이"의 내용입니다.

e-book을 판매중지하고 블로그에 그 내용을 순차적으로 공개할 예정입니다.

 

 

현장에서 역률에 대한 질문을 많이 받을 것이다.

허나, 필자가 경험한 바로는 역률에 대해 명쾌히 설명하고

이해하고 있는 전기기사들을 쉽게 보기 어려운 것이 사실이다.


비유를 통해 역률에 대해 알아보자.


결과부터 말하면 역률은 전압과 전류의 위상차 때문에 발생한다.


우리가 사용하는 전기기기나 전자기기는

크게 R 저항부하, C 용량성부하(컨덕턴스), L 유도성부하(인덕턴스) 세가지로 구성 되있다.


이제 위상이라는 것을 말할텐데 이해전에 개조식으로 쭈욱 읽어보시길 권한다.



우선 R은 전압과 전류가 "동상"이다 즉, 위상차가 같다.

100% 저항부하이면 역률은 100%(상일치) 이다.


다음,

부하가 100% C (용량성부하)라면 전류가 전압보다 위상이 90도 앞선다

100% C부하라면 역률은 - 50% 이다. (진상)


다음,

부하가 100% L(유도성부하)라면 전류가 전압보다 위상이 90도 뒤진다

100% L부하라면 역률은 + 50% 이다. (지상)


그러면 우리가 쓰는 부하중 어떤 부하가 가장 클까?

정답은 L이다.



80%가 L이라하여도 과언이 아니다.

L은 무엇일까?

L은 구리선을 스프링처럼 꼬아놓은 것으로

일반 전선도

그냥 써도 그안에 L 성분이 다 있는 것이다.


즉 100% R부하도 R+L 이지,

그냥 R은 실제적으로 존재하기 어려우며

C도 전선이 연결되면 C+L로 해석해야지,

100% C는 존재하기 어렵다.


그래서 가장 큰 부하가 L 이며

전류는 전압보다 항상 뒤진 역률(지상역률)을 보이게 되는 것이다.


그럼 또하나 집어보자.

C는 왜 전류가 90도 앞서며,

L은 왜 전류가 90도 뒤질까?



이재언 기술사님 께서 강의시

C에 대해 둥그런 쇠공에 비유해주셔서 그걸 인용해 설명해 보겠다.


100KG 의 쇠공이 있다.

이것을 민다고 하면 최초 관성의 법칙에 의해

100KG의 힘은 가해야 움직임을 시작할 것이다.


그럼 " 0 의 힘 " 에서 점점 힘을 키워 " 100KG " 의 힘까지

밀고 그것을 그래프로 그려보면 아래와 같다.

최초 A~B 구간까지

내힘이 쇠공이 가지고 있는 관성 100KG에 미치지 못했기에

공은 움직이지 않을 것이다.


그후 B지점에 이르러 힘이 100KG이 되면

공은 움직이기 시작할 것이다.


그후 부터는 서서히 힘을 0 까지 줄여도 공은 관성에 의해 움직임이 조금씩 빨라질 것이다.


C지점에서 공은 최대 속도가 되고 이때부터

나는 공의 움직임 반대쪽에서 힘을 가할 것이다.

그러면 쇠공은 C 지점부터 서서히 속력이 줄어서

반대쪽 힘이 100KG 이 됬을때

움직임을 멈춤과 동시에 반대쪽으로 움직이기 시작할 것이다.


이것을 계속 반복한다면 위와 같은 그래프로 표시 할수 있을 것이다.


내 힘이 힘의 곡선처럼 가해진다 했을때,

공의 속도와 움직이는 방향도 위의 그래프 처럼 표시될 것이다.


이 쇠공의 역할이 전기에서는 C이며

C자체는 에너지를 소비하는 것이 아니라

받은 에너지를 속도(전류크기)와 방향(위상)으로 바꿔

다시 회로에 공급 해주는 역할을 하는 것이다.


그렇다면 L은 왜 90도 뒤질까?

L을 스프링에 비유하여 나만의 이해하는 것을 설명해 보겠다.

이런 스프링이 있다.

스프링을 A방향으로 힘을 가해 당긴다.

스프링 자신은 A방향으로 가해진 힘만큼

B방향으로 당겨질 준비를 할것이다.
(자체의 탄성계수<<늘어날수있는 능력>> 만큼)

그렇다면 탄성계수가 최대가 되는 점은 어디일까?
(가해진 반대방향으로 가장큰 힘을 내는 시기)

자체가 아무힘이 가해지지 않는 길이 그자체 일때,

짱짱하게 감겨 똬리를 틀고 있을때 일 것이다.

점점 A방향을 힘을 가하여 A쪽 최대힘을 당겼을때

스프링은 더이상 B방향으로 당겨지려는 탄성계수는 0이 될것이다.
(더이상 늘어날수있는 역량이 "0")

이때 다시 A 방향에서 서서히 힘을 줄이면

스프링이 오무라 들면서 점점 탄성계수는 늘지만

스프링의 반향은 B쪽으로 움직이며

아래 구간으로 탄성계수가 증가하고

A방향의 힘이 " 0 "에 도달했을 때

다시 최대의 탄성계수가 될것이며

그래프로 표시하면 위와 같이 될것이다.


전기회로에서 L도

스스로 전기를 소비하지는 않고

전압에 크기에 따라 전류를 저장했다가

크기와 위상으로 바꿔 배출할 뿐이지

소비하지는 않는다.


자 이제 위상차에 대한 이해가 됐으면


다시 본론인 역률로 돌아가자.


그림과 같은 전압과 전류가 위상차를 같는 파형이 있다고 가정하자.

이때 전력은 어떻게 되겠는가?

전력은 전압과 전류의 곱이다.


즉 B구간은 (+V) * (+I) = (+P)


D구간은 (-V) * (-I) = (+P)

의 + 전력값이 나올 것이다.


그러나

A구간은 (+V) * (-I) = (-P)

C구간은 (-V) * (+I) = (-P)

E구간은 (+V) * (-I) = (-P)

의 - 전력값이 나올것이다.


이 " -전력 "은 우리가 쓸수 없는 전력 즉

무효전력이고

전체한구간의 전력의 합이 "피상전력",

"+전력"의 합이 "유효전력"이라 하는 것이다.


이 "-전력"은

전압과 전류의 위상차가 작으면 작을 수록

작아지므로 이것이 역률관리의 핵심이다




이제 어떻게 하면 역률을 개선할수 있을까?


아래 복소평면을 보자.

전압을 표시한 부분이 위상이 0 인 부분이고

전류가 뒤지므로 아래로 세타만큼 뒤져서(Lag) 표시 했다.

그 COS세타 가 역률이 되는 것이다.


자 그렇다면 저 역률각을 어떻게 하면 줄일수 있을까?

C에 흐르는 충전전류 IC는

위상이 전압보다 90도 앞선다고 하였다.


그렇기 때문에 부하에 역률 개선용 콘덴서를

병렬로 추가설치하여 일정 크기(부하별로 다르겠다)의

충전전류 (*용량성 부하에 흐르는 전류를 충전전류라함)를

흘려주어 부하전류의 합성전류를 점선처럼 나타나게 함으로써

세타1의 새로운 역률각을 얻어 역률이 개선되는 것이다.

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