전력 인자란?
전기 공학에서 교류 전력 시스템의 전력 인자(PF)는 부하가 흡수하는 작업 전력(킬로와트, kW로 측정)과 회로를 통해 흐르는 표시 전력(킬로볼트 암페어, kVA로 측정)의 비율로 정의됩니다. 전력 인자는 -1부터 1까지의 닫힌 구간 내의 무차원 수입니다.
“이상적인” 전력 인자는 1(또는 “단위”라고도 함)입니다. 이는 회로를 통한 반응 전력이 없으며, 따라서 표시 전력(kVA)은 실질 전력(kW)과 같습니다. 전력 인자가 1인 부하는 공급에 가장 효율적인 부하입니다.
그러나 이것은 현실적이지 않으며, 실제로는 전력 인자가 1보다 작을 것입니다. 다양한 전력 인자 개선 기법들이 이러한 이상적인 상태로 전력 인자를 증가시키는 데 사용됩니다.
이를 더 잘 설명하기 위해, 전력이 무엇인지에 대해 다시 돌아보겠습니다.
전력은 일할 수 있는 능력입니다. 전기 영역에서는 전기 전력은 단위 시간당 전기 에너지를 다른 형태(열, 빛 등)로 전환할 수 있는 양입니다.
수학적으로 전력 인자는 해당 요소를 통과하는 전압 강하와 전류의 곱으로 정의됩니다.
우선 직류 회로를 고려해 보겠습니다. 직류 전압 소스만 있는 경우, 인덕터와 캐패시터는 각각 안정 상태에서 단락 및 오픈 회로로 작동합니다.
따라서 전체 회로는 저항 회로처럼 작동하며, 모든 전기 전력은 열 형태로 소모됩니다. 여기서 전압과 전류는 같은 위상이며, 총 전기 전력은 다음과 같이 주어집니다:
이제 교류 회로로 넘어가면, 여기서 인덕터와 캐패시터는 다음과 같은 임피던스를 제공합니다:
인덕터는 자기 에너지 형태로 전기 에너지를 저장하고, 캐패시터는 정전기 에너지 형태로 전기 에너지를 저장합니다. 그들은 이를 소모하지 않습니다. 또한, 전압과 전류 사이에는 위상 차이가 있습니다.
따라서 저항, 인덕터, 캐패시터로 구성된 전체 회로를 고려할 때, 소스 전압과 전류 사이에 어떤 위상 차이가 존재합니다.
이 위상 차이의 코사인은 전력 인자로 불립니다. 이 인자(-1 < cosφ < 1)는 총 전력 중 유용한 작업을 수행하는 데 사용되는 부분을 나타냅니다.
다른 부분의 전기 전력은 인덕터와 캐패시터에서 각각 자기 에너지 또는 정전기 에너지 형태로 저장됩니다.
이 경우의 총 전력은 다음과 같습니다:
이것은 표시 전력이라고 하며, 그 단위는 VA(볼트-암페어)이고 'S'로 표시됩니다. 총 전기 전력 중 유용한 작업을 수행하는 부분은 활성 전력이라고 하며, 'P'로 표시됩니다.
P = 활성 전력 = 총 전기 전력.cosφ, 그 단위는 와트입니다.
다른 부분의 전력은 반응 전력이라고 합니다. 반응 전력은 유용한 작업을 수행하지 않지만, 활성 작업을 수행하기 위해 필요합니다. 'Q'로 표시되며, 수학적으로는 다음과 같습니다:
Q = 반응 전력 = 총 전기 전력.sinφ, 그 단위는 VAR(볼트-암페어 반응). 이 반응 전력은 소스와 부하 사이에서 진동합니다. 이를 더 잘 이해하기 위해, 모든 이러한 전력은 삼각형 형태로 표현됩니다.
수학적으로, S2 = P2 + Q2, 그리고 전력 인자는 활성 전력 / 표시 전력입니다.
전력 인자라는 용어는 교류 회로에서만 등장합니다. 수학적으로는 소스 전압과 전류 간의 위상 차이의 코사인으로 정의됩니다. 이는 총 전력(표시 전력) 중 유용한 작업을 수행하는 데 사용되는 부분, 즉 활성 전력을 말합니다.
전력 인자 개선의 필요성
실질 전력은 P = VIcosφ로 주어집니다. 특정 전압에서 주어진 양의 전력을 전송하기 위해서 전류는 cosφ와 역비례합니다. 따라서 전력 인자가 높을수록 흐르는 전류가 적어집니다. 작은 전류 흐름은 도체의 횡단면적을 줄여 도체와 비용을 절약합니다.
위의 관계에서 볼 수 있듯이, 전력 인자가 낮으면 도체를 통과하는 전류가 증가하여 구리 손실이 증가합니다. 대안기, 전기 변압기, 송전 및 배전 선로에서 큰 전압 강하가 발생하여 매우 나쁜 전압 조정률을 가져옵니다.
더 높은 전력 인자를 가짐으로써 기계의 KVA 등급도 다음과 같은 공식에 따라 감소합니다:
따라서, 기계의 크기와 비용도 감소합니다.
이것이 전력 인자를 1에 가깝게 유지해야 하는 이유입니다 – 상당히 저렴하기 때문입니다.
전력 인자를 개선하는 세 가지 주요 방법이 있습니다:
캐패시터 뱅크
동기 콘덴서
위상 전진기
전력 인자를 개선하는 것은 전압과 전류 간의 위상 차이를 줄이는 것을 의미합니다. 대부분의 부하가 유도 성격이므로, 그들이 작동하기 위해서는 일부 반응 전력이 필요합니다.
부하와 병렬로 설치된 캐패시터 또는 캐패시터 뱅크는 이러한 반응 전력을 제공합니다. 그들은 로컬 반응 전력의 원천으로 작용하여, 덜 많은 반응 전력이 회로를 통해 흐릅니다.
캐패시터 뱅크는 전압과 전류 간의 위상 차이를 줄입니다.
동기 콘덴서는 축에 부하가 연결되지 않은 3상 동기 모터입니다.
동기 모터는 여유, 지연, 또는 단일 전력 인자로 작동할 수 있는 특성을 가지고 있습니다
