역률(무효전력, 유효전력) 10분만에 이해하기
- 전기안전관리실무
- 2024. 9. 23. 20:31
전기자격증을 공부하거나 전기를 업으로 한다면 절대로 모를 수가 없는 게 역률입니다. 하지만 역률에 대해 정의를 내리고 쉽게 설명을 하는 건 결코 쉽지가 않습니다. 실제로 현장에 근무하면서 역률이 뭐냐고 물어본다면 그것에 대해 정의를 내릴 수 있는 사람은 생각보다 많지 않습니다.
왜냐하면 그 내용이 제법 방대하고 어디서부터 설명을 시작해서 어떻게 끝맺어야 하는지 애매할 정도로 전기에서는 역률이 가지고 있는 개념이 매우 넓기 때문입니다.
역률이 나빠지면 단순히 콘덴서를 가동한다고 생각해선 안됩니다. 지상역률이 나빠져도 문제가 되지만 진상역률이 나빠져도 문제가 되기 때문입니다. 우선은 역률의 기본적인 원리를 이해해보시고 스스로 설명해 보는 시간을 가져보신다면 아는 만큼 보이게 될 것입니다.
목차
- 힘의비율을 뜻하는 역률
- 유도성부하의 유효전력 무효전력 이해하기
- 용량성부하의 유효전력 무효전력 이해하기
- 역률은 왜 COSθ 일까
- 지상역률과 진상역률의 이해
힘의 비율을 뜻하는 역률
역률의 역자는 힘력(力)자 입니다. 따라서 역률이란 힘을 어떤 비율로 사용하고 있는가를 나나태는 수치라고 볼 수 있겠습니다. 영어로는 power factor이며, 마찬가지로 같은 뜻으로 해석됩니다. 그런데 역률은 직류가 아닌 교류에서 만 필요한 수치입니다. 왜 그럴까요?
그 이유는 직류에서는 위상차가 없고 교류에서는 위상차가 발생하기 때문입니다. 직류는 시간에 따라 전압과 전류의 값이 변화하질 않습니다. 반면에 교류는 시간에 따라 전압전류의 값이 계속 변하기에 어떤 부하는 전류가 앞서서 흐르고(용량성부하) 어떤 부하는 전압이 앞서서(유도성부하) 흐르게 됩니다.
물론 교류에서 저항성부하는 시간에따라 변화를 하지만 전압과 전류의 위상차가 거의 없게 됩니다. 최근에는 LED전등을 많이 사용하니 전등부하의 역률이 더더욱 의미가 없어졌다고 볼 수 있습니다.
따라서 직류와 저항성부하의 설명을 생략하고 역률의 핵심인 유도성부하와 용량성부하에 대해 설명을 해보겠습니다.
유도성부하의 유효전력 무효전력 이해하기
아래의 사진은 유도성부하의 특징과 3상유도전동기를 간단하게 그려놓은 그림입니다. 먼저 그림의 3상 유도전동기는 3개의 철심에 코일을 감고 3 상전류를 흘려보내면 코일에 자기장이 형성되고 철심은 전자석이 됩니다. 그다음 위상차로 인해 회전자계가 생기면서 가운데에 있는 자석이 회전자계에 따라 회전하는 원리입니다.
(유도전동기의 원리가 궁금하신 분은 아래글을 참고하시길 바랍니다.)
여기서 코일을 사용하는 부하는 유도성부하로서 코일자체에서 전압이 빨라지고 전류가 뒤지는 현상이 나타납니다. 그 이유는 코일에 자기장이 형성되는데 전류가 방해를 받기 때문입니다. 이 과정 속에서 전류가 뒤처지게 되고 전압과 위상차가 생기며 무효전력이라는 게 발생합니다.
이제 유도성부하가 무엇인지 대충은 알았으니 코일을 사용하는 부하에서 무효전력이 어떻게 발생하는지 수도꼭지와 물호스를 빗대어 설명해 보겠습니다.
아래그림은 수도꼭지와 물호스가 있습니다. 수도꼭지에 연결을 하고 물을 틀면 물이 바로 나올까요? 그렇지 않습니다. 호스에 물이 채워지느라 약간의 시간이 좀 걸립니다. 물호스는 물을 쓰기 위해 바로 준비를 하고 있어도 물이 채워지는 시간은 반드시 존재합니다.
여기서 호스를 전압이라고 생각해 보고 물을 전류라고 생각해 보겠습니다. 전압은 이미 앞에 가있지만 전류는 전압보다 뒤처져 있는 상황입니다.
마치 물호스가 코일 같고 물은 코일에 흐르는 전류와 흡사합니다. 이것이 바로 코일을 사용하는 유도성부하의 특징입니다. 전압은 바로 인가되지만 전류는 서서히 증가합니다. 모터내부의 코일(인덕터)이 전류의 흐름에 저항하기 때문입니다. 그로 인해 교류모터는 자기장을 형성하는데 시간이 걸리게 됩니다.
만약 물호스에 물이 가득 차 있는 상태에서 물을 틀면 물이야 바로 나오겠지만 , 그것은 물과 호스이고 전기에서 사용되는 코일은 전원을 끄면 그 즉시 물호스가 비워지는 것과 같다고 보시면 됩니다.
(코일에서 전류가 발생하는 원리가 궁금하신 분은 아래 글을 참고해 주세요.)
이렇게 뒤처진 전류와 앞서있는 전압 그 사이에서 무효전력이라는 것이 발생합니다. 만약 호스 길이가 500m 라면 어떻게 될까요? 물을 쓰기 위해 물을 틀어도 실제로 사용하려면 아주 오랜 시간이 걸립니다.
호스에 물이 채워지는 동안 물을 사용하지 않은 건 아닙니다. 500m 호스에 300m만큼 물을 채우면 물은 한방울도 쓰지 못해도 300m 만큼 호스에 채워진 물값은 내가 부담해야 됩니다. 호스에 물이 채워지고 있으니 실제로 사용하기 위해선 빈 호스에 채워지는 물 값까지 내가 부담해야 되는 건 당연한 겁니다.
여기서 두 가지를 알 수 있습니다. 첫째 무효전력이 높아지면 전기를 사용하긴 하는데 실제로 사용한 전기는 없는 상태가 되고 전기요금만 더 많이 낸다는 것입니다.
둘쨰로 무효전력은 절대로 필요 없는 전력, "무효"가 아니라는 것입니다. 호스에 물이채워지는 그 과정이 있어야만 물을 사용할 수 있음을 알기에 무효전력은 필연적으로 있어야만 합니다. 단지 500m 호스처럼 너무 과하면 안 된다는 것입니다.
이렇게 유도성 부하에서 나타나는 유효전력과 무효전력의 비율을 지상역률이라고 합니다. 지상역률이 나빠진다는 뜻은 전압이 너무 앞서게 되었다는 것이고 전류를 제대로 사용하지 못해 에너지 손실을 불러오게 됩니다.
용량성부하의 유효전력 무효전력 이해하기
아래의 사진은 수변전설비 저압라인에 설치된 진상용 콘덴서입니다. (콘덴서에 관한 내용은 향후 업로드 후 링크삽입예정) 책에서 나오는 양극판의 콘덴서모양이 아닌 3 상교류 전원을 받아 작동하는 콘덴서의 사진을 가지고 왔습니다. 마치 배터리의 모양과 비슷합니다.
콘덴서는 빠르게 에너지를 저장하고 방출할 수 있습니다. 에너지를 저장하는 측면이 배터리와 비슷해 보이지만 배터리는 충전이 느리며 에너지를 오랜 시간 저장하고 천천히 방출하는데 반해 콘덴서는 에너지를 빠르게 충전하고 빠르게 방출합니다.
에너지를 빠르게 충전하고 빠르게 방출하는 게 마치 물탱크와 비슷해 보입니다. 회로에 병렬로 연결되어 전동기와 같은 유도성부하가 사용될 때 빠르기 충전을 하고 전류를 방출하여 유도성부하의 뒤처진 전류를 보상해 주는 역할을 하게 됩니다.
물탱크에 바로 수도꼭지를 연결하고 사용하면 물이 바로 나오게 됩니다. 유도성부하와 반대로 해석될 수가 있는데 용량성부하는 미리 저장하고 있는 물을 즉시 사용할 수 있는 물탱크개념으로 생각해 보면 됩니다.
실제로 물을 바로 사용해도 수위계가 사용한 물을 감지하여 다시 물을 충전해 주는 게 충전과 방전을 거듭하는 콘덴서와 매우 흡사한 모습입니다. 앞서 유도성 부하는 물이 나오는 시간에 무효전력이 발생하지만 용량성부하는 사용하는 물과 물을 다시 채우는 과정에서 무효전력이 발생합니다. 즉 콘덴서는 에너지 저장과 방출을 하는 과정 속에서 무효전력이 발생하게 됩니다.
이렇게 용량성 부하에서 나타나는 유효전력과 무효전력의 비율을 전류가 앞섰다는 의미로 진상역률이라고 합니다. 진상역률이 나빠졌다는 뜻은 콘덴서를 과하게 작동시켜 전류가 너무 앞서게 되었다 뜻이 됩니다.
무효전력은 정말로 "무효"전력인가
무효전력이란 단어만 봤을 때는 없어져야 할 전력으로 해석될지도 모릅니다. 하지만 교류를 사용해야만 하는 입장에서 무효전력은 절대로 없어져야할 전력은 아니라는 것을 알아야 합니다. 개인적으론 꼭 필요한 필요전력이라는 표현을 사용하고 싶습니다.
교류모터가 회전하기 위해선 자기장이 필요하고 콘덴서가 작동하기 위해선 충전이 필요합니다. 이 과정에서 전압과 전류 간의 위상차가 생기고 무효전력이 발생합니다.
그래서 교류부하에서 무효전력은 필수입니다. 물호스에서 물이 나오려면 먼저호스에 물이 흐르는 과정이 필요하고 물탱크에서 물을 쓸려면 탱크에 물이채워지는 과정도 필요합니다.
이 처럼 무효전력은 교류부하에서 반드시 발생할 수밖에 없는 에너지이고 에너지라는 것은 절대로 공짜로 얻어지는 법이 없다는 걸 작게나마 알 수 있습니다.
역률을 개선시켜 역률이 100%가 되었다고 해서 무효전력이 없어진다는 개념은 아닙니다. 단지 부하를 사용하는데 매우 효율적으로 사용하고 있는 정도를 나타내는 것이지 모터가 작동하고 콘덴서가 작동하는 한 그 내부에서 무효전력은 계속 만들어질 수밖에 없는 에너지입니다.
역률은 왜 COSθ 일까
이제 삼각함수를 통해 역률을 이해해 보겠습니다. 전기기사 자격증을 공부하게 되면 자주 출제되는 분야이기 때문에 전기를 공부하신다면 절대 모를 수가 없는 역률의 삼각함수입니다.
유효전력과 무효전력의 백터적인 합을 피상전력이라고 합니다. 피상전력이 있어야 전체 사용 중인 전력에서 유효전력의 비율이 얼마인지 알 수 있습니다.
왜냐하면 피상전력과 유효전력의 비율을 계산해야 역률이라는 힘의 비율을 알수 있습니다. 역률을 알면 무효전력의 비율도 자동으로 알수 있게 됩니다.
그런데 역률은 보통 COSθ=0.6처럼 값을 표시합니다. 여기서 θ 는 각도를 의미하는데 COS θ=0.6이라면 θ의 값은 53.1도가 나오게 됩니다. 그렇다면 왜 COS53.1도라고 표시하지 않고 역률은 COSθ=0.6으로 표시할까요?
당연한 얘기지만각도인 위상차로 표시를 하는 것보다 코사인 θ 값으로 표시하는 게 훨씬 직관적이기 때문입니다. COSθ=0.6 은 역률이 현재 60% 구나하고 알기 쉽지만 COS53.1 로 표시하면 역률이 직관적으로 표시되질 못하기 때문입니다.
지상역률과 진상역률의 이해
역률이 무조건 100%라고 좋은 것은 아닙니다. 그 이유는 역률도 요금을 부과하는 시간대가 따로 있기 때문입니다. 사람이 깨어있는 일과시간에는 모터부하를 많이 사용합니다. 그렇다면 당연히 일과시간에는 지상역률이 나빠질 수밖에 없습니다.
따라서 한전에서는 오전 9시부터 저녁 11시까지 모터부하에 대한 지상역률을 얼마나 잘 관리하느냐를 중점적으로 본다는 말이 됩니다. 아래사진을 보면 콘덴서를 과하게 작동하여 오후 3시부터 11시까지 지상역률은 전혀 발생하지 않고 진상역률만 과하게 위로 솟아 나빠져있습니다.
하지만 괜찮습니다. 진상역률이 암만 나빠져도 아침 9시부터 저녁 11시까지는 진상역률에 대한 요금을 부과하지 않기 때문입니다. 아래로 떨어질뻔한 지상역률을 끌어올려 지상역률을 100% 만들어 줬으니 평균역률이 잘 나올 것입니다.
물론 진상역률에 대한 요금부과를 안 할 뿐이지 아래 그래프는 콘덴서 과보상 상태가 됩니다. 콘덴서과보상이 되면 전압상승과 부하손상이라는 부작용도 불러오니 역률은 요금적용시간대에 맞게 적절히 조절하는 자동역률조정기나 타이머를 설정하는 조치를 해야 합니다.
반대로 저녁 11시부터 아침 9시까지는 진상역률에 대한 요금을 부과합니다. 콘덴서가 저녁 11시에 꺼지지 않고 아침까지 계속 가동된다면 어떻게 될까요? 저녁 11시부턴 모터부하를 사용하는 빈도가 크게 줄어들게 되는데 이 때는 진상역률을 어떻게 관리하느냐 보게 됩니다. 만약 이때에도 콘덴서를 계속 가동하면 진상역률은 40% 대가 되어 그걸 요금적용시켜 페널티요금을 부과할 것입니다.
그래서 저녁 11시부터 아침 9시까진 진상역률을 얼마나 잘 관리하느냐에 요금을 적용시킵니다. 사실 전기안전관리자는 밤샘근무를 하시는 분들도 계시지만 일과시간에 근무무조건 역률이 90% 이상 나온다고 역률이 좋다고 생각하기보다. 일과시간에 역률은 얼마인지 잘 보고 새벽에 콘덴서과보상이 일어나지 않도록 주의해야 할 것입니다.
글을 마치며,
역률이 낮아지면 역률요금이라는 게 나와서 난처할 때가 있습니다. 전기안전관리자라면 역률을 잘 관리하여 담당하고 있는 수용가에 페널티요금이 부과되지 않게끔 하고 지상역률이든 진상역률이든 나빠지면 설비에 안 좋은 영향을 끼치니 반드시 숙지하시어 업무에 적용시키길 바라겠습니다.
이상으로 짧은 글을 마치겠습니다.