전기 시스템의 설계 및 구현에서 안전과 신뢰성 외에도 효율성을 포함한 여러 다른 목표를 추구해야합니다. 전기 시스템의 효율성 측정 중 하나는 시스템이받는 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 효율성입니다. 이 효율성은 역률로 알려진 전기 시스템의 구성 요소로 표시됩니다. 역률은 부하에 의해 유용한 작업을 수행하는 데 실제로 사용되는 전력의 양과 " 소비 되는" 전력의 양을 나타냅니다. 이름처럼 사소한 것은 높은 전기 요금과 정전의 주요 요인 중 하나입니다.
역률과 그 실제적 중요성을 적절하게 설명 할 수 있으려면 존재하는 다양한 유형의 전기 부하 및 전력 구성 요소에 대한 기억을 새로 고치는 것이 중요합니다.
기본 전기 등급에서 전기 부하는 일반적으로 두 가지 유형입니다.
- 저항 부하
- 반응 부하
1. 저항 부하
이름에서 알 수 있듯이 저항성 부하는 순전히 저항성 요소로 구성 됩니다. 이러한 종류의 부하 (이상적인 조건을 고려할 때)의 경우 전류가 전압과 위상 이 같기 때문에 여기에 공급되는 모든 전력이 작업을 위해 소멸됩니다. 저항 부하의 좋은 예는 백열 전구와 배터리를 포함합니다.
저항성 부하와 관련된 전력 구성 요소를 실제 전력 이라고합니다 . 이 실제 능력은 때때로 작동 능력, 진정한 능력 또는 실제 능력이라고도합니다. AC 전원을 처음 사용하고 이러한 모든 파형과 혼동을 느끼는 경우 AC 전원의 작동 방식을 이해하기 위해 AC의 기본 사항에 대해 읽어 보는 것이 좋습니다.
2. 반응성 부하
반면에 반응성 부하는 조금 더 복잡합니다. 전압 강하를 유발하고 소스에서 전류를 끌어 오지만 전원에서 끌어 오는 전력이 작동 하지 않기 때문에 유용한 전력을 낭비하지 않습니다. 이것은 반응성 부하의 특성 때문입니다.
반응성 부하는 용량 성 또는 유도 성일 수 있습니다. 유도 부하에서 인출 된 전력은 직접적인 작업없이 자속을 설정하는 데 사용되는 반면 용량 성 부하의 경우 전력은 직접 작업을 생성하지 않고 커패시터를 충전하는 데 사용됩니다. 따라서 무효 부하에서 소멸되는 전력을 무효 전력 이라고합니다. 반응성 부하는 전압 뒤의 전류 선도 (용량 성 부하) 또는 지연 (유도 성 부하)을 특징 으로합니다. 따라서 일반적으로 전류와 전압 사이에 위상차가 존재합니다.
위의 두 그래프는 역률이 각각 지연되고 선행 되는 유도 성 및 용량 성 부하를 나타냅니다. 이 두 가지 유형의 부하 의 변화로 인해 전기 시스템에 세 가지 전력 구성 요소가 존재하게됩니다.
- 실제 전력
- 반응성
- 겉보기 힘
1. 실제 전력
이것은 저항성 부하와 관련된 전력입니다. 전기 시스템에서 실제 작업을 수행하기 위해 소비되는 전력 구성 요소입니다. 가열에서 조명에 이르기까지 와트 (W) (승수, 킬로, 메가 등과 함께)로 표시되며 문자 P로 상징적으로 표시됩니다.
2. 무효 전력이것은 무효 부하와 관련된 전력입니다. 무효 부하에서 전압과 전류 사이의 지연으로 인해 무효로 끌어온 에너지 (용량 성 또는 유도 성)는 작업을 생성하지 않습니다. 무효 전력이라고하며 단위는 VAR (Volt-Ampere Reactive) 입니다.
3. 피상 전력일반적인 전기 시스템은 저항 및 유도 부하로 구성되며, 저항 부하 용 전구 및 히터, 유도 부하로 모터, 압축기 등이있는 장비를 고려합니다. 따라서 전기 시스템에서 총 전력은 실제 및 무효 전력 구성 요소의 조합이며이 총 전력은 피상 전력이라고도합니다.
피상 전력은 실제 전력과 무효 전력의 합으로 제공됩니다. 단위는 볼트-암페어 (VA) 이며 수학적으로 방정식으로 표현됩니다.
피상 전력 = 실제 전력 + 무효 전력
이상적인 상황에서 전기 시스템에서 소비되는 실제 전력은 일반적으로 무효 전력보다 큽니다. 아래 이미지는 세 가지 전원 구성 요소를 사용하여 그린 벡터 다이어그램을 보여줍니다.
이 벡터 다이어그램은 아래와 같이 전력 삼각형으로 변환 될 수 있습니다.
역률은 위에 표시된 각도 세타 (ϴ)를 구하여 계산할 수 있습니다. 여기서 세타는 실력과 피 상력 사이의 각도입니다. 그런 다음 코사인 규칙 (빗변에 인접한)에 따라 역률을 실제 전력 대 피상 전력의 비율로 추정 할 수 있습니다. 역률을 계산 하는 공식 은 다음과 같습니다.
PF = 실제 전력 / 피상 전력 또는 PF = Cosϴ
이것을 피상 전력을 결정하는 방정식과 나란히 놓으면 무효 전력 (많은 수의 무효 부하가 있음)이 증가하면 피상 전력이 증가하고 각도 ϴ에 대한 값이 더 커진다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 궁극적으로 코사인 (cos ϴ)이 얻어지면 역률이 낮아집니다. 반대로 무효 부하 (무효 전력)가 감소하면 역률이 증가하여 무효 부하가 적은 시스템에서 높은 효율성을 나타내며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 역률의 값은 항상 0과 1 사이에 있으며, 1에 가까울수록 시스템의 효율성이 높아집니다. 인도에서 이상적인 역률 값은 0.8로 간주됩니다. 역률 값에는 단위가 없습니다.
역률의 중요성
역률의 값이 낮 으면 큰 덩어리가 의미있는 작업에 사용되지 않기 때문에 주전원의 에너지가 낭비되고 있음을 의미합니다. 여기의 부하는 실제 전력에 비해 더 많은 무효 전력을 소비하기 때문입니다. 이는 부하에 필요한 실제 전력과 무효 부하를 충족하는 데 사용되는 무효 전력이 시스템에서 인출되기 때문에 분배 시스템에 과부하를 일으키는 공급 시스템에 부담을 줍니다.
이러한 부담과“낭비”는 일반적으로 유틸리티 회사가 피상 전력으로 소비를 계산하기 때문에 소비자 (특히 산업 소비자)에게 막대한 전기 요금을 부과합니다. 따라서 결국에는“의미있는”작업을 달성하는 데 사용되지 않은 전력에 대한 비용을 지불하게됩니다.. 일부 회사는 시스템에 과부하를 일으키기 때문에 더 많은 무효 전력을 사용하면 소비자에게 벌금을 부과합니다. 이 벌금은 산업에서 사용되는 부하를 일으키는 낮은 역률을 줄이기 위해 부과됩니다.
회사의 발전기에서 전력을 제공하는 상황에서도 많은 수의 전력이 낭비 될 때 전력을 공급하는 데 필요한 더 큰 발전기, 더 큰 케이블 등에 돈이 낭비됩니다. 이를 더 잘 이해하려면 아래 예를 고려하십시오.
70kW 부하를 작동하는 공장은 발전기 / 변압기 및 70kVA 정격 케이블을 통해 성공적으로 전력을 공급받을 수 있습니다. 공장이 역률 1로 작동 중이면 역률이 0.6으로 떨어지면 동일한 부하로도 70KW, 116.67kVA (70 / 0.6) 정격의 더 큰 발전기 또는 변압기가 필요합니다. 발전기 / 변압기가 무효 부하에 대한 추가 전력을 공급해야하기 때문입니다. 이러한 전력 요구 사항의 급격한 증가 외에도 사용되는 케이블의 크기도 증가해야하므로 장비 비용이 크게 증가하고 도체를 따라 발생하는 저항으로 인해 전력 손실이 증가합니다. 이에 대한 처벌은 일부 국가에서 높은 전기 요금을 넘어서는 것입니다. 역률이 좋지 않은 회사는 일반적으로 수정을 장려하기 위해 막대한 벌금을 부과하기 때문입니다.
역률 개선
지금까지 말한대로, 특히 대규모 산업의 경우 막대한 전기 요금을 계속 지불하는 것보다 열악한 역률을 수정하는 것이 더 경제적이라는 데 동의 할 것입니다. 또한 역률을 수정하고 낮게 유지하면 대규모 산업 및 제조 공장에서 전기 요금의 40 % 이상을 절약 할 수있는 것으로 추정됩니다.
소비자를위한 비용 절감 외에도 전력망의 전반적인 신뢰성과 효율성에 기여하는 효율적인 시스템을 운영하는 것은 전력 회사가 전력망 손실과 유지 보수 비용을 줄이는 동시에 변압기 및 변압기의 양을 줄일 수 있기 때문입니다. 운영에 필요한 유사한 지원 인프라.
부하에 대한 역률 계산
역률을 수정하는 첫 번째 단계는 부하의 역률을 결정하는 것입니다. 이것은 다음에 의해 수행 될 수 있습니다.
1. 부하의 리액턴스 세부 정보를 사용하여 무효 전력 계산
2. 부하에 의해 손실되는 실제 전력을 확인하고이를 피상 전력과 결합하여 역률을 얻습니다.
3. 역률 측정기 사용.
역률 측정기는 부하의 리액턴스 세부 사항과 손실 된 실제 전력을 결정하는 것이 어려운 경로가 될 수있는 대규모 시스템 설정에서 역률을 쉽게 얻는 데 도움이되므로 주로 사용됩니다.
알려진 역률을 사용하여 가능한 한 1에 가깝게 조정하여 수정을 진행할 수 있습니다.n 전력 공급 회사에서 권장하는 역률은 일반적으로 0.8에서 1 사이이며 거의 순전히 실행하는 경우에만 달성 할 수 있습니다. 시스템의 저항성 부하 또는 유도 성 리액턴스 (부하)는 둘 다 서로를 상쇄하므로 커패시턴스 리액턴스와 같습니다.
유도 부하의 사용이 특히 산업 환경 (무거운 모터 사용 등)에서 낮은 역률의 일반적인 원인이기 때문에 역률을 수정하는 가장 간단한 방법 중 하나는 역률을 제거하는 것입니다. 시스템에 용량 성 리액턴스를 도입하는 보정 커패시터를 사용하여 유도 성 리액턴스.
역률 보정 커패시터는 무효 전류 생성기 역할을하여 유도 성 부하에 의해 "낭비되는"전력을 상쇄 / 상쇄합니다. 그러나 가변 속도 드라이브와 같은 장비와의 원활한 작동 및 비용과의 효과적인 균형을 보장하려면 이러한 커패시터를 설정에 삽입 할 때 신중한 설계 고려가 필요합니다. 시설 및 부하 분배에 따라 설계는 유도 성 부하 지점에 설치된 고정 값 커패시터 또는 일반적으로 대규모 시스템에서 더 비용 효율적인 중앙 집중식 보정을 위해 분배 패널의 버스 바에 설치된 자동 보정 커패시터 뱅크로 구성 될 수 있습니다.
설정에서 역률 보정 커패시터를 사용하면 단점이 있습니다. 특히 올바른 커패시터를 사용하지 않거나 시스템이 제대로 설계되지 않은 경우 더욱 그렇습니다. 커패시터를 사용하면 전원을 켰을 때 잠깐 동안 "과전압"이 발생할 수 있으며, 이는 가변 속도 드라이브와 같은 장비의 적절한 기능에 영향을 주어 간헐적으로 꺼 지거나 일부 커패시터의 퓨즈를 끊어지게 할 수 있습니다. 그러나 속도 드라이브의 경우 스위칭 제어 시퀀스를 조정하거나 퓨즈의 경우 고조파 전류를 제거하여 해결할 수 있습니다.
Unity 역률 및 실용적이지 않은 이유
역률의 값이 1이면 역률은 단일 역률이라고합니다. 최적의 역률 1을 얻으려는 유혹이있을 수 있지만 실제로 이상적인 시스템이 없다는 사실로 인해 달성하기가 거의 불가능합니다. 어떤 의미에서 부하는 순전히 저항성, 용량 성 또는 유도 성이 아닙니다. 이러한 일반적인 실현 가능한 역률 범위는 일반적으로 최대 0.9 / 0.95이므로 모든 부하는 다른 요소의 일부로 구성됩니다. 우리는 이미 ESR 및 ESL with Capacitors 기사에서 RLC 요소의 이러한 기생 특성에 대해 배웠습니다.
역률은 에너지를 얼마나 잘 사용하고 있고 전기 요금으로 지불하는 금액 (특히 산업)을 결정하는 요소입니다. 확장하면 운영 비용의 주요 원인이며 관심을 기울이지 않은 수익 마진 감소의 원인이 될 수 있습니다. 전기 시스템의 역률을 개선하면 전기 요금을 줄이고 성능을 극대화 할 수 있습니다.