역률이 중요한 이유: 효율적인 전기 시스템의 핵심

역률은 일반적으로 세 가지 방식으로 정의됩니다.

• “교류 회로에서 전류와 전압 사이의 위상각 코사인을 역률이라 한다.”
• “교류 회로에서 저항과 총 임피던스의 비율을 역률이라 한다.”
• “유효 전력과 피상 전력의 비율을 역률이라 한다.”

유도성 부하에서는 전류가 전압보다 뒤처지므로 역률은 지상(lagging)입니다. 반면 용량성 부하에서는 전류가 전압보다 앞서므로 선상(leading) 역률이 됩니다.역률은 부하에 따라 교류 회로에서 중요한 역할을 합니다. 역률이 낮을수록 부하 전류는 커지고, 그 반대도 성립합니다. 지상 역률의 단점으로는 KVA 정격이 커지는 점이 있습니다. KVA는 역률에 반비례하기 때문입니다.

• 지상 역률에서는 송전선 도체 크기도 커져야 합니다. 낮은 역률에서 도체가 큰 전류를 흘리기 때문입니다.
• 또 다른 단점은 큰 구리 손실입니다. 낮은 역률에서 큰 전류가 흐르면 I²R 손실이 증가해 효율이 나빠집니다.
• 낮은 역률에서의 큰 전류는 발전기와 송전선에서 전압 강하를 키우고, 이로 인해 시스템의 부하 처리 용량이 감소할 수 있습니다.

낮은 역률의 원인

낮은 역률은 경제적 관점에서 바람직하지 않습니다.

1. 대부분의 교류 모터(단상 및 삼상)는 유도 전동기로, 매우 낮은 역률(0.2~0.3)에서 작동합니다.
2. 산업용 전기로, 아크 램프, 방전 램프 등도 낮은 역률로 동작합니다.

역률 개선

낮은 역률은 주로 유도성 부하 때문입니다. 이를 보상하려면 부하와 병렬로 커패시터를 연결해 역률을 안정화해야 합니다. 역률 개선에는 다음과 같은 장비가 사용됩니다.

• 정지형 커패시터

유도성 부하와 병렬로 커패시터를 연결하면 역률을 개선할 수 있습니다. 커패시터는 선상 전류를 끌어당겨 유도성 부하가 만드는 지상 역률을 상쇄합니다. 삼상 부하에서는 커패시터를 성형(Y) 또는 삼각형(Δ) 결선할 수 있습니다.

• 동기 조상기

동기 전동기는 과여자 시 선상 전류를 끌어 커패시터처럼 동작합니다. 무부하로 운전되는 과여자 동기 전동기를 동기 조상기라 합니다. 이를 전원과 병렬로 연결하면 선상 전류를 끌어와 지상 역률을 부분적으로 중화하거나 최소화해 역률을 개선합니다.

• 위상 진상기

위상 진상기도 역률 개선 장치입니다. 낮은 역률은 유도 전동기 고정자에서 기인하는데, 고정자가 공급 전압보다 90° 뒤진 큰 여자 전류를 끌어당기기 때문입니다. 위상 진상기는 모터에 외부 교류 여자를 공급해 고정자 권선의 여자 전류를 덜어주고 역률을 개선합니다.