역률에 대하여

안녕하세요? 오늘은 역률(Power Factor)에 대해서 말씀드리겠습니다. 전기를 조금 보다 보면 역률이라는 것이 있는데 전기에 대해서 잘 모르시는 분들에게는 굉장히 생소한 부분입니다. 오늘은 전기에 대해 잘 모르시는 분들도 이해할 수 있도록 최대한 쉽게 설명해 드리도록 하겠습니다. 

1. 역률이란?

역률에 대해서 알기 전에 먼저 유효전력 무효전력 피상전력의 개념에 대해서 알아야 합니다. 유효전력과 무효전력, 피상전력을 알지 못하면 역률에 대해서 이해할 수 없기 때문입니다. 

1) 유효전력

유효전력은 저항에 의해서 실제로 소비되는 전력입니다. 전기를 아주 모르시는 분이라도 옴의 법칙은 알고 계실 것입니다. 

옴의 법칙: V=I×R

여기에서 V는 전압, I는 전류, R은 저항이라는 것을 배우셨을 것입니다. 이 저항은 전류가 흐르는 것을 방해하는 작용을 합니다. 그렇다면 전류가 흐르는 것을 방해만 한다면 그것은 손실이 아닐까요? 우리 주변에서는 저항을 이용하여 많은 편리한 제품들을 만들었습니다. 가장 대표적인 예가 전기 히터입니다. 즉 저항은 전류가 흐르는 것을 방해하는 반면 전기가 가진 에너지를 열에너지로 전환시켜 줍니다. 

저항을 이용한 사례는 우리 주변에 얼마든지 많이 찾아볼 수 있습니다. 전기장판, 드라이어 등 수도 없이 많습니다. 사실 정확히 말하면 저항이 없는 물체는 없지만, 저항이 많고 적고에 따라 쓰임새가 다른 것이죠. 우리가 사용하는 전선은 저항이 매우 작기 때문에 전기를 이송시키는데 사용하는 것이고 위에서 보신 전기 히터 같은 곳에 설치된 발열체는 저항이 높은 것입니다. 

유효전력이란 이 저항에 의해서 실제로 소비되는 전력을 말합니다. 

2) 무효전력

그런데 전기를 하다 보면 무효전력이라는 것이 등장합니다. 도대체 무효전력은 무엇일까요? 무효전력은 일하지 않는 전력을 말합니다. 일하지 않기 때문에 소비되지 않는 전력이 무효전력입니다. 무효전력이 발생하는 대표적인 기기는 전동기와 콘덴서를 예로 들 수 있습니다. 전동기는 내부에 코일로 되어 있고 코일에 자기장이 발생하여 전동기를 돌리게 됩니다. 이 코일은 저항처럼 전기에너지가 열에너지로 바뀌지는 않지만, 무효전력이 발생합니다. 콘덴서 역시 전기에너지가 열에너지로 바뀌지는 않지만, 무효전력이 발생하게 됩니다. 

콘덴서가 어떻게 생겼는지 모르시는 분들을 위해서 위와 같이 사진을 올려봅니다. 콘덴서는 수배전반이나 MCC 판넬이 들어있으며 위와 같이 생겼습니다. 콘덴서는 진상무효전력을 모터 코일은 지상무효전력을 발생시킵니다. 진상과 지상에 대해서는 아래쪽에 자세히 다시 설명하겠습니다. 

3) 피상전력

피상전력은 무효전력과 유효전력의 합으로 실질적인 전력의 총합계라고 보시면 됩니다. 우리가 학교에서 배운 직류전기(DC)에서는 무효전력의 개념이 없기 때문에 피상전력의 개념도 알 필요가 없었습니다. 그러나, 실제로 우리가 사용하는 전기는 교류(AC)전기이기 때문에 유효전력 무효전력 피상전력이 모두 존재합니다. 

우리가 학교에서 배운 삼각함수입니다. Sinθ, Cosθ, Tanθ는 중학생 정도만 되면 모두 아는 상식입니다. 크게 C, S, T를 쓴 것은 필자가 중학교 때인가 삼각함수를 배울 때 선생님이 외우기 쉽게 써준 것입니다. 그리고 아래의 공식은 누구나 아는 공식입니다. 

삼각함수 이야기를 왜 꺼냈는가 하니 위의 공식이 그대로 유효전력, 무효전력, 피상전력에 적용이 됩니다. 즉 아래 그림과 같이 됩니다. 

여기서 조금만 신경을 써본다면 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있을 것입니다. 

즉 우리가 실질적으로 소비하는 전력은 유효전력인데, 펌프 등을 가동하기 위해서는 전동기를 돌려야 하고, 전동기를 돌리면 무효전력이 필요하게 됩니다. 그래서 우리가 전체적으로 필요한 전력은 피상전력이 됩니다. 여기서 아래와 같은 3개의 식이 발생합니다. 

위 식에서 피상전력이 VI이므로 유효전력은 피상전력×cosθ가 되게 됩니다. 마찬가지로 무효전력도 피상전력×sinθ가 되게 됩니다. 이것은 위의 삼각형을 보아도 쉽게 알 수 있습니다. 여기서 드디어 역률의 개념에 대해서 말씀드릴 수 있게 되었습니다. 여기서 역률은 바로 cosθ입니다. 즉 유효전력을 피상전력으로 나눈 값과 같습니다. 이것을 공식으로 나타내면 역률 공식은 아래와 같습니다.

또한 여기서 Sinθ는 무효율이라고 부릅니다. 

 

2. 역률이 중요한 이유

1) 발전해야 하는 전기가 늘어나게 됩니다.

위에서 보신 바와 같이 역률은 유효전력을 피상전력으로 나눈 값입니다. 우리가 여기서 주목할 점은 무효전력은 실질적으로 소모되지 않는 전력이라는 점입니다. 실질적으로 소모되지는 않지만, 전동기 등을 돌릴 때 무효전력이 발생하는데, 이 무효전력이 많을수록 피상전력이 증가하게 됩니다. 그러면 무효전력이 많을 수록 한전에서는 더 많은 전기에너지를 공급해줘야 합니다. 결국 한전에서 공급하는 전기에너지는 피상전력이기 때문이지요. 

2) 변압기를 더 큰 것을 사용해야 합니다. 

또 한 가지는 변압기 때문입니다. 변압기의 정격용량은 피상전력으로 나타냅니다. 즉 무효전력이 커질수록 변압기의 용량을 높여야만 하지요. 그래서 무효전력 때문에 쓸데없이 변압기의 용량을 높은 것으로 놔죠. 

3) 전기요금이 증가하게 됩니다. 

무효전력이 증가하게 되면 한전 전력공급 규약에 따라 전기요금이 증가하게 됩니다. 이것에 대한 자세한 내용은 필자가 과거에 포스팅했던 자동역률조정기를 참조하시면 되겠습니다. 

2020/07/03 - [별의 시설관리/전기] - 자동역률조정기(EPC-600)에 대하여

4) 무효전력과 역률과의 관계

 

여기서 무효전력이 만약 늘어난다면 역률은 어떻게 될까요? 역률은 당연히 떨어지게 됩니다. 

위의 그림에서 보시는 바와 같이 무효전력이 주황색에서 녹색으로 변했다고 가정해 보겠습니다. 그러면 유효전력은 그대로인데 피상전력만 증가하게 됩니다. 그러면 당연히 역률 Cosθ는 감소하게 됩니다. 역률은 유효전력을 피상전력으로 나눈 것이니까요? 즉 역률이 떨어졌다는 것은 무효전력이 올라갔다는 것을 의미합니다. 

그렇다면 이렇게 질문하실 수 있을 겁니다. 무효전력이 전동기를 돌리는 데 필요하면 쓸 데 있는 것 아닌가요? 필요한 것 아닌가요? 네 맞습니다. 필요는 하지만 무효전력은 줄이는 것이 가능합니다. 위에서 말씀드린 것을 반대로 생각해보면 무효전력을 줄여버리면 피상전력이 줄게 되고 cosθ는 증가하게 됩니다. 즉 역률이 높아지게 됩니다. 그러면 변압기를 큰 것을 쓰지 않아도 되고 한전에서는 필요 없이 발전기를 더 돌리지 않아도 되는 것입니다.  

3. 역률 개선 방법

역률 개선에 대한 이야기를 하기 위해서는 먼저 '지상 전류'와 '진상 전류'에 대해 알아야 합니다. 

1) 지상 전류 - 전동기

지상 전류란 전압에 비해 전류의 위상이 늦은 전류를 지상 전류라고 합니다. 어떤 경우에 지상 전류가 발생하느냐면 전동기를 돌릴 때 전기가 코일을 통과하게 됩니다. 코일이라는 것이 전류의 흐름을 느리게 하므로 이곳에서 지상 전류가 발생하는 것입니다. 대부분의 역률 저하의 원인은 이 전동기에서 비롯됩니다. 큰 공장 같은 경우 어마어마하게 큰 전동기를 사용하기 때문에 이곳에서 큰 지상 전류가 발생하게 되는 것입니다. 

2) 진상 전류 - 콘덴서

콘덴서의 경우에는 전동기 코일과 반대의 현상이 발생하게 됩니다. 즉 전류의 위상이 전압의 위상보다 빨라지게 되고 이것을 진상 전류라고 합니다. 여기서 지상 전류는 지상무효전력을 진상 전류는 진상무효전력을 만들어내고 이것을 그림으로 나타내면 아래와 같이 됩니다. 

3) 역률 개선의 방법

진상무효전력과 지상무효전력은 서로 상쇄가 되어 없어집니다. 따라서 전동기 부하가 많은 곳에 콘덴서를 설치하여 이것을 상쇄시키게 됩니다. 이것을 그림으로 표현하면 아래와 같습니다. 

이것을 이용하여 무효전력을 개선하는 것이지요. 즉 전동기의 지상무효전력이 역률을 저해하는 가장 큰 원인이기 때문에 콘덴서를 부착해서 지상무효전력을 상쇄하게 만드는 것입니다. 

4. 역률의 크기

역률의 최고값은 1입니다. Cosθ의 값이 최대일 때는 1입니다. 그리고 역률이 지상 쪽으로 기울어지면 0.99, 0.98, 0.97 ..... 이런 식으로 계속 내려갑니다. 한전에서는 역률 0.9 미만일 때 기본료를 더 내도록 하고 0.9~0.95일 때는 전기요금을 할인해줍니다. 그런데 역률은 지상이 아니라 진상 쪽으로 갈 수도 있습니다. 즉 1이 넘어가서 진상쪽으로 가게 되면 -0.99, -0.98, -0.97...... 이런 식으로 가게 됩니다. 이것을 과보상 되었다고 합니다. 즉 콘덴서의 진상무효전력이 전동기의 지상무효전력보다 더 크게 되는 것이죠. 이런 현상은 주로 전동기를 사용하지 않는 야간에 발생할 수 있습니다. 이것을 그림으로 표현하면 아래와 같습니다. 

그런데 한전에서는 진상 쪽으로 넘어갈 때도 요금을 전기요금을 인상합니다. 과보상이 되었을 때도 전력계통에 나쁜 현상이 발생하기 때문에 이것 역시 페널티를 부과하는 것이죠. 역률이 진상 쪽으로 가면 많은 부정적인 현상이 있지만, 위에서 본 것처럼 피상전력이 다시 증가하게 됩니다. 또한 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 페란티 현상이 발생할 수 있습니다.  

한전에서 심야에 역률이 진상으로 넘어갈 때 전기요금을 추가로 부과하는 것을 '진상역률제' 라고 합니다. 이것은 2012년부터 도입이 되었는데 도입 초기에는 이것에 대해 잘 모르는 곳이 많아서 엄청난 전기요금을 더 내는 곳이 있었습니다. 사실 진상과 지상, 역률의 개념이 전기를 잘 모르는 일반인에게는 너무나 생소한 것이어서 아마 한전에서 공지했어도 무슨 소리인지 모르는 곳이 많았을 것입니다.

5. 자동역률조정기

우리가 일상생활에서 사용하는 전력이 일정하지 않듯이 무효전력도 일정하지 않습니다. 시시때때로 무효전력이 변하기 때문에 역률 또한 계속 변동하게 됩니다. 따라서 이렇게 변하는 무효전력에 맞춰 콘덴서를 추가하거나 감해주는 장치가 바로 자동역률제어장치입니다. 자동역률제어장치는 역률이 낮아질 때마다 콘덴서를 투입해주고 역률이 다시 높아지거나 과보상 되면 콘덴서를 회로에서 분리해주는 역할을 합니다. 이것에 대한 자세한 내용은 필자의 과거 포스팅을 참조하시면 됩니다. 

2020/07/03 - [별의 시설관리/전기] - 자동역률조정기(EPC-600)에 대하여

6. 일상생활에서 역률

필자가 지난 시간 포스팅한 LED 조명에도 역률이 사용됩니다. LED 조명은 교류를 직류로 변경해주는 컨버터가 필요합니다. 이 컨버터에는 역률이 표기되어 있는데 보통 0.95 정도로 표기가 되어있습니다. 과거에는 LED 조명용 컨버터에 역률이 표기되어 있지 않아 에너지를 절약한다는 LED 조명이 도리어 에너지를 많이 소비했었습니다. 

수년 전의 자료이긴 하지만 A사나 E사처럼 0.32의 엉터리 컨버터를 제공하여 소비자를 우롱하는 행태를 보인 곳이 있었습니다. 지금은 대부분의 LED 조명이 역률을 표시하고 있겠지만 LED 조명을 교체하실 때는 역률을 확인해 보시는 것도 좋을 것 같습니다. 

오늘은 역률에 대해서 알아보았습니다. 오늘의 글은 전기를 처음 공부하시는 분들이나 전기를 모르시는 분들을 위해 최대한 애매하고 어려운 개념을 빼고 머리 아픈 공식을 최소화해서 설명해 드렸습니다. 역률은 전기요금과 관련이 있어서 시설 관리하시는 분들이라면 수배전반에 들어가실 때 항상 역률이 얼마인지 확인해보셔야겠습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.