역률보상기
무효전력 보상기
최근에는 반도체의 특성을 응용한 전력전자 요소를 사용하는 전력기기가 상당히 늘고 있습니다.
이러한 부하들로을 사용시에는 부하의 특성에 따라서 전원측으로 고조파의 발생이 됩니다.
이러한 고조파는 전원쪽으로 유출이 되어 전원에 연결된 각종 전기기기의 특성을 왜곡시키고,
과대전류가 흐르게 되므로 열적 손상을 야기하기도 합니다.
이러한 부작용을 없애거나 감쇄시키기 위하여 필터를 사용합니다.
이때 사용하는 것중의 하나가 역율보상용 콘덴서를 이용하는 방법이 있지요.
이 경우에 콘덴서에 과대전류로 인한 손상이 발생하게 되므로 이를 방지하기 위하여 직렬리액터를
사용합니다.이러한 조합이 L-C 조합입니다. 용량에 따라서 별도의 콘덴서와 인덕터를 사용한
필터를 적용하기도 합니다.이러한 필터는 수동형 필터라고 합니다.
발생되는 고조파에 따라서 이를 감쇄시키지요.
반면에 능동형 고조파 필터는 고조파가 발생하는 것과 크기는 같고 반대의 파형을 발생시켜
고조파발생량 영의 상태로 만들어 전원측으로 유출되지 않도록 하는 고조파 방지 장치입니다.
무효전력 보상기는 역률로 인한 지연 또는 지상전류가 발생하므로서 발생전류의 합이 커지게 되고,
이로 인하여 전력손실과 전압강하가 발생되어 발생한 전력을 유효적절하게 이용할 수가 없게 됩니다.
따라서 이 무효전력을 억제하기 위하여 사용하는 것이 무효전력 보상기입니다.
| 고조파가 전력 계통에 미치는 영향 | | | 전기자료실 |
| 2007.05.13 15:51 |
고조파가 전력 계통에 미치는 영향
최근 고조파 발생원으로 작용하는 Thyristor 이용 기기의 급증으로 전력계통의 사고 및 장해발생이 빈번하여 전력 계통 운영에 많은 문제점을 던져주고 있어서 전력 계통 내의 고조파 확대 방지와 고조파 흡수를 통하여 사고를 예방하고 전력의 합리적 사용을 위해서는 고조파 장해 방지 설비의 적용이 불가피한 실정이다.
♣ 고조파란 무엇인가?주기적인 왜곡파는 기본 주파수인 정현파(60Hz)와 정수배 주파수인 다수의 정현파의 합으로 표현된다.이러한 정수배 주파수를 조파라고 하며, 진폭과 위상이 달라짐에 따라 다른 파형의 합성 왜곡 파형을 만들게 된다.이 합성 왜곡 파형은 외관상 일그러진 사인파형으로 나타나며, 이러한 파형을 Fourier 해석에 의해 임의의 주의성을 갖는 하나의 기본파(60Hz)와 여기에 대해서 정수배 또는 분수파의 주파수를 갖는 다수의 정현파로 분해할 수 있다.이러한 기본파 이외의 정현파를 총칭하여 조파라고 하며, 기본파보다 주파수가 높은 것을 고조파, 기본파보다 낮은 것을 저조파 또는 분수조파라고 한다.상용 주파수인 정현파형에 제5고조파와 제7고조파가 합성된 왜곡된 파형을 분해하면 다음 그림과 같다.
♣ 고조파 발생원에는 어떤 것이 있는가?
Thyristor 제어장치, 속도 제어기, 저속 시동기, 역률 보상기, 정류기, 아이크 로, 변압기, 리액터, 회전기기 등과 같이 비성형성 부하가 전류 파형을 변화시켜 고조파 전류를 발생하게 한다.
♣ 고조파 장해 방지 설비 설치 절차
☞ 자료수집(계통조건, 고조파스펙트럼, THD 제한치)
☞ 계통 임피던스 Map 작성
☞ 고조파 임피던스계산과 Filtering Order결정
☞ 고조파 조류계산
☞ Simulation
☞ 계통 이상공진, 고조파 확대 가능성 Check
☞ Switchger PNL, Structure 설계
☞ 설치 시운전
☞ 평가 Report
♣ 고조파 장해에 따른 영향
시스템에서 발생된 고조파는 발생설비에만 머무르지 않고 전력계통 전체로 유입되어 다른 전력설비에도 치명적인 영향을 줍니다.
☞ 변압기의 과열, 소손
☞ 콘덴서의 과전류 유입과 소음 발생
☞ 제어 시스템의 불안정
☞ 전압 변동
☞ 회전기의 과부하
☞ 차단기의 오동작
☞ 통신 장해 및 OA 기능 방해
☞ 중성선의 대전류, 상과 접지간의 저전압 현상
♣ 고조파 필터란 무엇인가?
고조파 필터는 전력계통에서 발생한 고조파의 유출을 억제하고 흡수하는 장치이며, Resistor, Reactor, Capacitor로 구성된다.고조파 필터의 기본구성은 발생 고조파 전류에 따라 저차 주파수(5~13조파)에 각각 동조하는 단일분로 필터를 설치하며, 그 외의 고차 조파수(15조파 이상)에는 필요에 따라 고차필터를 설치한다.
♣ 고조파 필터의 설치 효과
☞ 고조파를 흡수, 제거
☞ 계통의 유동성과 용량성간에 공간 문제를 해소
☞ 정상전압을 유지하여 설비의 성능과 수명을 유지
☞ 역률 개선 (전력계통의 무효전력을 제거하여 경제적임)필터에 의한 고조파 전류의 억제효과를 등가회로로 나타내면
다음 그림과 같다.
♣ 한국전력공사에서 요구하는 고조파 허용 기준치
계통전압
|
허용치[%]
|
6.6kV 이하
|
3%
|
154kV 이상
|
1.5%
|
| 전력용콘덴서와직렬리액터에대해여 | | | 수배전설비 자료실 |
| 0 | / | 2005.12.21 11:34 |
>
전력용콘덴서와직렬리액터에대해여∼∼11
(1)역율제어방법1)역율제어의 통상목표는95%로 한다.(100%로 할 경우 무효분보다 넘울수도있습니다)
(2)역율개선 콘덴서의 종류1)동기조상기:동기전동기를 무부하로 운전,여자전류조정으로 부하역율을 조정하고 부하에 병렬로 접속합니다.
★라)콘덴서 설치시 주의사항-콘덴서 용량이 부하설비 무효분보다 많아지지 않도록 해야한다.
이상으로 전력콘덴서는 계통설비에서 역율과효율에 밀접하므로 실질적으로 계산을하면서 결선을 해야합니다.
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전력용콘덴서와직렬리액터에대해여∼∼11
(1)역율제어방법1)역율제어의 통상목표는95%로 한다.(100%로 할 경우 무효분보다 넘울수도있습니다)
(2)역율개선 콘덴서의 종류1)동기조상기:동기전동기를 무부하로 운전,여자전류조정으로 부하역율을 조정하고 부하에 병렬로 접속합니다.
★라)콘덴서 설치시 주의사항-콘덴서 용량이 부하설비 무효분보다 많아지지 않도록 해야한다.
이상으로 전력콘덴서는 계통설비에서 역율과효율에 밀접하므로 실질적으로 계산을하면서 결선을 해야합니다.
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| 허이짜 | 땡추님 자동역률보상기에 대한 설명과 적용해야 하는 곳의 개요와 용량등 부연 설명 부탁 드릴수 있을까욤? 05/09 05:08 |
| gun1221 | 저는 함금철공장에 근무하고 있는데 계약전력은 60MW인데여 전기로 변압기 하나가 20MW입니다 콘덴서 용량산출하는 법좀가르쳐 주세여 무효전력과 피상전력 유효전력에 대해서 두 좀05/23 21:15 |
| 땡추 | 안녕하세요... 콘덴서 용량은 pr =p(tan01 - tan02) kva 입니다. tan01 <--현재역율 tan02 <--개선하고자 하는 역율 입니다.. 현재 20MVA 피더에는 600KVA 용량정도면 될것 같은데요... 기술기준 300KVA 1뱅크로 적용 2뱅크 정도 설치되어 있을것 같은데요... 200KVA 3뱅크로 설치해도 물론 상관 없겠죠... 대부분 철공공장의 경우라면 부하율이 낮을것으로 보입니다.. 따라서 최대 부하의 시간도 다르므로 콘덴서 제어방법도 부하량에 따라 투입 트립을 잘고려 해 주어야 겠지요.. 부하가 일정하다면 문제가 되지 않겠지많요... 콘덴서는 물론 부하와 병렬로 연결하는 것입니다.. 콘덴서내무 구조는 내압에 문제없는한 Delta 결선으로 되어 있습니다... 특별이 특고콘덴서에서 내압에 문제가 될 경우는 와이 결선을 하면 되는데 똑같은 역률을 개선하는데 델타 보다는 용량이 3배가 터 커야 합니다.. 보통 콘덴서는 윗공식을 사용하기도 하지많 설계시 보통 적용하는것은 500KVA 이하 TR용량의 5% 500KVA 이상 ~ 2MVA 이하 TR용량의 4% 2MVA 이상 TR용량의 3% 적용 합니다... 05/23 22:04 |
| 땡추 | "유틸리티 코너" 90번 보시면 있습니다... 참고 하세요... 05/23 23:11 |
| 은빈네 | 자료 검색도중 이곳을 알게되어 오늘 가입한 새내기 입니다 전력용 콘덴서 밥을 먹은지 20년 됬구요 ^0^ 땡추님 께서 자세한 설명을 해주셨지만 첨부하여 말씀 드리겠습니다 용량계산은 식 그대로를 적용하면 됩니다 式;Q=P(tanΘ1 - tanΘ2)[var] 헌데 님께서 계산에 필요한 Data가 불충분 합니다. 즉 유효전력량 과 초기역율입니다. 전력에 대해선 이곳 어딘가에도 자료가 있으리라 예견 됩니다. 간략히 단상 회로에 대해 설명하자면 유효(소비, 평균)전력;P=EIcosΘ=I2R=V2/R[W] 무효전력;Q=EIsinΘ=I2X=V2/X[var] 피상전력;S=EI=P+jQ[va] 정도 중요한 것은 역율 보상을 위해 콘덴서 회로 구성을 검토하고 계시다면 현장측정을한 Data에 의한 설계가 적합하다 할수 있습니다 왜냐하면 이론에선 필요한 Data가 주워지지만 실무에선 필요한 Data를 측정을 통하여 얻어야 하기 때문입니다 또한 콘덴서 회로를 구성하는데 있어 고조파는 중요한 문제입니다(차후 기회가 되면 말씀드리죠) 고조파 및 돌입전류를 억제하기 위해 콘덴서 회로에 설치하는 직렬리액터 용량산정에 꼭 필요한 Data이기때문입니 05/24 22:39 |
| 은빈네 | 에구 짤렸네용 발생된 특정차수조파에 대해 용량선정이 틀려집니다. 또한 발생되는 고조파량이(THD)이 많다면 필터회로의 검토가 필요하구요? 기회가 된다면 언제 현장 방문하여 측정해 드리도록 하겠읍니다 허이짜님 님의 질문중 자동역율조정기(Auto Power Factor Control Relay)를 말씀하시는건지 자동역율 System에 의한 무효분 보상 방법을 말씀하시는건지?? 자동역율조정기로 이해하고 략하여 말씀 드리겠읍니다 자동역율의 조정 방법은 무효전력 에의한, 전류에, 시간에, 역율에, 의한 방법들이 있으며 적용해야할 개소는 부하 변동이 심한곳, 시간적 제약이 따르는 곳 등등 용량은 상기에 말씀 드렷듯이 계산에 의거 선정 됩니다. 자세한 설명을 드리고자 했는데 워낙에 졸필이라서 문맥을 잘소화하여 읽어 주시길 또다른 궁금한거나 설명이 부족한 부분에 대해선 재질의 하여 주십시요 성심껏 노력 하겠나이다 참고로 필요한 자료역시 도웁 되도록<<<<<<<< 독수리인데 졸필까지라^0^ 05/24 22:56 |
| 땡추 | 은빈네 회원님 반갑습니다.... 콘덴서에서 20십년간이라니 무지 반갑습니다... 전기를 전공하면서 대부분의 사람들이 RLC의 과도적인 현상 그리고 쌍대성의 원리를 익히 알고는 있지많 잘 적용할줄 모르고 있는것이 현실 입니다... 저또한 이코너를 개설한 이유가 바로 이부분 많큼은 회원들게 함께공유하고 알고자 한 이유이지요.... 물론 저두 님이 말씀한 내용은 잘알고 있습니다.. 콘덴서 자동제어 관계 ... 고조파에 따른 과전류 문제 ... 기동시 여자돌입문제... 모터에 병렬로 순차제어시 콘덴서의 전압상승문제 또는 고조파에 따른 리액터 선정문제 ,,,, 콘덴서 용량이 줄어들었을때 리액터의 용량 증대 등등... 그러나 여기 대부분의 회원님들은 이런것을 이야기 하면 잘모릅니다.. 아직 뼈대가 없기 때문이지요... 여하튼 은빈네 회원님을 만나서 정말 반갑구요... 콘덴서에 대해서 해박한 지식을 전달해 주시길 바랍니다... 감사 합니다.. |
< 유도전동기의 기동방법> -- 그림은 추가
역률
완벽히 사인 파형의 경우, P,Q와 S는 이런 방식의 벡터 삼각형 형태로 표현될 수 있다.
만약 φ가 전류와 전압 사이의 위상 각이라면, 역률은
로 표시되며,
각기 값들은 일관성 있기 때문에, 역률은 0과 1 사이의 숫자로 정의되게 된다. 역률이 0이 되면, 에너지 흐름은 완벽히 무효가 되고, 각 사이클마다 부하에 저장되어 있는 에너지는 소스로 반환되게 된다. 역률이 1이 되면, 소스에서 제공된 모든 에너지는 부하에서 사용된다. 역률은 일반적으로 위상 각의 표시에서 "앞서가는지" 나 "뒤떨어지는지" 를 언급하게 된다.
일정한 역률에서 AC 전압과 전류에서의 즉각적/평균적 전력 계산값(φ=0, cosφ=1)
역률이 0인 상태에서의 AC 전압과 전류에서 나온 순간/평균 전력 계산값 (φ=90, cosφ=0)
떨어지는 역률에서 AC 전압과 전류에서 나온 순간/평균 전력 계산값 (φ=45, cosφ=0.71)
1. 무효 전력 제어 릴레이; 2. 망 연결 접점; 3. 퓨즈; 4. 과전 제한 접점; 5. 캐패시터들(단위상이나 삼위상 유닛, 네접점 연결); 6. 트랜스포머 적절한 전압을 적절하게 제어 가능한 전력으로 전환 ( 접점, 배출..)
1) 3상 유도 전동기
① 전전압기동
㉠ 기동시 기동전류 크며 역률저하(회전자계를 만들기 위해 여자전류를 1차에서 취하므로)
㉡ 전압강하 15% 초과시는 감전압기동 고려
② 감전압기동
㉠ 농형 유도전동기
- 스타델타기동
기동전류 및 기동토크가 1/3 감소,,,, 기동에서 운전으로 전환시 오묘한 충격 발생
- 리액터기동
1/a 감전압시 기동전류1/a, 기동토크1/ a2 감소
리액터의 임의 가감조절 가능으로 기동에서 운전으로 전환시 충격 개선
- 기동보상기기동
1/a 감전압시 기동전류 및 기동토크 1/ a2 감소
기동에서 운전으로 전환시 무전압구간 발생으로 돌입전류 우려
- 콘돌파기동
기동보상기 기동과 비슷하며 단권변압기 전단에 개폐기 하나 추가로 기동1,기동2,운전 방법으로
기동에서 운전으로 전환시 무전압구간 발생으로 인한 돌입전류 우려 어느정도 해소
- 1차저항기동
각상에 저항을 삽입하여 기동시 저항으로 기동전류 제한하고
속도 어느정도 오르면 저항 단락으로 운전
- 크샤기동
한상에 리액터 또는 저항 삽입하여 원리는 1차저항기동법과 같음,,,
한상에 트라이액 사용하는것도 있음
㉡ 권선형
- 2차저항기동
비례추이의 원리 이용 기동시 2차저항으로 기동전류 줄이고 속도가 오름에 따라 서서히 저항을
줄여 운전
- 2차 임피던스기동
2차저항에 병렬로 리액터를 연결하여
2차임피던스는 r+sx로
기동시 슬립s=1 이므로 인덕턴스가 저항에 비해 크므로 저항을 통하여 기동하고
운전시 슬립은 0 으로 인덕턴스를 통하여 운전
③ 인버터 기동
㉠ 종류 : VVCF 기동, VVVF 기동
㉡ 기동전류를 작게 가능, 즉 소프트스타트 가능
2) 단상유도전동기
정지상태에서 기동시 회전자계 형성이 안되므로 어떻게 해서든 다음과 같은 방법으로 기동한다.
① 분상형
- 기동시 주권선과 보조권선과 으로 기동
- 운전시 원심개폐기 s 열어 주권선으로만 운전,,, 원심개패기의 기계적 취약점
② 콘덴서형
- 보조권권회로에 콘덴서 하나 추가
- 기동시 주권선 보조권선 콘덴서로 기동
- 운전시 주권선으로 만 기동
- 기동시 기동토크가 분상보다 크다
( 토크 공식을 보면 콘덴서 추가로 리액턴스분 상쇄로 분모 임피던스 감소로 토크 증가)
③ 콘덴서기동콘덴서형
- 콘덴서형에 병렬로 콘덴서 하나 추가
- 기동토크가 콘덴서형보다 더 크고 운전시 역률개선 효과
④ 반발기동형
- 직권전동기+유도전동기 토크 속도 곡선 합성으로
- 기동시 직권전동기로 기동하다가 동기속도 3/4 지점에서 유도전동기의 토크-속도 곡선
⑤ 쉐이딩 코일형
- 철심에 쉐이딩코일을 감아 자속의 흐름을 막아 이동자계 형성(a--->b)
역률
AC 전력 시스템에서의 역률이란 표면 전류 부하에 있어 따라오는 실제 전력의 비율로 정의되며, 이것은 0과 1 사이의 숫자로 정해진다. (퍼센티지로 자주 표현되는데, 예를들어 0.5 pf=50%pf이다.) 실제 전력은 특정 시간에 동작을 수행하는 회로의 정전용량이다. 표면 전력은 회로의 전류와 전압의 생산물이 된다. 에너지는 부하 시에 저장되고 소스로 반환되기 때문에, 또는 소스에서 나오는 전류의 파형이 비선형적 로드로 왜곡되기 때문에, 표면 전력은 실제 전력보다 커질 수 있다.
전력 시스템에서, 낮은 역률을 가진 부하는 높은 역률을 가진 부하보다 더 높은 전류를 소모하는데, 같은 량의 쓸모 있는 전력을 전송해야 되기 때문이다. 분배 시스템에서는 높은 전류는 에너지 소모의 증가를 초래하며, 더 큰 도선과 다른 장비들을 요구하게 된다. 거대 장비들과 버려지는 에너지에 대한 단가로 인해, 낮은 역률을 가지는 공장이나 빌딩 고객들은 보통 높은 비용을 전기세로 지불한다.
(인덕션 모터 같은) 낮은 역률을 갖는 선형 부하체는 캐패시터나 인덕터를 가진 수동 망으로 교정될 수 있다. 정류기 같은 비선형 부하체는, 시스템에서의 전류 사용량을 왜곡시키게 된다. 이런 경우에, 능동 역률 조정이 왜곡을 보상하고 역률을 상승시키기 위해 사용된다. 역률 조정을 위한 기기는 한곳에 집중되거나, 분배 시스템에 고루 퍼져 있거나, 전력 소모 장비에 내장 되어 있을 수 있다.
선형 회로에서의 역률
순수 저항성 AC 회로에서, 전압과 전류 파형(상)은 서로 일치하는데, 각 사이클 의 같은 순간에 편각이 변화하게 된다. 캐피시터와 인덕터 같은 것과 같이 리액턴스 부하가 있는 곳에, 부하를 걸면 에너지 저장장치에서 전류와 전압 파형 사이에 시간차가 생기게 된다. 이 저장된 에너지는 소스에 반환되며 이 때 부하 시에는 사용할 수 없게 된다. 그러므로 낮은 역률을 가진 회로는 주어진 양의 유효 전력치를 보내기 위해 높은 역률을 가진 회로보다 높은 전류를 가질 것이다. 선형 부하는 전류의 파형 모습을 변화시키지 않지만, 전압과 전류 사이에 (페이즈 같은) 관련 타이밍을 변화시킬 수 있다.
(필라멘트 램프, 스트립 히터, 쿠킹 스토브 등 같은) 순수한 열저항 요소를 포함하는 회로는 1.0의 역률을 가지고 있따. (램프 차단기, 모터 등의) 인덕티브나 캐패시티브 요소를 가진 회로는 1.0 이하의 역률을 가질 때도 있다.
(필라멘트 램프, 스트립 히터, 쿠킹 스토브 등 같은) 순수한 열저항 요소를 포함하는 회로는 1.0의 역률을 가지고 있따. (램프 차단기, 모터 등의) 인덕티브나 캐패시티브 요소를 가진 회로는 1.0 이하의 역률을 가질 때도 있다.
정의와 계산
AC 전력 흐름은 3개의 요소를 가지고 있다. : 유효 전력(P), 와트로 측정(W); 표면 전력(S), 전압-암페어로 측정(VA); 리액턴스 전력(Q), 리액턴스 전압-암페어로 측정(VAr) 이다.
역률은 이렇게 정의 된다. :
완벽히 사인 파형의 경우, P,Q와 S는 이런 방식의 벡터 삼각형 형태로 표현될 수 있다.
만약 φ가 전류와 전압 사이의 위상 각이라면, 역률은
각기 값들은 일관성 있기 때문에, 역률은 0과 1 사이의 숫자로 정의되게 된다. 역률이 0이 되면, 에너지 흐름은 완벽히 무효가 되고, 각 사이클마다 부하에 저장되어 있는 에너지는 소스로 반환되게 된다. 역률이 1이 되면, 소스에서 제공된 모든 에너지는 부하에서 사용된다. 역률은 일반적으로 위상 각의 표시에서 "앞서가는지" 나 "뒤떨어지는지" 를 언급하게 된다.
만약 순수한 저항성 부하가 전원 공급기에 연결되어 있다면, 전류와 전압은 동시에 각도가 변화되며, 역률은 일관적으로 1이 될 것이며, 전기 에너지 흘므은 사이클 마다 망 내에서 한쪽 방향으로 흐르게 된다. 트랜스포머나 모터 같은 인덕티브성 부하는 전류 파형보다 전압 파형을 뒤떨어트리고 무효전력을 소비한다. 캐패시터 모둠이나 지하 케이블 같은 캐피시티브성 부하는 전류 상보다 전압 상을 앞서게 하며 무효 전력을 생성한다. 두 종류의 부하 모두 AC 사이클의 부분에서 에너지를 흡수하는데, 이 흡수된 에너지는 기기의 전자기장에 저장되며, 나머지 사이클에서는 소스에 에너지를 다시 반환하게 된다.
예를들어, 실효 전력을 1kW 얻으려면, 역률이 일관성 있는 상태에서는, 1kVA의 표면 전력이 전송되어야 한다. (1kW ÷ 1 = 1kVA) 낮은 역률값에서는, 같은 량의 실효 전력을 얻기 위해서 더 많은 량의 표면 전력이 전송되어야 한다. 0.2 역률에서 1kW의 실효 전력을 얻으려면, 5kVA의 표면 전력이 전송되어야 한다. (1kW ÷ 0.2 = 5kVA) 이 표면 전력은 종래 사용하던 방식으로 생산되고 부하에 전송될 것이며, 이것은 생산과 전송 과정에서의 일반적인 분배 손실이라는 과제를 남긴다.
일정한 역률에서 AC 전압과 전류에서의 즉각적/평균적 전력 계산값(φ=0, cosφ=1)
역률이 0인 상태에서의 AC 전압과 전류에서 나온 순간/평균 전력 계산값 (φ=90, cosφ=0)
떨어지는 역률에서 AC 전압과 전류에서 나온 순간/평균 전력 계산값 (φ=45, cosφ=0.71)
선형 부하
AC 전력을 소모하는 전기 부하장치는 실효 전력과 무효 전력 모두를 소모한다. 실효/무효 전력의 벡터 합계가 표면 전력이다. 무효 전력의 존재는 실효 전력이 표면 전력보다 적게 됨을 야기하며, 또한 전기 부하장치는 1보다 적은 역률을 갖게 한다.
선형 부하에서의 역률 보상
가끔 시스템의 역률을 1.0 가깝게 조정해야 바람직 할 경우가 있다. 이 역률 보상은 인덕터와 캐패시터 모둠의 전환으로 이루어질 수 있다. 예를들어 모터 부하의 인덕티브 효과는 연결된 캐패시터로 인해 상쇄되게 된다. 리액티브 엘러먼트가 부하 부근에서 공급하거나 흡수한 무효 전력으로 인해, 표면 전력이 줄어들게 되기도 한다.
역률 보상으로 하여금 AC 전력 회로의 역률을 1에 가깝게 만들어주는데, 캐패시터나 인덕터를 추가하여 반대 신호의 무효전력을 공급하여 부하에서 인덕티브/캐패시티브 효과를 없애주는 역할을 하게 된다. 예를들어, 모터 부하장치의 인덕티브 효과는 인근에 연결된 캐패시터로 인해 상쇄 된다. 만약 부하 장치가 캐패시티브 값을 갖고 있다면, (이 상황에서는 리액터라고 하는) 인덕터들은 역률 수정을 위해 연결되게 된다. 전기 관련 업계에서는, 인덕터들은 무효전력을 소모하고 캐패시터들은 이것을 공급한다고 말하기도 하는데, 단지 무효전력은 실제적으로 각기 AC 사이클마다 그래프를 앞뒤로 옮길 뿐이다.
리액티브 요소들은 스위치를 켜고 끔으로써 전압의 출렁임이나 고조파를 만들어낸다. 이것들은 주변에 상응하는 작동부하장치가 있는 것에 상관하지 않고 무효 전력을 공급하거나 소모시킬 것인데, 이것으로 인해 시스템의 무부하 손실을 늘리게 된다. 가장 안좋은 경우, 리액티브 요소들은 시스템과의 상호 작용과 각기 장치의 공명으로 인해, 시스템의 불안정성이나 엄청난 과전압 파동을 초래하기도 한다. 이런 경우, 리액티브 요소들은 단순히 붙인다고 되는 것이 아니며, 역률 보상은 일반적으로 엔지니어링 적인 분석에 의존하게 된다.
자동 역률 보상 유닛은 역률을 향상시키기 위해 사용된다. 역률 보상 유닛은 일반적으로 몇몇 개의 캐패시터들로 구성되며 접점이 스위치로 작용한다. 이들 접점들은 레귤레이터로 인해 조종되는데 전기 회로 망에서의 역률을 측정하게 된다. '역률'을 측정할 수 있게 하기위해, 레귤레이터는 한개 상에서의 전류 측정을 위해 전류 트랜스포머를 사용한다.
네트워크 상의 부하장치와 역률에 따라, 역률 조정기는 역률을 0.9 이상이나 (보통 에너지 공급 업체의 요구에 따른) 선택적인 값을 유지하기 위해 단계적으로 캐패시터 블럭들을 필요한만큼 스위칭 하게 된다.
스위칭 된 캐패시터 세트를 사용하는 것도 있지만, 무부하 동기 모터도 무효 전력을 공급할 수 있다. 무효전력은 그것의 필드 자극에 의해 작동하는 동기 모터에 의해 나온다. 이것은 동기 콘덴서라고도 지칭된다. 이것은 전기 네트워크에 연결되어 시동되게 된다. 시스템의 전압 지원이나 시스템 역률을 특정 등급으로 관리하여야 하는 요구를 충족 시켜야 하기에 이것은 회로망에 확실히 leading되는 파형을 그리는 역률과 VAR을 설정하게 된다. 콘덴서의 설치와 구동은 큰 전기 모터와 동일하다. 이것의 주된 장점은 조정이 쉽게 된다는 것이다.; 이것은 마치 전기적으로 변화할 수 있는 캐패시터 같이 작동한다. 캐패시터와는 다르게, 공급되는 무효 전력의 대부분의 양은 전압의 제곱이 아니라 전압에 비례한다.; 이것은 큰 회로망에서 전압의 안정성을 향상시키게 된다. 동기 콘덴서들은 고전압 직전류 전송이나 강철 제련소 같은 큰 공장 플랜트에서의 연결에 종종 사용된다.
1. 무효 전력 제어 릴레이; 2. 망 연결 접점; 3. 퓨즈; 4. 과전 제한 접점; 5. 캐패시터들(단위상이나 삼위상 유닛, 네접점 연결); 6. 트랜스포머 적절한 전압을 적절하게 제어 가능한 전력으로 전환 ( 접점, 배출..)
비선형 부하장치
전력 시스템에서의 비선형 부하장치는 보통 (파워 서플라이에 사용되는) 정류기나, 형광등 같은 아크 방전장치, 전기 용접장치, 아크 용광로가 있다. 이들 시스템 내의 전류는 스위칭으로 인해 차단 당하기 때문에, 이들 전류는 전력 시스템 주파수의 배수로 컴포넌트의 주파수를 가지게 된다.
비사인파 컴포넌트
비선형 부하장치는 사인 파형에서 다른 파형으로 전류 파형의 모양을 바꾼다. 비선형 부하장치는 (기본적인 주파수의) 원래 AC 전류에 고조파 전류를 생성하게 된다. 게다가 캐패시터와 인덕터 같은 선형 컴포넌트는 이런 고조파 전류를 없애지 못하기 때문에, 교류 전류의 각기 사이클에서 나오는 이들 전류를 부드럽게 하여 생성된 고조파 전류를 줄이기 위해 필터나 능동 역률 조정 같은 방법이 요구된다.
회로 내에서는 오직 사인 파형의 전류와 전압만을 가지므로, 역률 효과는 전류와 전압 사이의 파형 차이가 있을 때만 나타난다. 이것은 희귀하게 "변위 역률" 이라고도 알려져 있다. 이 개념은 표면 전력이 모든 고조파 컴포넌트를 포함하는 곳에서 전체, 왜곡, 또는 실 역률로 일반화 될 수 있다. 이것은 정류기, 전자 광원의 형태, 전자 아크 용광로, 용접 장비, 스위치 방식의 파워 서플라이 등의 기기 같은 비선형 부하장치를 포함하는 실제 전력 시스템에서 중요하다.
보통의 멀티미터는 비 사인파형 부하장치로 인해 떨어지는 AC 전류를 측정하려 할 때 부정확한 결과를 주게 된다. 완벽한 RMS 멀티미터는 실제적인 RMS 전류와 전압 값을 (그리고 이것으로 표면전력까지) 측정할 수 있어야 한다. 실효 전력이나 무효 전력을 측정하기 위해서는, 비 사인파형 전류에서 제대로 동작하게 설계된 전력미터계가 꼭 쓰여야 한다.
스위치 방식의 파워 서플라이들
비선형 부하 장치에서 특히 중요한 클래스는 몇백만대의 PC에서 보통 쓰이는 스위치 방식의 파워 서플라이(SMPS) 로써 이것의 출력 전력 등급은 수 와트에서 1kW 이상까지 나와있다. 역사적으로, 아주 저가형 파워 서플라이들은 아주 간단한 전파형 정류기를 갖고 있어 순간적인 과도 전압이 입력 캐패시터 상에 들어 왔을 때만 주된 역할을 하게 된다. 이것은 아주 높은 비율의 최고-평균 입력 전류를 갖게 되는데, 이것은 또한 아주 낮은 왜곡 역률을 가지고 자칙하면 심각한 위상과 어중간한 부하를 가지게 되기도 한다.
보통의 스위칭 방식 파워 서플라이는 DC 버스를 처음 만드는데, 이 때 브릿지 정류기나 이와 비슷한 회로를 사용하게 된다. 출력 전압은 이때 이 DC 버스에서 파생되게 된다. 이것에 관련되어 나오는 문제는 정류기가 비선형 장치라는 것이며, 이로인해 입력 전류가 비선형일 확률이 높다는 것이다. 이것으로 하여금 입력 전류는 전압의 주파수에서 고조파 에너지를 가질 수 있다는 것을 의미한다.
이것은 전력 회사에서 특이한 문제를 만들어내는데, 선형 부하에서 무효전력을 소모할 수 있게 되는데, 이들은 이것을 간단한 캐패시터나 인덕터를 추가하는 것만으로는 고조파 전류를 보상할 수 없다. 이제서야 많은 규약에서 모든 파워 서플라이로 하여금 특정 전력 등급 이상으로 역률 보상에 대한 규약을 문서화 하기 시작하였다.
EU 같은 규약 협회들은 고조파 제한을 설정 하였는데 이것으로 하여금 역률 향상을 꾀할 수 있게 된다. 두가지 다른 방법의 도입으로 인해 컴포넌트의 단가는 빠르게 하락하고 있다. 현재의 EU 표준 EN61000-3-2 에 부합하기 위하여, 출력 전력이 75W를 넘는 모든 스위칭 방식의 파워 서플라이는 무조건 최소한은 패시브 PFC를 내장 하여야 한다. 80 PLUS 파워 서플라이 인증은 0.9 이상의 역률을 요구한다.
패시브 PFC
고조파 전류를 제어하는 가장 간단한 방법은 필터를 사용하는 것이다: (예를들어 50이나 60Hz 같은) 일정 주파수 이내에서의 전류만 통과하게 하는 필터를 설계하는 것은 가능하다. 이것은 고조파 전류를 줄이는데, 비선형 기기가 이제 선형 부하장치처럼 보이게 함을 의미한다. 이 시점에서 역률은 거의 동일하게 유지되는데, 캐패시터나 인덕터의 사용이 요구된다. 이 필터는 높은 값의 고전류 인덕터를 요구하지만, 이것은 크고 비싸다.
그러나, 패시브 PFC가 액티브 PFC에 들어가는 인덕터보다 약 1만배 정도 큰 인덕터를 요구한다 하더라도, 패시브 PFC의 전체 비용은 같은 용량의 액티브 PFC에 대한 전체 비용보다 보통 더 싸다.
이것은 캐패시터 모둠을 사용하여 부하의 비선형성을 조정하는 아주 간단한 방법이다. 이것은 액티브 PFC 만큼 효율적이지는 않다.
패시브 PFC들은 보통 액티브 PFC보다 더욱 전력 효율적이다. - 스위칭 컴퓨터 PSU 상의 패시브 PFC는 보통 96% 정도의 전력 효율을 가지며, 액티브 PFC는 보통 94%의 전력 효율성을 가진다.
액티브 PFC
능동 역률 보상기 (액티브 PFC, Active Power Factor Corrector) 는 전력 전기 시스템으로써 가능한한 역률을 일정하게 유지시키기 위하여 부하 장치로 인한 전력 소모량을 조종한다. 대부분의 어플리케이션에서, 액티브 PFC 제어는 부하 장치의 입력 전류를 조종하여 전류 파형이 (사인 파형의) 전압 파형에 비례하게 된다.
몇몇 액티브 PFC로는
1.Boost
2. Buck
3. Buck-Boost
2. Buck
3. Buck-Boost
액티브 PFC는 한개 스테이지나 다수개 스테이지로 나뉜다.
스위치 방식의 파워 서플라이의 경우, 부스트 컨버터가 브릿지 정류기 사이에 삽입되며 입력 캐패시터를 관리하게 된다. (http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter) 부스트 컨버터는 전류 소모 시 출력 측에 있는 DC 버스 전압을 일정하게 유지 시키려 하는데 일정한 전압이기 때문에 언제나 위상이 일치하며 같은 주파수를 가지게 된다. 파워 서플라이 내의 또다른 스위치 방식 컨버터는 DC 버스에서 원하는 출력 전압을 생성해낸다. 이런 방식의 접근으로는 추가적인 반도체 스위치와 제어 회로를 요구하게 되지만, 더 싸고 작은 피동 컴포넌트를 사용할 수 있게 한다. 이것은 실제 자주 사용된다. 예를들어, 패시브 PFC가 있는 SMPS는 0.7~0.75 정도의 역률을 유지할 수 있으며, 액티브 PFC가 있는 SMPS의 경우에는 최대 0.99의 역률을 유지할 수 있는데, 어떠한 역률 보상도 없는 SMPS의 경우 역률은 0.55~0.65 수준밖에 되지 않는다. 아주 넓은 입력 전압으로 인해, 액티브 PFC를 가진 많은 파워 서플라이들은 자동적으로 100V(일본) 부터 240V(영국) 까지의 AC 전력에서 동작할 수 있게 자동적으로 조정된다. 이 기능은 노트북에서의 파워서플라이에서 특히 환영하고 있다.
분배 시스템에서의 역률의 중요성
주변기기 회사 고객들이 역률에 대해 신경쓰는 주된 이유는 사실 VA 뿐만이 아니라, 전력 와트에 대한 가격 때문이기도 하다. 1.0 이하의 역률이라면 실효 전력을 공급하기 위해 필요한 최소 VA 양이 좀 더 많아야 한다. 이것은 생성/전송 비용을 증가 시키게 된다. 예를들어, 만약 부하 역률이 0.7 정도로 낮으면, 표면 전력은 부하 전력에서 쓰이는 실효 전력보다 1.4배정도 커야 한다. 회로 내의 도선 전류는 역률이 1.0일때보다 필요한 전류의 1.4배가 되므로, 회로 내의 손실은 배가 된다. (이들은 전류의 제곱에 비례하기 때문이다.) 대체책으로 시스템 내의 모든 컴포넌트, 예를들면 발전기, 컨덕터, 트랜스포머, 그리고 스위치기어 같은 것들이 추가적인 전류를 전달하기 위해 크기(와 단가) 가 증가될 것이다.
업계들은 일반적으로 몇몇 제한선 이하의 역률을 가지는 고객들에게 추가적인 비용을 물리는데, 이 제한선은 보통 0.9에서 0.95 선이다. 엔지니어들은 종종 부하의 역률을 전력 전송 효율에 영향을 끼치는 중요한 요인으로 간주하기도 한다.
역률 측정
1개 위상을 가진 회로 (아니면 균형잡힌 3개 위상을 가진 회로) 내의 역률은 전력미터-암페어미터-전압미터기 방법으로 측정될 수 있는데, 와트를 가진 전력은 측정된 전압과 전류로 나뉘기 때문이다. (P=VI) 다수 위상으로 균형잡힌 회로의 역률은 어느 상에서라도 같은 방법으로 계산 가능하다. 균형잡히지 않은 다수 위상 회로의 역률은 특별히 정의된 방법이 없다.
역률 미터기를 바로 읽어내는 것은 전기 역학 종류의 이동 코일 미터계로 만들어질 수 있는데, 두개의 수직 코일이 이동 부분에 들어가 있다. 이 장치의 장(場)은 회로에 흐르는 전류로 인해 에너지를 받게 된다. 두개의 이동 코일은, A와 B로 칭하면, 회로 부하에 대해 병렬로 연결되어 있다. A라는 코일은, 저항을 통해 연결되며 B라는 두번째 코일은, 인덕터를 통해 연결이 되므로, 코일 B에 흐르는 전류는 A에 흐르는 전류보다 상대적으로 늦어진다. 일정한 역률에서는, A 에서의 전류는 회로 전류와 위상이 같으며, 코얼 A는 최고의 토크를 제공하며, 장치의 포인터를 1.0이라는 눈금에 표시시키게 된다. 역률이 0인 경우, 코일 B의 전류는 회로 전류와 같은 상이 되며, 코일 B에 토크를 제공함으로써 포인터는 0을 가리키게 된다. 역률의 값이 중간 값일때, 토크는 두개 코일에 의해 제공되며 포인터는 중간 정도에 위치하게 된다.
또다른 전자기계방식 장치로는 편파-계 방식이 있다. 이 장치 내에서는 고정된 장 코일이 있어 마치 다수 상 모터 같은 회전 자기장을 생성하게 된다. 이 장 코일은 다수 상의 전압 소스나, 한개 상의 어플리케이션이라면 페이즈 이동 리액터로 직접 연결되게 된다. 두번째 고정 장 코일은, 전압 코일에 수직인데, 회로의 한개 위상에서의 전류에 비례하는 전류를 전달한다. 이 장치의 이동 시스템은 두개의 지시계가 있어 이것들은 전류 코일에 의해 자기화 된다. 동작 중에는 움직이는 지시계가 전압원과 전류원 사이의 전자각에 동등하게 물리각도를 움직이게 된다. 이런 종류의 장비는 양방향으로의 전류를 알수 있게 하는데, 역률이나 위상각을 4개 디스플레이로 제공한다.
디지털 장비는 전압과 전류 파형 간의 시간차를 직접 측정하여 역률을 계산할 수 있거나, 회로 내의 실효/표면 전력 모두를 측정하여 몫을 계산할 수 있다. 첫번째 방법은 전압과 전류가 사인 파형일 때만 정확하다.; 정류기 같은 부하장치는 사인 파형 모양에서 파형을 왜곡시키게 된다.
기억하기 쉽게
영어 계열의 전력 엔지니어링 학생들은 이렇게 숙지 하기를 추천한다.: "ELI the ICE man" 이나 "ELI on ICE" - 전압 E는 인덕터 L에서 전류 I보다 앞선다, 전류는 캐패시터 C에서 전압을 앞선다.
또는 더욱 짧게 : CIVIL - in a Capacitor the I (current) leads Voltage, Voltage leads I (current) in an inductor L.
(Capacitor 내에서 전류 I는 Voltage를 앞서며, Voltage은 인덕터 L 내에서 전류 I를 앞선다.)
References
(Capacitor 내에서 전류 I는 Voltage를 앞서며, Voltage은 인덕터 L 내에서 전류 I를 앞선다.)
References
- A. K. Maini "Electronic Projects for Beginners", "Pustak Mahal", 2nd Edition: March, 1998 (India)
- ^ EEE Std. 100 Authoritative Dictionary of Standards Terms, 7th editionISBN 0-7381 -2601 -2
- ^ IEEE Std. 1459 says (Note 1, section 3.1.1.1) real power only flows to the load and can never be negative
- ^ The 80 PLUS Program | The 80 Plus Program
- ^ "Power Supply Design Principles ... Part 3" by Ben Schramm
- ^ "Quasi-active power factor correction with a variable inductive filter: theory, design and practice" and "Quasi-active Power Factor Correction: The Role of Variable Inductance" by Wolfle, W.H.; Hurley, W.G.
- ^ "ATX Power Supply Units Roundup" The power factor is the measure of reactive power. It is the ratio of active power to the total of active and reactive power. It is about 0.65 with an ordinary PSU, but PSUs with active PFC have a power factor of 0.97-0.99. ... hardware reviewers sometimes make no difference between the power factor and the efficiency factor. Although both these terms describe the effectiveness of a power supply, it is a gross mistake to confuse them. ... There is a very small effect from passive PFC – the power factor grows only from 0.65 to 0.7-0.75."
- ^ "The Active PFC Market is Expected to Grow at an Annually Rate of 12.3% Till 2011" "Higher-powered products are also likely to use active PFC, since it would be the most cost effective way to bring products into compliance with the EN standard."
- ^ TECHarp: "Power Factor Correction" "Passive PFC ... the power factor is low at 60-80%. ... Active PFC ... a power factor of up to 95%"
- ^ "Why we need PFC in PSU" "Normally, the power factor value of electronic device without power factor correction is approximately 0.5. ... Passive PFC ... 70~80% ... Active PFC ... 90~99.9%"
- ^ "PFC options for power supplies" by Tom Brooks 2004 "The disadvantages of passive PFC techniques are that they typically yield a power factor of only 0.60 to 0.70 ... Dual-stage active PFC technology [yields] a power factor typically greater than 0.98"
- ^ "Comparison between passive and active PFC solutions for a 250-W ATX application."
- ^ Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition,McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07020974-X page 3-29 paragraph 80
- ^ Meter and Instrument Department, Manual of Electric Instruments Construction and Operating Principles, Manual GET-1087A,General Electric Company, Schenectady, New York, 1949 pp. 66-68
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