역률(Power Factor) 개선이 중요한 이유와 효과적인 해결 방법

역률(Power Factor) 개선이 중요한 이유와 효과적인 해결 방법

 

 

 

 

1. 역률의 개념 및 정의

(1) 역률(Power Factor)란?
  - 역률이란 전력 시스템에서 실제 유효전력(Real Power)과 피상전력(Apparent Power) 간의 비율을 나타내는 값임
  - 전기적으로 표현하면 역률은 유효전력(kW) / 피상전력(kVA) 로 정의되며, 수식으로는 다음과 같음

P : 유효전력 (kW)
S : 피상전력 (kVA)
θ : 전압과 전류 간 위상각

 

  - 이상적인 전력 시스템에서는 유효전력이 피상전력과 동일하여 역률이 1(또는 100%) 이 되어야 하지만,
  - 일반적인 산업 환경에서는 유도성 부하(Inductive Load)로 인해 역률이 1보다 낮아지는 경우가 많음

(2) 역률이 낮다는 것은 무엇을 의미하는가?
  - 역률이 낮다는 것은 유효전력에 비해 무효전력(Reactive Power)이 많다는 것을 의미함
   무효전력은 실제 일을 하지 않지만 전력 시스템 내에서 추가적인 부하를 발생시키므로 전력 손실을 초래함
  - 따라서 역률이 낮아지면 같은 전력을 공급하기 위해 더 많은 전류가 흐르게 되어 송전선, 변압기 등의 

    전력 설비에 불필요한 부담을 주게 됨

 

 

 

 

2. 역률 저하의 원인

(1) 유도성 부하(Inductive Load)의 증가
  - 대부분의 산업용 기기(전동기, 변압기, 조명기기 등)는 유도성 부하를 가지며, 이는 전류가 전압보다 지연되도록 만듦
  - 특히 대형 전동기와 같은 기기들은 전력을 공급받을 때 상당한 무효전력을 필요로 하기 때문에 역률이 낮아짐

 

(2) 부하 변동에 따른 역률 변동
  - 부하가 일정하지 않고 변동이 심한 경우, 특정 부하가 증가할 때 무효전력의 비율도 함께 증가할 수 있음
  - 특히 가변적인 부하(예: 용접기, 대형 프레스 기계 등)는 순간적으로 높은 무효전력을 요구하며,

    이로 인해 역률이 저하될 수 있음

 

(3) 불필요한 무효전력 소비
  - 일부 부하들은 필요 이상으로 무효전력을 소모하며, 이는 전력 시스템의 효율을 낮추고 손실을 증가시킴
  - 예를 들어, 오래된 형광등 조명기구나 오래된 전동기는 역률이 낮아지는 주요 원인이 됨

 

(4) 고조파(하모닉, Harmonics) 영향
  - 전력 전자 장치(인버터, 정류기, 컨버터 등)에서 발생하는 고조파는 전류의 형태를 왜곡시켜 유효전력 전달을 방해함
  - 이는 결과적으로 역률을 낮추는 원인이 됨

 

(5) 전동기 경부하 운전
  - 전동기가 적절한 부하 조건에서 운전되지 않고, 정격 부하보다 낮은 상태에서 지속 운전될 경우 역률이 저하됨
  - 전동기는 정격 부하에서 가장 높은 역률을 가지며, 부하가 낮을수록 역률이 저하됨

 

 

 

 

3. 역률 개선의 필요성

(1) 전력 설비의 효율 증가
  - 역률이 낮으면 같은 전력을 공급하기 위해 더 많은 전류가 필요하며, 이로 인해 송전선과 변압기의 부하가 증가함
  - 역률을 개선하면 같은 부하에서 흐르는 전류량이 줄어들어 전력 설비의 과부하를 방지할 수 있음

 

(2) 전력 요금 절감

  - 한전의 전기요금 체계에 따르면, 역률이 기준 역률을 초과할 경우 기본요금의 일정 비율만큼 감액되며,

    미달할 경우 추가 요금이 부과됨.

  - 예를 들어, 역률이 90%에서 91%로 개선되면 기본요금의 0.2%가 감액되며, 95%까지 개선하면 총 1%의

    기본요금이 절감됨.

 

(3) 전압 강하(Voltage Drop) 감소
  - 낮은 역률에서는 불필요한 전류가 흐르게 되어 전압 강하가 커짐
  - 역률을 개선하면 전압 강하가 줄어들어 전력 품질이 향상됨

 

(4) 송배전 손실 감소
  - 전류가 많이 흐를수록 송배전 손실(I²R 손실)이 증가함
  - 역률을 개선하면 불필요한 전류 흐름을 줄일 수 있어 전력 손실이 감소함

 

 

 

 

4. 역률 개선을 위한 커패시터 적용

 

(1) 커패시터(Capacitor)란?
  - 커패시터(콘덴서)는 유도성 부하로 인해 발생하는 무효전력을 상쇄시켜 역률을 개선하는 장치임
  - 유도성 부하는 전압보다 전류가 지연되는 특성을 가지는데, 커패시터는 이와 반대로 전류가 전압보다 앞서도록

    보상하여 역률을 개선함

 

(2) 커패시터의 동작 원리
  - 전력 시스템에서 유도성 부하(전동기, 변압기 등)가 많아지면 역률이 낮아지는데, 커패시터는 이를 보상하여

    역률을 높임
  - 커패시터는 무효전력을 공급하여 전력망에서 불필요한 무효전력 흐름을 줄여줌

 

(3) 커패시터 적용 방식

① 개별 보상(Individual Compensation)
  - 특정 기기에 개별적으로 커패시터를 설치하는 방식
  - 보통 전동기, 용접기, 변압기 등 대형 부하에 적용됨
  - 개별 장비의 역률을 즉각적으로 개선하는 효과가 있음

 

② 그룹 보상(Group Compensation)
  - 여러 개의 부하가 모여있는 배전반(MCC)이나 부하 그룹 단위에서 커패시터를 설치하는 방식
  - 동일한 특성을 가진 여러 개의 부하가 동시에 작동할 경우 적합함

 

③ 중앙 보상(Centralized Compensation)
  - 전체 전력 계통(변전소, 공장 메인 배전반 등)에서 역률 보상을 위해 커패시터를 설치하는 방식
  - 대규모 시설에서 역률을 일정 수준 이상으로 유지하기 위해 사용됨
  - 자동 역률 보상 시스템(APFC, Automatic Power Factor Correction)과 함께 사용될 수 있음

 

(4) 커패시터 용량 선정 방법
  - 커패시터의 용량은 부족할 경우 효과가 미미하고, 과도할 경우 역률이 1을 초과하여

    역률 과보상(Leading Power Factor)이 발생할 수 있음
  - 일반적으로 목표 역률을 0.95~0.98 수준으로 설정하고, 부하의 특성에 맞춰 커패시터 용량을 계산해야 함

 

 

 

 

5. 결론

  - 역률이 낮아지면 불필요한 전류가 흐르게 되어 전력 손실과 설비 과부하가 발생함
  - 역률을 개선하면 전력 설비의 효율을 높이고 전력 요금을 절감할 수 있음
  - 역률 개선을 위해 커패시터를 적절히 적용하면 유도성 부하로 인해 발생하는 무효전력을 보상하여

    효율적인 전력 운용이 가능함
  - 개별 보상, 그룹 보상, 중앙 보상 방식 중 적절한 방법을 선택하여 역률을 최적화해야 함