역율(Power Factor : PF) 및 전류고조파 함유율(Total Harmonic Distortion : THD) 란 무엇인가?

역율(Power Factor : PF) 및 전류고조파 함유율(Total Harmonic Distortion : THD) 란 무엇인가?

 

 

1. 역율(Power Factor : PF)이란 무엇인가?

안정기의 입력 단자 사이에 정격 주파수의 정격입력전압을 가하고 램프를 연결하여 점등 시키고 전압과 전류를 그림과 같이 측정하여 공식에 의거 역율을 산출한다.

< Fig01. 입력전류 및 입력전력 측정회로 >

 

1) 범위(0에서 1 사이의 값)

역율은 0에서 1 사이의 값으로 나타납니다. 역율이 1에 가까울수록 시스템이 전력을 효율적으로 사용하고 있으며, 역율이 낮을수록 전력의 낭비가 더 많습니다.

 

2) COS(θ) 또는 PF값

역율은 주로 COS(θ) 또는 PF(역율)로 표현됩니다. 이것은 실제 전력과 유효 전력 간의 각도 차이를 나타내는 코사인 값입니다. PF는 주로 0에서 1 사이의 값으로 나타내며, 1일 때는 역율이 높다는 것을 의미하고, 0에 가까워질수록 역율이 낮아집니다.

 

3) 유효 전력과 피상 전력

역율은 주로 유효 전력(실제 전력)과 피상 전력 간의 비율로 계산됩니다. 유효 전력은 실제로 작업을 수행하는 데 사용되는 전력을 나타내며, 피상 전력은 시스템에서 흐르는 전체 전류와 전압 사이의 곱으로 나타내며, 역률을 낮출 때 주로 변압기, 모터 및 콘덴서 뱅크와 같은 장치에서 발생합니다.

 

4) 효율성과 비용

역율은 전력 회로 및 시스템의 효율성과 관련이 있습니다. 역율을 향상시키는 것은 전력 회로 및 시스템의 에너지 효율성을 높이고, 에너지 소비를 줄이며, 전기 요금을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

5) 법적 규정 및 표준

역율은 다양한 규제 및 표준에서 중요한 역할을 합니다. 일부 국가와 지역에서는 역율을 개선하기 위한 규제와 보조금을 제공하기도 합니다.

 

역율을 높이기 위한 방법에는 역률 보정 장치의 사용, 콘덴서 뱅크의 추가, 모터 및 변압기의 효율적인 설계 및 운영 등이 포함된다.

 

 

2. 전류고조파 함유율(Total Harmonic Distortion : THD) 이란 무엇인가?

전류 고조파 함유율(THD - Total Harmonic Distortion)은 전류 파형에서 고조파의 비율을 나타내는 지표이다. THD는 일반적으로 백분율로 표현되며, 전체 전류 파형에서 고조파의 상대적 크기를 알려준다. 전류 파형이 완벽한 사인파(기본 주파수 성분만을 포함하는 파형)인 경우 THD는 0%이다. 그러나 현실적인 전류 파형은 다양한 고조파를 포함할 수 있으므로 THD가 0%가 아닐 것이다.

 

< Fig.02 전류고조파함유율 측정회로 >

 

고조파는 전자회로의 L(코일), C(콘덴서)등 비선형 부하에 의한 전류외곡에 의해 발생한다. 이 것은 상용전원의 기본파(60Hz)에 대한 정 배수인 주파수 성분의 합성으로 분석되며, 기본파 전류에 대한 고조파 성분의 전류비를 전류고조파 함유율 이라 한다.

 

전류 고조파 함유율을 계산하는 일반적인 방법은 다음과 같다.

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먼저 전류 파형의 기본 주파수 성분을 측정하거나 계산한다. 기본 주파수는 전류 파형의 기본 주파수 성분으로, 대개 50Hz 또는 60Hz(국가 및 지역에 따라 다름)이다.

다음으로, 전체 전류 파형에서 기본 주파수 성분을 제외한 모든 고조파 성분의 크기를 측정하거나 계산한다.

고조파 성분의 크기를 기본 주파수 성분의 크기로 나누고 100을 곱하여 THD를 백분율로 표현한다.

 

수식으로 나타내면 다음과 같다.

· THD(%) : 전류 고조파 함유율

· I1 : 기본 주파수 성분의 크기

· I2, I3,...,In : 고조파 성분의 크기

 

전류 고조파 함유율은 전력 품질 평가 및 전기 장비의 안전 및 효율성 평가에 중요한 역할을 합니다. 고조파가 높은 경우 전력 품질 문제 및 장비 고장의 원인이 될 수 있으므로 이를 측정하고 관리하는 것이 중요합니다.

 

 

3. 전류 고조파 발생원

고조파 발생원인은 대부분 비선형 부하에서 발생하며 각종 전력변환 시스템의 전력소자(Power electronic, Diode, SCR등)를 사용하는 기기에서 발생하며 그 종류로는 아래와 같다.

 

① 변환장치(인버터, 컨버터, 무정전전원장치, 정류기등)

② 형광등,전기로

③ 회로기기

④ 변압기

 

 

4. 전류 고조파의 영향

전류 고조파는 전기 회로 및 전력 시스템에서 다양한 영향을 가질 수 있다. 이러한 영향은 전류 고조파의 크기, 주파수 및 형태에 따라 다를 수 있으며, 일반적으로는 다음과 같은 영향을 미칠 수 있다.

1) 전력 손실 (Power Loss)

고조파는 전력 손실을 초래할 수 있다. 고조파는 저주파수 성분에 비해 높은 주파수 성분을 포함하므로 전기 회로의 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스에서 추가 손실을 발생시킬 수 있다.

 

2) 전압 및 전류의 왜곡 (Voltage and Current Distortion)

고조파는 전압과 전류의 파형을 왜곡시킬 수 있으며, 이는 전력 품질을 저하시킬 수 있다. 이러한 왜곡은 전력 선로 및 전기 장비에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 다른 장치 및 시스템과의 상호작용을 유발할 수 있다.

 

3) 전기 장비의 과열 (Overheating of Electrical Equipment)

고조파는 전기 장비 내에서 열을 생성할 수 있으며, 이로 인해 전기 장비의 과열 문제가 발생할 수 있다. 이러한 과열은 전기 장비의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심각한 경우 장치의 고장을 유발할 수 있다.

 

4) EMI (전자기 간섭) 발생

고조파는 주변 전자 기기나 통신 시스템과의 전자기 간섭을 유발할 수 있다. 이는 무선 통신, 라디오, 텔레비전 등의 장치에 영향을 미칠 수 있으며, 전자기 간섭을 줄이기 위해 필터링 및 차폐 장치가 필요할 수 있다.

 

5) 전력 품질 악화

고조파는 전력 품질을 저하시키는 요소 중 하나일 수 있으며, 민감한 전기 장비나 시스템에 영향을 미칠 수 있다. 이로 인해 데이터 손실, 장비 고장 또는 제어 시스템의 문제가 발생할 수 있다.

전류 고조파를 관리하고 제어하기 위해서는 고조파 필터링, 트랜스포머 및 콘덴서 설계 등 다양한 방법과 장치가 사용된다. 또한 전력 품질 표준과 규정을 준수하여 고조파의 영향을 최소화하는 것이 중요하다.