역률 개선이란?

역률은 AC(교류) 전력 시스템이 전력을 유용한 작업 출력으로 변환하는 효율을 설명하는 척도입니다. 역률 개선은 전력 시스템의 역률을 더욱 효율적으로 만들기 위해 개선하는 공정입니다.

AC 회로의 역률은 전기 부하가 사용하는 순시 유효 전력과 회로를 통해 흐르는 피상 전력의 비율입니다. 그리고 얼마나 효율적으로 전력이 전달되며 전력망의 부하가 전력을 사용하는지를 나타내는 척도로, 실제 작업을 수행하는 유효 전력과 회로에 공급되는 피상 전력 사이의 관계를 나타냅니다.

\[역 \; 률 = cosθ = \frac{유효 \; 전력 \; (kW)}{피상 \; 전력 \; (kVA)}\]

역률은 \(cosθ\)으로 나타내는데, 여기서 \(θ\)는 아래의 벡터 전력 삼각형에서 유효 전력과 피상 전력 사이의 각도입니다.

역률은 0과 1 사이의 수치(또는 백분율)로 표현되며, 여기서 1이라는 값(또는 100%)은 최대 효율을 의미합니다. 1보다 작은 역률은 AC 회로에서 전류와 전압이 서로 동상이 아님을 나타냅니다.

역률 개선 기법

역률 개선 기법은 전력 시스템의 역률을 1에 가깝게 개선하여 효율을 높이기 위해 사용되는 전략 및 방법입니다. 역률 개선을 달성하기 위해 다양한 기법이 사용됩니다.

동기 조상기

동기 조상기는 기본적으로 기계 부하 없이 작동하는 동기 모터로, 필요에 따라 진상 또는 지상 VAR(무효 전력)을 제공하기 위해 조정될 수 있습니다. 이 접근법을 통해 다양한 부하 조건에서 역률의 균형을 동적으로 조정할 수 있습니다.

예를 들어, 대형 풍력 발전소는 변동하는 풍속과 유도 변압기 부하로 인해 발생하는 가변 역률을 상쇄하기 위해 전력망의 연결 지점 근처에서 동기 조상기를 사용합니다. 이 동기 조상기는 동적인 조정을 통해 필요에 따라 무효 전력을 제공하거나 흡수하여 전력망 전압을 안정화하고 송전의 효율을 보장하며 손실을 최소화하여 바람의 변화에도 안정적이고 효율적인 전력 공급을 가능하게 합니다.

진상기

주로 유도 모터에 사용되는 진상기는 필요한 진상 전류를 로터에 공급하여 전원에서 발생하는 지상 VAR을 줄여주는 장치입니다. 이 기법은 모터 자체와 전체 시스템의 역률을 개선합니다. 

능동 역률 개선

능동 역률 개선은 전자 회로 및 소자에서 사용되는 기법으로, 전력전자를 사용해 부하가 소비하는 전류의 파형을 변경하여 역률을 개선합니다. 이 방법은 스위치 모드 전력 공급 장치에서와 같은 비선형 부하에 특히 효과적입니다.

컴퓨터에서 사용되는 스위치 모드 전력 공급 장치는 비선형 부하로 인해 전력 시스템에 상당한 규모의 고조파 왜곡이 발생할 수 있으며 개선하지 않으면 낮은 역률을 초래할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 여러 컴퓨터 전력 공급 장치에 능동 PFC 회로가 사용됩니다.

수동 역률 개선

수동 역률 개선에서는 역률을 개선하기 위해 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자를 사용합니다. 이 방법은 능동 역률 개선보다 더 단순하고 더 저렴하지만, 일반적으로 비선형 부하의 역률 개선 효과는 떨어집니다.

예를 들어, 유도 부하인 상업 건물의 형광 조명은 지상 역률을 발생시키며 전력 회사가 청구하는 요금이 증가하고 전기 시스템의 효율이 저하될 수 있습니다. 이를 개선하기 위해 조명 회로에는 커패시터가 병렬로 설치됩니다. 이러한 커패시터는 진상 무효 전력을 공급하여 조명이 소비하는 지상 무효 전력을 상쇄함으로써 역률을 개선합니다.

결론적으로, 이러한 기법을 통해 역률을 개선하면 에너지 비용의 절감, 시스템 용량의 증가, 전압 조정의 개선 등 상당한 이점을 얻을 수 있어 더 효율적이고 신뢰성 있는 전력 시스템이 만들어집니다.

MATLAB^®, Simulink^® 및 Simscape Electrical™을 사용하여 다양한 컴포넌트와 시스템 모델을 포함하는 내장 라이브러리를 사용함으로써 시스템의 전력 컨버터, AC 모터, 전력 시스템 안정성, 부하 흐름 및 고조파를 설계하고 시뮬레이션하며 분석할 수 있습니다. 이 접근법을 통해 다양한 조건에서 이러한 시스템의 성능과 이를 최적화하는 방법에 대한 상세한 분석을 수행할 수 있습니다. Embedded Coder^®를 사용하면 제어기의 프로덕션 코드를 생성하고 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 수행하여 다양한 동작 조건에서 제어기 성능을 평가할 수 있습니다. 이 공정을 통해 위험을 완화하고 전력 품질을 개선하기 위해 사용되는 전력전자 시스템의 성능을 최적화할 수 있습니다.