유효전력, 무효전력, 피상전력의 이해

1. 무효전력

인덕터 및 커패시터와 같은 무효 부하가 제로 전력을 소비한다는 것을 알고 있지만 전압을 떨어뜨리고 전류를 끌어온다는 사실은 실제로 전력을 소비한다는 것입니다. 이러한  "팬텀 전력"을 무효 전력이라고 하며 와트가 아닌 VAR(Volt-Amps-Reactive)이라는 단위로 나타내며 무효 전력에 대한 수학적 기호는 대문자 Q입니다.

 

2. 유효전력

회로에서 사용되거나 소비되는 전력의 실제 양을 실제 전력이라고 하며 와트(W)로 나타내며 유효 전력에 대한 수학적 기호는 P입니다. 

 

 

 

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3. 피상 전력

무효 전력과 실제 전력의 조합을 피상 전력이라고 하며, 위상각을 참조하지 않고 회로의 전압과 전류의 곱입니다.

피상 전력은 볼트-암페어(VA) 단위로 측정되며 대문자 S로 기호됩니다.

  

 

 

 

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4. 파워 트라이앵글이란 ?

전력 삼각형은 직각 삼각형에서 AC 회로의 유효 전력, 무효 전력 및 피상 전력을 나타냅니다. 직각 삼각형의 세 변은 세 거듭제곱 사이의 관계를 보여줍니다. 전력 삼각형은 3개의 전력 중 2개가 알려진 경우 AC 회로의 전력(유효, 무효 및 피상 전력)을 계산하는 데 유용한 도구입니다.

 

순수 저항, 유도 용량 성 또는 RL, RC, RLC, LC 등의 조합과 같은 전기 부하의 많은 조합이 있습니다. 유도성 및 용량성 부하는 소스에서 무효 전력을 끌어오고 전력을 다시 소스로 피드백합니다.

 

 

 

회로 전류의 지연 또는 선행은 전기 부하의 유형에 따라 다릅니다. 순수 저항 회로는 인가된 전압과 위상이 같은 전류를 끌어옵니다. 전압과 전류는 저항 회로에서 위상이 같습니다.

 

 

 

 

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순수 유도 회로는 인가 전압보다 90 전기 각도 지연되는 전류를 끌어옵니다. 순수 유도 부하 및 RL 부하에 대한 전압 및 전류의 위상 다이어그램은 다음과 같습니다.

 

 

 

 

그리고 순수 정전 용량 회로는 인가 전압 90 전기 각도를 이끄는 전류를 끌어옵니다. 선행 또는 지연 전류는 회로에 무효 전류를 유발합니다. 순수 용량성 부하 및 RC 부하에 대한 전압 및 전류의 위상 다이어그램은 다음과 같습니다.

 

 

 

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위의 페이저 다이어그램에서 유도성 및 용량성 회로가 무효 전류를 끌어온다는 것이 분명합니다. 따라서 회로의 총 전류는 활성 전류와 무효 전류의 벡터 합입니다. 능력, 무효 및 겉보기 전력을 직각 삼각형으로 표시할 수 있습니다.

 

무효 성분은 무효 전류를 끌어오며 그 크기는 ISinɸ입니다. 능동 성분은 능동 전류를 끌어오며 그 크기는 I Cosɸ입니다. 전류(ISinɸ)와 전압(V)의 무효 성분의 곱은 무효 전력입니다. 전류의 능동 성분 (I Cosɸ)과 전압 (V)의 곱은 유효 전력입니다. 활성 전력과 무효 전력의 결과 벡터 합은 피상 전력입니다.

 

AC 회로의 이 세 가지 힘을 다음과 같은 방법으로 삼각형으로 나타냅니다.

 

- 트라이앵글 베이스 = 유효 전력

- 수직 = 무효 전력

- 빗변 = 피상 전력

 

직각 삼각형의 변에서 유효 전력, 무효 전력 및 피상 전력의 세 가지 거듭제곱을 모두 나타낼 수 있습니다.

 

 

 

 

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부하가 소비하는 실제 전력은 유효 전력 또는 실제 전력입니다. 유효 전력은 부하가 소비하는 에너지이며 와트(W), KW 또는 MW로 나타냅니다. 

 

유효 전력 (P) = VI Cosɸ [ Cosɸ = 역률 ]

 

 

무효 소자는 축전기와 유도기이며 이 회로 소자들은 공급원으로부터 무효 전력을 끌어냅니다. 무효 전류는 인가된 전압에 따라 지연되거나 리드합니다. 이 회로 소자들은 양의 반주기에서 전류를 끌어내고 음의 반주기에서 공급원으로 전류를 전달합니다.

 

따라서 무효 회로에서 무효전력은 앞뒤로 전달되며 됩니다. 따라서 무효 전력은 와트 전력이 적기 때문에 유용한 일을 하지 않습니다. 무효전력은 VAR, KVAR 또는 MBAR로 나타냅니다. 

 

무효 전력 (Q) = VI Sinɸ

 

무효 전력은 와트 미만이지만 공급 소스에서 전류를 끌어오고 결국 총 회로 전류를 증가시킵니다. 따라서 총 전류는 전기 회로를 설계하는 데 매우 중요합니다. 유효 전력과 무효 전력을 벡터적으로 더하면 합은 피상 전력(S)과 같습니다. 피상 전력은 VA, KVA 또는 MVA로 나타냅니다. 

 

피상 전력(S) = VI*

I*는 활성 전류와 무효 전류의 벡터 합입니다.

 

유효 전력 및 무효 전력 데이터를 사용할 수 있는 경우 전력 삼각형으로 피상 전력을 계산할 수 있습니다. 파워 트라이앵글에 따른 피상 전력의 공식은 다음과 같습니다.

 

 

 

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3개의 전력 중 2개를 사용할 수 있는 경우 전력 삼각형으로 AC 회로의 전력을 찾을 수 있습니다. 그런 다음 세 가지 전력을 모두 전력 삼각형에 그려 유효 전력, 무효 전력 및 피상 전력 간의 관계를 표시할 수 있습니다.

 

파워 트라이앵글의 밑면에 있는 유효전력를 나타냅니다. 전력계는 유효 전력을 측정합니다. 유효 전력은 장비가 유용한 작업을 수행하는 데 사용하는 유용한 전력입니다. 장비 도면의 예로는 전기 모터, 오븐, 히터, 간헐천 등이 있습니다.

 

• 무효 전력(유도형)은 전기 기계의 기능에 사용됩니다. 유도 전동기는 유도 무효 전력을 끌어와 회전 자기장을 생성합니다. 유사하게, 변압기는 또한 코어에 자속을 설정하기 위해 무효 전력을 끌어옵니다. 무효 전력을 소비하지 않으면 전기 기계가 작동하지 않으며 역률 저하의 원인은 공급 장치에서 더 많은 무효 전력을 끌어오기 때문입니다.

 

• 시스템의 역률을 개선하기 위해 커패시터 뱅크를 추가하여 유도 무효 전력의 효과를 무효화합니다. 커패시터 뱅크는 유도 무효 전력의 위상 반대에서 무효 전력을 끌어오므로 회로의 순 무효 전력이 감소합니다.

 

• 피상 전력은 유효 또는 무효 여부에 관계없이 총 회로 전류를 보여줍니다. 전기 네트워크의 경제적 운영을 위해 겉보기 전력을 줄이려는 노력이 있습니다. 무효 전력이 적을수록 전송 라인의 손실이 적습니다.

 

• 유효 전력과 무효 전력을 결정한 후 전력 삼각형을 사용하여 역률을 계산할 수 있습니다.

 

 

 

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5. 전력 계산 예시

유효 전력과 무효 전력을 계산하기 위한 두 개의 방정식이 각각 있습니다.

피상 전력을 계산하는 데 사용할 수 있는 세 가지 방정식이 있으며  P=IE는 해당 목적으로만 유용합니다.

 

다음 회로는 순수 저항 부하, 순수 무효 부하 및 저항/무효 부하에 대한 유효전력, 무효전력, 피상전력을 계산하는 예시입니다. 

1) 저항성 부하

 

 

 

2) 무효 부하

 

 

 

3) 저항과 무효 부하