전력(유효전력, 무효전력, 피상전력)

전력의 종류, 의미, 특징

 

전력은 부하에 전달되는 전기에너지입니다. 일반적으로 전력의 단위는 와트[W]로 많이 알고 있겠지만 이는 교류계통에서의 유효전력의 단위입니다. 우리가 집중해야 하는 것은 유효전력이지만 전력의 종류는 유효전력, 무효전력, 피상전력 등 다양하게 있습니다. 이번 시간에는 이러한 전력의 종류와 의미, 특징 등을 알아보도록 합시다.

 

 

배경지식 : 복소수

복소수는 실수와 허수로 이루어진 수 체계입니다. 허수는 제곱하여 -1이 되는 수로써 일반적으로 i라는 기호로 많이 알고 있을 것입니다. 전기분야에서는 전류를 표현할 때 i를 사용하기 때문에 허수의 기호로 j를 사용합니다. 교류회로에서 전압과 전류의 위상 차이가 발생하기 때문에 전력 또한 유효전력과 무효전력으로 나누어지게 됩니다. 이를 포함한 전력을 피상전력이라고 정의하는데 피상전력[VA]에서 실수부는 유효전력[W]을 나타내고 허수부는 무효전력[Var]을 나타냅니다.

 

종류

유효전력(Active Power, P) : 유용한 작업을 수행하기 위해 회로나 장치에서 소비하거나 사용하는 실제 전력을 나타냅니다. 와트[W] 단위로 측정하며 전기 시스템에서 열, 빛, 기계적 동작 및 기타 형태의 작업 생성과 같은 작업을 수행하는 역할을 합니다. 직류회로에서는 전압과 전류의 위상이 존재하지 않기 때문에 모든 전력이 유효전력이지만 교류회로에서는 전압과 전류의 위상차가 발생하기 때문에 발생한 전력의 일부가 유효전력으로 적용됩니다. 실제 전력(피상전력)에서 얼마나 유효전력으로 적용하는지 나타내는 파라미터를 역률(Power Factor)이라 하며 전압과 전류의 위상 차이의 cos(코사인)값으로 정의합니다.

무효전력(Reactive Power, Q) : 부하에 실질적으로 적용하지 않지만 유도성, 용량성 리액턴스에서 흡수 및 방출하며 진동하는 전력으로 단위는 바[Var]를 사용합니다. 이러한 무효전력은 계통의 역률을 조절하여 전력효율을 높이는 역할을 합니다. 일반적으로 송전 시 사용하는 전선은 ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforce)을 사용하는데 전선은 가는 연선들을 비틀어 만들기 때문에 인덕턴스를 가지게 됩니다. 따라서 이는 지상역률(전류의 위상이 전압보다 뒤처짐)을 가지게 하여 역률을 낮게 만드는데 이를 보상하기 위해 부하 측에 역률보상기(커패시턴스)를 장착하여 진상전류(전류의 위상이 전압보다 앞섬)를 흘려 역률을 보상하도록 합니다.

피상전력(Apparent Power, S) : 피상전력은 유효전력과 무효전력을 합친 개념으로써 단위는 볼트-암페어[VA]를 사용합니다. 피상전력의 크기는 계통에 공급되는 실제 전압의 크기와 전류의 크기의 곱(여기서 크기는 모두 rms값입니다)이며 위상은 전압의 위상에서 전류의 위상을 뺀 값을 사용합니다. 일반적으로 지상역률을 가지는 전력입니다.

 

이렇듯 이번 시간에는 다양한 전력의 종류와 의미, 특징 등을 살펴보았습니다. 교류회로는 크기, 위상, 주파수, 파형 등 고려해야 하는 파라미터가 많기 때문에 전력을 해석할 때도 역률 등을 고려하여 생각해야 합니다. 다음시간에는 또다른 전기이론을 소개하도록 하겠습니다.