전력의 기초(1)

교류와 실효치

우리들이 주변에서 사용하는 전기로써는 건전지나 축전지 등에서 공급되는 직류

(방향과 크기가 항상 일정한 전압)와 일반가정의 콘센트에 전력회사에서 공급되는(단상) 교류

(시간과 더불어 사인곡선(정현파) 모양으로 방향과 크기가 주기적으로 변화하는 전압)인 2종류가 있습니다.
직류와 교류의 크기 관계를 이해하기 위해서는 백열전구(저항부하)의 발광을 생각해 보도록 합시다.

전구를 동일한 밝기로 밝히기 위해서는 직류나 교류 모두 동일한 크기의 전력이 필요하며,

정격이 100V인 전구에 100V의 직류전압을 추가하였을 때와 같은 밝기에서,

그 전구를 교류로 발하기 위해서는 100×=141(V) 진폭의 교류전압이 필요합니다.

그러나 실질적으로 동일한 효과가 있는 직류전압과 교류전압의 크기는 공통의 값으로 표현하는 것이

편리하기 때문에 직류 100(V)와 실효적으로 동일한 진폭 141(V)의 교류전압을

[실효치 100V의 (교류)전압]으로 표현합니다.

가정에 있는 콘센트로 얻을 수 있는 교류 100V는 이 실효치로 표현됩니다(그림1).

위상차와 역율

저항 이외에 코일(인덕턴스)이나 콘덴서(캐퍼시턴스)가 달린 기기(부하)에 교류전압 e를 가하면

흐르는 전류와의 사이에 위상차 가 생깁니다.

인덕턴스성(인덕턴스+저항)부하에 흐르는 전류 iL은 e에 대해 느린 위상이 됩니다(그림2).
직류의 경우 전압V와 전류I를 곱한 것을 전력이라 합니다.

P=VㆍI

전압의 단위는 V(볼트), 전류의 단위는 A(암페어), 전력의 단위는 W(와트)입니다.

교류의 경우는, 변동 사이클 전체에 걸쳐 순시전압과 순시전류의 합을 구한 후 이를 평균한 것을

유효전력(실효전력 또는 단순히 전력)이라 정의하며, 아래 (1)식과 같이 나타낼 수 있습니다.

P=VeㆍIeㆍcos 　　　　ㆍㆍㆍ(1)

Ve는 전압의 실효치, Ie는 전류의 실효치이며 VeㆍIe를

피상전력(단위는 VA : volt-ampere, 볼트 암페어)이라 합니다.

여기에서 나타내고 있는 cos를 역율이라 합니다. 는 전압과 전류의 위상차입니다.

직류에는 그 본질적으로 위상은 없지만, 교류에는 위상이 있습니다. 전압과 전류의 위상차가 커지면

역율은 작아집니다.

히터나 백열전구 등의 저항부하에서 역율은 1(=0, 위상차)이기 때문에,

직류와 교류의 전력은 동일 식으로 나타냅니다.

형광등이나 모터 등 콘덴서(캐퍼시턴스)나 코일(인덕턴스)의 부하에서 전압과 전류간에 빠르거나

느려지는 위상차가 발생하기 때문에, 유효전력만이 아니라 무효전력

(단위는 var : volt ampere reactive, 발)이 발생합니다.

콘덴서나 코일은 전력을 소비하지는 않지만 전력의 주고받음은 이루어집니다.

이 송수전에 의해 배전선에서 전력은 소비되기 때문에 위상차가 클수록 전력을 효과적으로

이용할 수 없게 됩니다.
어느 만큼의 전력이 효과적으로 사용되었는지를 나타내는 비율이 역율(cos)입니다(그림3).
코일에 교류전압을 가하면 전류의 위상은 90°느려집니다.

모터 등의 인덕턴스 부하에서는 위상이 느려집니다.

느리다는 것은 전압에 대해 전류의 위상이 느리다는 의미입니다.

의 값은 플러스가 됩니다.

 

출처: 엠시스템 홈페이지