빅초이의 자본주의생존기

무효전력과 관련된 문제를 풀 때는 피상전력, 유효전력, 무효전력에 대해 알아야 한다. 

피상전력이란?

피상전력 (Apparent Power)이란 교류 전력 시스템에서 전압과 전류의 곱으로 나타나는 전체 전력을 의미한다고 한다. 피상전력은 유효전력과 무효전력을 포함하며, 이를 통해 전력 시스템의 전력 흐름을 이해할 수 있다.

유효전력과 무효전력

1. 유효전력 (Real Power, P):

• 실제로 유용한 일을 하는 전력. 즉, 실제로 소비되거나 생성되는 전력
• 단위는 와트(W).
• 전기 기기들이 실제로 소비하는 전력으로, 열, 빛, 운동 에너지 등으로 변환된다.

2. 무효전력 (Reactive Power, Q):

• 전력 시스템에서 에너지를 저장하고 방출하는 역할을 한다. 전자기장이나 전기장을 형성하는 데 사용되는 전력이며, 실제로 일을 수행하지 않지만 시스템의 전압과 전류를 유지하는 데 필요하다.
• 단위는 Var(Volt-Ampere Reactive).

피상전력을 구하는 공식

피상전력(S)은 전압과 전류의 복소수의 곱으로 구한다. 혹시 나처럼 복소수를 접한 지 오래되어 헷갈리는 사람들을 위해 간단히 짚고 넘어가자면,

전압 v = 5 +j2 처럼 실수부(5)와 허수부(j2)로 이루어진 수이다. 그렇다면 켤레 복소수란 무엇일까? 전류 i는 4 - j2로 허수부 앞에 음수 -가 붙어있는 것을 알 수 있는데, 허수부의 부호를 반대로 바꾼 복소수를 켤레 복소수라고 한다.

피상전력을 다음과 같이 표기하기도 하는데,

여기서,

• S는 피상전력 (단위: VA, Volt-Ampere)
• P는 유효전력 (단위: W, Watt)
• Q는 무효전력 (단위: Var, Volt-Ampere Reactive)

계산해 보기

복소수의 곱은 분배법칙으로 계산하면 된다. 그런데 두 번째 줄에 보면 j2와 j2가 곱해진 값이 아래줄에서 -4가 되는 것을 볼 수 있는데, 복소수에서 허수의 제곱은 -1이 성립된다. 이유까지 파고들면 너무 복잡하니 외우는 것이 좋을 거 같다. 궁금한 분은 검색해서 알아보시길...

어찌 됐든 피상전력 S = 16 + j18 [VA]에서 16이 유효전력, j18 부분이 무효전력을 나타낸다. 그러므로 무효전력 Var은 18이다.

1. 정류기: 전력을 제어하기 위한 반도체 소자를 이용하여 교류를 직류로 변환하는 장치.
2. PN 접합 다이오드: P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만든 소자로, 특정 방향으로만 전류가 흐르게 함. 이를 통해 교류를 직류로 변환할 수 있음.
3. SCR (실리콘 제어 정류기): 플러스와 마이너스 전압을 걸고 게이트에 신호를 주면 도통되는 소자. 도통된 이후에는 신호를 끊어도 계속 도통 상태를 유지하며, 반대로 전압을 걸거나 유지 전류 이하로 전류를 흐르게 하면 꺼짐.

   

4. GTO (게이트 턴 오프): SCR과 유사하지만, 게이트 신호로 켜고 끌 수 있는 소자.

   

5. 트라이액(TRIAC): 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 소자. 교류를 제어할 수 있음.

   

6. 제너 다이오드: 제너 다이오드는 특정 역방향 전압(항복 전압)을 초과할 때 전류를 흐르게 하여 전압을 일정하게 유지하는 특성을 가지고 있다. 이를 항복 특성이라고 한다. 

   

예시

CPU가 5V에서 작동한다고 가정해보자. 만약 전압이 5V를 초과하면 CPU가 고장 날 수 있다. 이때 제너 다이오드를 사용하면, 전압이 6V를 초과할 때 전류가 흐르게 되어 과도한 전압을 막을 수 있다. 전압이 항복 전압을 초과하면 전류를 통과시켜 후미단의 중요한 소자를 보호한고, 전압을 일정하게 유지한다.

항복 특성

• 항복 전압: 특정 역방향 전압을 초과할 때 전류를 흐르게 하는 전압.
• 역방향 전압: 전압이 반대 방향으로 걸렸을 때, 제너 다이오드는 항복 전압 이상이 되면 전류를 통과시킴.

연습 문제 및 답변

1. PN 접합 다이오드의 주 기능은 무엇인가?
   • PN 접합 다이오드는 특정 방향으로만 전류가 흐르게 하는 정류 작용을 한다. 이를 통해 교류를 직류로 변환할 수 있다.
2. SCR이 도통 상태를 유지하기 위한 최소 전류를 무엇이라 하는가?
   • SCR이 도통 상태를 유지하기 위한 최소 전류를 유지 전류(holding current)라고 한다.
3. GTO와 SCR의 차이점을 설명하라.
   • SCR은 게이트에 신호를 주어 켤 수 있지만, 꺼질 때는 전류가 유지 전류 이하로 떨어지거나 역전압이 걸려야 한다. 반면 GTO는 게이트 신호로 켜고 끌 수 있어 더 자유롭게 제어할 수 있다.
4. 트라이액이 양방향으로 전류를 흐르게 할 수 있는 이유는 무엇인가?
   • 트라이액은 양쪽에 화살표가 있는 구조로, 양방향으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서 교류를 제어할 수 있다.
5. 제너 다이오드는 어떤 상황에서 전류를 흐르게 하는가?
   • 제너 다이오드는 역방향 전압이 항복 전압을 초과할 때 전류를 흐르게 하여, 전압을 일정하게 유지하는 역할을 한다.

단락비

1. 정의: 단락비(Ks)는 정상 상태의 정격전류(In)와 단락 상태의 전류(Is)의 비율을 말한다. 이는 퍼센트 임피던스(%Z)와 관련이 있다.
   • 정상 상태의 전류: 정격 전류.
   • 단락 상태의 전류: 단락 전류.

   • 

2. 계산 방법: 정상 상태의 회로 임피던스를 통해 단락비를 계산할 수 있음.
   • 예시: 정격 전류가 1A, 단락 전류가 100A이면 단락비는 100.
   • 퍼센트 임피던스를 통해 계산: 퍼센트 임피던스가 1%이면 단락비는 100.

     

3. 특징: 단락비가 클수록 전압 변동률, 전기자 반작용, 임피던스가 작아져서 전기적으로 우수하다.

부하란 무엇일까?

부하란 전기 회로에서 전력을 소비하는 장치를 말한다. 

V곡선(위상 특성 곡선)

1. 정의: 동기 전동기를 무부하 상태에서 운전할 때의 계좌 전류와 전기자 전류의 관계를 나타낸 곡선.
   • V곡선에서 역률이 1일 때 전기자 전류는 항상 최소이다.
2. 특징:
   • 과여자: 계좌 전류가 증가하여 전기자 전류가 증가함 (진상).
   • 부족 여자: 계좌 전류가 감소하여 전기자 전류가 증가함 (지상).
   • V자 형태로 나타나며, 위상 특성 곡선이라고도 함.
3. 용도: 전기자의 전류와 역률 조절을 통해 전동기의 효율을 높임.

동기 전동기

1. 기동 방법:
   • 자기 기동법: 기동 권선을 사용하여 시작.
   • 유도 전동기법: 유도 전동기를 이용하여 기동, 동기기보다 2극 적은 극수를 사용.
2. 특징:
   • 속도 제어가 어렵고 일정한 속도로 운전됨.
   • 역률 조절 가능: 전기자 전류 조절을 통해 진상/지상 역률 조절.
3. 장점:
   • 진상과 지상 역률 모두 보상이 가능함.
   • 전력용 콘덴서보다 효율적임.

연습 문제

1. 단락비가 1.2인 동기 발전기의 퍼센트 동기 임피던스는?
   • ( \frac{100}{1.2} = 83.3% )
2. 단락비가 큰 동기 발전기의 특징이 아닌 것은?
   • 전기자 반작용이 크다 (틀림, 작아짐).
3. 동기 전동기를 부족 여자로 운전하면?
   • 리액터로 작용.