와트(W)와 볼트 암페어(VA)의 차이 및 역률과 피상전력

[석수]

출처 : 공부하는 엔지니어

https://studyingengineer.tistory.com/m/91

전기의 기초 지식 - 와트(W)와 볼트암페어(VA)의 차이

와트(W)와 볼트암페어(VA)의 차이


전력을 나타내는 단위에는 W(와트)와 VA(볼트암페어)가 있다. 

와트라는 단위는 에어컨이나 조명기구 등에 사용되고 있는 단위로 '에어컨의 소비 전력: 13kW', '형광등의 소비 전력: 32W'라고 표기되어 있다. 

와트를 이용한 수치는 전기 기기의 소비 전력을 나타낸다.


소비 전력에는 「유효 전력」 「무효 전력」 「피상 전력」이라고 불리는 3종류가 있다. 

유효 전력은 실제로 일을 하는 에너지다.
 

소비 전력

소비 전력은 「전압 × 전류 × 역률」로 나타내져, 전기 기기를 운전·가동시키기 위해서 필요한 전력이다. 

전기장치에 전압을 인가하고 전류가 흐르면 조명기구는 빛과 열을 방출하고 전동기는 회전을 시작한다. 

이와 같이, 전기 기기를 가동시키고 운전 상태를 계속시키는데 필요한 전력을 「소비 전력」이라고 부른다. 이것에 「시간」을 곱한 것을 「소비 전력량」이라고 부르고, 그 적산치를 계량해 전기 요금의 근거로 하고 있다.



소비 전력에는 무효 전력이라는 성분도 존재하고, 소비 전력에 얼마나 무효 전력이 포함되어 있는지를 나타내는 지표를 「역률」이라고 부른다. 


역률은 「전압에 대하여 전류가 얼마나 늦어지는가」를 수치화한 지표이며, 부하 중에 「코일 성분」이나 「콘덴서 성분」이 포함되어 있으면 역률이 변동한다. 


「코일」은 전동기가 있으면 반드시 역률이 발생하는 성질이 있어, 역률 악화(지연)를 일으킨다.


코일 성분이 많으면 무효 전력이 점점 커져 버리기 때문에 콘덴서를 회로 내에 설치하여 역률을 개선(진행)하여 전력을 효율적으로 이용할 수 있도록 계획할 필요가 있다.



역률은 코일 성분과 콘덴서 성분에 따라 변한다. 전력을 열로 변환하는 전기 회로의 경우, 코일이나 콘덴서가 포함되어 있지 않기 때문에 역률은 100%가 된다. 


전열의 구조를 가진 전기 기기를 제외하고 국내에서 유통되고 있는 전기 기기는 대부분 코일 성분을 가지고 있기 때문에 역률은 100% 미만이다. 


공조기나 환기 팬의 모터는 코일 성분에 의해 전압에 대하여 전류의 지연이 발생하여 「무효 전력」이라고 불리는 「일을 하지 않는 전력」이 생긴다.



일반 가정용이라면 모터나 인버터의 용량이 작고, 송전선이나 배전선, 전력회사의 변압기나 발전기에 영향을 주는 대전력이 되지 않기 때문에 영향은 없지만, 업무용의 고압 기기 대형 크레인, 대규모 UPS나 CVCF 등 인버터류 등, 역률을 크게 변동시키는 원인의 전기기기를 다수 설치하고 있는 곳에서는, 계약하고 있는 전기 용량이 크고, 역률의 영향도 큰 된다.



소비전력을 고려할 경우 '유효전력(kW)', '무효전력(kvar)', '피상전력(kVA)'을 이해해야 한다.
 

유효 전력

유효전력은 「W：와트」라고 하는 단위로 표현되어 실제로 전기 기기에서 사용되는 전력을 표현하고 있다. 

와트로 표현되는 수치는, 소비전력의 전체(피상 전력) 중, 유효하게 사용되는 전력분만을 추출한 수치이며, 무효 전력은 포함되어 있지 않다. 

유효 전력과 무효 전력이 모두 포함된 전력을 "피상 전력"이라고 한다.


유효 전력은 전력 회사로부터 송전된 전력 중 실제로 일을 한 전력이 되므로, 그 수치를 근거로 하여 전력 요금의 청구가 이루어진다. 


일반 가정이나 고압 수요가의 수전점에 설치되는 전력 미터(전력량계)는, 유효 전력을 계측할 수 있는 것이 설치되어 있으므로, 유효 전력만이 수치화되어 전기 요금을 청구하기 위한 수치로 사용된다.



고압이나 특별고압 등 대전력을 사용하는 시설의 경우, 유효전력뿐만 아니라 무효전력도 커질 가능성이 있다. 


대용량의 전력을 이용한다는 건물에 있어서, 역률 100%의 전열기만이 사용된다는 것은 생각하기 어렵고, 범용의 대형 팬이나 에어컨, 펌프 등 많은 전기 기기는 무효 전력을 발생시키기 때문에, 전력회사는 유효전력의 값보다 큰 발전기나 변압기로부터 전력을 공급하고 있다.



 

무효 전력

무효전력은 'var:바루'라는 단위로 표현되며 전력회사에서 공급되는 전력 중 실제로 아무 일도 하지 않고 발전설비로 돌아오는 전력이다. 


무효 전력은 부하와 전원 사이를 왕복하는 것만으로, 부하의 코일 성분이나 콘덴서 성분의 유무에 따라 크기가 변화한다. 

무효전력은 아무 일도 하지 않기 때문에 「열의 소비를 수반하지 않는 전력」이라고 되어 있다.


코일 성분이 많고 전압에 대하여 전류가 지연된 상태의 전로는 콘덴서 성분을 주입함으로써 역률 개선을 도모할 수 있다. 

진상 콘덴서는 용량성의 성질을 갖고 있기 때문에, 콘덴서를 전로에 설치함으로써 지연 전류를 진행시킬 수 있어 유효 전력이 커진다. 


코일 성분으로 지연된 전류를 콘덴서 성분으로 상쇄할 수 있으면, 송전 효율을 향상시킬 수 있으므로, 고압 이상의 수요가에서는 진상 콘덴서의 설치가 필수가 되고 있다.


통상, 일반 수요가에 설치되어 있는 전기 기기는 대부분이 유도성 부하이며, 팬이나 펌프에 의해 전기 회로는 지연 상태가 되고 있다. 

유도에 의해 전압에 대하여 전류가 지연된 상태이기 때문에, 무효 전력이 발생한다. 


백열 전구나 전열기 등, 전력을 열로서 사용하는 설비는 무효 전력을 제로라고 생각할 수 있지만, 전열 기기만이 설치되는 수요가 등은 있을 수 없고, 대소 다양한 전동기가 설치되는 것이 보통이다.



수요가가 콘덴서를 마련하지 않은 경우, 모든 무효 전력은 전력 회사로부터 공급된 상태가 된다. 


무효전력만이 큰 수요가에 대해서 전력을 공급하는 것은 전력회사로서 부담이 크고, 설비투자도 커져 버린다.


무효 전력의 보상은 수요가가 콘덴서를 마련함으로써 달성할 수 있는 일도 있어, 수요가에서 무효 전력을 작게 하면 전력 회사에 메리트가 생긴다. 

이러한 사정으로부터, 무효 전력을 조정하는 진상 콘덴서 설비를 마련하는 대가로서, 전기 요금의 기본 요금의 할인이 메뉴로서 설정되어 있다.
 

피상 전력 [VA]

피상 전력은, 전원으로부터 송출되는 소비 전력, 무효 전력의 양쪽을 합친 것이다. 「VA：볼트암페어」라고 표기하는 전력이며, 부하가 유효 이용하는 「유효 전력」과 부하가 이용하지 않는 「무효 전력」을 합성하고 있기 때문에, 전력의 수치로서는 가장 크게 표현된다.



발전기나 변압기의 능력은 유효 전력과 무효 전력을 합성한 피상 전력으로 표현하고 있다. 


전동기 부하를 10kW로 표현하고 있는 경우, 일반적으로 그 역률은 80% 정도이며, 피상 전력은 12.5kVA이다. 

역률 80%의 10kW 전동기는 12.5kVA의 피상 전력을 필요로 하기 때문에 정격으로서 10kVA가 공급되는 용량으로 설계를 하면 소정의 능력을 발휘할 수 없다는 문제로 이어진다.



소비 전력과 피상 전력이 일치하는 것은, 역률 100%가 되는 「전열기」에 한정된다. 


백열 전구와 할로겐 전구 등 조명기구는 전력을 모두 열로 변환하여 빛을 발하는 구조로 역률 100%였다. 

그러나 형광등이나 수은등, LED 조명은 전력의 모두가 열로 변환되지 않기 때문에 역률이 약간 낮은 수치가 되어 있어 kW와 kVA가 일치하지 않는다.
 

역률 [cosθ]

전기 기기의 소비 전력의 계산에는 역률이라는 지표가 영향을 준다. 


역률이란 교류 전원에 있어서의 「피상 전력」과 「유효 전력」의 비율을 나타내고 있고, 100%에 가까울수록 무효 전력이 작고, 피상 전력과 소비 전력이 같은 값에 가까운 것을 나타낸다.



백열 전구 등 전기 에너지를 열과 빛으로 직접 변환하는 기기나, 전열기 등 코일 성분을 가지지 않는 부하이면, 교류 전원이라도 전류의 지연이나 진행이 발생하지 않기 때문에 역률은 100%로 된다.



역률이 좋고 나쁜 것은, 전로에 있는 「코일 성분」과 「콘덴서 성분」의 양이 영향을 준다. 


국내에 유통되고 있는 전기 기기는 그 대부분에 코일 성분을 포함하고 있기 때문에, 전류가 전압보다 늦어져, 지연된 분의 무효 전력이 필요하게 된다.



지연된만큼 콘덴서 성분을 주입하면, 전류의 지연은 작아지고, 무효 전력이 작아진다. 무효 전력을 저감할 수 있으면, W와 VA의 수치차를 작게 억제해, 효율이 좋은 전력 소비를 실시할 수 있다. 이러한 성질로부터, 콘덴서에 의해 전류의 지연을 진행시키는 행위를 「역률 개선」이라고 부른다.



전열기 등 소비하는 전력의 모두가 열로 바뀌는 전기 기기로, 유효 전력과 피상 전력을 계산식으로 생각한다. 전열기에는 무효 전력이 존재하지 않기 때문에 역률은 1.0이다. 「유효 전력/역률 = 피상 전력」이라는 식을 이용하여 피상 전력을 산출한 경우, 1,000W의 전열기에서는,

1,000W/1 = 1,000[VA]

된다. 단순한 식이지만, 전열기는 유효 전력과 피상 전력이 같은 수치가 되는 것을 알 수 있다. 이에 대해 모터류나 공조기 등, 역률이 나쁜 기기를 가정해, 소비 전력 1,000W·역률 0.94의 공조기를 계산하면,

1,000W / 0.94 = 1,064[VA]

된다. 모터나 인버터 등의 코일 성분을 포함하는 기기가 카이로에 포함되어 있으면, 무효 전력이 발생하기 때문에 피상 전력이 유효 전력보다 커지는 것을 알 수 있다.



같은 「1,000W」라고 하는 수치라도, 전열기는 1,000VA가 되고 있는 것에 비해, 전동기의 경우는 1,064VA라고 하는 것처럼, 64VA의 차이가 발생하고 있다. 소비 전력 1,000W로 표현되어도 실제로는 그 이상의 전력을 공급해야 하는 것을 알 수 있다. 방금 계산한 64VA의 차분이 무효 전력의 영향이며, 전기 기기의 운전에 기여하지 않는 쓸데없는 에너지가 된다.
 



W와 kVA의 전류 변환

소비 전력을 전류로 환산하는 경우, 전압과 역률로부터 계산이 가능하다.
 

단상 3선식 200-100V의 경우

단상 3선식, 200V의 부하에 대한 전류 환산의 사례를 나타낸다. 20kW, 역률 100%의 전등 부하에 대해, 단상 2선식 200-100V의 배전을 실시해, 분전반에서는 흑-백, 적-백에 대하여 평균적으로 부하를 분산하고 있는 상태를 가정한다.


전류의 계산은, 전력을 구하는 공식 「P = I × V × cosθ」를 변형한 「I = P / (V × cosθ)」를 이용한다. P = 20kW이지만, 역률은 100%이므로, kW = kVA로 한다.

I = 20kVA/200V = 100A

단상 3선식으로 전류 계산을 하는 경우 「소비 전력 kW×5」로 간단하게 전류값을 구할 수 있다. 10kW이면 50A, 20kW이면 100A로서 지장이 없다.
 

3상 3선식 200V의 경우

3상 3선식, 200V의 부하로, 상기와 같이 전류값을 계산한다. 부하 용량은 20kW, 역률 80%로 한다. 3상 3선의 전류는 「P=√3×I×V×cosθ」를 이용하여 산출한다. 변형하면 "I = P / (√3 × V × cosθ)"이다.

I = 20kW / (√3 × 200V × 0.8) = 72.25A

3상 3선식으로 전류 계산을 하는 경우 「소비 전력 kW×4」로 전류의 대략값을 구할 수 있다. 이것은 내선 규정에서도 정해져 있는 계산 방법이며, 간이하게 전류값을 구하는 근거로서 널리 채용되고 있다. 10kW이면 40A, 20kW이면 80A로 계산해도 좋다.