지상전류, 진상전류 (feat. 페란티 현상)
안녕하세요. 태양광윤대리입니다.
오늘은 전동기에서 지상전류가 흐르는 이유에 대해서 간단하게 알아보려 합니다.
왜 전동기에서 지상전류가 흐르고, 또 왜 콘덴서가 필요한지에 대해 굿노트로 짧게 정리한 내용과 함께 공유드립니다.
목차
1. 지상전류, 진상전류란?
2. 코일에 지상전류가 흐르는 원리
3. 콘덴서에서 진상역률가 흐르는 원리
4. 대부분의 전동기에서 지상전류가 흐르는 이유
5. 역률 개선방법
6. 인버터 역률 제어방법
7. 페란티 현상이란?
1. 지상전류, 진상전류란?
지상전류란?
전압보다 90도 늦은 위상의 전류를 의미합니다.
cos90 = 0이 되기 때문에 역률은 0입니다.
진상전류란?
전압보다 90도 앞선 위상의 전류를 의미합니다.
cos90 = 0이 되기 때문에 역률은 0입니다.
2. 코일에 지상전류가 흐르는 원리
전동기는 코일 덩어리입니다. 그렇기 때문에 지상전류가 흐르게 되겠지요.
코일에 지상전류가 흐르는 원리는 어떻게 될까요?
▽ 코일이 포함된 회로에 전류를 인가합니다.
▽ 전류가 코일에 흐르면 자속을 발생시킵니다.
▽ 전류 또는 자속의 변화량에 비례하는 억제 자속이 생성됩니다.
억제자속은 유기기전력(역기전력)으로 나타납니다.
자속 또는 전류의 변화는 일시적이기에 역기전력도 일시적으로 발생합니다.
억제자속은 전류에 90도 늦은 위상차를 나타냅니다.
그 일시적인 힘(억제자속)에 의해서 전압의 위상은 90도 늦게 출발하게 되는 것이죠.
▽유기기전력과 전압의 위상은 180도가 차이납니다.
따라서 전압과 전류를 비교하였을 때, 전류가 전압보다 90도 뒤지게 되는 것이지요.
▽ 위상차가 클수록 역률은 낮아지고, 그만큼 유효전력은 낮아집니다.
따라서 전기를 많이 흐르게 하기 위해선 전압과 전류의 위상차가 0에 가까워야 합니다.
▽ 위상차를 줄이기 위해 리액터소자에 병렬으로 콘덴서를 설치합니다.
콘덴서는 진상전류를 생산합니다. 전류가 전압보다 90도 앞서지요.
코일에서 생산한 지상전류(뒤진전류)와 콘덴서에서 생산한 진상전류(앞선전류)가 만나면,
전압과 전류의 위상차가 0에 가까운 상태가 됩니다. (역률 = 1)
3. 콘덴서에서 진상전류가 흐르는 원리
콘덴서는 전압을 일시적으로 저장하여, 전기 품질을 양호하게 만드는 소자입니다.
콘덴서를 비유할 때 물 양동이로 표현되곤 합니다.
▽ 전위가 없을 때에는 다음과 같이 분극이 발생하지 않습니다.
▽ 전위를 띄게 되면, 일시적으로 콘덴서에 분극이 발생하게 되는데요.
분극을 발생시키는 것은 전위이며, 그 뜻은 결국 분극을 발생시키는데에 전압을 일부 사용했다? 라고 봐도 무방합니다.
더 쉽게 이야기하면, 일시적으로 콘덴서에 전압을 저장한다고 보면 좋습니다.
▽아래 그림에서 임시적으로 저 콘덴서를 채우는 저 물을 전압이라고 보면 됩니다.
▽ 전류가 전압보다 앞선 진상전류가 흐르게 됩니다.
4. 대부분의 전동기에는 지상전류가 흐릅니다. 왜 일까요?
분명 앞에서 설명했듯,
코일과 콘덴서가 모두 설치되어 있으면 역률이 1이어야 하지 않나요?
이론상 그러하나, 실제로는 정확하게 1이 되는 것은 어렵습니다.
이유는 여러가지가 있겠지만, 가장 큰 원인은 콘덴서의 수명입니다.
콘덴서는 코일에 비해 수명이 짧고 열에 취약합니다. 그렇기 때문에 동일한 용량으로 설계하더라도,
시간이 지나면 지날수록 콘덴서 기능이 약화되어 지상전류를 띄게 됩니다.
우리는 역률을 이야기할 때 진상,진상을 직접 언급하지 않는 이상, 역률은 지상역률을 나타냅니다.
그 이유는 부하의 60% 이상이 전동기이며 전동기의 90% 이상이 코일을 사용하는 유도전동기이기 때문입니다.
그렇기 때문에 대부분의 설비에는 지상전류가 흐른다고 보아도 무방합니다.
5. 역률 개선방법
리액터에 병렬로 전력용 콘덴서를 설치합니다.
앞서 언급하였듯 대개 설비에서 발생하는 역률문제는 지상전류에 의해 나타내기 때문에,
전력용 콘덴서를 설치하여 진상전류를 내보내 위상차를 조정합니다.
6. 인버터 역률 제어방법
아래 포스팅 참고바랍니다!
7. 페란티 현상이란?
페란티 현상이란, 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상을 의미합니다.
원인으로는, 무부하 또는 경부하인 송전선로가 선로의 분포 커패시턴스에 의해 충전전류가 발생하기 때문입니다.
쉽기 이야기하면, 부하사용량이 적어지면 발생할 수 있습니다.
페란티 현상으로 인해 전기는 수전단에서 송전단으로 역류가 발생합니다.
▽ 페란티 현상이 발생하는 원인
선로의 정전용량에 의해 발생합니다.
새벽에는 전기를 사용하는 부하사용량이 적습니다. 이를 '경부하'라고 합닌다.
낮 동안에는 전기를 사용하는 부하사용량이 많습니다. 이를 '중부하'라고 합니다.
낮동안에는 중부하 상태로 부하를 가동하기 위한 유효전력이 많이 소비되기 때문에 선로의 L(인덕턴스) 성분이 증가합니다.
반면, 밤에는 경부하 상태로 사용되는 유효전력이 줄어들기 때문에 상대적으로 L(인덕턴스) 성분에 비해 C(커패시턴스) 성분이 증가하게 되며, 무효전력이 과도하게 공급됩니다.
그렇기 때문에 선로에 충전전류 즉, 진상전류가 흐르게 되어 송전단 전압보다 수전단 전압이 더 커지게 되는 것입니다.
위상이 심하게 틀리는 현상을 방지하기 위해 한전에서는
오전 9시부터 오후 11시 까지를 중부하 시간대로 판단하여 지상역률를 기준으로 페널티를 부과하고,
오후 11시 부터 오전 9시까지를 경부하 시간대로 판단하여 진상역률을 기준으로 패널티를 부과합니다.
▽ 페란티 현상으로 인해 발생하는 문제점
(1) 콘덴서에 과전압이 야기됩니다.
(2) 계기 설비가 오동작합니다.
(3) 절연파괴가 발생합니다.
▽ 페란티 현상에 대한 대안
(1) 콘덴서에 타이머를 연결하여 부하 사용량이 적은 시간대에는 꺼두는 방법이 있습니다.
(2) 콘덴서에 병렬로 리액터를 설치하는 방법이 있습니다.
이상으로 포스팅을 마치겠습니다.
감사합니다.
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