AC 회로에서의 전력: 피상전력,유효전력,무효전력

1) 임피던스, 저항, 리액턴스에 대하여

 전류의 흐름을 방해하는 성분을 임피던스라 표현합니다. 이때 임피던스(Impedance)는 저항(Resistance)과 리액턴스(Reactance)로 나눌 수 있습니다. 저항과 리액턴스가 하는 역할을 같습니다. 둘 다 전류의 흐름을 방해하는 역할을 합니다. 하지만 사용하는 용도가 다릅니다. 저항(R)의 경우는 DC 회로에서만 사용합니다. 즉 DC 회로에서는 임피던스로써 인덕터(L)와 커패시터(C)를 나타내지 않습니다. 인덕터와 커패시터는 주파수에 따라 임피던스가 변하지만 DC 회로에서는 주파수의 개념이 존재하지 않습니다. 반면에, AC 회로에서는 저항뿐만 아니라 인덕터, 커패시터 성분도 고려합니다. 이때 인덕터와 커패시터도 전류의 흐름을 방해하는 역할을 합니다. AC 회로에서 인덕터와 커패시터가 가지는 저항을 리액턴스라고 표현합니다. 이때 주파수와 용량 값에 따라 저항 값이 변하게 됩니다. 

 

저항의 단위는 [Ω]이고 리액턴스 단위 역시 [Ω]입니다. 리액턴스가 주파수에 따라 저항 값이 변한다고 다른 단위일 것이라 착각하면 안 됩니다. 그렇다면 임피던스의 단위 역시 [Ω]입니다. 임피던스의 기호는 Z입니다. DC에서 R=V/I이라고 표현을 한다면 AC에서는 Z=V/I라고 표현할 수 있습니다.

 

2) AC 회로에서의 전력

DC 회로에서는 저항에서 전력 손실이 발생합니다. 마찬가지로 AC 회로에서도 저항에서 전력 손실이 발생합니다. 그렇다면 커패시터와 인덕터에서는 전력 손실이 발생하지 않나요? 네 이상적으로는 발생하지 않습니다. 인덕터는 Volt-sec 조건에 따라 인덕터에 인가되는 평균 전압은 0입니다. 커패시터는 Amp-sec 조건에 따라 커패시터에 흐르는 평균 전류는 0입니다. 따라서 인덕터와 커패시터에서 발생하는 전력 손실 역시 0입니다. 하지만 실제의 경우 인덕터와 커패시터에 내부 저항이 존재하기 때문에 발생하는 전력 손실이 존재합니다.

 

3) 역률 소개

그렇다면 AC 회로에 전력이 투입된다면, 어떤 전력은 저항에서 소비될 것이고, 어떤 전력은 커패시터와 인덕터를 지나 다시 입력 측으로 되돌아갈 것입니다. 이때 저항에서 소비되는 것을 유효전력(Active Power)이라 하고 단위는 [W]입니다. 이때 실제로 소비되지 않는 전력을 무효전력(Reacive Power)이라 하고 단위는 [VAR]이라 합니다. 유효 전력과 무효전력을 포괄하는 전력을 피상 전력(Apparent Power)이라 하고 단위는 [VA]입니다. 피상 전력 중 유효 전력의 비율이 높다는 것은 커패시터와 인덕터를 통해 위상 지연이 적게 발생합니다. 따라서 전압과 전류의 위상이 거의 일치합니다. 반면에 피상 전력 중 유효 전력의 비율이 낮다는 것은 커패시터와 인덕터를 통해 위상 지연이 많이 발생한다는 것입니다. 따라서 전압과 전류의 위상이 일치하지 않고 위상차가 존재합니다. 이런 개념을 '역률'이라고 표현합니다.