실제 전력 vs 표유 전력 vs 무효 전력: 차이점은 무엇인가요?
그리드에서는 AC 신호로 전력이 공급됩니다. 이상적인 조건에서는 부하가 순수하게 저항성일 것이지만, 공장과 가정의 모터 때문에 실제로는 부하가 유도성입니다. 그리드의 전력과 부하의 전력 사이에 위상 차이가 발생합니다. 이는 간단한 RL 회로로 볼 수 있으며, 그림 1에 표시된 대로 다양한 전력은 실효 전력, 무효 전력, 그리고 피상 전력으로 불립니다:
- 실효 전력
- 무효 전력
- 피상 전력
그림 1: 전력 삼각형 그림
전기의 종류
리액티브 전력은 코일에 저장된 전기 에너지가 이후 그리드로 다시 흐르는 것을 나타냅니다. 이상적인 코일은 어떤 전기 에너지도 소비하지 않지만, 상당한 전류를 생성합니다. 실제 전력은 저항 부하로 인해 실제로 소비되는 전력이며, 겉보기 전력은 그리드가 견뎌야 하는 전력입니다. 실제 전력의 단위는 와트이며, 겉보기 전력의 단위는 VA(볼트-암페어)입니다.
실제, 유효 및 외형 전력 비교
유명한 비유로 맥주 잔과 맥주의 거품이 있습니다. 실제로 마시게 되는 것이 진실된 전력입니다. 잔은 표면상의 전력이며 액체와 거품을 담기에 충분히 커야 합니다. 무효 전력 문제는 기술적 문제일 뿐만 아니라 잠재적으로 큰 경제적 영향을 미칠 수 있습니다. 실제로, 유틸리티 회사는 표면상의 에너지를 운송할 수 있는 전력망을 구축해야 하지만 실제 전력만 청구합니다. 만약 차이가 너무 크다면 지속 가능하지 않을 것입니다. 실제 전력과 표면상의 전력의 비율은 전력 계수로 알려져 있습니다. 전력 계수는 가능한 한 1에 가까워야 합니다. 전력 계수 교정기(PFC)라고 불리는 전자 부품은 이 작업에 도움을 줍니다. 정부는 전자 기기에 엄격한 규정을 준수해야 좋은 에너지 라벨을 얻을 수 있도록 새로운 규제를 정기적으로 제정하고 있습니다.
일반적인 AC to DC 변환기는 AC 라인에서 전력을 끌어오는 데 전체 파형 정류 브리지와 간단한 커패시터 필터를 사용하는 경우가 많습니다. 그 결과, 라인 전류 파형은 좁은 펄스 형태를 가지며, 전류의 높은 고조파 왜곡으로 인해 역률이 낮습니다(0.5~0.6) (그림 3 참조).
그림 2: AC to DC 변환기 방정식
전력 인자 보정기를 개선하는 다양한 방법이 존재합니다. 저전력의 경우, 개별 부품으로 구성된 수동 솔루션만으로도 종종 충분합니다. 앞서 언급했듯이, 부하는 대부분 인덕티브하며, 커패시터를 병렬로 배치하면 전력 인자가 개선됩니다. 응용 분야에서 수십 와트가 필요한 경우, 능동형 PFC가 필요합니다. 가장 일반적인 토폴로지는 부스트 토폴로지이며, 이는 두 개의 하위 범주로 나뉩니다:
- 수십 와트에서 수백 와트까지를 위한 전이 모드(TM) 또는 크리티컬 컨덕션 모드(CrM)
- 수백 와트에서 수천 와트까지를 위한 연속 컨덕션 모드(CCM)
그림 3: PFC - 전력 요소 교정기 단계
목표는 입력 전류를 입력 사인파 전압과 위상이 동일한 사인파 형태로 만드는 것입니다. 내부 사인파 기준 신호가 생성됩니다. 이 기준 신호는 외부 신호와 비교되며, 오차가 너무 크면 MOSFET이 끄집니다. 그런 다음 전류가 0에 도달하면 MOSFET이 다시 켜집니다. 전환 모드는 고정된 ON 시간 주기를 가지며, 그림 4와 같은 곡선을 가집니다.
그림 4 : MOSFET 타이밍 및 인덕터 전류 파형 - 전이 모드
이 시스템은 연속 전류 모드와 비연속 전류 모드의 경계에 매우 가까운 상태로 동작하며, 이러한 이유로 이 시스템을 Transition Mode PFC라고 합니다. 전류는 큰 진폭을 가지며 피크 전류는 평균 전류의 두 배에 달합니다. 따라서 높은 전력을 위해서는 전류가 사인파 곡선에 더 가까워질 필요가 있습니다. Continuous Conduction Mode는 이를 해결하기 위한 솔루션으로, 전류 변화를 제한하는 고정 주파수를 적용하며, 이는 그림 5에서 보여줍니다. 이 설계는 가장 복잡하지만 0.99의 역률을 달성할 수 있습니다.
그림 5 : MOSFET 타이밍 및 인덕터 전류 파형 타이밍 - 연속 전도 모드
고정 오프 타임(FOT) 타이밍과 같이 변조가 온 타임(On Time)에서 이루어지는 방식과 같은 추가적인 방법도 존재합니다. 특정 조건에서는 전류 연속 모드(Current Continuous Mode)와 유사한 결과를 제공할 수 있지만 이행 모드(Transition Mode)와 유사한 구현 방식을 갖습니다. 전력을 증가시켜야 하며 단일 이행 모드로는 더 이상 충분하지 않은 경우, 상호 보완형(interleaved) PFC가 해결책이 될 수 있습니다. 이러한 솔루션은 더 많은 부품을 사용하지만 설계가 훨씬 더 쉬울 수 있습니다.
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