PFC
1. 개요
전체 이름: Power Factor Correction
한국 용어: 역률 조정, 역률 개선
교류 전원에서는 실효전력(active power, $$P$$)과 무효전력(reactive power, $$Q$$)이 나누어지는데, SMPS와 같이 전기용량(capacitance)이 존재하는 전원 입력구성을 가진 소스 장비로 인해 전압-전류 위상차[1]가 커져 $$cos(\theta_z)$$가 작아지는 것을 방지하는 데 쓰인다. 이미 중규모 전력공급체계(3KW 이상 일반용)에선 익히 사용되고 있으나 일반 가정용 기기의 내부 장치에 도입된 지는 그렇게 오래되진 않았다.[2]
PFC 를 설명하기 위해 여러 내용들을 끌어온다.
2. PF는 무엇인가
PF(Power Factor, 역률)는 교류전원의 전압과 전류의 파형이 이루어내는 흐름에서 위상시간의 cos 차를 의미한다.[3] 간단하게, 전압그래프와 전류 그래프를 측정해 보았을 때 두 그래프를 합쳐서 두 그래프의 모양과 변화율, 그리고 상대적인 시간이 일치하느냐 덜 하느냐 안 하느냐를 생각하면 쉽다. 깨끗하게 일치한다면 역률은 cos 0 = 1이고, 불일치가 중간 즈음 가면 cos 45 = 0.5 이런 식으로 나온다. 실제 제품의 역률을 표기할 때에는 cos ∮ 를 계산해둔 숫자만으로 표기하므로 그냥 0.9 정도에서 시작한다.
이 위상차는 보통
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이 계측기에서 찍어보는 거지만, 계산할 때에는 ij 변환을 통해 백터로
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계산하게 된다. 실제 전류는 대각선 방향으로 지시되지만(VA), 유효전력은 전류분과 전압분이 같은 방향일 때에만 발생(KW)한다. 그러면 그 차이백터는 이제 잉여(var)가 되는 것이다.
3. PF가 중요한 이유
PF는 교류 배전상황에서 매우 중요하다. 발전기에서 공급하는 전원 용량에 관련된 문제이기 때문이다. 역률이 낮아질 경우 해당 기기로부터, 혹은 부하 존으로부터 아주 파워풀한 전류가 발생하게 되는데, 이 전류는 무효분이기 때문에 위상차식 기계식 전력량계에는 찍히지도 않지만, 무효전류도 발전기로부터 흘러나가는 것이기 때문에 실제로 발전기나 기타 교류전원소스에는 부하가 걸린거나 마찬가지가 된다. 즉, 50W 로드인데 cos ∮ 가 0.1 이면 발전기에선 500W를 공급하는 것과 마찬가지가 된다. 하지만 계량기에선 50W 쓰는 걸로만 찍히니 크나큰 손실이 아닐 수 없다.
2007년까지만 해도 다들 기계식 전력량계를 사용하여 이러한 역률 문제로 인해 부담하는 추가금액이 가정집에는 없었지만, 전자식 전력량계로 바꾸는 순간 실제 공급전력 기준으로 계산되는 관계로(즉, W 가 아니라 VA 로 계산된다.) 가정집도 요금폭탄의 마수를 피할 수 없게 된 곳이 많다. 가정부하에서 의외로 역률이 낮은 경우가 많아 이렇게 전자식으로 바꾸면 사용량 그래프가 천원돌파한 아주 아름다운 고지서를 보고 그냥 전기를 끊어버리고 싶을 때가 많아지게 된다.
4. PF를 교정하자
그래서 산업용이나 일반용(상가나 마트 등) 전원에선 일찍이 저 전자식 전력량계가 도입된 경우가 많으며, 역률을 개선하기 위해 여러가지 부가 설비를 장착하고 있다. PFC 에서는 양상에 따라 2종류, 방식에 따라 4종류로 나뉘어진다.
4.1. 양상별 분류
- Passive PFC: 비교적 변동이 적은 부하에서 미리 측정된 무효분만큼 무효전류를 추가하거나 빼는(백터도에서 아래로만 가는 게 아니라 위로갈때도 있다.) 작업에 커패시터나 리액터를 사용해 고정적인 교정을 가한다. 교정범위가 좁아서 부하변동이 큰 경우에 쓰기가 까다롭다.
- Active PFC: 전원을 받을 때 선형부하인 것 처럼 흉내내기 위한 FET 와 다이오드, 추가 배전압정류회로와 커패시터를 사용해 선형부하의 역률을 흉내낸다. 소스 전압의 변동에 별로 영향을 받지 않으며(86~264v 까지 처리하는 회로가 있다.) 상당히 정밀하게 선형부하를 모델링하므로 역률이 0.95 이상 높게 나온다. 다만 가격이 약간 올라가며, 전력변환 과정에서의 손실이 발생한다. 보통 파워서플라이의 정류회로 출력이 310v[4] 정도인데 APFC 지나가면 380Vdc[5] 내외로 출력된다. 파워서플라이 말고 전력선에 병렬로 연결하는 APFC 모듈도 있는데 원리는 거의 같다. 충방전을 반복하면서 위상차로 인한 부분을 빼주고 매꿔주고를 반복해 선형부하처럼 보이게 한다.
4.2. 방식별 분류
- 커패시터 병렬연결: 현대 부하에서 백터값이 + 로 가는, 그러니까 VA 백터가 1사분면으로 가는 경우는 거의 없다. 하지만, 4사분면으로 가는 부하는 미친듯이 많은데, 당연히 전동기나 형광등이나 SMPS 를 엄청나게 쓰니까 그럴 수 밖에 없다. 심지어 백열등도 큰 거 달면 필라멘트의 인덕턴스 때문에 전류가 느려진다. 이를 보정하기 위해 커패시터를 사용하여 무효분 전류를 공급해주게 되며, 병렬로 연결한 커패시터는 전체 역률의 개선에 도움을 주게 된다. 물론, 하나의 커패시터로 넓은 부하 범위를 감당할 수 없어 보통은 여러개의 커패시터가 역률상황에 따라 주전원과의 접속을 제어받는다.
- 인덕터 병렬연결: 별로 안 흔한 +로 가는 경우를 잡을 때 쓴다. 전원과 병렬로 연결하면 되며 전류위상을 빠르게 해준다. 단, 오디오필의 경우 일부러 인덕터가 집에 엄청나게 설치된 경우가 있는데, 이건 PowerHouse 사에서 특별하게 디자인한 인덕터-커패 모듈을 설치한 경우이다. 순간전력공급속도를 빠르게 하기 위해서 설치한 경우가 대부분.[6]
- 리액터 직렬연결: 가정집에서도 볼 일 없고 산업현장에서도 볼 일이 없으나 한전에 취직해서 변전소에 가게 되면 볼 일이 있다. 전압위상속도를 조절하는 데 쓰이며, 같이 전압도 조절할 수 있다.
- IGBT-FET-커패시터 능동 충방전 제어: 대개는 커패시터를 사용하는데, 커패시터 뱅크에 전원을 충전하고 방전하는 과정을 반도체로 제어, 여러 고조파가 발생하는 상황에서도 전압위상에 따라 전류위상을 선형부하의 것으로 모델링한다. 너무 비싼 관계로 전원에 민감한 곳이 아니면 쓰는 곳이 없다.
5. PFC 시 주의할 점
- PFC는 만능이 아니다. 원래 전기 많이 쓴다고 그거 줄여주진 못한다.
- 평소 PF 변동범위가 너무 넓을 경우 수동 PFC 는 포기하는 게 좋다.
- PFC 회로는 고전압으로 작동된다. 공급전압의 1.5배, 많게는 2배까지 올라간다.
- 평소에 고역률 장비를 사용하는경우 PFC의 적용은 오히려 역률을 떨어뜨릴 수 있다.
[1] 이게 곧 임피던스의 위상이다.[2] 가정용 PFC 강제가 2001년부터 였는데 1970년대부터 논의된 전력조류 발생에 대한 대응책으로 PFC가 배전망이나 상업용 전원에 적용된 것에 비하면 오래되지 않은 거 맞다.[3] 다만 회로이론을 배우는 학생들은 단순히 위상차에 코사인을 취한 것으로만 알아둘 게 아니라, 어떨 때 진상(leading)이고 어떨 때 지상(lagging)인지 잘 알아둬야 한다. 전압이 전류보다 위상이 앞서면 '''위상각은 (+)가 되지만 역률은 지상이 된다.''' 왜냐하면 역률은 '''전압 대비''' 전류가 얼마나 앞서있냐 혹은 뒤처져있냐를 보기 때문이다.[4] 대략 $$220 \times \sqrt{2}$$[5] 대략 $$220 \times \sqrt{3}$$[6] 실제로 순간적인 부하에 대응하는 속도가 많이 올라가지만 2cycle 이라는 게 병맛