변압기에 정격출력이 3KVA라고 적혀있다면 이 의미는? 또, VA란?

교류전력은 무효전력, 유효전력, 피상전력이 있는데, 전류와 전압의 위상 차이가 클수록(90도에 가까울 수록) 무효전력이 커지고 유효전력이 작아지며, 역률이 낮아진다고 말합니다. 무효전력은, 전류는 흐르는데 일은 하지 않는, 그냥 왔다갔다 하는 전력이고, 유효전력은 실제로 일을 하는 전력,피상전력은 이 둘을 더한 것입니다.

VA는 피상전력을 나타내는 단위로 전류와 전압의 실효치를 그냥 곱한 것이며,제품에 표시되어있는 소비전력을 역률로 나누면 구해지는 값으로, 소비전력보다는 큰 값입니다. 예를들어, TV, 냉장고, 에어컨 합쳐서 3kW를 맞추어 변압기에 연결한다 해도 역률때문에 피상전력은 3kVA를 초과하게 됩니다.

즉, 정격출력 3KVA라는 표시는 변압기 입력 전압이 200Vrms라고 치면, 위상이 얼마가 되었든지간에, 3000/200=15Arms 이하의 전류에서 사용하라는 의미입니다.

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역률과 유효전력, 무효전력, 피상전력 이란?

① 피상 전력 : 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력, 전원에서 공급되는 전력.

- 단위 : [VA]
- 피상 전력의 표현 : Pa=VI=I2Z [VA]
② 유효 전력 : 전원에서 공급되어 부하에서 유효하게 이용되는 전력, 전원에서 부하로 실제 소비되는 전력.
- 단위 : [W]
- 유효 전력의 표현 : P=VI cos θ=I2 R [W]
③ 무효 전력 : 실제로는 아무런 일을 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용될 수 없는 전력, 실제로 아무런 일도 할 수 없는 전력.
- 단위 : [Var]
- 무효 전력의 표현 : Pr=VI sin θ =I2 X [Var]
④ 역률 : 피상 전력 중에서 유효전력으로 사용되는 비율.

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전력과 전력량

전력량은 에너지, 일, 또는 적산전력을 의미하고, 전력은 순간순간의 소비전력으로 초당 소비한 에너지입니다. 전력은 와트[W]의 단위를 쓰는데, 이것은 일의 초당량, 즉 [J/sec] 와 같습니다.
이 전력에 시간[hour]을 곱하면 바로 전력량, 또는 적산전력[Wh]이 계산됩니다.
24시간 동안 변화한 전력량계의 수치는 24시간동안 사용한 총 전력의 양입니다. 그런데, 이 24시간동안 사용한 전력은 균일하지가 않습니다. 예를 들어, TV를 켰다가 두어시간 보고 껐을 수 있고, 날이 더워서 에어컨도 잠깐 켰다가 껐을 수 있고, 빨래를 한다고 세탁기도 일정 시간동안 일을 했을 것입니다. 냉장고의 컴프레서도 24시간동안 한 50번 정도 돌다말다 했을 것입니다.
전력량계는 이렇게 불규칙적인 소비전력에 대해서, 전력소모가 많을 때에는 빨리 돌고, 전력소모가 적을 때에는 천천히 돌아 그때그때의 순간적인 전력소비를 차곡차곡 쌓는 일을 합니다.
평균전력이라고 하는 것은, 일정 시간동안의 전력량을 그 시간으로 나누어 그 시간동안의 평균적인 소비전력을 뜻합니다. 즉, 어떤 시간동안 사용한 전력량은, 그 시간동안 평균전력만큼 일정하게 전력을 소비했을 때의 전력량과 같은 것입니다.
전력량계의 단위는 보통 킬로와트시[kWh]를 씁니다.
평균전력의 계산 예를 들어보겠습니다. 전력량계의 숫자가 어제 오후 6시에는 1000[kWh]이었는데 오늘 오후 6시에는 1300[kWh]이었다고 하면, 이 24시간동안 30[kWh]의 전력량을 사용한 것이고, 지난 24시간동안의 평균전력은 30/24=1.25[kW]가 됩니다.

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교류전력이란?

교류전력은 피상전력, 무효전력, 유효전력으로 구분합니다.
R, L, C만 고려하여 전류, 전압 모두 사인파 모양인 경우에 대해서만 생각하면…(사인파 형태가 아니라면 설명이 많이 복잡해지지만 결국은 사인파인 경우나 마찬가지임) 리액턴스(L이나 C) 성분을 가지고 있는 회로에 교류전압을 가하면 역시 교류전류가 흐르는데, 이 전류와 전압의 위상이 일치하지 않습니다.

예를 들어, 커패시터 C에 교류전압이 가해지는 경우 전류의 위상은 전압의 위상보다 90도 앞서게 되는데, 이것이 전류가 전압보다 더 빨리 나온다는 뜻으로 혼동하는분이 참 많으나 그런 뜻이 아니고 270도 뒤쳐진다는 것과 같은 뜻입니다.

한편, 인덕터 L에 교류전압을 가하면 전압의 위상이 전류보다 90도 앞섭니다. 이 두 경우에 대해 소비전력을 계산하기 위해 전류와 전압을 곱하면 평균 0의 교류전력이 계산됩니다.

즉, 교류의 한 주기 동안 L이나 C에 전력이 들락날락 하면서 소비되는 것이 전혀 없다는 것이지요. 다시 말하면, 교류의 한 주기 시간동안, 절반은 C나 L이 에너지를 잡아먹으면서 충전이 되고, 나머지 절반은 저장된 에너지를 다시 전원쪽으로 뱉어 내면서 전력을 돌려준다는 것입니다.
(어떤 부품에 전류가 흐를 때 전류가 들어가는 쪽이 +가 되면 전력을 소비하는 것이고, 반대로 -가 되면 전력을 공급하는 것입니다.)

이와 같이 겉보기에 소비되는 것 처럼 보이는 전력을 피상전력이라고 하며, 전류의 실효치(피크치의 1/루트2)*전압의 실효치=전류피크*전압피크/2 로 계산됩니다. 이 피상전력중에 실제로 소비된 전력을 유효전력이라고 하며, 피상전력*cos(전류전압위상차)가 됩니다.

이 식은 삼각함수 공식과 회로이론을 조금만 이해할 수 있다면 금방 유도할 수 있습니다. 위의 L, C의 경우에는 위상차가 90도이므로 유효전력은 0이 됩니다. 무효전력은 피상전력에서 유효전력을 뺀 나머지가 됩니다.

위의 L, C 회로의 경우에는 피상전력과 무효전력이 같습니다. 겉보기 전력이 전부 다 일을 안하는 전력이라는 것입니다. 한편, 위의 예처럼 L과 C만으로 이루어진 회로가 아니라, R이 있는 경우에는 일반적으로 전류와 전압의 위상차가 90도보다 작게 됩니다.

이 경우 전류의 파형을 보면, R만 있을 때 보다 더 큰 전류가 흐릅니다(L과 C등의리액턴스 성분 때문에). 그래서 겉보기에는 꽤 많은 전력이 소비되는 것처럼 보이나, 실제로 소비전력을 계산해 보면 R만 있을 때와 동일하게 계산됩니다.

앞에 설명한 공식을 이용하면 유효전력을 계산해 보면 실제로 전류와 전압을 곱해서 평균한 것과 동일한 값이 나옵니다. 역시, 피상전력에서 유효전력을 뺀 나머지가 무효전력입니다. 요약하면, 피상전력은 전류와 전압의 크기를 곱해서 계산한 겉보기 전력이고, 유효전력은 실제로 소비된 전력, 무효전력은 왔다가 일은 안하고 그냥 돌아가는 왔다갔다만 하는 전력을 의미합니다.

가정의 계량기는 유효전력을 적산하는데, 가정에서 쓰는 전력에 무효전력이 많으면 발전소 입장에서는 계량기 돌아가는 것은 얼마 안되는데 그거 돌리려고 더 많은 전류를 공급해야 하므로 문제를 떠안게 되기 때문에, 최근에는 정부차원에서 가전제품 제조업체들에게 규정을 제시하여 제품으로 인한 무효전력에 대해 규제를 강화하고 있습니다.

출처 - 코스모터