무엇 역률? LED 조명 역률 주요 정보

I소개

역률은 피상 전력에 대한 유효 전력(즉, 전압과 전류의 곱)의 비율로, 그 값은 0에서 1까지입니다. 일반적으로 LED 조명의 역률은 0.95 또는 0.97~0.99에 이를 수 있으므로 다른 매개 변수(예: 발광 효율, 와트, 렌즈 등)만큼 업계에서 많은 관심을 받지 못합니다.

그러나 시중에는 여전히 일부 기존 램프와 역률이 낮은 일부 LED 램프가 있습니다. 이러한 조명은 전력망에 더 많은 전류 부하를 가하기 때문에 선로 과부하 가열 및 전압 강하 문제를 줄이기 위해 더 두꺼운 구리선을 사용해야 하며, 이는 도시 건설 비용 증가로 이어집니다. 일부 국가와 지역에서는 무효 전력에 대해 추가 요금을 부과하고 있지만 전원 공급 장치의 역률을 개선할 필요가 있다고 생각합니다.

그 전에 역률이 무엇이며 그 중요성에 대해 이해해야 합니다. 또한 LED 조명기구가 항상 역률이 높은 것은 아니므로 어떤 상황에서 LED가 역률 측면에서 더 나은 성능을 발휘하는지도 알아야 합니다.

역률이란 무엇인가요?

역률은 AC 회로에서 피상 전력에 대한 유효 전력(즉, 전압과 전류의 곱)의 비율입니다. 전기 장비의 효율성과 전력 시스템의 품질을 측정하는 데 중요한 매개변수입니다. 유효 전력은 시스템에서 실제로 작업을 수행하는 데 사용되는 전력이며 피상 전력은 유효 전력과 무효 전력(일반적으로 유용한 작업을 수행하지 않는 전류와 전압의 위상 차이로 인해 발생하는 전력)을 포함한 시스템의 총 전력입니다.

역률 공식(역률 = 유효 전력/피상 전력)을 사용하면 역률 값이 0에서 1 사이라는 것을 알 수 있으며, 여기에는 LED 조명의 역률도 포함됩니다.

순수 저항 부하의 경우 역률은 1이며, 이는 전압과 전류가 위상이 같다는 것을 의미합니다. 즉, 모든 전류가 유용한 작업에 사용되며 낭비되는 전류가 없다는 뜻입니다. 그러나 유도성 부하(예: 모터, 변압기 등) 및 용량성 부하(예: 커패시터 등)의 경우 전류가 전압보다 늦거나 초과하여 일부 전력이 효과적으로 활용되지 못하고 역률이 1보다 낮아집니다. 역률이 낮다는 것은 회로에 무효 전력의 양이 많다는 것을 의미하므로 라인의 전원 공급 손실이 증가하고 장비의 활용도가 떨어집니다.

따라서 역률을 개선하면 전력망의 전력 소비를 줄이고 장비의 효율성과 전력 공급 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다. 실제로 역률은 무효 전력 보상, 장비 작동 모드 최적화 및 기타 조치를 통해 개선할 수 있습니다.

LED 조명 역률 - 유효 및 무효 전력

왜 역률에 신경을 써야 할까요?

역률은 전력 시스템에서 매우 중요합니다. 역률의 중요성은 주로 다음과 같은 측면에 반영되어 있습니다:

1. 에너지 활용도 증가:

역률이 보정되지 않은 경우(즉, 역률이 너무 낮은 경우) 전력 시스템에서 많은 양의 무효 전력 손실이 발생합니다. 이 쓸모없는 전력은 회로에 흐를 때 유용한 기계적 또는 열 에너지로 직접 변환되지는 않지만 전기 장비에 추가 전류를 생성합니다. 이 여분의 전류는 장비 내부의 저항을 가열하여 장비의 에너지 소비를 증가시킵니다. 반대로 역률을 개선하면 무효 전력 손실이 줄어들어 에너지 활용도가 높아집니다.

2. 그리드의 부하를 줄입니다:

LED 조명의 역률을 개선하면 전력망의 무효 전력이 감소하여 전력망의 부하가 줄어듭니다. 이는 전력 시스템의 안정적인 작동에 필수적이며 그리드의 과부하 및 오류와 같은 문제를 방지하는 데 도움이 됩니다. 반대로 역률이 낮으면 전력망에 과도한 전류가 흘러 전력 시스템의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 장비 성능에 영향을 줍니다:

역률이 높으면 전기 장비의 수명이 연장되고 에너지 낭비가 줄어듭니다. 역률이 너무 낮으면 회로에서 쓸모없는 작업이 대량으로 발생하여 전기 장비가 심하게 가열됩니다. 그리드 장비와 전력 사용 장비 모두 고온 환경을 좋아하지 않습니다. 과도한 온도는 구성 요소의 노화를 가속화하여 성능 저하 또는 손상으로 이어집니다. 즉, 역률이 낮으면 에너지가 낭비될 뿐만 아니라 장비가 손상될 수 있습니다.

다양한 부하로 인한 낮은 역률

역률이 낮은 것은 주로 유도성 및 정전 용량성 부품을 사용하기 때문입니다. 장비는 유도성 및 용량성 요소의 수에 따라 유도성 부하와 용량성 부하로 분류할 수 있습니다. 유도성 부품이 많은 장비는 유도성 부하이고, 용량성 부품이 많은 장비는 용량성 부하입니다.

순수 저항 부하

유도성 및 용량성 부하 외에도 순수 저항성 부하(즉, 순수 옴 부하)인 장치, 가전제품 및 램프가 많이 있습니다. 이는 회로에 저항성 구성 요소만 포함된 부하를 말합니다. 전원이 공급되면 회로는 열과 빛 에너지만 생산하고 전기 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하지 않습니다. 순수 저항 부하에서는 전류와 전압이 동시에, 즉 위상에 따라 변합니다. 즉, 전류와 전압 사이에 위상차가 없으므로 역률은 1과 같습니다.

순수 저항성 부하의 대표적인 예는 백열등입니다. 백열등에 불이 켜지면 전기 에너지는 주로 열과 빛으로 변환되는데, 이때 저항선을 통과하는 전류로 인해 열이 발생합니다. 백열등은 순수 저항 부하이기 때문에 역률이 1에 가까워 무효 전력을 많이 발생시키지 않고도 전기 에너지를 효율적으로 활용하여 빛/열로 변환할 수 있습니다. 물론 이것이 백열등의 광효율이 가장 높다는 것을 의미하지는 않습니다.

유도 부하

유도 부하는 회로에 유도성 부품이 많이 포함된 부하로, 장비의 역률을 낮추는 주요 원인 중 하나입니다. 유도 부하에는 모터, 변압기, 인덕터 등이 포함되며, 작동 중에 자기장을 생성하여 전류가 전압보다 뒤처지게 합니다. 이 지연으로 인해 전류와 전압 사이에 위상차가 발생하여 역률이 감소합니다. 유도성 부하의 대표적인 예로는 전자식 안정기가 본질적으로 유도성이어서 역률이 일반적으로 0.7 또는 0.5 이하인 HID 램프가 있습니다. LED 램프도 이 범주에 속하지만, LED 조명은 역률이 0.97에 달할 수 있습니다.

유도성 및 정전 용량 부하

정전 용량 부하

용량성 부하는 회로에 많은 수의 용량성 소자가 있는 부하입니다. 유도 부하와 달리 정전 용량 부하(예: 커패시터)는 전류가 전압을 초과하여 역률을 개선합니다. 그러나 용량성 리액턴스가 너무 커서 유도성 리액턴스보다 크면 전류가 전압을 큰 위상각으로 초과하여 역률이 다시 떨어집니다. 무효 전력을 보상하고 LED 조명의 역률을 개선하기 위해 LED 컨트롤러와 같은 장치에 커패시터를 추가하는 경우가 많습니다.

역률의 기초

이전 두 섹션에서 장비에 유도성 및 용량성 부품이 있으면 장비의 역률이 감소할 수 있다는 것을 배웠는데, 구체적인 이유는 무엇일까요? 아래에서는 기본 개념을 보다 일반화된 방식으로 설명합니다.

유도 부하(즉, 모터, 변압기, 인덕터와 같이 자기장을 생성하는 부품)가 장치에 존재하면 이러한 장치를 통과하는 전류가 자기장을 생성하여 에너지를 저장합니다. 자기장을 양동이, 전류를 물이라고 생각하면 수도꼭지를 틀면 물이 양동이에 흐르기 시작하지만 양동이가 즉시 채워지지는 않습니다.

물이 흘러 양동이를 채우는 데는 시간이 걸리기 때문입니다. 마찬가지로 유도성 부하를 통해 전류가 흐르면 부하 내부에 자기장이 생성되지만 이 자기장이 형성되는 데는 시간이 걸립니다. 자기장 형성으로 인한 이 전류를 “유도 무효 전류”라고 합니다.

이 전류는 실제로 부하에 유용한 에너지로 변환되지 않고 자기장에 저장됩니다. 이 전류와 전압 사이에는 위상차가 있습니다. 즉, 전압이 변화하기 시작했지만 전류가 아직 전압 변화의 크기에 도달하지 않았습니다.

유도 부하에서 이러한 구성 요소(예: 전기 모터)는 모터 자체가 그렇게 많은 에너지를 소비하지 않더라도 그리드에서 에너지 소비를 증가시킬 수 있습니다. 유도성 부하는 유효 전력 외에 무효 전력을 소비하기 때문입니다. 무효 전력은 작업을 수행하는 데 직접 사용되는 것이 아니라 장치 내부의 자기장을 유지하는 데 사용됩니다.

유도성 부하의 존재로 인해 전류가 시스템에 순환하여 시스템의 총 에너지(피상 전력)가 증가합니다. 유도 부하는 무효 전력을 소비하기 때문에 그리드는 장비의 요구를 충족하기 위해 더 많은 전류를 공급해야 합니다. 이로 인해 모터 자체는 그렇게 많은 에너지를 소비하지 않더라도 그리드의 에너지 소비가 증가합니다.

따라서 유도 부하를 설계하고 운영할 때 무효 전력의 영향을 고려하여 장비 효율을 개선하고 그리드 에너지 소비를 줄여야 합니다.

LED 조명의 역률에 영향을 미치는 요인

앞의 두 섹션에서는 역률의 정의, 역률이 중요한 이유, 역률 차이가 전력망에 미치는 영향에 대해 설명했습니다. 이 섹션에서는 LED 조명기구의 역률에 영향을 미치는 요인에 대해 설명합니다.

품질이 낮은 전원 공급 장치 사용

조명 기구의 주요 구성 요소인 LED 전원 공급 장치는 LED 램프의 역률에 큰 영향을 미칩니다. 이는 전원 공급 장치에 조명 기구의 다른 어떤 부품보다 유도성 부품이 많기 때문입니다. 그러나 전원 공급 장치 제조업체마다 LED 컨트롤러의 역률 성능이 크게 다릅니다.

예를 들어 Infinity EUM 시리즈 전원 공급 장치의 역률은 0.97 또는 그 이상에 도달할 수 있는 반면, MOSO MXG 시리즈 전원 공급 장치의 역률은 0.95에 불과합니다. 같은 제조업체의 다른 시리즈 LED 컨트롤러도 역률 성능 측면에서 크게 다릅니다. 예를 들어, Igor EBS-080S105BT2의 D4i 전원 공급 장치는 0.98의 PF에 도달할 수 있습니다.

잘못 구성된 전원 공급 장치

동일한 전원 공급 장치의 역률은 조명 구성에 따라 크게 달라집니다. 여기서 조명 구성은 주로 조명 부하와 LED 컨트롤러 간의 일치 정도에 따라 달라집니다. 아래 표에서 조명 부하가 작을수록 PF 값이 나빠진다는 것을 알 수 있습니다. EUM-075S105DG를 예로 들면, 조명기구 부하가 72W(총 조명기구 전력은 80W)인 경우 PF는 0.97에 도달할 수 있습니다. 조명기구 부하가 60W로 감소하면 PF는 0.96으로 감소하고, 50W로 계속 감소하면 PF는 0.95 이하로 감소합니다. 이 시점에서 올바른 방법은 EUM-050 전원 공급 장치를 사용하여 해당 LED 모듈을 제어하여 더 나은 PF 값을 얻는 것입니다.

LED 컨트롤러의 역률

디밍 기능 사용

LED 조명기구의 디밍 기능은 널리 사용됩니다. 디밍은 에너지를 절약할 수 있지만 역률(PF)에 미치는 영향에도 주의를 기울여야 합니다. 도로 조명에서 LED 가로등은 자정 이후 교통량이 감소하면 전력을 줄여 과다 조명을 최소화합니다. 또 다른 예로 창고 조명에서는 LED 산업용 조명이 공간 점유(점유 또는 비어 있음)에 따라 출력을 조정하여 불필요한 조명을 줄입니다.

일반적으로 조명 수요가 적을 때 LED 조명기구는 에너지를 절약하기 위해 LED 컨트롤러의 출력을 변경하여 전력을 줄입니다(즉, LED 컨트롤러의 출력 전력을 줄임). 두 번째 지점에서 우리는이 경우 LED 램프의 역률이 감소 할 수 있음을 이해할 수 있습니다. 이 경우 전력 감소가 50%를 초과하지 않는 것이 좋습니다. 전력 감소가 50%를 초과하는 경우 에너지 절약과 역률 값 간의 균형이 필요합니다.