전기에는 직류와 교류가 존재하는데, 역률(power factor)은 교류와 관계된다.
왜냐하면, 직류에서는 전압과 전류의 곱으로 전력이 되는데, 그 공식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
P = 전력, V = 전압, I = 전류
직류에서는 위상이라는 개념이 없다.
하지만, 교류에서는 위상이 존재하며, 교류회로에서 역률은 유효전력(Active Power [단위 : W])과 피상전력 (Apparent Power [단위 : VA])의 비를 말하는데,
이를 간단히 풀어서 해석하면, “전기설비에 걸리는 전압과 전류가 얼마나 효율적으로 일을 잘 하고 있는가?”로 나타내는 지표로도 활용된다.
역률은 유효전력을 피상전력(외관상의 전력)으로 나눈값이며, 교류 회로에서 전류와 전압의 위상차를 코사인 값(cosθ)으로 나타낸다.
직류에서는 전압과 전류만 곱하면 그것이 전력이었으나, 교류는 전압과 전류의 실효값을 곱한 피상전력이라는 것에 역률을 곱하여야 비로소 전력이 된다.
왜냐하면 직류처럼 일정한 흐름이 아닌, 정현파의 형태를 그리며 계속 지속적으로 변하기 때문이다.
즉, 직류처럼 일정한 값이 아닌, 계속 지속적으로 변하는 값이기 때문에 위상이 반드시 일치하지는 않는 것이다.
여기서 피상전력은 전압(V)과 전류(I)의 곱 (VI) 이므로, 피상전력의 공식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
여기서 AP는 유효전력 (Active Power) / RP는 무효 전력 (Reactive Power)을 말한다.
유효전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(단, 위상각)
무효전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(단, 위상각)
역률을 구하려면 유효전력을 피상전력으로 나누어야 하며, 그 수식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
역률은
위와 같이 나타낼 수 있으며, 보통 역률은 최대 1로 표기된다.
표시방식은 보통 "EX1) 0.90 ~ 0.95" / "EX2) 0.76 => 76%" 이렇게 표시된다.
역률이 1 즉, 100% 라는 얘기는 무효전력 아예 존재하지 않다는 것임을 의미하며, 이때 유효전력은 피상전력과 같아지게 된다.
우리가 한전에서 전기요금 명세서를 받아보면, 거기에는 주거용(가정용)역률 90%[0.9]로 감안하여 전기요금에 반영이 되어있는데,
이는 가정집에서는 세탁기, 냉장고 등 전동기(코일 성분)로 동작을 시키기 때문에 주거용(가정용)역률은 100%가 될 수 없다.
시퀀스 회로도로 보면 알 수 있겠지만, 전동기로 기동이 되는 것은 거의 코일이 포함되어 있기 때문에 역률이 100%로 맞춰지지 못한다.
전압과 전류의 위상차이는 전력을 효율적으로 사용하지 못하는 무효전력을 발생시키고 이는 역률에 관계된다.
실제 수용가 측면에서는 초기 투자비의 과다와 실제 부하사용량에 따라 역률제어 실행 시 필요한 역률조정소자의 용량이 달라지기 때문에 건축전기설비설계 시 역률개선을 위한 역률제어반을 설치하지 않고
부하운용을 먼저 한 후, 역률제어반을 설치하게 되는데 이는 나중에 설치하게 되면 제한된 전기실의 공간으로 인하여 설치하기가 어려워지는 상황이 자주 발생됨.
저항(R)만 존재할 때, 회로의 역률은 전압과 전류의 위상이 없기 때문에 역률은 1로 나타낼 수 있다.
코일(L)만 존재할 때, 전압과 전류의 관계식은
으로 나타낼 수 있으며, 이는 전압을 기준으로 할 때 전류는 90도가 늦어져 위상이 90도 차이가 나게 되어, 역률은 0이 된다.
이러한 과정에 의하여 역률은 0이 되어, 전류는 전압보다 위상이 90도 늦지게 됨.
정전용량(C)만 존재할 때, 전압과 전류의 관계식은
으로 나타낼 수 있으며, 이는 전압을 기준으로 할 때 전류는 90도가 빨라져 위상이 90도 차이가 나게 되어, 코일만의 회로와 마찬가지로 역률은 0이 된다.