1. 서 론

유도전동기는 견고성, 장수명, 유지보수의 편리성 및 높은 에너지 운전 효율 때문에 산업 설비의 주요 동력원으로 가장 많이 사용하고 있다^[1-10]. 특히, 용량이 큰 유도전동기를 현장에 적용할 때, 기동 방식의 선정이 매우 중요하다^[5,11]. 이는 기동 시 정격 전류의 5~8배에 달하는 큰 돌입 전류가 흘러 전압강하 및 전력 계통과 부하에 영향을 주기 때문이다^{[6,9, 11-15]}.

직입 기동(Direct on Line; DOL starting)할 때 발생하는 큰 전압강하는 같은 간선에 연결된 다른 전동기 또는 민감한 제어장치에는 오동작 그리고 손상을 일으킬 수 있다^[3,4,9,10]. 전압강하가 클 경우 전동기의 기동실패 또는 전력 계통의 안정성을 떨어뜨릴 수 있고, 차단기와 케이블 등 전력 설비의 과도한 용량 선정을 요구할 수 있다. 더불어 직입 기동 시에 발생하는 높은 기동 토크는 전동기와 연결된 부하에 기계적 충격으로 베어링, 축, 커플링 등 기계 부분의 마모를 초래하거나 파손을 가속할 수 있다^{[7,13,4,16,17]}. 따라서, 시스템의 안정성을 높이기 위해서는 기동 전류를 제한해서 전압강하를 줄여 전동기와 부하에 미치는 기계적인 충격을 완화할 수 있는 기동 방법 선택이 매우 중요하다.

리액터 기동은 기동 전류를 낮추어 기동 토크를 줄여 전동기와 부하에 가해지는 기계적 충격을 줄여 설비를 보호할 수 있는 효과적인 방법이다. 리액터 기동은 부하의 크기에 맞추어 적정한 기동 탭 설정과 절환 시간의 최적화로 기동 전류와 기동 토크의 크기를 효과적으로 제어하는 것이 가능하다.

리액터 기동의 효과를 극대화하기 위해서는 리액터 탭의 절환 시간을 적절하게 설정하는 것은 매우 중요하지만, 현재 리액터 탭 절환은 주로 타이머 설정에 의존하고 있어, 부하의 변화에 따른 특성을 효과적으로 반영하지 못하는 한계점이 있다.

펌프와 같은 관성 부하는 가속 시간이 긴 특성을 가지나, 컨베이어 같은 마찰 부하는 상대적으로 가속 시간이 짧다. 또한, 유도전동기가 경부하로 기동하는 것보다도 전부하로 기동하는 경우 가속 시간이 더 길다. 이처럼 부하 특성에 따라 유도전동기의 가속 시간이 달라지므로, 리액터 절환 타이머를 최적화된 조정을 할 필요가 있다.

본 연구는 고압 유도전동기를 리액터로 기동하여 전전압으로 절환할 때 발생하는 큰 토크가 축에 미치는 스트레스를 줄일 수 있는 리액터의 합리적인 절환 방안을 제안하고자 한다.

2. 리액터 기동과 유도전동기

2.2 리액터 기동

유도전동기를 기동할 때 전압강하를 일정 범위 이내로 유지하기 위해서는 적정한 크기의 변압기 용량과 % 임피던스를 결정하여야 한다^{[3,5,9,10,16]}.

리액터 기동 시 필요한 피상전력($S_{RT_{rea}}$)은 다음과 같이 기동 시 전류를 알면 구할 수 있다.

(1)

$S_{RT_{rea}}=\sqrt{3}\times V_{L}\times I_{ST_{rea}}$

여기서, $V_{L}$은 전동기의 선간전압이고, $I_{ST_{rea}}$는 리액터 기동 시의 전류로 기동 전류에 탭의 비율을 곱한 값이다.

리액터 기동에 필요한 변압기 용량($S_{TR}$)은 다음과 같이 변압기의 퍼센트 임피던스($Z_{TR}$)와 퍼센트 전압강하(VR) 그리고 위에서 구한 기동 시에 필요한 리액터의 피상전력($S_{RT_{rea}}$)으로 구하면 된다.

(2)

$S_{TR}\ge\dfrac{S_{ST_{rea}}\times\% Z_{TR}}{\% VR}$

그림 1은 리액터 기동 단선결선도로 리액터 탭은 3부분으로 나누어져 있고, 진공 접촉자(VCS)와 병렬로 연결되어 있으며, 역률 보상용 커패시터(SC)는 직렬 리액터(SR)가 연결되어 있다.

그림 1. 리액터 기동 유도전동기의 구성도

Fig. 1. Configuration diagram of reactor starting induction motor

3. 해석 및 결과 분석

유도전동기를 기동하는 과정에서 발생하는 특성 분석을 위해 적용할 고압 유도전동기의 사양은 표 1과 같다.

표 1과 같은 유도전동기를 기동할 때 전압강하를 고려하여 적정한 변압기를 선정하는 것은 매우 중요하다. 표 2는 표 1과 같은 유도전동기를 직입 기동과 리액터의 탭 설정에 따라 변압기의 용량을 구한 것이다. 직입 기동에 비해 리액터 방법을 선택하는 경우 변압기의 용량을 낮출 수 있다. 또한, 리액터의 탭을 낮게 설정할수록 변압기의 용량을 줄일 수 있다. 리액터 탭은 3부분으로 나누어져 있지만, 주로 65%에 설정하여 사용하는 경우가 많다. 이 탭을 설정하였을 때 리액터의 인덕턴스는 16mH 이다.

본 연구에서도 이 탭의 값을 설정한 다음 부하의 크기에 따라 직입 기동과 비교해서 절환하는 순간에 발생하는 전류와 전압 그리고 토크가 어떻게 달라지는지를 분석하였다. 표 3은 표 1에 제시된 유도전동기의 파라미터이다.

이 유도전동기를 이용하여 리액터의 탭 설정에 따른 운전 특성 분석을 위해 전자계 과도해석 프로그램(EMTP)을 이용하였다^[21]. 먼저 전동기에 100% 부하, 75% 부하, 50% 부하 등 3가지로 연결하여 직입 기동하는 경우 전류, 전압, 토크의 변화를 모의하면 그림 2와 같다.

그림 2. 직입 기동 시 전류, 전압, 토크

Fig. 2. Current, voltage, and torque during DOL starting

그림 2(a)와 같이 부하의 크기가 서로 다른 경우에 기동하는 순간에 피크 전류는 거의 같고, 정격속도에 도달한 이후에는 부하의 크기에 따라 전류는 달라진다. 그림 2(b)는 그림 2(a)와 같은 전류 변화에서 전압강하를 나타낸 것으로 기동하는 순간에는 전압강하가 크게 나타나지만, 정격속도에 도달한 이후에는 전압의 변화가 부하에 따라 거의 없을 정도이다. 이와 같이 부하의 크기에 따른 전압 변화는 토크 특성에 나타난다. 그림 2(c)는 부하의 크기에 따라 기동해서 정격속도로 운전하는 동안의 토크의 변화를 나타낸 것으로써 기동하여 최대 토크에 도달하는 동안에는 부하의 크기에는 관계없이 거의 같은 크기를 나타내고 있다.

직입 기동은 빠른 시간에 정격속도에 도달할 수 있는 장점이 있지만, 전압강하가 크고, 피크 토크가 높은 문제를 안고 있다. 그래서 이런 문제를 해결하기 위해 리액터 기동법을 고압 유도전동기에 적용하고 있다.

전동기의 가속 시간에 따라 리액터의 탭 설정에 관한 타이밍의 적정 시간을 찾았다. 먼저 리액터 기동에서 절환하지 않고 정격속도에 도달하는 시간은 6.1초 정도로 이 시간에 정격속도의 75% 정도에 해당하는 시간(4.4sec)을 타이머로 설정하여 부하의 크기에 따라 전류, 전압, 토크의 변화는 모의한 결과는 그림 3과 같다.

그림 3과 같이 부하의 크기가 서로 다른 상황에서 리액터의 절환 시간을 일정한 값을 세팅한 다음 기동하는 경우 절환하는 순간에 전류, 전압, 토크의 크기가 서로 다르다. 그림 3(a)와 같이 리액터를 개방하여 전전압으로 절환하는 순간에 전류는 순간적으로 높게 나타나고, 순간적인 전류는 전부하일 때

그림 3. 타이머로 설정한 경우의 전류, 전압, 토크

Fig. 3. Current, voltage, and torque when set to timer

가장 높고, 부하가 줄어든 상태에서 기동할 때는 전류가 더 감소하는 것을 알 수 있다. 그림 3(b)는 그림 3(a)와 같은 전류의 변화에서 전압강하를 나타낸 것으로써 리액터로 기동하는 순간에는 높은 전압강하를 나타내고 있다. 이와 같은 전압강하는 기동하는 순간에 토크의 변화로 이어진다. 그림 3(c)는 리액터로 기동한 다음 전전압으로 절환할 때 토크의 변화를 나타낸 것으로 리액터에서 전전압으로 절환하는 순간에 아주 큰 토크가 발생한다. 이와 같이 순간적으로 크게 발생하는 토크는 정격 토크의 수배에 해당할 정도로 높으므로 축에는 큰 기계적인 스트레스로 작용할 수 있다.

리액터의 절환을 타이머로 설정하는 경우 정격전압으로 변환할 때 큰 토크의 발생은 축에 큰 스트레스로 작용할 수 있으므로 이를 줄일 수 있는 절환 방법의 개선이 필요하다.

그림 4는 리액터 기동에서 부하의 크기에 따라 리액터의 절환 동작을 정격속도의 90% 정도에서 온 시킨 경우 전류, 전압, 토크의 변화를 나타낸 것이다.

그림 4(a)와 같이 부하의 크기에 따라 달라지는 관성모멘트를 고려하여 리액터의 절환 시간을 회전속도의 값으로 적용하면, 절환하는 순간에만 전류가 서로 다르고, 이 전류의 변화만큼 그림 4(b)와 같은 전압강하가 나타난다. 전류에 의한 전압강하의 크기만큼 그림 4(c)와 같은 토크의 변화도 달라진다. 절환하는 순간에 발생하는 최대 토크는 직입 기동이나, 리액터의 절환 시간을 타이머로 설정한 경우보다는 낮아진 것을 알 수 있다. 따라서 앞서 타이머로 설정한 경우보다는 정격 토크를 확보하는 시간은 약간 더 길어지지만, 축에 미치는 스트레스는 약간 더 줄일 수 있다.

그림 4. 일정 회전속도로 설정한 경우의 전류, 전압, 토크

Fig. 4. Current, voltage, and torque when set to a constant rotation speed

직입 기동과 리액터 기동에서 절환 방식을 타이머로 하는 경우 그리고 회전속도에 의한 방법에 따라 절환 시 피크 전류와 최대 토크의 크기를 비교하면 표 4 및 표 5와 같다.

표 4에서와 같이 직입 기동에서는 부하의 감소에도 기동 시 전류는 항상 일정하나, 리액터 방법을 사용하면 직입 기동보다 전류 최댓값이 감소하는 것을 알 수 있다. 같은 리액터 기동 이라도 절환에 회전속도를 이용하면 부하의 크기에 따라 전류 피크를 더 줄일 수 있다.

표 5는 직입 기동과 리액터 기동에서 절환 방식이 서로 다른 경우에 대하여 최대 토크를 비교한 것이다. 직입 기동은 부하의 크기와 관계없이 기동하는 순간의 토크는 거의 같고, 부하가 줄어든 경우, 리액터로 기동의 경우 타이머로 하는 것보다 회전속도 방식으로 절환하는 방법을 사용하면 절환 시의 최대 토크의 크기가 더 감소하므로 축에 미치는 스트레스를 좀 더 낮출 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 고압 유도전동기의 리액터 기동에서 발생하는 축의 기계적 스트레스를 줄일 수 있는 최적의 절환 방법을 찾기 위해 직입 기동과 비교하여 분석하였다.

고압 유도전동기는 부하의 크기에 따라 관성모멘트가 다르다. 직입 기동의 경우는 상관없지만, 리액터 기동의 경우 기동하여 전전압으로 절환할 때 절환의 방법을 타이머로 하는 경우도 가능하나, 본 연구에서는 리액터로 기동하여 정격속도의 90% 정도에서 전전압으로 절환을 시행하면 피크 전류와 최대 토크를 효과적으로 감소시켜, 전력 계통에 미치는 영향을 최소화하고, 전동기와 부하의 기계적인 스트레스를 줄일 수 있는 합리적인 방안임을 확인하였다.