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  1. (KOLON BASF innoPOM, Korea.)



Induction motor, Inrush current, Starting time, Torque, Voltage drop

Nomenclature

$D$: 직경 [m]
$GD^{2}$: 플라이 휠 효과 [$kg-m^{2}$]
$I$: 관성 모멘트 [$kg-m-s^{2}$]
$I_{s}$: 전전압 기동시 전류
$J$: SI단위 관성 모멘트 [$kg-m^{2}$]
$m$: 질량 [kg]
$N$: 회전속도 [rpm]
$P$: 전동기의 정격 용량 [W]
$T$: 토크 [kg-m]
$T_{a}$: 평균 가속 토크 [kg-m]
$T_{M}$: 전동기 최대 토크 [kg-m]
$T_{L}$: 부하의 반항 토크 [kg-m]
$T_{S}$: 전동기 기동 토크 [kg-m]
$V$: 공급 전압
$V_{1}$: 감전압
$W_{s}$: 에너지 [W]
$W_{s}'$: 부하토크를 고려한 에너지 [W]

1. Introduction

Mechanical Vapor Recompressor (MVR)는 산업 현장에서 저압 Vapor를 고압 압축하고 열 교환을 하여 증기를 발생시키는 장치로 에너지 절감을 위하여 적용하는 기술이다. Vapor를 압축하기 위한 Recompressor를 구동하는 전동기는 일반적으로 압축량에 따라 설계된다. 이 때 사용되는 전동기는 대용량임에도 불구하고 구조가 단순하고 유지보수가 쉬운 유도전동기가 주로 사용된다.

유도전동기 기동방식은 기동전류에 따라 다르게 선정한다(1)-(3). 통상적으로 전전압 기동, 감전압 기동으로 분류하고, 감전압 기동은 ① Y-D 기동 ② 리액터 기동 ③ 단권변압기 기동 등이 있다. 부하의 용량에 따라 ① 기동시 전압 강하, ② 기동시 필요한 가속 토크 ③ 필요한 기동시간을 검토하여야 한다(4). 특히 산업 현장에서는 공장에 전력을 공급하는 변압기 용량[KVA] 의 30% 이상의 용량의 전동기가 설치되는 경우 기동 상태를 점검하여야 한다.

전전압 기동시 기동시간이 짧은 대신 전동기에 의해 발생하는 돌입전류가 크기 때문에 전압 강하가 커지게 된다. 이는 주변의 다른 부하에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 돌입전류를 방지하기 위해 감전압 기동방식을 사용한다. 그러나 감전압 기동을 위해서 추가적인 장비가 필요하므로 비용이 상승하게 된다. 또한 기동시간이 증가하게 됨으로 전력 손실에 의한 과열 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 실제 K공장에 대용량 유도전동기를 설치하는 과정에서 발생하는 문제를 이론적인 접근을 통해 해결 방안 과정을 제시하고 시운전 및 측정을 통해 결과를 확인하는 과정을 다룬다.

K공장에서는 기존에 유도전동기 기동시 큰 전압강하로 인해 440V MCC 조작용 부하에 연결된 200VA급 소형 변압기에서 전자접촉기 석방 현상이 간헐적으로 발생하는 경험을 가지고 있었다. 따라서 본 논문에 기술된 MVR용 유도전동기를 신규 설치하는 과정에서 예상되는 전압강하를 이론적인 검토를 통해 예측하고 설계를 변경하여 전압강하를 최소화 하도록 하였다.

본 논문의 구성을 다음과 같다. 2장은 유도전동기의 기동 방식과 특성에 대해 수학적 분석을 기술한다. 3장에서는 실제 MW급 대용량 유도전동기에 단권변압기를 연결하여 공장에서 기동 테스트를 수행한 결과에 대해 기술한다. 마지막으로 4장에서는 결론에 대해 기술하고 본 연구가 갖는 의미를 설명한다.

2. MVR 유도전동기 기동특성

본 연구에서는 K공장에 실제 설치된 3,300V, 3,720kW 유도전동기를 대상으로 하였다. 선정 과정과 기동전압, 전류가 기동 절체 시점에 따라 변화하는 것을 측정 한 내용에 대해서 상세하게 기고한다.

2.1 전원 용량

사업장에 공급되는 수용 전력은 22,900V 15,000kVA 변압기를 통해 3,300V/440V/220V 3단 강압 방식을 적용한다. 부하는 설비용량 8,000kVA, 실사용 부하 4,000kW에서 MVR 전동기가 기동한다. 변압기 탭은 22,900/3,450V로 선정하였다.

그림. 1. MVR에 적용된 전동기

Fig. 1. The motor applied to MVR

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig1.png

2.2 전동기 기동방식 선정

변압기 용량은 15,000kVA 이지만 실운전 부하 4,000kW를 사용 중인 상태에서 3,700kW 이상의 전동기를 기동하게 되므로 기동 시 돌입 전류에 의한 전압 강하가 매우 크다. 따라서 기동 방식 선정에서 전원 측에 영향을 최소화 하는 방식을 선정하는 것이 매우 중요 한 문제이다(5).

일반적으로 대용량 기기의 감전압 기동은 전원이 단속 되지 않고 연속으로 공급 되는 방식인 리액터 기동, 단권변압기 기동(콘돌퍼 기동)으로 하는데, 이 기동법은 전전압 절체시 충격 완화의 장점이 있다(6).

단권변압기 기동 방법은 필요한 전압 탭에 전동기를 접속하여 기동하는 방법으로 기동 완료 후 전원과 직접 접속으로 전환하는 방법이다. 주개폐기 외 단권변압기와 2대의 개폐기가 필요하며 개폐기와 변압기의 접속 방법은 그림 2와 같다. 이 방식은 전원과 무순단 절체가 특징이다. 기동 초기 ①번과 ④번 스위치를 닫으면 선택된 탭의 전압이 전동기에 가해진다. 이 전압으로 충분히 가속한 후 ④번 스위치를 개방하면 리액터 기동과 같이 동작하게 된다. 이 상태에서 곧바로 ②를 닫으면 전환이 완료된다. 이를 2단계 비개방 전환방식이라고 한다. 이때 ④과 ②번 동작에서 시간차가 발생되면 리액터 방식으로 재기동 되어 전압 변동이 커지게 되므로 주의하여야 한다.

그림. 2. 콘돌퍼 기동 회로도

Fig. 2. Condolper starting circuit diagram

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig2.png

특히 단권변압기를 채용한 기동 방식은 전원 측의 전압변동과 기동전류가 리액터 방식 보다 적어, 단권변압기 기동 방식을 선정 하였다(6). 두 기동 방식의 특성은 아래 표 1에 나타나 있다.

표 1. 전동기 기동 방식별 비교

Table 1. Experimental data sets

기동방식

특성

전전압

리액터

단권변압기

Tap

-

a % Tap

a % Tap

단자전압

$V$

$V\times(1-\dfrac{a}{100})$

$V\times a$

토크

$T$

$T\times(1-\dfrac{a}{100})^{2}$

$T\times(1-\dfrac{a}{100})^{2}$

전류

$I$

$I\times(1-\dfrac{a}{100})$

$I\times(1-\dfrac{a}{100})^{2}$

2.3 유도전동기의 속도 토크 특성

단권변압기가 절체 될 때 정상 속도에서 기동 완료되면 전압 전류는 변동 없이 정상적으로 운전 되어 정상적인 속도 토크 특성을 갖는다(7).

속도 토크 특성은 그림 3과 같이 전동기 속도 토크 특성과 부하의 속도 토크 특성이 교차되는 점이 운전 포인트가 된다. 이 때 각 그래프는 ① 전전압 기동전류 ② 단권변압기 기동전류 ③ 전전압 토크 ④ 단권변압기 토크 ⑤ 부하 토크를 의미한다(8).

그림. 3. 전동기와 부하의 속도-토크 특성

Fig. 3. Speed-torque characteristics of motor and load

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig3.png

그림. 4. 정격 속도 40%에서 운전 절체 시 특성 곡선

Fig. 4. Characteristic curve at 40% rated speed operation transfer

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig4.png

그러나 앞의 그림 4에서 보는 것처럼 전동기의 속도가 충분하지 않은 점 ⑤에서 절체가 이루어지면 ②의 기동전류는 ⑥의 전전압 기동전류로 급격히 증가하고, ④의 토크는 ③의 전전압 토크로 이동하여 전전압 기동시와 같이 대전류가 흘러 전압 강하가 커지게 된다.

2.4 유도전동기 기동시 열손실

농형 유도 전동기로 고관성 부하를 기동할 경우, 기동 가속 중 회전자 도체에 발생하는 큰 손실로 인한 온도 상승을 전동기 설계시 검토해야 한다. 부하를 정격회전속도까지 가속시키기 위해서는 가속중 전동기 토크가 부하 토크보다 상당히 커야 한다. 즉 고관성 부하(GD가 큰 부하)를 기동시킬 경우 토크가 큰 전동기를 필요로 한다. 임의의 관성 모멘트(플라이휠 효과 $GD^{2}$)를 가진 부하를 무부하 기동할 때 회전자에 발생하는 손실은 이론적으로 가속에너지, 즉 가속후 회전체에 축적된 에너지에 상당 한다. 이를 수식으로 정리하면 다음과 같다(9).

(1)
$$GD^{2}=\dfrac{1}{2}m\times D^{2}$$

(2)
$$W_{s}=\dfrac{1}{2}J\omega^{2}=\dfrac{1}{2}\times\dfrac{GD^{2}}{4}\times\left(2\pi\times\dfrac{N}{60}\right)^{2}=\dfrac{GD^{2}· N^{2}·\pi^{2}}{7200}$$

실제 기동시는 부하 토크가 존재하므로 회전자에 발생하는 손실은 상기 값보다 증가한다.

(3)
$$W_{s}'= W_{s}\times\dfrac{T_{M}}{T_{a}}$$

감점압 기동시 전동기 최대 토크 $T_{M}$과 가속토크 $T_{a}$의 비율이 전전압 기동시 보다 크기 때문에 손실이 증가한다. 이러한 손실은 열로 전환되는데 회전자 구속시 시간당 온도 상승을 $\eta$라 하면 열상태 및 냉상태에서 전동기가 견딜 수 있는 시간은 다음과 같다.

(4)
$$\dfrac{350-(Hot \enspace state \enspace temp)}{\eta}=A[sec]$$

(5)
$$\dfrac{350-(ambient \enspace temp)}{\eta}=B[sec]$$

2.5 농형 전동기의 기동시간

전동기의 토크는 관성 모멘트와 각가속도의 곱이므로 다음 식으로 나타낼 수 있다(4).

(6)
$$ \begin{aligned} T&=I\dfrac{d\omega}{dt}=I\dfrac{d}{dt}(\dfrac{2\pi n}{60})=(\dfrac{2\pi}{60})I\dfrac{dn}{dt}\\ &=\dfrac{2\pi}{60}·\dfrac{GD^{2}}{4g}·\dfrac{dn}{dt}=\dfrac{GD^{2}}{375}·\dfrac{dn}{dt}\\ t&=\int dt=\dfrac{GD^{2}}{375}\int\dfrac{dn}{T} \end{aligned} $$

토크 T가 가속토크 $T_{a}$와 같이 일정하다면 회전수가 0에서 N까지 가속하는 시간은 다음과 같다.

(7)
$$t=\dfrac{GD^{2}}{375T_{a}}\int dn=\dfrac{GD^{2}}{375T_{a}}[n]_{0}^{N}=\dfrac{GD^{2}· N}{375T_{a}}[s]$$

따라서 플라이휠 효과와 회전수가 크고, 가속 토크가 작을수록 기동시간이 길어진다. 기동시간이 길어지면 전동기는 과열을 일으키기 쉽다.

전동기의 평균 가속 토크는 반드시 일정하지 않으므로 다음 식으로 산출되는 값을 사용할 경우가 많다.

(8)
$$T_{a}=\dfrac{1}{2}\left(T_{S}-T_{M}\right)-T_{L}$$

기동시간은 토크의 역수에 비례하기 때문에, 시동 방식 또는 전압 강하에 의한 토크 감소나 속도 토크 특성이 느슨해지거나, 기동 또는 가속 불량의 문제를 일으킬 수 있다.

2.6 단권변압기 용량 선정

표 1에서와 같이 기동전류와 기동 토크의 저감율이 같다는 점에서 착안 하면 전원 용량이 작거나 부하의 기동 토크가 큰 경우에 리액터 기동방식으로 좋지 않을 때 단권변압기 기동 방식이 좋다는 것을 알 수 있다.

변압기의 탭 전압은 리액터와 달리 전동기에 인가되는 전압의 %로 나타낸다. 시동용 단권변압기는 온도 상승에 의해 시간 정격의 제한을 받는다, 이 온도 상승은 일반적으로 65% 탭에 37kW 유도 부하를 접속해, 그 이하에서는 정격 전류의 3배, 초과 시 2배를 흐르게 하여 아래 식으로부터 구해지는 개략 기동시간의 3배 까지 견딘다(10).

(9)
$$t=4+2\sqrt{P}$$

상기 조건으로 하여 리액터, 단권변압기는 1분 정격으로 설계한다. 기동시간과 연속 기동 회수의 누적이 1분을 초과하는 경우나 기동 사이클이 끝나 리액터나 단권변압기의 온도를 실온으로 내리는 냉각시간을 2시간으로 해 기동 빈도가 1회 이상의 경우는 시간정격이 큰 3분으로 특수 설계를 해야 한다. 기동용 단권변압기의 용량은 다음 식에 의해서 산출된다.

(10)
$$\sqrt{3}I_{s}V\times(\dfrac{a}{100})^{2}\times 10^{-3}[k VA]$$

이상과 같이 식에 의하여 특수 설계 된 기동용 단권변압기 사양은 표 2와 같다.

표 2. 단권변압기 사양

Table 2. Data set of autotransformer

적용 규격

한국 공업규격, JEM 1041,

NEMA ICS 2-214

형식

옥내용

냉각방식

건식 자냉식

Motor 역율

89%

효율

94%

상수

3상

정격 주파수

60Hz

회로 전압

3,300V

MOTOR 용량

3,720kW

정격 전류

777.9A

기동 전류

4,278A (550%)

t시간 정격

3분 정격

절연 종류

F 종

정격 용량

4,818kVA (75) % TAP

변압기 TAP

2310 - 2475 - 2640 V

TAP 전류

2,995 - 3209 - 3422 A

그림. 5. 전동기 설치 사진

Fig. 5. Motor installation pictures

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig5.png

그림. 6. 전동기 부하 4단 압축기

Fig. 6. Motor load 4-stage compressor

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig6.png

그림. 7. 전동기 전압 전류 측정기

Fig. 7. Electric motor voltage current meter

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig7.png

3. 전동기 설계 및 시험평가전동기 설계 및 시험평가

앞서 2장에서 단권변압기 기동은 전 전압 기동에 비해 전원측에 영향을 줄일 수 있음을 설명하였다. 이를 확인하기 위해 다음과 같은 실제 기기에 측정장비를 연결하여 기동특성을 확인하였다.

3.1 전동기 설계

2장에서 설명한 전압, 전류, 토크 및 온도 특성을 고려하여 최초 설계 결과 회전관성모멘트가 1903.8$kg-m^{2}$를 갖도록 도출하였다. 이 경우 기동전류 및 속도-토크 특성은 아래 그림 8과 같다.

그림. 8. 1903.8$kg-m^{2}$ 속도-토크 설계 특성

Fig. 8. 1903.8$kg-m^{2}$ speed-torque design characteristics

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig8.png

기동시간이 전압 100%에서 22sec, 80%에서 40sec로 설계되었다. 기동시간이 많이 걸리면 ① 열손실이 커져, ② 권선온도 ③ Rotor Bar의 온도가 상승하여 전동기에 악영향을 끼친다. 따라서 관성 상수를 기존 1903.8$kg-m^{2}$(전동기: 203.8, 부하: 1700)에서 516.5$kg-m^{2}$(전동기: 106.5, 부하: 410)로 낮추어 재설계 하였다. 그 결과 전동기의 효율이 2% 정도 감소하였으나 기동시간이 전압 100% 9sec, 80% 16sec, 75% 19sec로 전체적으로 줄어들었다.

그림. 9. 516.5$kg-m^{2}$ 속도-토크 설계 특성

Fig. 9. 516.5$kg-m^{2}$ speed-torque design characteristics

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig9.png

그림 9의 기동 특성 곡선에서 기동 토크와 전류 관계를 보면 전압이 75% 이하에서는 토크 부족으로 기동이 되지 않는다. 따라서 감전압 비율 75%로 하여 기동한다.

3.2 운전 기동 테스트

시운전 결과가 설계 데이터와 일치하는지 확인하기 위해 부하인 다단 압축기에서 단권변압기의 절체 시간을 다르게 하여 전압 전류 패턴을 측정하였다. 앞서 설계 결과에서 75% 전압으로 정상 운전 속도에 도달하는 시간이 19sec 로 계산됨을 상기할 때 전전압 절체는 그 이후에 이루어져야 한다.

Case 1은 무부하 상태에서 75% 전압으로 단권 변압기 기동 17sec 후 전전압으로 절체를 하였다. Case 2는 무부하 상태에서 단권변압기를 통해 75%의 전압을 인가하고 8sec에 절체 하였다. 이 때 전동기의 속도는 정격의 42%이다. Case 3은 같은 조건에서 20sec에 절체 하였다. 이 때 전동기의 속도는 정격의 100%이다.

3.3 Case 1 기동특성

아래 그림은 75% 전압 기동하여 17sec에서 전동기의 속도가 정격의 89.5% 도달하였을 때 절체시 전압과 전류의 측정값을 보여주고 있다. 이 때 전동기 기동으로 인해 전압이 각 상별로 15.8%에서 12.4% 정도 전압강하가 발생하는 것을 확인하였으며 이는 공장 내 다른 부하에 큰 영향을 미칠 수 있다.

그림. 10. 89.5% 속도 절체 시 부하의 전압 전류 변화

Fig. 10. 89.5% speed changes in voltage and current of load during transfer

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig10.png

3.4 Case 2 기동특성

무부하 상태에서 75% 전압으로 단권변압기 기동 시작 후 8sec에서 전동기의 속도가 정격의 42%에 도달 하였을 때 운전 모드로 절체를 하여 전압과 전류를 측정하였다. 그림 11에서 위의 실선이 전압이고 아래 실선이 전류를 나타낸다. 기동 후 8sec까지 평균 7.5%의 전압강하가 일어나다가 절체 후 리액터 모드로 11초 동안 12%의 전압강하를 가지고 운전됨을 확인할 수 있었다. 총 17sec의 기동시간이 소요됨을 확인할 수 있었다.

전동기가 충분한 속도로 운전하기 전에 운전모드를 변환하게 될 경우 모선 전압이 12% 강하함으로써 기존에 발생한 문제와 같이 저압 440V 부하용 MCC 전자접촉기 석방 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.

그림. 11. 42% 속도 절체 시 부하의 전압 전류 변화

Fig. 11. At 42% speed changes in voltage and current of load during transfer

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig11.png

3.5 Case 3 기동특성

Case 1과 2 에서는 공급 전압을 3,300V 에서 진행하여 전압 강하가 12% 이상 발생하였고, 440V 부하에서 지속적으로 문제가 발생하여 변압기 Tap 조정하여 전압을 3300V에서 3450V로 승압하였다. 역률개선용 콘덴서 750kVA를 투입하고 무부하 상태에서 75% 전압으로 단권변압기 기동 절체 시간을 20sec로 설정하여 확인하였다. 17sec까지 평균 7.5%의 전압강하가 일어나다가 설계시간인 19sec 지난 후 절체시 전전압 모드로 자연스럽게 운전됨을 확인할 수 있었다. 공급 전압을 높이고, 역율 조정용 콘텐서를 투입한 상태에서 절체시간을 설계된 19초를 초과 시에서는 문제가 없음을 확인하였다.

그림. 12. 100% 속도 절체 시 부하의 전압 전류 변화

Fig. 12. At 100% speed changes in voltage and current of load during transfer

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/fig12.png

이상의 결과를 종합해 보면, case 2에서 보듯이 충분한 속도에 오르지 않은 상태에서 절체를 하게 되면 큰 전압강하가 발생함을 확인 할 수 있었고, 단권변압기를 개방한 상태에서 운전이 되면 단권 변압기는 리액터 역할로 바뀌게 되어 리액터 기동으로 전압 전류가 바뀐 것을 볼 수 있었다. 이와 비교하여 공급전압이 3300V인 case 1을 보면 설계치인 19sec에 비해 약간 작은 17sec에 절체를 수행하였다. 속도는 정격의 89.5%로 매우 정격에 근접한 속도에 올라 왔지만 case 2와 유사한 12% 이상의 전압강하를 발생시켰다. 이에 비해 case 3은 3450V에서 설계치인 19sec 보다 큰 20sec에서 절체를 함으로써 계통에 영향이 가장 적은 7.5%의 전압강하를 확인할 수 있었다. Case 1과 2에서 속도를 고려한 설계시간 이하에서 절체 하면 전전압 기동 곡선에 준하는 전압, 전류 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

4. Conclusion

본 운전데이터에서 확인된 바와 같이 기동전압과 기동시간은 설계 때부터 고려되어야 하고 부하 제작사와 전동기 제작사에 계산에 필요한 Data를 확보하여 설계를 하여야 한다. 단권변압기를 이용할 경우 기동에 필요한 토크가 발생되는 탭 전압을 확인하여야 한다. KS C IEC60947-4-1에는 전동기가 정격 속도의 80%이상이 되었을 때 단권변압기 절체를 실시하도록 권장하고 있지만 전동기의 회전수가 충분히 오르지 않고 기동 전류가 감쇠하지 않는 채로 절체 하는 경우에는 전전압으로 재 기동 되어지는 것을 확인 하였다. 따라서 유도 전동기의 기동은 기동 가능한 탭 전압과 설계된 기동시간의 95% 이상 구간에서 전전압으로 절체를 하는 것이 바람직하다.

따라서 대용량 전동기의 안정적인 기동을 위해서는 정격속도에 도달하는 설계된 기동 시간의 값보다 큰 지점에서 절체가 이루어져야 한다. 또한 정상적인 절체 과정에서도 7.5%의 전압강하가 발생하므로 주변부하에 영향을 적게 미치기 위해 변압기 탭 전압을 허용 한도 내에서 높게 설정하고, 역율 개선용 콘덴서를 가동한 상태에서 기동하는 것이 전압 변동에 유리하다.

Acknowledgements

This research was supported by Kumoh National Institute of Technology (202001800001)

References

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저자소개

Tae-moon Lim
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/au1.png

2016: BS degree in Electrical Engineering

2020:MS degree in Department of Electronic and Electronic Engineering from the Kumoh National Institute of Technology

1996-2017: Manager in KOLON PLASTIC INC.

2017-now:Deputy General Manager in KOLON BASF inno POM INC.

Hee-Jin Lee
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.11.1579/au2.png

2008:BS degree in Department of Electrical and Electronic Engineering from the Yonsei University

2013:Ph.D. degree in Department of Electrical and Electronic Engineering from the Yonsei University

2013-2015:Lead Researcher in Hyundai Heavy Industries Co., LTD.

2015.03-now:Professor in Department of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology