1. 서 론

산업현장에서 회전력을 얻기 위해 다양한 전동기가 사용되고 있다. 특히 유도전동기는 다른 전동기에 비해 콤팩트하고, 견고하며 낮은 가격과 유지보수의 편리성 때문에 가장 많이 사용되고 있다^(1-4).

유도전동기는 직입 기동할 때 보통 정격전류의 5~8배 정도의 높은 전류가 흐르기 때문에 같은 계통에 연결된 부하설비에 전압강하를 초래하고 있다^(3-6). 전압강하가 허용범위를 초과할 경우 부하의 정상적인 동작이 어렵게 될 수 있으므로 이를 줄이는 것이 매우 중요하다. 그래서 유도전동기는 용량에 따라 직입 기동(DOL; Direct on Line starting), Y-△ 기동, 리액터 기동, 소프트 기동 등의 다양한 방법으로 선택하고 있다^(3-6). 전전압에서 기동하는 직입 기동은 빠른 시간에 토크 확보가 가능하지만, 전동기에 기계적인 스트레스를 줄 수 있다^(5-7). 그래서 부드러운 가속으로 운전하여 부하의 운전에 영향을 주지 않으면서 기기에 미치는 스트레스를 줄일 수 있는 기동법에 관한 연구가 다양하게 진행되어 왔다⁽⁵⁾.

대용량의 유도전동기를 제외한 저압 소용량의 유도전동기 기동에는 주로 소프트 기동방법을 많아 적용하고 있다. 소프트 기동은 유도전동기에 공급하는 전압의 크기를 조절하기 위해 사이리스터와 같은 전력 반도체소자를 이용하는 방식이다. 기동시 전류의 저감으로 전압강하를 줄이기 위한 소프트 기동법에서 사이리스터 방식은 점호각을 고정하는 방법과 기동에서 일정 시간까지 점차 줄여나가는 방법에서는 후자의 경우가 더 좋은 방법이라는 연구는 이미 발표되었다⁽³⁾. 점호각을 줄이는 방법에서는 전동기의 특성을 고려하지 않고, 일정값을 설정한 다음 일정 간격으로 줄이는 방법이지만, 전동기의 기동시 특성을 고려할 경우 기동에서 정상운전까지 역률은 약간 차이가 존재한다.

유도전동기는 회전자계를 만들기 위해 전원측으로부터 무효전력을 끌어들여야 하므로 기동 초기 정격속도로 운전하는 것에 비해 역률이 낮다. 이는 기동시 전동기에 유입되는 전력 대부분이 무효성분이고, 전동기 속도의 상승에 따라 무효성분은 줄어들며, 유효성분은 상대적으로 증가하기 때문에 역률은 점차 증가한다. 기동시 역률은 전동기 용량, 극수, 회전자 형상에 따라 다르게 나타난다⁽⁸⁾. 그래서 전동기의 기동특성을 정확하게 고려하여 전압강하를 줄이기 위해서는 역률의 변화를 소프트 기동방법에 반영하여야 한다.

본 연구에서는 유도전동기의 기동시 발생되는 높은 전류에 의한 전압강하를 줄이고, 정상 운전시에 정격 토크를 안전하게 확보하기 위해 소프트 기동방법에 적용되고 있는 사이리스터의 점호각의 도통 입력 신호로 유도전동기의 기동에서 정상운전까지 변동하는 역률을 각도로 환산하여 도통각 제어 신호로 사용하는 방법을 제안하여 직입 기동과 비교 분석하였다. 분석결과 기동에서 정격운전까지 달라지는 역률을 사이리스터 도통각의 입력 신호로 사용할 경우 직입 기동에 비해 기동전류를 매우 낮추어 전압강하를 상당히 저감할 수 있다는 것을 제시하였다.

2. 유도전동기와 소프트 스타터 기동

3. 해석 및 결과 분석

산업용 및 전기 구동장치에서 널리 사용되고 있는 대부분의 유도전동기는 직입 기동할 경우 고정자에 유입되는 전류는 정격 운전시의 5~8배 정도가 될 정도로 높은 편이다. 유도전동기에 유입되는 전류가 클수록 전압강하는 커지게 되므로 같은 간선에 연결된 다른 부하설비에 안정적인 전압품질이 제공되지 않아 나쁜 영향을 줄 수 있다. 그래서 부하설비의 정상적인 동작을 위해 전압강하가 일정 범위 이내가 되도록 유도전동기의 기동전류를 줄일 필요가 있다.

유도전동기의 직입 기동시 발생하는 기동전류를 줄이기 위해 적용하는 소프트 기동에는 사이리스터 점호각을 고정하는 방법과 점호각을 가변시키는 방법이 있다⁽³⁾. 점호각의 가변에서도 일정한 점호각 감소는 기동에서 정격속도에 도달할 때까지 일정 비율로 변화시키는 것이지만, 회전자의 형상에 따라 달라지는 기동 초기특성의 고려가 어렵다. 그래서 본 연구에서 제시한 방법은 기동에서 정격 운전시 변화하는 기동 특성에 따라 달라지는 역률로 부터 위상각을 구해 이를 소프트 기동 회로의 사이리스터 점호각에 적용하는 것이다. 점호각의 조정에서는 일정하게 감소하는 방법과 기동에서 정격속도로 운전시까지 변동하는 역률의 변화를 각으로 변환하여 사이리스터의 위상제어에 점호각으로 이용하였다.

유도전동기의 기동에서 정상운전까지 전압, 전류, 전력 및 토크의 특성변화는 전자계 과도해석 프로그램(EMTP)을 이용하였다⁽⁹⁾.

본 연구에 적용된 3상 농형 유도전동기의 정격사양은 표 1과 같다.

그림 3은 표 1에 제시된 유도전동기의 직입 기동시 전류(○)와 전압(□)의 변화를 나타낸 것이다. 직입 기동은 유도전동기에 전원 투입 후 1.5초 정도로 매우 빠르게 토크 특성을 얻을 수 있지만, 기동시 고정자에 유입되는 전류는 정격부하 운전시 흐르는 전류에 거의 6.3배로 이때 전압강하는 약 6.9[V]가 발생한다.

그림 4는 표 1과 같은 정격의 유도전동기를 직입 기동하여 정격속도에 도달할 때까지 회전속도에 대한 유효전력(P3)과 무효전력(Q3)의 변화를 나타낸 것이다. 기동 초기에는 회전자계를 만드는데 필요한 무효전력(484kvar)이 유효전력(242㎾)에 비해 상대적으로 높지만, 회전속도가 높아지면 무효전력은 점차 줄어들지만, 유효전력은 반대로 커지는 특성을 가진다. 회전속도가 일정 크기에 도달한 이후에는 유효전력과 무효전력의 크기가 서로 역전된 다음 정격속도 근처에서는 유효전력이 무효전력보다 높아 발생된 전력의 차이는 기동 초기에 비해 매우 감소한다. 기동 초기에는 무효전력보다 유효전력의 크기가 높아 역률이 낮지만, 회전속도가 증가하여 정격 운전점에 가까울 때는 반대로 유효전력의 크기가 무효전력보다 많아지므로 역률이 높아지게 된다.

그림 5는 유도전동기의 기동에서 정격속도에 도달할 때까지 그림 4와 같이 변화하는 유효전력과 무효전력의 비율을 식 ⑸를 이용하여 사이리스터의 점호각 신호로 사용하기 위해 위상각으로 변환시켜서 구한 결과이다. 기동 초기에는 위상 각도가 63[deg]에서 시작하여 속도가 상승함에 따라 위상 각도가 점차 줄어들고, 정격속도에 도달한 때에는 28[deg]로 감소한 것을 알 수 있다. 이는 기동을 시작한 시점의 역률이 0.45에서 정격부하에 도달하여 운전하는 경우 역률이 0.88까지 상승한 것이다.

그림 6에서는 직입 기동과 소프트 기동에 대한 기동전류의 크기를 나타낸 것이다. 제안한 기동에서 정상운전까지 달라지는 역률의 변화에 의한 점호각의 변동을 이용한 기동방법(△)의 유효성을 확인하기 위해 직입 기동(○)시의 전류변화와 소프트 기동에서 점호각을 순차적으로 줄여나가는 것(□)을 서로 비교 분석하였다.

3가지 중에서 직입 기동(○)의 경우 가장 높은 기동전류를 나타내지만 가장 빠른 시간에 정격전류에 도달하고, 두 번째는 점호각을 90[deg]에서 0[deg]로 순차적으로 줄일 경우(□)는 기동 초기의 전류는 매우 감소하나 최대 토크에 도달할 때는 오히려 약간 증가하는 특성을 가진다. 그러나 역률의 변화를 점호각으로 변환하여 사이리스터 점호각에 이용한 세 번째 기동방법(△)의 경우 두 가지 방법과 비교해서 정격속도에 도달하는 시간은 약간 길지만, 직입 기동에 비교해 기동 초기에는 거의 절반 수준으로 그리고 두 번째 방법과 비교하여 기동 초기에는 전류가 약간 더 높으나 안정적으로 기동전류를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

그림 7은 그림 6과 같은 운전조건에서 기동전류의 변화에 따른 기동 초기 전압강하의 크기를 분석한 결과이다. 직입 기동(○)의 경우 가장 빠른 시간에 정격전압에 도달하지만, 전압강하는 다른 두 방법에 비해 높은 편이고, 기동에서 일정 시간 동안 점호각을 순차적으로 줄일 경우(□) 기동 초기에는 전압강하가 가장 낮으나 회전속도가 약간 증가할 경우 전압강하가 순간적으로 높아지는 특성을 나타내며, 기동에서 정격속도에 도달할 때 역률의 변화를 각도로 환산하여 사이리스터의 점호각으로 사용한 경우(△) 정격속도에 도달하는 시간은 다른 두 방법에 비해 긴 편이나, 전압강하는 가장 낮게 나타남을 알 수 있다.

그림 8은 제시한 3가지 기동방법에 따른 토크의 변화를 나타낸 것이다. 그림 8⒜는 직입 기동시의 토크 변화를 나타낸 것으로서 정격 운전시의 토크는 393[Nm]으로 기동시는 정격의 1.39배이며, 최대토크는 2.94배이다. 그림 8⒝는 사이리스터의 점호각을 90에서 0[deg]로 조절한 경우 토크 특성곡선이고, 그림 8⒞는 기동에서 정상운전까지 역률의 변화를 사이리스터의 점호각으로 사용한 경우 토크 특성을 나타낸 것이다.

그림 8⒝와 ⒞에서 정격속도에 도달하기 전에 토크 곡선에서 순간적인 피크를 나타낸 것은 일정 속도 근처에 도달한 때 사이리스터와 병렬로 연결된 바이패스 스위치가 동작할 때 발생하는 것이다.

3가지 운전 방법에서 기동시 토크가 가장 낮은 것은 점호각의 가변을 이용한 경우이고, 최대 토크가 가장 낮은 경우는 역률의 변화를 고려한 경우이다. 정격속도에 도달한 때의 토크는 모두 같은 값을 나타내고 있다. 표 2는 직입 기동, 점호각 고정과 역률변화를 고려한 점호각 가변에 의해 달라지는 기동전류, 전압변동 그리고 토크의 크기를 비교한 것이다. 표에서 우측의 값은 정상적인 속도로 운전할 때의 값이고, 좌측의 값은 기동할 때 가장 크거나 작을 때 값을 나타낸 것이다. 역률 변화를 고려한 점호각 조정이 기동전류와 최대 토크 발생이 낮고, 전압강하는 조금 더 작게 발생한다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

유도전동기를 기동할 때 가장 크게 문제가 되는 것은 기동전류에 의해 발생하는 전압강하이다. 기동시 발생되는 큰 전류의 저감으로 전압강하를 줄이기 위해 소프트 스타터 기동방법 중에서 역률의 변화를 고려하여 안정적인 토크 확보와 전압강하를 줄일 수 있는 방법을 찾고자 기동에서 정상운전까지 유효전력과 무효전력의 비율에 의해 구해진 역률을 위상각으로 변환해서 사이리스터의 점호각으로 사용하여 기동전류와 최대토크를 줄일 수 있는 기동방법을 제안하였다.

본 논문에서는 기동시 역률이 낮은 경우 위상각이 높고, 정격회전속도에 도달할 경우 높아진 역률은 위상각이 낮아지는 것을 사이리스터의 점호각으로 이용하여 고정자에 인가하는 전압의 크기를 조절하는 소프트 기동방식에 적용하였다. 해석 결과 기존의 점호각 가변과 비교하여 안정적인 토크 확보와 기동전류의 감소로 전압강하를 낮출 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구 결과는 다양한 형상의 기동전류 특성을 가지는 유도전동기의 기동전류에 의한 전압강하를 줄이는 기동법에 적용할 수 있을 것이다.