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

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

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.

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

그림. 4. 정격 속도 40%에서 운전 절체 시 특성 곡선

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

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⁾.

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

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.

2.5 농형 전동기의 기동시간

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

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

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.

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⁾.

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.

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

그림. 5. 전동기 설치 사진

Fig. 5. Motor installation pictures

그림. 6. 전동기 부하 4단 압축기

Fig. 6. Motor load 4-stage compressor

그림. 7. 전동기 전압 전류 측정기

Fig. 7. Electric motor voltage current meter

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

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

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

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

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

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.