1. 서 론

산업현장에서 펌프와 같은 회전 부하의 구동력으로 유도전동기가 가장 많이 사용되는 이유는 유지보수의 편리함 때문이다^[1-10]. 상하수도에 사용되고 있는 펌프 설비는 시간당 처리해야 하는 용량이 크고, 이에 연결된 전동기의 용량도 또한 큰 편이다. 상수도나 하수도 시설 또는 배수펌프장과 같은 곳에서 설치의 편리함과 함께 유지관리 측면을 고려하여 유도전동기를 많이 선택하고 있다. 이와 같은 곳에 사용되는 유도전동기의 용량은 대개 수백 ㎾가 될 정도로 크기 때문에 전압강하 등을 고려하여 저압보다는 3.3㎸나 6.6㎸ 과 같은 고압의 전원을 주로 사용한다.

유도전동기는 기동할 때 높은 전류에 의한 전압강하와 낮은 역률의 발생이 가장 큰 문제이다^[5-10]. 유도전동기는 높은 기동전류에 의한 전압강하 문제를 해결하기 위해 전동기 용량에 따라 Y-△, 리액터, 소프트 스타터와 같은 몇 가지 기동 방법을 적용하고 있고^[4-9], 낮은 역률을 보상하기 위해서는 전동기 단자에 커패시터와 같은 역률 보상 장치를 적용하고 있다^{[1, 10, 11]}.

고압 유도전동기는 기동할 때 높은 전류에 의한 전압의 강하로 토크의 감소함에도 불구하고 리액터 기동을 많이 사용한다. 이 기동법은 탭의 설정값에 따라 토크의 크기가 줄어들고, 정격속도에 도달할 때까지 시간이 많이 소요되는 단점이 있지만, 속응성을 크게 요구하지 않는 곳에 주로 적용하고 있다^[5-10]. 펌프와 같은 설비는 관성 모멘트가 커서 리액터 기동법을 적용하면 정격속도에 도달할 때까지는 시간이 꽤 걸린다^{[5, 6, 8]}.

유도전동기는 기동해서 정격속도에 도달할 때까지 전력의 변화가 큰 편이다. 특히 기동할 때 무효전력이 유효전력보다도 높아 역률은 떨어지지만, 속도가 점차 증가하면 유효전력이 무효전력보다 커져서 역률은 점차 높아진다^{[1, 2, 4]}. 유도전동기를 리액터로 기동하는 경우 직입 기동 방식보다 정격속도에 도달할 때까지 시간이 길어지게 되므로 낮은 역률로 지속되는 시간이 더 늘어나게 된다^{[5, 7, 8]}.

상하수도에 사용하는 펌프의 경우 양정과 유량에 따라 저속으로 회전하는 설비는 전동기 극의 수가 많아지므로 무효전력의 비중이 높아지게 되어 적은 극의 수를 가진 것보다 역률이 더 떨어지므로 역률을 보상할 때 이를 고려해야 한다^[10,12].

유도전동기는 지상 부하로 정격속도로 운전할 때도 전력회사에서 요구하는 역률보다 약간 낮으므로 정격속도로 운전할 때의 역률과 유효전력을 기준으로 역률 보상용 커패시터의 크기를 산정하여 보상하고 있다^[10-13]. 역률 보상용 커패시터는 대개 유도전동기의 단자에 병렬로 연결하는데 리액터 기동의 경우 리액터와 진공 접촉자(VC)가 병렬로 연결된 회로에서 커패시터의 연결 위치에 따라 기동하는 동안 전력과 역률의 크기가 다르게 나타날 수 있다.

본 연구에서는 리액터 기동법에서 커패시터와 같은 역률 보상 장치의 연결 포인트에 따라 달라지는 전압, 전류, 전력으로부터 역률의 변화를 기동하는 순간에서부터 정격속도로 운전할 때를 각각 비교하여 전력이 가장 적게 공급되고 역률이 어떻게 달라지는지에 대해 분석하였다.

2. 유도전동기 기동과 역률 보상 장치

3. 동작 특성 분석

본 연구에서 하수도 처리시설에 많이 적용하고 있는 고압 3상, 다극 유도전동기의 파라미터는 표 1과 같고, 기동하여 정격속도로 운전하는 과정의 동작분석은 전자계 과도 해석 프로그램을 이용하였다^[16].

표 1에 제시한 고압 유도전동기를 직입 및 리액터로 기동할 때 토크의 특성 변화는 그림 4와 같다. 낮은 역률을 보상하기 위해 식 (7)로 구한 역률 보상 커패시터의 무효전력은 200kVA 이다^[14,15].

그림 4는 직입 기동과 리액터 기동으로 동작할 때 토크의 변화를 다음과 같이 4가지 방법으로 모의하였다.

① 직입 기동할 때 역률 보상 장치를 사용하지 않고(○),

② 리액터로 기동할 때 보상 장치를 사용하지 않는 경우(□),

③ 보상 장치를 진공 접촉기의 전단(△)에 설치하는 경우,

④ 보상 장치를 진공 접촉기의 후단(×)에 설치하는 것으로 하였다.

그림 4와 같이 직입 방식(DOL)으로 기동하는 경우 기동하여 5초 전에 정격토크를 얻을 수 있지만, 리액터로 기동할 때는 약 8초가 되어서야 정격토크를 얻을 수 있다. 유도전동기를 리액터로 기동하여 정격속도의 75%가 될 때 리액터와 병렬로 연결된 진공 접촉기(VC)를 투입하는 것으로 정하였다. 직입 기동이나 리액터 기동에서 최대 토크의 크기를 서로 같고, 정격속도로 운전할 때의 토크 크기는 직입 기동할 때(○)가 가장 크고, 커패시터를 리액터의 후단에 설치할 때(×)가 다음으로 크며, 커패시터를 설치하지 않는 경우(□)와 커패시터를 리액터의 앞단에 설치할 때(△)는 거의 같다. 리액터를 통해 기동하는 순간에 토크는 매우 줄어들게 된다.

그림 4와 같은 4가지 운전조건에서 전압, 전류, 전력 그리고 역률의 변화를 기동하는 순간부터 정상 속도로 운전할 때를 모의 비교하였다.

그림 5는 4가지 운전조건에서 기동 및 정상 할 때까지의 고정자 전류, 회전자 전류 그리고 자화전류의 모의 결과이다. 리액터를 이용하여 기동하는 초기에 고정자의 전류는 직입 기동에 비해 줄어든 것을 알 수 있다.

그림 5(a)와 같이 직입 기동할 때 높게 나타나는 전류를 낮추기 위해 리액터로 기동하는 동안과 리액터가 절환한 이후 고정자에 흐르는 전류의 크기는 서로 다르게 나타나고, 커패시터를 부착하지 않는 경우(○,□)보다 부착한 이후(△,×)에 고정자에 흐르는 전류는 약간 감소함을 알 수 있다.

그림 5(b)는 회전자 전류의 변화를 나타낸 것으로 리액터로 기동하면 직입 기동에 비해 기동하는 동안에 전류는 감소하고, 기동하는 과정에서는 커패시터를 리액터의 후단에 설치한 경우(×)가 다른 두 경우(□,△)에 비해 전류가 조금 더 적게 흐르는 것을 알 수 있다. 그러나 정상적인 속도로 운전할 때 직입 기동하는 경우 전류는 리액터로 운전하는 것보다는 약간 높게 나타난다.

그림 5(c)는 기동부터 정상적으로 운전할 때 자화전류의 변화를 나타낸 것으로 4가지 운전조건에 대해 직입 기동하는 것을 제외하면, 리액터로 기동하는 경우 자화에 필요한 전류의 크기는 거의 동일하다는 것을 알 수 있다.

직입 및 리액터 기동에서 정상적으로 운전하는 동안 커패시터와 같은 역률 보상 장치를 사용하지 않은 경우(□)와 커패시터와 같은 역률 보상 장치를 리액터의 전단(△)과 후단(×)에 서로 다르게 설치하는 경우 전류의 변화는 표 2와 같다.

4가지 운전조건에서 직입 기동하여 정격속도로 운전할 때 고정자와 회전자에 흐르는 전류가 리액터 기동으로 운전할 때보다 약간 높게 흐르는 것을 알 수 있다. 자화에 필요한 전류는 직입 기동 방식이나 리액터 기동 방식 모두 21[A]로 같은 크기의 전류가 흐름을 알 수 있다. 커패시터를 리액터 앞단에 설치하는 경우 고정자에 흐르는 전류가 다른 3가지 방법에 비해 조금 낮으므로 손실 저감에 도움이 된다. 그리고 표 2에서 직입 기동으로 운전할 때 전류가 표 1에 제시된 전류보다 약간 낮은 이유는 정격보다 낮게 운전하였기 때문이다.

그림 6은 4가지 운전 방식에서 전압의 변화를 나타낸 것이다. 직입 방식으로 기동하는 경우 2[%] 정도의 전압강하가 발생하고, 리액터로 기동하는 경우 34~36[%]의 전압강하가 발생하기 때문에 민감한 설비와 함께 운전하는 경우 전압품질에 대한 추가적인 보완이 필요하다. 커패시터를 리액터의 후단(×)에 설치하면 리액터로 기동하는 경우 전압강하가 다른 경우보다 조금 더 줄일 수 있다.

다음 그림 7은 직입 및 리액터로 기동할 때의 4가지 운전조건에서 유효전력, 무효전력 그리고 피상전력의 변화를 나타낸 것이다.

그림 7과 같이 4가지 운전조건에서 기동하는 동안과 정상적으로 운전하는 시간에서의 전력은 약간씩 차이가 존재한다. 직입 방식으로 기동하는 경우 빠른 시간에 전력을 확보하기 때문에 전동기의 응답속도를 빠르게 확보할 수 있지만, 전압강하와 같은 문제점이 발생하고, 리액터 기동의 경우 기동하는 동안 전압강하는 줄여주지만, 기동 시간이 길어지는 문제점을 안고 있다. 그림 7(b)와 같이 기동하는 과정에서 커패시터의 설치 전과 설치 위치에 따라 무효전력의 차이가 존재하여 역률에도 영향을 미치게 된다. 정상 속도에서 전력과 역률의 변화는 표 3과 같다.

리액터로 기동할 때 역률 보상을 하지 않는 경우 리액터의 유도성 성분으로 역률은 정격보다 더 낮아지고, 커패시터와 같은 무효전력 성분이 추가되면 피상전력이 감소하여 역률은 높아진다. 4가지 운전조건에서 커패시터를 리액터의 앞단에 설치하는 경우 피상전력이 가장 적게 공급되므로 역률을 높일 수 있는 효과적인 방법이라고 볼 수 있다.

그림 8은 그림 7과 같은 전력의 변화에서 역률의 변동을 나타낸 것이다. 리액터 기동하는 순간에는 역률 보상 장치를 사용하면 기동하는 동안이나 정격속도에 도달한 이후에도 역률이 향상되는 것을 알 수 있다. 리액터 기동에서 역률 보상 장치에 스위치를 부착하지 않는 경우(□)가 직입 기동(○)에 비해 역률이 더 떨어지고, 리액터로 기동하여 정격속도로 운전할 때 커패시터를 리액터의 전·후단(△,×)에 설치하면 기동할 때는 직입 기동에 비해 역률이 낮지만, 정격속도로 운전할 때 역률은 매우 향상하는 것을 알 수 있다.

정격속도로 운전할 때 4가지 운전조건에서 역률의 크기는 표 4와 같이 보상 커패시터를 리액터 후단에 설치하면 역률이 더 높아진다.

4. 결 론

펌프와 같은 설비를 고압의 유도전동기를 기동할 때 높은 전류에 의한 전압강하를 줄일 목적으로 리액터 기동을 주로 사용하고 있다.

유도성 성분이 포함된 유도전동기의 낮은 역률을 보상하기 위해 커패시터를 많이 사용하고 있다. 커패시터는 주로 전동기와 가까운 곳에 설치하고 있다. 리액터 기동 방식에서 개폐기와 병렬로 리액터가 설치될 때 커패시터는 개폐기의 앞 또는 뒤에 설치할 수 있다.

본 논문에서는 유도성 성분이 포함된 유도전동기에 역률 보상을 하기 위해 커패시터를 리액터 전단 또는 후단에 설치하여 기동 및 정상적인 운전에서 전력 및 토크의 변화가 달라지는 것을 분석하였다. 해석한 결과 역률 보상 커패시터를 리액터의 후단보다는 전단에 설치하면 피상전력이 더 적게 공급하게 되고, 역률을 약간 더 높일 수 있음을 확인하였다.

본 연구 결과는 큰 용량의 펌프를 고압 유도전동기로 리액터로 기동할 때 낮은 역률을 보상하기 위해 커패시터를 적용할 때 설치 위치의 결정에 도움이 될 것으로 판단한다.