Soft Start System of Induction Motor using Emergency Generator

비상 발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 기동 시스템

Abstract

In general, in an emergency generator system for an electric facility including an induction motor load, an emergency power generation facility larger than the facility load capacity is built due to the initial starting current of the induction motor. In order to reduce this economic burden, various methods to reduce the inrush current of induction motors are applied to suppress the additional expansion of generators due to the reduction of power generation facilities and the increase in electrical facilities. Among these methods, when a system with a built-in soft start function of an induction motor using an inverter is built, it is the best way to reduce the inrush current of the induction motor to less than the rated current. However, in this case, the installation cost of the inverter to drive the induction motor increases. This paper proposes a soft start method of an induction motor by expanding the frequency and voltage control operation area of an emergency generator. In addition, proposed a speed calculation method based on power factor information, which is essential information for stable soft start of an induction motor, and a method for generating a speed command value of the governor for starting with maximum torque.

1. 서론

유도전동기 부하를 포함한 전기설비에 대한 비상 발전기 시스템에서는 유도전동기의 초기 기동전류로 인하여 설비 부하용량보다 큰 비상 발전설비를 구축하여야 한다. 또한 자동화 및 기기 사용의 증대로 초기 구축된 비상 발전기 용량을 초과하는 경우가 빈번히 발생하며 이 경우 병렬운전이 가능한 발전기 시스템으로 증설하거나, 기존 발전시스템을 철거하고 새로운 대용량 발전설비를 구축하여야 한다. 이러한 경제적 부담을 줄이기 위해서 유도전동기의 돌입전류를 저감 할 수 있는 다양한 방법을 적용하여 전기설비 증가에 따른 발전기의 추가 증설을 억제하고 있다[1][2]. 이러한 방법 중 인버터를 이용한 유도전동기의 소프트 기동 기능을 내장한 시스템을 구축하는 경우 유도전동기의 돌입전류를 정격전류 이하로 줄일 수 있는 최선의 방법이다. 그러나 이 경우 유도전동기를 구동할 인버터의 설치비가 증대하는 단점이 있다. 만일 비상 발전기의 주파수 전압 조정기능을 이용한다면 인버터 없이 유도전동기의 소프트 기동 기능을 구현할 수 있을 것이다[3][4].

본 논문에서는 비상 발전기의 주파수 및 전압조정 운전영역을 확대 운용하여 유도전동기의 소프트기동 방식을 제안한다. 또한 유도전동기의 안정된소프트 기동을 위한 필수정보인 전동기 속도정보를유도전동기 등가회로 기반 역률 정보에 의한 속도계산 방법을 제안한다. 제안된 방식을 시뮬레이션을이용하여 검증함으로써 그 타당성을 입증하였다.

2. 발전시스템

2.1 발전기 전압주파수 제어

일정 전압 일정 주파수를 발생하는 발전기 시스템에서 가버너 제어 모듈은 발전주파수를 제어하게 되고, AVR(Automatic Voltage Regulator) 제어 모듈은 발전기의 단자전압을 제어하게 된다. 이러한 가버너 제어 모듈과 AVR 제어 모듈은 발전기 제어시스템에서 핵심 요소가 되고 있다.

Fig. 1은 일반적인 발전주파수를 제어하는 가버너 제어 블럭도를 나타내고 있다. 엔진 rpm에 비례하는 주파수를 발생하는 MPU(Micro Processor Unit)인 픽업 센서로부터 현재 발전기의 주파수를 검출하고, 현재 대부분 4극 발전기를 사용하므로 60 [Hz]의 주파수를 발전하기 위한 엔진속도 설정치인 1,800 [rpm]과 주파수 미소가변 지령치 rpm_offset 값과 비교하여 제어기에 의해 가버너 엑추에이터를 구동하게 된다. 독립형 발전기 시스템에서는 주파수 미소가변 지령치 rpm_offsete영(zero)이 되고, 계통 연계형 발전기 시스템에서는 주파수 미소가변 지령치 rpm_offset 값에 의해 발전기의 유효전력을 제어하게 된다. 일반적으로 주파수 미소가변 지령치 rpm_offsete 엔진속도 설정치의 수 [%] 내의 작은 값으로 구성된다. [5][6].

본 논문에서는 가버너 제어 모듈에서 주파수 지령치를 변경하지 않고 발전기의 주파수를 변경하기 위한 한 방법으로 Fig. 2와 같은 주파수 변환 모듈을 제안한다. 제안된 변환기의 기능은 픽업 센서의 주파수를 검출하여 이 주파수보다 높은 주파수나 낮은 주파수를 발생하게 하여 발전기의 주파수를 바꾸는 방식이다. 이는 발전기 시스템에서 엔진의 주파수 피드백 이득을 가변함으로써 고정 주파수 지령치 제어기에서 가변주파수 제어기로 변경할 수 있는 방식이다.

Fig. 1 Frequency control block diagram by governor

제안된 방식의 이론적 배경은 Fig. 3과 같다. Fig. 3(a)는 일반적인 발전기 주파수 제어 블럭도를 나타내고 있다. 제어블록은 발전기의 속도를 피드백 받아 비례적분제어기에 의해 발전기의 속도를 제어하게 된다. 이 블럭도의 정상상태에서 발전기의 속도는 지령속도와 일치하게 된다. 따라서 발전기의속도를 변동하기 위해서는 발전기 속도 지령치를 변동하여야 한다. Fig. 3(b)는 발전기의 속도 피드백에 가변 이득기를 삽입하여 발전기의 속도 피드백 이득을 가변함으로써 제어를 가능하게 한다. Fig. 4 는 일반적인 발전전압 크기를 제어하는 AVR 제어블럭도를 나타내고 있다. 발전기의 출력단자로 부터 현재 발전기의 전압 크기를 검출하고 발전기 출력전압 설정치인 전압과 전압 미소가변 지령치인 voltage_offset 값과 비교하여 제어기에 의해 여자기를 구동하게 된다. 독립형 발전기 시스템에서는 전압 미소가변 지령치인 voltage_offsete 영(zero) 이 되고, 계통 연계형 발전기 시스템에서는 전압 미소가변 지령치인 voltage_offset 값에 의해 발전기의 무효전력을 제어하게 된다. 일반적으로 전압 미소가변 지령치인 voltage_offsete 출력전압 설정치의 수 [%] 내의 적은 값으로 구성된다.

Fig. 2 Proposed frequency control system

Fig. 3 Proposed frequency control block diagram

Fig. 4 Voltage control block diagram by AVR

Fig. 5 Proposed voltage control system

Fig. 6 Proposed genertor control system

본 논문에서는 여자기 제어 모듈에서 전압 지령치 변경을 하지 않고 발전기의 단자전압을 변경하기 위한 방법으로 Fig. 5와 같은 전압 변환 모듈을 제안한다. 제안된 변환기의 기능은 발전기 단자전압을 검출하여 이 전압보다 높은 전압이나 낮은 전압을 발생하게 하여 발전기의 단자전압을 바꾸는 방식이다. 이는 발전기 시스템에서 발전기의 전압 피드백 이득을 가변하여 고정전압 지령치 제어기에서 가변전압 제어기로 변경할 수 있는 방식이다.

Fig. 6은 본 논문에서 제안하는 주파수 변환 모듈과 전압 변환 모듈을 기존 독립형 발전기 시스템에 장착함으로써 연계형 발전기를 위한 가변주파수/ 가변 전압제어가 가능한 시스템으로 개선한 시스템이다. 연계형 발전기로 사용할 경우 주파수 변환기의 주파수 인덱스 지령치에 의해 유효전력을 제어하고, 전압 전환기의 전압 인덱스 지령치로 무효전력을 제어할 수 있게 된다. 각 제어기의 제어 동특성은 피드백 보상기에 의해 설정이 가능한 구조이다. 각 인덱스는 싱크로나이즈와 같은 상위 제어기에서 아날로그 신호나 통신을 통하여 받게 된다.

2.2 유도전동기의 초기 돌입전류 제한

유도전동기가 직입 기동을 할 경우 기동전류는 전 부하 전류의 500-800 [%]에 해당하는 큰 전류가 흐른다. Fig. 4는 유도전동기의 등가회로와 벡터도를 나타내고 있다. 유도전동기의 입력전류는 여자전류 Im과 부하분 전류 I 의 합으로 나타난다. 유도전동기가 고정전압과 고정주파수를 가진 전원에 연결되어 있다면 여자전류의 크기는 일정하며 부하분 전류는 전동기의 속도 즉 슬립의 함수가 되며 슬립이 증가함에 따라 유도성 전류가 된다[7][8]. 일반적으로 고정자 측 누설 리액터 및 권선저항은 매우 적은 값이며 이를 무시하면 1차 측 단자전압 V과 2차 측 등가전압 Ee 같다고 1 1 가정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 고정자 측 누설 리액터 및 권선저항은 무시한다.

Fig. 7 Equivalent circuit and vector diagram

Fig. 7의 등가회로에서 유도전동기의 입력 임피던스는 식 (1)과 같다.

\(\left. \begin{array} { l }{ Z _ { 1 } = j X _ { m } / / ( R _ { 2 } ^ { \prime } / s + j X _ { 2 } ^ { \prime } ) } \\ { = \frac { j X _ { m } ( R _ { 2 } ^ { \prime } / s + j X _ { 2 } ^ { \prime } ) } { R _ { 2 } ^ { \prime } / s + j ( X _ { m } + X _ { 2 } ^ { \prime } ) } } \\ { = | Z _ { 1 } | \angle \theta _ { 1 } } \end{array} \right.\)       (1)

따라서 전동기 단자 전류는 식 (2)와 같다.

\(I _ { 1 } = | \frac { E _ { 1 } } { Z _ { 1 } } | \angle \theta _ { 1 } + I _ { m } \angle - 90\)       (2)

Fig. 8 Vector diagram according to slip of IM

Fig. 8은 전동기의 운전 상태인 슬립에 따라 전동기에 인가되는 전압 기준 전류 벡터 궤적도를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 유도전동기의 기동전류는 매우 크고 기동 시 역률도 매우 나쁨을 알 수 있다. 슬립에 따른 토크는 식 (3)과 같으며, 최대 토크가 발생하는 슬립은 식 (4)와 같다.

\(T = \frac { 1 } { \omega _ { s y n } } \frac { V ^ { 2 _ { 1 } } } { ( R _ { 2 } ^ { \prime } / s ) ^ { 2 } + ( X _ { 2 } ^ { \prime } ) ^ { 2 } } \frac { R _ { 2 } ^ { \prime } } { s }\)       (3)

\(s _ { \operatorname { max } } = \frac { R _ { 2 } ^ { \prime } } { X _ { 2 } ^ { \prime } }\)       (4)

\(\left. \begin{array} { l }{ n _ { s } ^ { * } = \frac { n } { 1 - s _ { \operatorname { max } } } } \\ { = \frac { n } { 1 - R _ { 2 } ^ { \prime } / X _ { 2 } ^ { \prime } } } \end{array} \right.\)       (5)

본 논문에서는 발전기의 가버너와 AVR의 운전영역을 확대하여 발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 기동으로 사용하고 기동 후에는 계통전압과 동기화에 의한 전력 공급원을 절환하는 장치인 CTTS로 동작하는 시스템을 제안한다. Fig. 9는 본 연구에서 제안하는 유도전동기 소프트 기동이 가능한 CTTS 시스템 구성도를 나타내고 있다.

본 시스템에서 비상 발전기의 동작 주파수 영역 확대는 Fig. 2와 Fig. 3에서 제안된 엔진 주파수 피드백 이득을 가변할 수 있는 F/F 비례 인터페이스 보드를 사용하여 기존 가버너 제어 보드의 고정 주파수 지령치 제어기에서 가변주파수 제어기로 변경할 수 있었다. 또한 동작 전압영역 확대는 Fig. 5에서 제안된 발전기 전압 피드백 이득을 가변할 수 있는 V/V 비례 인터페이스 보드를 사용하여 기존 AVR 제어 보드의 고정 전압 지령치 제어기에서 가변전압 제어기로 변경할 수 있었다. 최대 토크로 유도전동기를 기동하기 위한 필수적인 정보는 전동기의 속도정보는 식 (1) 및 식 (2) 을 사용한 역률을 이용하여 추정하였다. 또한 가버너의 속도 지령치를 식 (5)에 의해 결정함으로써 최대토크가 발생하는 슬립에서 유도전동기를 운전하게 하였다. 최대 토크의 설정은 식 (3)을 근거로 하여 v/f 일정 제어를 하였다. Fig. 10은 제안된 시스템의 플로우 차트를 나타내고 있다.

Fig. 9 CTTS system with soft start induction motors

Fig. 10 Flow chart of proposed system

3. 시스템의 특성 분석 결과

Fig. 11은 대용량 유도전동기의 직입 기동의 문제점과 해결방안에 대한 시뮬레이션 회로이며, Fig. 12는 그 결과이다. 시뮬레이션 결과 직입 기동은60[Hz]의 일정 주파수를 가진 정격전압을 인가함으로 기동 초기에 과도한 전압과 큰 슬립으로 인하여 일반적으로 알려진 정격전류의 5-10배 사이인 약5배의 큰 돌입전류가 발생하는 반면에 가변전압 및 가변주파수를 인가할 수 있는 인버터를 사용한 V/F 일정 제어를 행 할 경우에는 직입 기동 방식의 약 16 [%]로 적게 나타남을 알 수 있다.

그러나 유도전동기의 기동 돌입전류 저감을 위한 인버터의 사용은 경제적인 큰 단점이며, 이를 해결 할 대안이 절실히 요구되고 있다.

Fig. 11 Simulation circuit according to the starting method

Fig. 12 Characteristics according to the starting method

시뮬레이션 검증에 사용된 사양은 Table 1과 같다.

Fig. 13은 비상 발전기와 CTTS를 이용한 유도전동기 소프트 기동 시뮬레이션 회로도이다. 시뮬레이션 회로는 크게 비상 발전기, CTTS, 한전 계통, 유도전동기, 제어기로 구성되어 있다. 시뮬레이션에서 발전기는 직류전동기로 대처하여 가버너 제어를 전동기 전압제어로 대체하였다. Fig. 14는 제안된 비상 발전기와 CTTS를 이용한 유도전동기의 소프트 기동 및 전력 이관 특성을 분석한 결과는 다음과 같다.

Table 1. The parameters of induction motor

Fig. 13 Soft start system of proposed induction motor

Fig. 14 Characteristic analysis of Soft-sart

∙유도전동기 약 28 [kW] 부하에서 기동 구간인 T1 영역에서 소프트 기동이 양호하게 이루어짐을 알 수 있으며, 기동 시 피크 전류는 정격부하의 약 80 [%]가 됨을 알 수 있었다.

∙전력 이관을 위한 싱크로나이즈 구간인 T2 영역에서는 유도전동기의 전 부하를 발전기가 부담함을 알 수 있었다.

∙발전기에서 계통으로 부하 이관 구간인 T3 구간에서는 발전기의 전력이 선형적으로 감소하고 발전기 부하 감소량을 계통이 양호하게 분담함을 알 수 있었다.

∙T4 구간에서는 발전기가 정지하고 계통에서 전 부하를 분담함을 알 수 있었다.

유도전동기의 소프트 한 기동을 위해 인버터를 사용하지 않고 비상 발전기와 CTTS를 이용하여 제안된 시스템의 기동특성은 전동기의 정격전류이하에서 운전이 가능함을 알 수 있었으며, CTTS 를 이용한 전원 절체 또한 소프트하게 동작됨을 확인하였다.

4. 결론

본 논문에서는 비상 발전기의 주파수 및 전압조정 운전영역을 확대 운용하여 유도전동기의 소프트 기동 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 기존의 비상 발전기 시스템에서 변형을 최소화하기 위한 인터페이스 제어기법을 포함하고 있다. 또한 유도전동기의 안정된 소프트 기동을 위한 필수정보인 전동기 속도정보를 유도전동기 등가회로 기반 역률 정보에 의한 속도 계산 방법 및 최대 토크가 발생할 수 있는 가버너의 속도 지령치 발생 방법을 제안하였다. 또한 시뮬레이션 결과 발전기를 이용한 유도 전도기의 소프트 기동의 타당성을 검증하였다. 비상 발전기 시스템이 구축되어있는 한국 수자원이나 산업계에서 본 시스템을 적용 할 경우 유도전동기의 기동을 위한 설비구축에 부담이 없어 그 활용이 기대된다.