1. 서 론

유도전동기는 산업 현장에서 회전체 부하 운전에 널리 활용되며, 지상 성분의 위상을 갖기 때문에 역률 보상이 필수적이다. 역률 보상방식에는 개별 보상, 그룹 보상, 변압기 2차 측 전체 보상, 그리고 개별 보상과 변압기 2차 추가 보상의 병행 방식 등이 있다^[1-3].

유도전동기가 정격출력에 가까운 상태로 운전될 경우, 역률은 일반적으로 약 0.8 수준에 머물며, 이는 전력회사의 기준인 지상 역률 0.92 이상을 충족하기에 부족하다^{[1, 3-9]}. 이에 따라 추가적인 역률 보상 장치의 도입이 필요하며, 이를 위해 전동기 명판에 표시된 출력과 효율을 바탕으로 필요한 무효전력을 계산한 뒤, 적절 용량의 커패시터를 선정하여 MCC와 같은 저압 배전반 내에 설치한다. 그러나 실제 현장에서는 유도전동기가 정격출력 이하로 운전되는 경우가 빈번하여, 역률이 명판 상의값보다 더욱 낮아질 수 있다^[4]. 이에 따라 목표 역률을 유지하기 어려워지므로, 변압기 2차 측에 추가적인 역률 보상 장치를 설치하여 요구 기준을 충족시킬 필요가 있다. 이때 보상 장치의 용량은 변압기의 용량을 기준으로 결정된다^{[5,6, 8-11]}.

산업 현장에서 유도전동기는 24시간 연속 운전되기도 하나, 주간 운전 또는 간헐적 운전으로 운영되는 사례가 흔하다. 유도전동기가 운전 중일 때는 역률이 지상을 나타내지만, 정지 상태에서는 보상용 커패시터에 의해 무효전력이 과 보상되어 역률이 진상으로 전환될 수 있다. 역률이 장기간 진상 상태를 유지하면 계통의 전압상승을 초래하고, 이는 전동기 및 기타 장비에 과전압을 유도하여 절연 열화 등의 문제를 일으킬 수 있다^[6,, ^8-11].

유도성 부하의 역률 보상에 전력변환장치를 적용한 APFC(Automatic Power Factor Controller), SVC(Static VAR Compensator), STATCOM(Static Synchronous Compensator) 등이 적용될 수 있으나, 이들은 설치 비용이 많이 들고, 유지보수 부담이 큰 단점이 있다. 이에 따라 산업 현장에서는 설치와 유지보수가 간편하고 경제성이 높은 정지형 커패시터가 현실적으로 효율적인 역률 보상 수단으로 널리 활용되고 있다^[8-11].

본 연구에서는 24시간 가동하지 않는 공장 등 부하 변동이 큰 환경에서, 변압기 2차 측과 유도전동기에 개별 역률 보상 장치를 설치한 사례를 대상으로 분석하였다. 부하 변동 및 전동기 정지 시 전력 및 역률의 변화를 정량적으로 평가하였으며, 이를 기반으로 유도전동기의 속도가 일정 수준 이하로 낮아지는 경우, 변압기 2차 측의 커패시터를 개방함으로써 전원 역률이 진상으로 전개되는 현상을 방지하는 간단한 방법을 제안하였다. 또한 해석 모델을 통해 제안 방식의 유효성을 검증하였다.

2. 변압기와 전동기의 역률 보상

대부분의 수용가 부하는 순수 저항성보다 유도성을 포함하고 있으며, 이 중 상당 부분을 유도전동기가 차지한다. 수용가 부하에서 유도성 부하의 비중이 높은 경우 역률이 저하되므로, 이를 개선하기 위해 부하 근처 또는 변압기 2차 측에 보상 장치를 설치한다^[8,10,12].

변압기 2차 측에 보상 장치를 설치하는 방식은 상대적으로 설치가 간단하고 초기 비용이 낮으며, 전력 계통의 전반적인 효율 개선에도 도움이 된다. 반면, 유도전동기에 개별적으로 역률 보상 장치를 설치하는 경우 비용은 증가하지만, 부하 특성에 최적화된 보상이 가능하다. 이 방식은 전동기 및 배선에서 발생하는 손실을 줄이고, 전동기 단자에서의 전압강하 문제를 완화하는 데에도 효과적이다.

그림 1은 유도전동기의 운전을 위한 단선 결선도를 나타낸다. 본 결선에서도 전동기는 정지형 커패시터(SC)와 연동 운전이 가능하도록 기중차단기(ACB)의 2차 측에 연결되어 있으며, 변압기 2차 측에는 경부하 상태에서도 안정적인 역률 보상이 가능하도록 보상 장치가 구성되어 있다.

그림 1. 단선 결선도

Fig. 1. Single line diagram

3. 해석 및 결과 분석

본 연구에서 부하의 운전을 위해 선택한 유도전동기는 표 1 와 같다. 표에서 표시한 것은 제작사에서 제공하는 사양이다.

표 1에서 제시한 유도전동기를 기동할 때 문제를 최소화하기 위해 전압강하 등을 고려하여 선택한 변압기의 사양은 표 2와 같다. 변압기에 명판에 표시된 값은 국내에서 제작하고 있는 사양을 나타낸 것이다.

표 2에서 표시된 무부하 전류와 무부하 손실은 변압기에 부하가 연결되지 않은 상태에서도 흐르는 전류와 발생하는 전력손실에 해당하며, 이를 통해 무부하 역률을 산정할 수 있다.

유도전동기는 부하 특성에 따라 24시간 연속 운전하거나 주간에만 가동하고, 심야에는 정지하는 방식으로 운전된다. 반면, 변압기는 전동기의 운전 여부와 무관하게 항상 전원이 공급되는 상태를 유지한다. 전동기는 기동 시 역률 보상용 커패시터와 연동된 전원 개폐기를 통해 운전되며, 이 과정에서 자화를 위한 무효전력이 공급된다. 그러나 변압기는 전동기의 운전 여부와 관계없이 상시 무효전력이 필요하다.

부하 변동과 정지 시 전력 및 역률의 변화를 분석하기 위해, 전동기의 운전 상태를 전부하(190[Nm]), 3/4 부하(142.5[Nm]), 1/2 부하(95[Nm]), 1/4 부하(47.5[Nm]), 정지 상태(0[Nm]) 등 5개 구간(각각 2초 간격)으로 나누어 시뮬레이션을 수행하였다. 부하 변동에 따른 특성 분석은 전자계 과도 해석 프로그램^[17]을 활용하여 진행되었다. 그림 2는 표 1에 제시된 전동기의 부하 변동에 따른 토크를 나타낸 것이다.

그림 2. 부하 변동에 따른 토크

Fig. 2. Torque according to load variation

그림 2와 같은 다양한 운전 상황에서 3가지 역률 보상 방법(전동기에만 커패시터 설치한 경우[○], 변압기에만 커패시터 설치한 경우[□], 변압기와 전동기 모두 커패시터 설치하였을 때) 에 따른 변압기 1차 측 기준으로 해석한 유효전력, 무효전력, 지상 또는 진상인 역률 특성을 해석한 결과는 그림 3~그림 6과 같다.

그림 3은 부하 변화와 전동기 정지 시 유효전력 변화를 해석한 결과이고 5개 구간에서 부하 변동에 따라 역률 보상 방법에 무관하게 유효전력의 크기는 동일하다. 그림 3에서 다섯 번째 구간(8~10초 영역)에서 전동기가 정지할 때 작은 값의 유효전력이 나타나는 것은 변압기의 무부하 손실 성분 때문이다. 부하 변동에 따라 유효전력의 크기는 변화하지만, 역률 보상 장치를 설치하는 경우 전원에서 공급되는 무효전력은 각 보상 방법에 따라 차이가 있다.

그림 3. 부하 변동에 따른 유효전력

Fig. 3. Active power according to load variation

유도전동기에 설치하는 커패시터의 크기는 전동기를 전부하 상태로 운전할 때 기준으로 산정되며, 본 연구에서는 300㎌ 가 선정하였다. 또한, 변압기의 2차에 설치하는 커패시터의 크기는 변압기 용량의 5% 해당하는 값으로, 185㎌ 가 된다.

그림 4는 부하 변동과 전동기 정지 등의 운전에서 변압기 1차 측 기준으로 무효전력의 변화를 나타낸 것이다. 전동기에만 역률 보상 장치를 설치한 경우(○), 변압기에만 설치한 경우(□), 그리고 전동기와 변압기 모두에 설치한 경우(△)의 무효전력은 서로 다르게 나타난다. 부하 변동에 따라 무효전력도 약간의 차이를 보이며, 부하가 감소할 때 무효전력도 함께 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 특히, 전동기를 정지(Stop 영역)하는 구간에서 전동기에만 커패시터를 설치하는 경우(○) 무효전력 값이 양(+)의 값으로 나타나지만, 변압기에 커패시터를 설치한 경우(□, △)는 무효전력 값이 음(-)의 값(-120[var])으로 나타난다. 이는 유도전동기를 정지할 때 역률이 진상으로 전개될 수 있음을 의미한다. 이런 문제를 해결하는 방법으로 변압기 2차에 설치하는 커패시터의 크기는 변압기 용량의 5%에 해당하는 것(185㎌) 보다도 약간 작은 것(180㎌)으로 선택하면, 무효전력의 크기는 양(+)으로 약 150[var] 이 된다.

그림 4. 부하 변동에 따른 무효전력

Fig. 4. Reactive power according to load variation

그림 4에서와 같이 무효전력이 음(-)의 값을 갖는다는 것은 전원 측에서 볼 때, 전압에 대한 전류의 위상이 앞선다는 것을 의미한다. 이를 보다 상세히 분석하기 위해서 역률 보상 방법에 따른 전압과 전류의 위상각 변화를 해석한 결과는 그림 5와 같다.

그림 5. 부하 변동에 따른 전압과 전류의 위상각

Fig. 5. Phase angle between voltage and current according to load variation

그림 5에서와 같이, 부하 감소에 따라 전압에 대한 전류의 위상차가 점차 확대되며, 전동기가 정지한 구간에서는 전동기에만 보상 장치를 설치하는 경우 역률은 지상으로 유지되고, 변압기 2차에 보상 장치를 설치하는 경우 전류의 위상이 전압의 위상보다 약간 앞서 역률이 진상으로 변할 가능성이 있다.

부하 변동에 따른 동일한 크기의 유효전력에 대해 역률 보상 장치의 설치 위치 여부와 관계없이 달라지는 무효전력의 변화에 따른 역률 변화를 해석한 결과는 그림 6과 같다. 전동기 부하가 정격 용량 이하로 감소하는 경우, 변압기 2차와 전동기에 커패시터를 설치한 경우를 제외하고는 전원 측 역률이 급격히 감소하는 경향을 보인다.

그림 6. 부하 변동에 따른 역률

Fig. 6. Power factor according to load variation

전동기 또는 변압기에만 역률 보상 장치를 부착한 경우는 부하가 줄어들게 되면 역률이 떨어져 전력회사에서 요구하는 역률을 만족시키기 어렵다. 그래서 부하의 변동이 큰 현장에서는 전동기와 변압기 측 모두에 역률 보상 장치를 설치할 필요가 있다.

역률이 부하 변동에 따라 변화하기 때문에 전동기와 변압기에 모두 역률 보상 장치를 설치하면 전동기 또는 변압기 2차 측에만 별도로 설치한 경우보다는 높은 역률을 유지할 수 있지만, 전동기가 경부하 시 또는 정지하는 경우 역률이 진상으로 변화할 수 있다. 따라서 부하 운전을 하지 않는 야간과 휴일과 같은 상황에서는 변압기 2차 측에 일괄적으로 설치된 역률 보상 장치를 이와 연동하여 정지하는 방법이 필요하다. 전동기의 부하 변동이나 정지 시 무효전력이 음(-) 영역에 진입하지 않도록 해야 역률이 진상으로 전개되지 않는다. 이를 위해서 변압기 2차에 설치된 역률 보상 장치가 전동기 정지 시 함께 차단되도록 하기 위해서는 전동기 회전속도에 연동하여 역률 보상 장치를 자동으로 개폐하는 방법이 효과적이다.

이와 같이 전동기 회전속도에 연동한 역률 보상 장치의 자동 개폐 방법의 유효성을 검증하기 위해서 모의 해석한 결과는 그림 7과 같다. 그림 7에서 전동기와 변압기 2차에 역률 보상 장치를 설치하여 운전 중, 부하의 변동에 따라 전동기가 정지할 때 일정 속도 이하로 감소하면 변압기 2차에 설치된 보상 장치가 자동으로 개방되도록 한 경우, 변압기 1차에서의 무효전력과 역률 변화 결과를 해석한 결과이다.

그림 7에서와 같이 전동기에 연결된 부하가 변동할 때 무효전력은 약간 변화하지만, 전동기가 정지할 때는 무효전력이 음(-)이 되지 않아 전원 측 역률은 진상으로 이동하지 않고, 지상으로 유지되며 이때의 역률은 약 0.1 정도가 되는 것을 확인할 수 있다.

그림 7. 부하 변동에 따른 무효전력과 역률

Fig. 7. Reactive power and power factor according to load variation

4. 결 론

유도전동기는 산업 현장에서 회전력 부하를 구동하는 대표적인 유도성 부하로, 정격출력 운전 시에도 전력회사가 요구하는 역률을 달성하지 못해 추가적인 역률 보상이 필요하다. 부하가 일정하지 않은 특성을 고려하여, 변압기 2차 측에 보상 장치를 추가 설치하여 무효전력을 공급하고, 이를 통해 전원의 역률을 효과적으로 개선하고 있다.

유도전동기에 무효전력을 추가 제공할 경우, 무부하 상태 또는 전동기 정지 시 잔류하는 무효전력으로 인해 역률이 진상으로 전개되는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 전동기의 정지 시 변압기 2차 측을 연동하여 개방하는 방식을 제안하였으며, 이를 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

본 연구의 결과는 부하 변동이 큰 공장이나 심야에 전력 사용이 적은 환경에서 역률이 진상으로 변하는 현상을 방지하는 설계에 유용하게 활용될 것이다.