1. 서 론

유도전동기는 유도성 부하로 지상 역률을 나타내기 때문에 적절한 역률 보상이 필요하다. 일반적으로 정격 부하에 가깝게 운전해도 역률이 약 0.8 수준에 머물게 되므로 자화에 필요한 무효전력을 외부에서 별도로 공급해야 한다. 최근 전력회사는 기존 기준인 0.9의 역률을 0.92 이상 유지를 요구하고 있어, 이에 대한 효율적인 대책 마련이 요구된다.

유도전동기의 역률을 보상 방법으로는 전동기별로 개별 보상, 복수 전동기의 그룹 보상, 변압기 2차 측의 일괄 보상, 그리고 개별 보상과 일괄 보상을 병행하는 방식 등이 있으며^[1-5], 이들 대부분은 전부하 운전을 전제로 설계된다. 그러나 실제로 운전에서는 부하가 정격 이하이거나 부하 변동이 큰 경우가 많아, 유효전력은 크게 변화하는 반면, 무효전력의 변화폭은 상대적으로 작다. 이에 따라 역률의 안정적인 역률 유지가 어려워지며, 이에 따라 변압기 2차 측에 추가적인 역률 보상 장치를 설치하기도 한다^[2-10].

수용가는 다양한 부하를 동시에 운전하므로, 역률은 전체 부하를 대상으로 변압기 1차 측에서 산정하고 있다. 그러나 유도전동기의 유효전력과 무효전력만을 기준으로 역률을 산정할 경우, 변압기 자체의 손실 및 무효전력이 반영되지 않아 전력회사의 역률 산정이 실제와 다를 수 있다.

본 연구에서는 변압기를 포함한 유도전동기의 다양한 부하 변동을 고려하여, 역률 보상 장치를 전동기에만 설치하는 경우, 변압기에만 설치하는 경우, 그리고 양측에 모두 설치하는 경우를 대상으로 부하의 변동에 따른 특성을 비교·분석하였다. 이를 바탕으로 전력회사의 역률 요구 기준을 안정적으로 만족할 수 있는 최적의 역률 보상 방안을 제안하고자 한다.

2. 변압기와 전동기의 역률 보상

변압기는 유도전동기에 충분한 전력을 제공하기 위해 적정 용량으로 선정되어야 한다. 특히 직입 기동 시 발생하는 높은 기동전류를 고려하여 변압기 용량을 산정할 경우, 과도하게 될 수 있으며, 반대로 하면 심각한 전압강하를 발생할 수 있다^[8]. 따라서, 변압기 용량을 산정할 때 전압강하를 일정 수준 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 일반적으로 전동기 용량을 고려하여 적정한 크기를 적용하고 있다^[2,5,7,8].

그림 1은 변압기를 거쳐 유도전동기에 전원을 공급하는 단선 결선도를 나타낸 것이다. 유도전동기는 정격 부하 조건에서도 전력회사 요구 역률을 만족하기 어려우므로, MCC 반 내부나 변압기 2차 측에 정지형 커패시터($SC$) 등의 보상 장치를 설치하는 방식이 사용된다^[8,9,10]. 부착된 커패시터는 대개 부하의 동작과 함께 투입 또는 차단하고 있다.

3. 해석 및 결과 분석

본 연구에서는 유도전동기에 연결된 부하의 변동에 따른 역률을 일정 이상 유지하기 위하여, 표 1과 같은 유도전동기를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.

이 유도전동기의 운전을 위한 적정 변압기는 전압강하를 고려하여, 표 2와 같은 3상 200 kVA 변압기가 적당하다.

무부하 전류 기준으로 변압기 2차 측에 설치할 역률 보상용 무효전력은 변압기 용량의 5%에 해당하는 10 kvar 이다.

표 3은 역률 보상을 위해 변압기에 설치하는 무효전력을 5%와 10%로 한 경우 무효전력과 커패시터 그리고 식 (8)를 이용하여 전동기 측 보상용 무효전력과 커패시터의 값을 각각 구한 것이다.

부하 변동에 따른 동작을 분석하기 위해 전자계 과도 해석 프로그램을 활용하였으며^[12], 변압기에서 유도전동기까지 길이는 50m이고, 25㎟의 전력 케이블을 사용하였다. 부하는 전부하(100%)부터 무부하(0%)까지 5단계로 구분하여 전력 및 역률 등의 변화를 모의 분석하였다.

부하 변동 조건에서 역률 보상 여부에 따른 전력 및 역률 특성은 그림 3~그림 6에 도시하였으며, 각각 다음과 같은 조건을 기준으로 비교 분석하였다.

1. 역률 보상 미적용

2. 전동기 측만 보상 적용

3. 변압기 측만 보상 적용

4. 전동기와 변압기 모두 보상 적용

그림 2는 표 1에 제시한 유도전동기에 부착한 부하가 전부하에서 무부하로 바뀔 때 토크 변화를 나타낸 것이다.

수용가의 역률 측정 포인트는 변압기 2차 측인 전동기 측이 아니라 전원 측인 변압기의 1차가 기준이 되어야 한다. 그림 2와 같이 부하를 운전할 때, ⑴ 전동기와 변압기에 역률 보상을 하지 않은 경우, ⑵ 전동기만 보상한 경우, ⑶ 변압기만 보상한 경우, ⑷ 전동기와 변압기 모두 보상하는 경우 등 4가지 조건의 변화에서 변압기의 1차(○)와 2차(□)에서 전력과 역률 변화를 시뮬레이션하여 분석하였다.

첫 번째로 전동기나 변압기에 보상 장치를 사용하지 않고 그림 2와 같은 부하의 변동에서 변압기 1차와 2차에서 본 유효전력, 무효전력 및 역률의 변화는 그림 3과 같다.

그림 3과 같이 역률 보상 장치를 전혀 사용하지 않는 경우 변압기 1차에서 역률은 0.81로 유지되다가 부하가 감소하면 역률이 더 떨어진다. 그래서 전력회사에서 요구하는 역률 기준을 맞추기 위해 역률 보상이 반드시 추가되어야 한다.

두 번째로 역률 보상을 위해 전동기에만 커패시터(290㎌)를 사용하여 그림 2와 같은 부하의 변화에서 변압기의 1차와 2차에서 본 유효전력, 무효전력 및 역률은 그림 4와 같다.

그림 4(a)는 그림 3(a)와 같은 부하 변동에서 역률 보상을 위해 전동기에만 커패시터를 설치한 경우로 유효전력의 차이는 없지만, 그림 4(b)와 같이 변화하는 무효전력은 그림 3(b)에 비해 약간 더 줄어들어도 전부하 운전의 경우 변압기 1차의 역률은 0.86 정도로 유지되고, 부하가 감소하는 경우 역률은 더 떨어진다. 따라서 전부하보다 낮게 운전하는 경우 추가적인 역률 보상이 필요하다. 그래서 무효전력을 더 확보하기 위해서는 변압기의 2차에 보상 장치 설치가 필요하다.

세 번째로 부하에 필요한 무효전력을 제공하는 방법으로 부하 전체에 대한 역률 일괄 보상 방법으로 변압기 2차에 여자전류의 5%에 해당하는 무효전력의 크기인 커패시터(184㎌)를 사용하여 그림 2와 같은 부하의 변화에서 변압기의 1차와 2차에서 본 유효전력, 무효전력 및 역률은 그림 5와 같다.

그림 5(a)는 그림 2와 같은 부하의 변화에 대하여 앞서 두 경우와 마찬가지로 유효전력의 변화는 없지만, 무효전력은 그림 5(b)와 같이 변화하는 것을 알 수 있다. 역률은 부하 변동에 따라 전동기에만 설치한 것에 비하여 더 떨어진 것을 알수 있다. 이 경우도 전력회사에서 요구하는 수준에 미달하므로 역률을 일정 이상으로 유지하기 위해서는 변압기만의 보상 장치로도 부족함을 알 수 있다.

네 번째로 전동기와 변압기 2차 모두에 커패시터와 같은 역률 보상 장치를 사용하고서 그림 2와 같은 부하의 변동에서 변압기의 1차와 2차에서 본 유효전력, 무효전력 및 역률은 그림 6과 같다. 이때 변압기 2차에 설치하는 무효전력의 크기는 변압기 무효전류의 10% 해당하는 값을 적용하였다.

위와 같이 변압기의 1차 및 2차 측의 유효전력, 무효전력, 역률의 변화를 시뮬레이션한 결과 부하 감소 시 역률이 급격히 저하됨을 확인하였다. 특히 전동기 측만 보상하면 전력회사 기준인 0.92 역률을 일부 조건에서 충족하지 못하였으며, 변압기 측만 보상할 때도 마찬가지로 충분하지 않았다. 반면, 그림 7과 같이 전동기와 변압기 양측에 보상하고 변압기 보상 용량을 무부하 전류의 7.5%(=15kva)로 조정한 경우, 무부하를 제외한 영역에서 역률을 높게 유지할 수 있다.

이와 같은 결과는 표 4에 요약되어 있으며, 부하 조건별 역률 수준을 종합적으로 비교하였다. 표 4에서 $pf_{1}$과 $pf_{2}$ 는 각각 변압기의 1차와 2차에서의 역률이다.

표 4에서와 같이 전동기 부하가 전부하에서 1/4 부하까지 변동하는 경우, 무효전력을 전동기 또는 변압기 측에만 공급하면 전력회사의 역률 기준을 만족하기 어렵다. 그러나 전동기 역률을 0.95로 조정하고, 변압기 2차 측에 무효전류 5%보다 약간 높은 7.5% 수준의 무효전력을 공급하면, 역률이 진상으로 전개되지 않으면서 요구 기준을 안정적으로 만족할 수 있음을 확인하였다.

이와 같이 부하 변동 시에도 경제적으로 저렴한 커패시터와 같은 것을 사용하여 역률이 향상되면, 무효전력의 비중이 감소하여 피상전력이 줄어들게 된다. 이는 전력회사에는 공급 여유를 제공하고, 수용가는 전력 활용 효율을 높일 수 있으므로, 진상 상태가 아닌 이상 역률은 가능한 한 높게 유지하는 것이 바람직하다.

4. 결 론

본 연구에서는 유도전동기의 부하 변동에 따른 유효전력 변화에 대응하여, 역률 보상 장치를 전동기 측, 변압기 측, 및 양측에 적용한 경우의 전력 및 역률 특성을 모의하였다. 분석 결과, 보상 장치를 한쪽에만 설치하는 경우 일부 운전 조건에서 전력회사의 역률 기준을 만족하기 어려운 것으로 나타났다. 반면, 전동기와 변압기 양측에 적절히 분산 설치하면 더 안정적인 역률 유지가 가능하였다. 특히 변압기 2차 측에 변압기 무부하 전류의 약 7.5% 수준의 무효전력을 공급할 경우, 무부하를 제외한 대부분의 운전 영역에서 진상으로 전개되지 않으면서도 높은 역률을 유지할 수 있었다. 이러한 결과는 부하 변동이 빈번한 산업 현장에서 실시간으로 대응 기법과 병행할 경우, 전력 품질 향상 및 안정적인 유지에 도움이 될 것이다.