Mobile QR Code QR CODE : The Transactions P of the Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleTrans. P of KIEE

Indexed by
Korea Citation Index(KCI)

Main Menu

Journal Search

[

Research article

]

The Transactions P of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEEP Vol. 68P, No. 1, p.36-40

ISSN (print) :

1229-800X

ISSN (online) :

1229-800X

Received : 3 February 2019Revised : 26 February 2019Accepted : 27 February 2019

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEEP.2019.68.1.036

변압기용량을 고려한 농형유도전동기의 기동방법에 관한 고찰

A Study on Squirrel-cage Induction Motor Starting Method Considering a Transformer Capacity

김규원 (Gyu-Won Kim) ¹ 지평식 (Pyeong-Shik Ji) ¹^†iD

(Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation, Chungju, Korea)

^†Corresponding author, E-mail: psji@ut.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

Numerous mechanical equipments are used in the building, and the induction motor is mainly adopted as the power source of the pump. Due to the structural characteristics of the induction motor, a large starting current is generated, and various starting methods have been adopted as a countermeasure against this. Generally, 15～55[kW] motors, which are most commonly used in buildings, adopt Y-△ start method, a kind of reduced voltage starting methods. However, this method may cause problems such as abnormal voltage and contact deterioration at the electromagnetic contactor when switching the wiring. Therefore, this study will propose the capacity of the motor for the full voltage starting, which considers the power capacity of the system. The effectiveness of the proposed method was verified by using Power Tools, used as a power simulation program. The motor starting power factor and the load factor of the transformer were simulated by considering the parameters of the system. This study was designed to be utilized as reference data, which guides electrical engineering firms and construction sites to consider the overall conditions of the system when selecting the method of starting the motor, not to select the uniform application considering only the motor capacity.

Key words

Induction motor, Starting method, Starting current, Transformer capacity

1. 서론

니콜라 테슬라에 의하여 유도전동기가 발명된 이후 산업전반에 걸쳐 유도전동기는 매우 다양한 동력원으로 사용되고 있으며 특히 구조가 간단하고 유지·보수가 용이한 농형이 주를 이루고 있다. 하지만 구조적 특징으로 인하여 기동 시 정격의 5~8배 크기를 가지면서 역률이 매우 낮은 전류가 발생하게 되는데, 이에 따른 구내전력계통의 전압강하 파급을 억제하기 위하여 여러 종류의 기동방법을 채택하고 있다^[1-^4]. 전동기 기동 시 전압강하는 전원용량(변압기 용량)과 밀접한 관계가 있다. 기동장치 적용에 대한 NEMA 등의 해외기준은 전원용량을 고려하여 선정하도록 권고하고 있으나, 국내 현장에서는 각 발주처 및 설계사무소 내부기준에 따라 전원용량을 고려하지 않고 전동기 용량만을 기준하여 일률적으로 기동장치를 채택하고 있는 실정이다^[5,^6]. 현장에서 많이 사용되는 15~55[kW] 유도전동기의 경우 주로 Y-△기동방법을 채택하는데 전동기의 기동·정지가 빈번하거나, 기동장치 전자접촉기(Magnetic Switch)의 잘못된 규격선정으로 인한 접점 열화로 인하여 기동실패로 이어지는 경우가 현장에서 종종 발생하고 있다^[7-^9].

유도전동기가 허용 가능한 전압변동의 크기는 운전 상태와 기동중인 상태로 나눌 수 있는데 운전 상태에서의 전압변동의 경우 여러 연구가 진행되어 왔다. NEMA MG-1 및 IEEE Std 141에서 전동기는 ±10[%]의 전압변동에서 운전가능 하도록 명시되어 있으며 대부분의 전동기는 이 기준에 만족하도록 제작된다^[10,^11]. 참고문헌 [12]^[12]에서는 유도전동기의 운전 중 허용전압변동 한계를 ±10[%]로 결론지었다. 또 참고문헌 [13]^[13]에서는 전동기의 운전전압을 현재 380[V]에서 440[V]로 증가시키면 정격전류 감소 및 전압강하가 경감되므로 440[V] 정격전압 채택을 제안하였다. 운전 중인 유도전동기의 허용단자 전압변동에 대한 연구는 위와 같이 진행되어 온 반면, 기동중인 전동기의 허용단자전압변동에 대하여는 구체적인 기준이 없는 실정이다. 이는 각각의 구내전력시스템의 특징 및 전동기 부하의 관성(GD²)에 따라 그 변동 폭이 크기 때문인데, 실무에서 전동기 기동 시 허용단자전압변동은 -15[%] ~ -20[%]로 설정하는 것이 일반적이다.

따라서 본 논문에서는 계통의 전원용량을 고려한 농형유도전동기의 직입기동 가능용량에 대하여 제시하고자 한다. 변압기 부하율에 따른 전동기 기동 시 전압강하 및 최대기동전류변화를 구하여 이를 근거로 농형유도전동기의 직입기동이 가능한 용량을 제안하였다.

2. 사례연구

2.1 사례선정 및 실험조건

표 1에서와 같이 소방동력설비가 적용된 체육시설, 공동주택, 오피스텔 총 3건의 사례를 선정하였다. 사례로 선정된 모든 구내전력계통은 동력용 변압기로부터 MCC를 거쳐 소방펌프용 전동기 전원단자까지 전력을 공급하는 방식이며 소방펌프용 전동기 용량은 15[kW]~110[kW]로 전원변압기 용량 대비 1.5[%]~11[%]의 넓은 분포를 보였다. 전동기 기동방법은 리액터 기동을 적용한 110[kW]전동기(Case3-C)를 제외한 모든 전동기는 Y-△기동을 채택하였다.

표 1. 사례선정 목록

Table 1. Case list

Case No.	Building Type	Gross area [M2]	Tr. Capacity [kVA]	Fire Pump Capacity (Starting Method)
1-A	Athletic Facility	8,560	500	3$\phi$ 380[V] 15[kW] (Y-△)
1-A				3$\phi$ 380[V] 55[kW] (Y-△)
1-B				3$\phi$ 380[V] 55[kW] (Y-△)
2-A	Apartment	142,229	1,250	3$\phi$ 380[V] 30[kW] (Y-△)
2-B	Apartment	142,229	1,250	3$\phi$ 380[V] 45[kW] (Y-△)
3-A	Studio Apartment	57,638	1,250	3$\phi$ 380[V] 18.5[kW] (Y-△)
3-B				3$\phi$ 380[V] 75[kW] (Y-△)
3-C				3$\phi$ 380[V] 110[kW] (Reactor)

표 2는 전동기 기동역률 및 변압기 부하율에 대한 실험조건을 나타낸 것이다. 전동기 기동역률은 IEEE Std 399-1997에 따라 1,000마력 이하의 유도전동기는 역률 20[%]로 선정하였으며, 기동역률과 전압강하와의 관계를 알아보기 위하여 기동역률 40[%]도 적용하였다^[14].

표 2. 실험조건

Table 2. Experimental Conditions

Experimental Conditions	Experimental Variable [%]
Experimental Conditions	Max.	Min.
Motor Starting Power factor	40	20
Transformer Load factor	60	0

에너지관리공단에서 조사한 내용에 따르면 2014년 자가용수용가 평균 변압기 부하율은 17.21[%]로 매우 낮은 실정이나, 최근 온난화에 따른 냉·난방 등 계절부하수요가 급증하여 동력변압기의 부하율 또한 상승할 것으로 예상된다^[15]. 이를 반영하기 위하여 부하율은 60[%], 역률은 0.8(지상)로 반영하였고 변압기 부하율과 전압강하와의 관계를 알아보기 위하여 부하율 0[%]인 경우도 실험하였다.

그림. 1에서는 전동기 기동 시 구내전력계통 각 부분의 전압강하 측정위치 및 한계 값을 나타내었다. 전원변압기 2차측 모선 및 MCC(Motor Control Center)모선은 소방동력설비 외에도 급수 및 공조 설비 등 여러 동력설비의 전원을 함께 공급하는 것이 일반적이다. 참고문헌 [10]^[10] IEEE Std 141에서 전동기는 Voltage Variation 및 Sag에 ±10[%]이상의 크기에 견딜 수 있는 사양이 제시되었으며, 참고문헌 [12]^[12]에 따르면 여러 종류의 전기기기의 운전 중 견딜 수 있는 전압변동의 크기는 ±10[%]로 제안하였다. 이를 근거로 변압기 2차측 모선 및 MCC 모선의 전압강하 한계는 -10[%]로 선정하였으며, 소방펌프 전동기 전원단자는 전력케이블의 전압강하를 고려하여 -15[%]로 선정하였다.

그림. 1. 전압강하 측정위치 및 제한 값

Fig. 1. Voltage drop measurement position and limit value

2.2 유도전동기 기동 시 전압강하 계산

표 1에서 선정한 사례에 대하여 SKM社의 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램 Power Tools for Windows를 활용하여 전체 7가지 사례(Case 1-A~Case 3-C)에 대하여 전동기 직입 기동 시 구내전력계통의 전압강하를 시뮬레이션 하였다. 프로그램을 통한 시뮬레이션 결과는 그림. 2와 같이 나타났으며 그 결과를 표 3, 표 4로 정리하였다. 유도전동기 기동전류는 단자전압과 비례하는 특성을 나타내는데 기동전류로 의한 전압강하 상승으로 전동기 단자전압이 저하되고, 이때 저하된 단자전압만큼 기동전류 또한 어느 정도 감소하는 모습을 보이게 되는데 이와 같은 반복계산은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 것이 효과적이다.

그림. 2. 전동기 직입 기동 시 계통 전압강하 계산

Fig. 2. Calculation of system voltage drop at Full Voltage Starting

표 3. 전동기 직입 기동 시 계통 전압강하 계산결과 (변압기 부하율 0%)

Table 3. Calculation result of system voltage drop at Full Voltage Starting (Tr. load factor 0%)

Case No.	Ppwer Capacity [kVA]	Motor Capacity[kW] (% Of Power capacity	Maximum Voltage drop[%] Bus①/②/③	Full Voltage Starting Availability
1-A	500	15 (3%)	1.4/2.0/3.7	Possible
1-A		55 (11%)	4.8/7.0/8.5	Possible
1-B		55 (11%)	4.8/7.0/8.5	Possible
2-A	1,250	30 (2.4%)	1.1/2.4/4.7	Possible
2-B	1,250	45 (3.6%)	1.6/3.6/5.2	Possible
3-A	1,250	18.5 (1.5%)	0.7/1.8/3.7	Possible
3-B		75 (6%)	2.6/6.9/9.7	Possible
3-C		110 (8.8%)	3.7/9.7/13.4	Possible

표 4. 전동기 직입 기동 시 계통 전압강하 계산결과 (변압기 부하율 60%)

Table 4. Calculation result of system voltage drop at Full Voltage Starting (Tr. load factor 60%)

Case No.	Ppwer Capacity [kVA]	Motor Capacity[kW] (% Of Power capacity	Maximum Voltage drop[%] Bus①/②/③	Full Voltage Starting Availability
1-A	500	15 (3%)	4.1/4.7/5.7	Possible
1-A		55 (11%)	7.5/9.4/10.5	Possible
1-B		55 (11%)	7.5/9.4/10.5	Possible
2-A	1,250	30 (2.4%)	3.9/5.0/6.5	Possible
2-B	1,250	45 (3.6%)	4.5/6.1/7.5	Possible
3-A	1,250	18.5 (1.5%)	3.5/4.6/5.7	Possible
3-B		75 (6%)	5.5/9.4/11.7	Possible
3-C		110 (8.8%)	6.5/12.1/15.7	Impossible

표 3과 표 4는 전동기 직입기동 시 구내전력계통 각 부분의 최대전압강하 결과를 나타낸 것이다. 전동기 기동 시 역률은 20[%] 및 40[%]를 적용하여 그 중 전압강하가 큰 값을 적용하였으며, 변압기 부하율은 전압강하에 대한 영향이 크므로 0[%] 및 60[%]를 각각 적용하였다. 또한 전원변압기 2차측은 모선 1, MCC는 모선 2, 전동기 전원단자는 모선 3으로 표현하였다. 표 3은 전원변압기 부하율이 0[%]인 경우로써 각 모선의 최대전압강하 크기는 모선 1의 경우 4.8[%](Case 1-B), 모선 2는 9.7[%](Case 3-C), 모선 3은 13.4[%](Case 3-C)로 나타났으며 그림. 1에서 제시한 최대전압강하 –10[%](모선 1, 2) 및 –15[%](모선 3)를 모두 만족하였다. 표 4는 전원변압기 부하율이 60[%]인 경우로써 각 모선의 최대전압강하 크기는 모선 1의 경우 7.5[%](Case 1-B), 모선 2는 12.1[%](Case 3-C), 모선 3은 15.7[%](Case 3-C)로 나타났으며 모선 2, 모선 3에서 그림. 1에서 제시된 전압강하 제한 값 –10[%](모선 1, 2) 및 –15[%](모선 3)를 초과하는 것을 볼 수 있다.

3. 사례고찰

표 3과 표 4와 같이 전동기 용량은 전원변압기 용량대비 1.5[%]~11[%]로 넓은 분포를 이룬다. 전동기 직입기동 시 표 4의 110[kW]전동기(Case 3-C)를 제외하고 모든 예제에서 계통의 전압강하는 그림. 1에서 제시된 최대전압강하를 만족하는 것으로 나타났으며, 이는 전동기 기동 시 구내전력계통에 발생하는 전압강하의 크기는 전원변압기의 용량이 클수록 전동기 용량보다는 전원변압기 부하율이 미치는 영향이 더 크다는 것을 알 수 있다.

전동기 기동 역률이 상승하는 경우 MCC 모선(그림. 4) 및 전동기 전원단자(그림. 5)의 전압강하는 증가함을 볼 수 있으며 이는 $\triangle V=\frac{P R+Q X}{V}[V]$으로써 설명할 수 있다. 기동역률이 상승함에 따라 유효전력(P)이 증가하여 위 식에서와 같이 전압강하는 상승하게 되며 계통 말단으로 갈수록 케이블의 단면적은 작아지므로 저항(R)의 증가에 기인한 전압강하는 증가하게 된다. 반면 전원변압기 2차측 모선(그림. 3)의 전압강하는 기동 역률이 상승함에 따라 그림. 4, 그림. 5와 반대로 감소함을 알 수 있는데 이는 변압기의 임피던스는 R≪X이므로 역률상승으로 인한 유효전력 증가에 기인한 전압강하(P·R) 증가폭 보다 무효전력 감소에 기인한 리액턴스 전압강하(Q·X)의 감소 폭이 더 크기 때문인 것으로 사료된다.

그림. 3. 전동기 기동역률 변화에 따른 전압강하 (모선 1)

Fig. 3. Voltage drop due to motor start-up power factor change (bus 1)

그림. 4. 전동기 기동역률 변화에 따른 전압강하 (모선 2)

Fig. 4. Voltage drop due to motor start-up power factor change (bus 2)

그림. 5. 전동기 기동역률 변화에 따른 전압강하 (모선 3)

Fig. 5. Voltage drop due to motor start-up power factor change (bus 3)

그림. 6~그림. 8은 전원변압기의 부하율과 구내전력계통 각 부분의 전압강하의 관계를 나타낸 것이다. 변압기의 부하율이 높다는 의미는 부하전류에 의한 변압기 임피던스 전압강하가 증가한다는 의미이므로, 부하율이 높아질수록 전동기 기동전류에 의한 전압강하에 변압기 임피던스 전압강하가 중첩되어 전체 전압강하는 증가함을 알 수 있다. 변압기 부하율 상승에 따른 구내전력계통의 전압강하 증가폭은 변압기 2차측 모선(그림. 6)에서 가장 크게 나타났으며, MCC 모선(그림. 7) 및 전동기 단자(그림. 8) 순으로 상승폭이 감소하는 것으로 나타났다. 전원 측에 가까울수록 그리고 전동기 용량이 작을수록 변압기 부하율 증가에 따른 전압강하 상승폭이 큰 것을 알 수 있는데, 이는 전동기 용량이 작을수록 기동전류 또한 감소하므로 전동기 기동전류에 의한 전압강하보다 상대적으로 변압기 부하율 증가에 따른 전압강하가 크게 작용한 것으로 사료된다.

그림. 6. 전원변압기 부하율 변화에 따른 전압강하 (모선 1)

Fig. 6. Voltage drop due to power transformer load factor change (bus 1)

그림. 7. 전원변압기 부하율 변화에 따른 전압강하 (모선 2)

Fig. 7. Voltage drop due to power transformer load factor change (bus 2)

그림. 8. 전원변압기 부하율 변화에 따른 전압강하 (모선 3)

Fig. 8. Voltage drop due to power transformer load factor change (bus 3)

4. 결 론

본 논문에서는 전원변압기 용량을 고려한 농형유도전동기 기동방법 중 직입기동 가능용량에 대하여 제안하였다. 예제 Case 1-A～Case 3-C의 7가지 사례 중 당초 리액터 기동방법으로 설계되었던 110[kW] 전동기를 제외한 Y-△기동방법으로 설계된 6가지 사례 모두 직입기동이 가능한 것으로 판단되고, 전동기 출력이 15[kW]를 초과하거나 전원변압기 용량이 전동기 출력의 10배 이하 경우라도 전원변압기의 용량이 500[kVA]이상, 부하율은 60[%]이하인 경우 15[kW]～75[kW] 농형유도전동기의 직입기동이 가능함을 확인하였다. 또한 농형유도전동기중 특히 소방부하는 기동·정지가 빈번하지 않고, 기동이 필요할 때 확실히 운전되어야 하는 신뢰성이 매우 중요하므로 별도의 기동장치 사용보다는 전원용량이 감당할 수 있는 범위에서 직입기동으로 구성하는 것이 신뢰성 면에서 더 우수하다고 판단된다.

본 연구결과는 전기설계 사무소 및 시공현장에서 전동기 기동방법 선정 시 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 특히 옥내소화전 등에 사용되는 소방펌프의 경우 기동·정지가 빈번하지 않고 동작 신뢰도가 매우 중요하기 때문에 구내계통의 전압강하가 허용되는 한계에서는 별도의 기동장치를 채택하기보다는 직입기동이 효과적이라고 사료된다.

References

Ji Cheol-geun, Son i-jo, 2009, Electrical Design Supervision Construction Guidebook, pp. 319-322

Noguchi Shousuke, 1996, Electrical Instrument Master Book, pp. 34-46

Iida Yoshikazu, 2010, Electrical Circuit, pp. 194-196

Tanaka Kenichi, 2012, Mathematics for Electrical Engineering, pp. 28-31

2013, Consumer's Electrical Installation Guide, Korea Electric Association, pp. 275-286

2011, Architectural Electrical Equipment DesignTechnical Standard, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, pp. 153-163

2010, Electric·Telecommunications design standard 1407 Power Equipment, Korea Land and Housing Corporation, pp. 105-108

2013, Electric·TelecommunicationsConstruction Supervision Handbook, Korea Land and Housing Corporation, pp. 371-375

Jeong Myeong-hwan, 2016, A Study for The Optimized Y-△ Transfer Time in Wye-Delta Starter for Induction Motor, pp. 21-29

1993, IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Std 141, pp. 91-103

2009, NEMA Standards Publication MG-1 Motor and Generators, National Electrical Manufacturers Association, Part 12, pp. 44

Jeong Sung-won, 2008, The Operating Limits Characteristics of Electric Equipment and a Quantitative Assessment Method for Voltage Sag, pp. 150-151

Lee Min-young, Chang Choong-koo, Suh Sang-jin, 2002, A Guide to Selection of Voltage for Low Voltage Motors and Case Study, KEEA Electric Engineers Magazine March 2002, pp. 35-41

1997, IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power System Analysis, IEEE Std 399, pp. 240-241

2014, Survey on Utilization of Domestic Power Transformer, Korea Energy Agency, pp. 65-80

저자소개

김 규 원 (Gyu-Won Kim)

2006년 한국교통대학교 전기공학과 졸업(공학사)

2019년 2월 동 대학교 대학원 석사과정 졸업(공학석사)

2019년 3월 동 대학원 박사과정 재학 중, 발송배전기술사, 현재 수인엔지니어링 기술이사

E-mail : k765won@empal.com

지 평 식 (Pyeong-Shik Ji)

1994년 충북대학교 대학원 전기공학과 석사과정 졸업(공학석사)

1998년 동대학원 박사과정 졸업(공학박사)

현재, 대한전기학회 학술이사, 평의원, 충북지회장, 한국교통대학교 전기공학과 교수

E-mail : psji@ut.ac.kr

KIEEThe Transactions P of
the Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleTrans. P of KIEE

Journal Search

Journal XML

Journal Information

A Study on Squirrel-cage Induction Motor Starting Method Considering a Transformer Capacity

Abstract

Key words

1. 서론

2. 사례연구

2.1 사례선정 및 실험조건

2.2 유도전동기 기동 시 전압강하 계산

3. 사례고찰

4. 결 론

References

저자소개

김 규 원 (Gyu-Won Kim)

지 평 식 (Pyeong-Shik Ji)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions P ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleTrans. P of KIEE

Journal Search

Journal XML

Journal Information

A Study on Squirrel-cage Induction Motor Starting Method Considering a Transformer Capacity

Abstract

Key words

1. 서론

2. 사례연구

2.1 사례선정 및 실험조건

2.2 유도전동기 기동 시 전압강하 계산

3. 사례고찰

4. 결 론

References

저자소개

김 규 원 (Gyu-Won Kim)

지 평 식 (Pyeong-Shik Ji)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions P of
the Korean Institute of Electrical Engineers