KR20220012560A - 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기 - Google Patents

비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도전동기를 비상발전기로 기동할 시에 흐르는 돌입 전류를 제한하기 위한 소프트 스타트(Soft-start) 기능을 비상발전기의 출력을 제어하여 구현하는 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 주파수 대비 인가 전압의 비율 V/f을 기설정 비율로 유지하며 인가 전압 및 주파주를 점차 증가시키도록 비상발전기(10)를 제어하되, 주파수 조절을 위한 엔진(11) RPM은 최대 토크를 발생시킬 수 있는 슬립과, 유도전동기(1) RPM에 따라 산정한 회전자속 회전속도를 얻을 수 있는 값으로 조절하여서, 기동 중에 최대 토크를 발생시키며 일정하여 유지하여, 기동 성능을 향상시킨다.

Description

비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기{Soft-start system of the induction motor using the emergency generator and emergency generator having the same}
본 발명은 유도전동기를 비상발전기로 기동할 시에 흐르는 돌입 전류를 제한하기 위한 소프트 스타트(Soft-start) 기능을 비상발전기의 출력을 제어하여 구현하는 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기에 관한 것이다.
취수장, 정수장 등의 수도사업장은 전력계통으로부터 전력 공급받는 중에 정전 사고가 발생하더라도 비상발전기를 가동시켜 용수 공급을 안정화할 수 있게 한다.
그런데, 수도사업장에서는 대용량의 펌프를 운용하여야 하고, 펌프를 작동시키는 유도전동기의 기동 특성에 따라 유도전동기의 정격 전류보다 적어도 3배에서 많게는 5배의 돌입 전류가 발생하므로, 유도전동기의 정격보다 매우 큰 발전 용량을 갖는 비상발전기를 준비하여야 한다.
여기서, 준비해야 할 비상발전기의 용량을 낮출 수 있도록 유도전동기의 돌입 전류를 낮추는 최선의 방식은 인버터로 전력 제어하여 소프트 스타트(Soft-start)할 수 있는 기동 장치를 운용하는 방식이다.
그런데, 이러한 유도전동기용 기동 장치는 비상발전기의 출력을 강압 변압기로 낮춘 후 인버터로 출력을 제어하고, 고조파 필터로 노이즈를 제거하며, 승압 변압기로 승압하여 유도전동기에 전력 공급하게 구성되므로, 수도사업장의 대용량 펌프 용도로 사용하기 위해서는 대용량으로 구성해야 한다. 이에 따라, 비상발전기를 이동 설치하며 운용할 경우에 비상발전기를 운송하기 위한 차량과는 별도로 기동 장치를 운송할 차량까지 필요하고, 비상발전이 필요한 현장에 신속 투입하기 어려운 문제점이 발생하며, 더욱이, 현장에 투입한 후 비상발전기와 기동 장치를 상호 연동시키는 추가 작업도 소요되는 등의 많은 어려움을 수반한다.
한편, 유도전동기를 비상발전기로 기동할 시에 비상발전기의 출력을 제한하는 종래기술이 있다. 종래기술에 따르면, 비상발전기의 출력 전압 및 주파수를 점진적으로 높여서 돌입 전류를 감소시킨다.
이러한 종래기술은 유도전동기의 상태에 무관하게 비상발전기 측의 출력을 제어하므로, 유도전동기의 기동 특성에 따라 미리 정한 패턴의 전력을 공급하게 한다. 그렇지만, 유도전동기의 기동 특성에 부적합한 전력을 공급할 수도 있어서, 기동 시간이 늦어지거나 또는 전력을 낭비하는 등의 문제점이 생길 수 있다.
다른 종래기술로서, 비상발전기의 출력 전류를 확인하며 점진적으로 높여서, 돌입 전류를 감소시키는 기술이 있다. 이 종래기술은 돌입 전류를 제한할 수 있지만, 유도전동기의 동작 상태에 따라 최적의 전력을 공급하긴 어렵다.
KR 10-2020-0007135 A 2020.01.22. JP 2004-320936 A 2004.11.11.
따라서, 본 발명은 비상발전기로 유도전동기를 기동할 시에 유도전동기의 동작 상태에 연계하여 최적의 기동 기능을 구현하는 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템 및 이를 구비한 비상발전기를 제공하는 데 목적을 둔다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 엔진(11)으로 발전기(12)를 작동시키게 구성된 비상발전기(10)로 유도전동기(1)에 전압 인가하여 유도전동기(1)를 기동시키는 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템에 있어서, 엔진(11) RPM을 조절하여 인가 전압의 주파주를 조절하는 주파수 조정장치(110); 발전기(12) 여자전류를 조절하여 인가 전압을 조절하는 전압 조정장치(120); 및 주파수 대비 인가 전압의 비율 V/f을 기설정 비율로 유지하며 인가 전압 및 주파주를 점차 증가시키도록 상기 주파수 조정장치(110) 및 전압 조정장치(120)를 제어하되, 주파수 조절을 위한 엔진(11) RPM은 최대 토크를 발생시킬 수 있는 슬립과, 유도전동기(1) RPM에 따라 산정한 회전자속 회전속도를 얻을 수 있는 값으로 조절하게 하는 기동 컨트롤러(130);를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비상발전기에 있어서, 상기한 소프트 스타트 시스템을 구비하게 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 비상발전기의 출력을 제어하여 소프트 스타트 기능을 구현하므로, 종래 인버터를 포함한 기동 장치를 필요치 아니하여, 구성을 간소화할 수 있고, 비상 투입 시 이송 및 운용하기 쉽고, 유지 관리하기에도 유리한다.
또한, 본 발명은 유도전동기를 기동시킬 시에 최대 토크를 유지하며 가속시켜, 기동 효율을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스타트 시스템(100)의 구성도.
도 2는 유도전동기(1)의 등가회로.
도 3은 유도전동기(1)의 슬립(slip)에 따른 벡터도.
도 4는 소프트 스타트 시스템(100)으로 기동할 때와 직입 기동할 때에 나타나는 유도전동기(1) RPM(revolutions per minute), 유도전동기(1) 토크(torque) 및 유도전동기(1) 유입 전류의 특성 곡선을 비교하는 도면(a, c, d)과 소프트 스타트 시스템(100)으로 기동할 때에 나타나는 가버너(governor, 11a) 출력의 특성 곡선을 보여주는 도면(b).
도 5는 소프트 스타트 시스템(100)으로 기동할 때와 직입 기동할 때에 나타나는 유도전동기(1) 인가 전압, 피상 전력 및 소비 전력의 특성 곡선을 비교하는 도면.
본 발명에 따른 소프트 스타트 시스템은 비상발전기로 발전한 전력으로 유도전동기를 기동시킬 시에 유도전동기의 소프트 스타트(soft-start)를 위한 인버터 기능을 비상발전기로 구현하여, 유도전동기의 정격용량에 준하는 발전용량만 갖춘 비상발전기로도 유도전동기를 가동시킬 수 있게 한다.
이를 위한 소프트 스타트 시스템은 유도전동기의 회전속도에 연동시켜서, 유도전동기를 기동할 시에 최대 토크를 발생시키는 슬립을 갖도록 출력 전압의 주파수를 조정하고, 유도전동기를 기동할 시에 발생하는 실제 토크가 정격운전의 토크를 갖도록 일정하게 유지하여서, 기동 전류를 정격운전의 전류 이하로 제한하며, 기동 시간을 최적화하여 단축한다.
또한, 본 발명에 따르면, 소프트 스타트 시스템을 비상발전기에 장착하여서, 기존에 강압 변압기, 인버터, 고조파 필터 및 승압 변압기를 갖추어야만 유도전동기를 가동시킬 수 있었던 비상발전기에 비해서, 긴급 사용할 사고 현장으로 용이하게 이동시켜 시간 지연 없이 즉시 운용할 수 있고, 운용하기도 간편하여 유지관리의 측면에서도 유리하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 발전기를 엔진으로 가동시켜 발전하는 비상발전기에 대해서는 공지된 구성이므로, 본 발명에 연계되는 구성요소 위주로 간략하게 설명한 후, 본 발명에 따른 소프트 스타트 시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1의 구성도를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소프트 스타트 시스템(100)에 연계되는 비상발전기(10)는 엔진(11)으로 발전기(12)를 작동시켜 전력 생산하게 구성된다.
엔진(11)에는 연료 분사량 또는 압축 공기량을 조절하여 엔진(11) RPM을 조절할 수 있는 전자식 가버너(Digital Governor, 11a)와, 엔진(11) RPM에 비례하는 주파수의 신호를 출력하는 마그네틱 픽업 센서(MPU : Magnetic Pickup Sensor, 11b)를 구비하여, 엔진(11) RPM을 마그네틱 픽업 센서(11b)를 통해 검출하며 전자식 가버너(11a)으로 조절할 수 있다.
발전기(12)는 여자기(12a)의 여자전류를 조절할 수 있게 하고, 발전에 의한 교류 전압을 외부에 인가하며 전력 공급하기 위한 출력단(Terminal, 12b)을 통해 인가 전압을 검출하며 여자전류를 조절하여 인가 전압을 조절할 수 있게 한다. 여기서, 인가 전압은 PT(potential transformer)를 통해 검출할 수 있다. 또한, 인가 전압에 의해 흐르는 전류는 CT(current transformer)를 통해 검출하여서, 발전기(12)를 통해 공급하는 전기의 전압 및 전류를 검출하며 출력 제어할 수 있게도 한다.
이러한 비상발전기(10)는 도 1에 예시한 바와 같이 무정전절체스위치(CTTS : Closed Transition Transfer Switch, 20)를 통해 유도전동기(1)에 연결하여, 전력계통(Grid, 2)을 통해 유도전동기(1)에 공급하던 전력이 차단되는 정전 사고가 발생할 시에 유도전동기(1)에 전력 공급하게 하고, 전력계통(2)이 복원되면 유도전동기(1)에 대한 전력 공급을 중단하고 전력계통(2)에서 유도전동기(1)에 전력 공급하게 할 수 있다. 이를 위해서, 전력계통(2) 측의 정전 여부를 감지하는 수단도 갖출 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스타트 시스템(100)은 비상발전기(10)에 연계되게 설치 운용되며, 엔진(11)의 RPM(revolutions per minute)을 조절하여 발전기(12) 출력 전압의 주파수를 조절하는 주파수 조정장치(110)와, 발전기(12) 여자전류를 조절하여 발전기(12) 출력 전압을 조절하는 전압 조정장치(120)와, 비상발전기(10)를 유도전동기(1)에 연결하여 비상발전기(10)로 유도전동기(1)를 가동할 시에 소프트 스타트 기능을 수행하도록 주파수 조정장치(110) 및 전압 조정장치(120)를 제어하는 기동 컨트롤러(130)를 구비한다.
상기 주파수 조정장치(110)는 엔진(11)의 마그네틱 픽업 센서(11b)를 통해 엔진(11) RPM를 산정하는 RPM 계산기(111), 산정한 엔진(11) RPM과 기동 컨트롤러(130)에서 전달하는 지령 RPM(
Figure pat00001
) 사이의 차이인 RPM 에러값을 얻는 비교기(112), RPM 에러값을 비례 적분하여 전자식 가버너(11a)의 제어값을 얻는 PI 컨트롤러(113), 및 제어값을 증폭하여 전자식 가버너(11a)에 입력함으로써 전자식 가버너(11a)를 제어값에 따라 동작하게 하는 증폭기(114)를 포함한다.
이와 같이 구성되는 상기 주파수 조정장치(110)는 엔진(11) RPM이 지령 RPM(
Figure pat00002
)을 추종하도록 제어하여, 발전기(12)에서 출력하여 유도전동기(1)에 인가하는 전압의 주파수를 조절한다. 즉, 종래 비상발전기에서는 정격 주파수의 전압을 출력할 수 있는 RPM reference 값을 추종하게 제어하였으나, 본 발명에서는 그 RPM reference 값을 기동 컨트롤러(130)에서 전달하는 지령 RPM(
Figure pat00003
)으로 가변하여, 출력 전압의 주파수를 조절할 수 있게 한다.
상기 전압 조정장치(120)는 발전기(12) 출력 전압, 즉 유도전동기(1)에 인가하는 전압을 발전기(12)의 출력단(12b)을 통해 검출하여 기동 컨트롤러(130)에서 전달하는 지령 전압(
Figure pat00004
)과의 차이인 전압 에러값을 얻는 비교기(121), 전압 에러값을 비례 적분하여 여자기(12a)의 여자전류 제어값을 얻는 PI 컨트롤러(122) 및 제어값을 증폭하여 여자기(12a) 여자전류를 제어하게 하는 증폭기(123)를 포함한다. 물론, 상기 비교기(121)에 입력하는 인가 전압은 교류 파형의 인가 전압에서 얻는 실효 전압으로 한다.
이와 같이 구성되는 상기 전압 조정기(120)는 발전기(12)의 출력 전압이 지령 전압(
Figure pat00005
)을 추종하도록 제어하여, 유도전동기(1)에 인가되는 전압을 조절한다. 즉, 종래 비상발전기에서는 정격 전압을 전압 reference 값으로 추종하도록 제어하게 하였으나, 본 발명에서는 그 전압 reference 값을 후술하는 가변 지령 전압(
Figure pat00006
)으로 조절할 수 있게 한다.
상기 기동 컨트롤러(130)는 유도전동기(1)를 기동할 시에 상기 주파수 조정장치(110) 및 전압 조정장치(120)를 제어하여서, 유도전동기(1)에 인가하는 전압 V에 대해서 주파수 f 대비 인가 전압 V의 비율이 기설정 비율을 유지하게 하며, 이를 위해서 V/f 제어부(133)를 구비한다. 이와 같이
Figure pat00007
제어 방식을 채택함으로써, 기동하는 동안 유도전동기(1)에서 발생하는 토크를 일정하게 유지한다.
여기서,
Figure pat00008
의 기설정 비율은 유도전동기(1)의 정격 전압
Figure pat00009
및 정격 주파수
Figure pat00010
의 비율에 따라
Figure pat00011
으로 설정하여 둠으로써, 하기에서 설명하는 바와 같이 주파수가 결정되면 기설정 비율
Figure pat00012
에 따라 산정한
Figure pat00013
을 지령 값으로 하여 상기 전압 조정장치(120)에 전달함으로써, 정격 운전할 시의 토크를 기동하는 동안에 발생시키며 인가 전압 및 주파주를 점차 증가시켜 정격 주파수 및 정격 전압에 도달하게 한다.
아울러, 상기 기동 컨트롤러(130)에서 점차 증가시키는 주파수 f는 기동에 따라 점차 증가하는 유도전동기(1)의 회전속도에 연계하여, 최대 토크를 발생시킬 수 있는 슬립(slip)
Figure pat00014
을 갖게 하는 주파수로 한다. 즉, 토크는 기동하는 동안 점차 증가시키는 인가 전압 V 및 주파수 f의 영향을 받지만, 최대 토크를 발생시키는 주파수의 산정하여, 산정한 주파수의 전압을 인가하도록 엔진(11) RPM을 제어하므로, 기동 시간을 단축할 수도 있다.
이를 위해서 유도전동기(1)의 속도를 RPM의 값으로 추정할 전동기 RPM 추정부(131)와 추정한 유도전동기(1) RPM에 대응되는 엔진(11) RPM
Figure pat00015
을 최대 토크의 충족 조건 하에 선정하여 엔진(11)을 제어하는 주파수 제어부(132)를 구비한다.
한편, 유도전동기(1)의 기동 초기에도 토크를 발생시켜야 하므로 기동 초기의 인가 전압 및 주파수를 미리 설정하여 두어서, 설정한 값부터 점차 증가시킨다.
상기 전동기 RPM 추정부(131), 주파부 제어부(132) 및 V/f 제어부(133)에 의한 소프트 스타트 기능을 상세하게 설명하기에 앞서서 그 이론적 기반을 도 2 및 도 3을 참조하며 살펴본다.
도 2는 유도전동기(1)의 등가회로이다.
도 3은 유도전동기(1)의 슬립(slip)에 따른 벡터도이다.
유도전동기(1)는 도 2에 도시한 바와 같이 고정자 권선(1차 권선)의 저항
Figure pat00016
및 누설 리액턴스
Figure pat00017
와, 고정자 권선의 여자 리액턴스
Figure pat00018
와, 회전자 권선(2차 권선)의 저항
Figure pat00019
및 리액턴스
Figure pat00020
와, 슬립(slip) s로 등가회로를 작성할 수 있다. 물론, 히스테리시스 손실, 와류손 등을 표시하기 위한 저항을 여자 리액턴스
Figure pat00021
에 병렬 연결한 등가회로를 작성할 수도 있으나, 상대적으로 매우 작은 값이므로 생략하였다.
여기서, 회전자 권선(2차 권선)의 저항
Figure pat00022
및 리액턴스
Figure pat00023
은 고정자 및 회전자의 권선계수, 권수 및 상수를 적용하여 고정자 권선(1차 권선) 측으로 환산한 회전자 권선(2차 권선) 측의 임피던스이다.
슬립 s는 고정자에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 회전자계의 회전속도(동기속도)
Figure pat00024
와, 회전자의 회전속도
Figure pat00025
사이의 차이를 아래의 수학식 1로 표시한 것이다.
Figure pat00026
일반적으로, 회전자계 회전속도(동기속도)
Figure pat00027
와 회전자 회전속도
Figure pat00028
는 1분간 회전수로 하는 RPM(revolutions per minute) 단위를 사용한다.
그리고, 도 2에 도시한 등가회로에 따라 아래의 수학식 2로 표현하는 입력 임피던스(또는 유도전동기 등가 임피던스)를 얻을 수 있다.
Figure pat00029
수학식 2는 전압 강하가 적어 큰 영향을 주지 않는 고정자 권선(1차 권선)의 저항
Figure pat00030
및 누설 리액턴스
Figure pat00031
를 무시하여 근사식으로 표현할 수 있음을 보여준다. 또는 고정자 권선(1차 권선)의 저항
Figure pat00032
및 누설 리액턴스
Figure pat00033
를 회전자 측 임피던스
Figure pat00034
및
Figure pat00035
에 더한 근사식으로 표현할 수도 있다. 이하의 설명에서도 근사식으로 표현한다. 근사식에 따르면, 인가 전압
Figure pat00036
과 유기기전력
Figure pat00037
을 동일시한다.
따라서, 인가 전압
Figure pat00038
에 따른 전류
Figure pat00039
는 여자 임피던스
Figure pat00040
에 흐르는 여자전류
Figure pat00041
와, 회전자 측 임피던스
Figure pat00042
및
Figure pat00043
에 의한 부하전류
Figure pat00044
의 합성 전류로 하고, 상기 수학식 2의 입력 임피던스를 적용하여 아래의 수학식 3으로 표현할 수 있다.
Figure pat00045
여기서,
Figure pat00046
은 인가 전압
Figure pat00047
과 전류
Figure pat00048
사이의 위상차가 되고,
Figure pat00049
는 역률이 된다.
한편, 상기 도 2의 등가회로에서 부하전류
Figure pat00050
는 슬립 s의 영향을 받으므로, 간략화한 식에 따라 도 3에 예시한 벡터도를 얻을 수 있다.
원선도(circle diagram)라고도 하는 도 3의 벡터도를 참조하면, 부하전류
Figure pat00051
가 슬립 s의 변동에 따라 가변하므로, 인가 전압
Figure pat00052
에 의해 흐르는 전류
Figure pat00053
은 슬립 s에 따라 가변하는
Figure pat00054
으로 표현되고, 결국, 위상차
Figure pat00055
도 슬립 s의 변동에 따라 가변한다. 특히, 도 3의 벡터도는 슬립 s=1가 되는 기동 초기에 기동 전류가 매우 크고, 무효전력 Q도 매우 커서 역률도 나빠지게 됨을 보여준다.
또한, 도 3의 벡터도는 유효전력이 최대가 되어 최대 토크를 발생시키는 슬립
Figure pat00056
이 존재함을 보여준다.
유도전동기(1)의 토크 T는 잘 알려진 바와 같이 아래의 수학식 4로 표현할 수 있으므로,
Figure pat00057
를 풀어서 최대 토크를 발생시키는 슬립
Figure pat00058
를 아래의 수학식 5로 얻을 수 있다.
Figure pat00059
Figure pat00060
여기서,
Figure pat00061
는 인가 전압의 주파수에 따른 각속도이다.
상기 수학식 5를 살펴보면, 최대 토크를 발생시키는 슬립
Figure pat00062
는 고정자 측으로 환산한 회전자 측 임피던스
Figure pat00063
및
Figure pat00064
의 비율로 근사화할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 유도전동기(1)의 특성을 참조하며 본 발명을 설명한다.
본 발명에 따르면, 상기 전동기 RPM 추정부(131)는 상기 수학식 2 및 수학식 3에서 사용한 인가 전압
Figure pat00065
과 전류
Figure pat00066
사이의 위상차
Figure pat00067
, 또는 역률
Figure pat00068
을 이용하여 유도전동기(1) RPM n을 추정한다.
이를 위한 구체적인 실시 예에 따르면, 발전기(12) 출력단(12b)을 통해 검출하는 인가 전압 및 전류를 이용하는 센서리스 방식으로 유도전동기(1) RPM을 추정한다.
종래의 유도전동기 기동장치에서는 유도전동기의 속도를 추정하여 속도에 따라 기동 제어하는 데, 이를 위해서 유도전동기 속도를 예를 들어 엔코더 등을 이용하여 직접 측정하지 아니하고, 인가 전압 및 전류를 이용하는 센서리스 방식을 사용하기도 한다.
이러한 센서리스 방식의 이론적 근거는 수학식 2 및 수학식 3에서 입력 임피던스 또는 전류를 위상차
Figure pat00069
로 표현할 수 있는 점과, 도 3에서 보여준 바와 같이 유도전동기(1)의 속도에 관련된 슬립 s에 따라 위상차
Figure pat00070
가 달라지는 점과, 인가 전압 및 전류에 추정되는 자속과 연관된다는 점이다. 센서리스 방식으로 유도전동기 RPM을 추정하는 기술은 예를 들어 등록특허 제10-0637383호, 등록특허 제10-0766665호 등에 기술되어 있으므로, 상세 설명은 생략한다.
상기 주파수 제어부(132)는 추정한 전동기 RPM n과 최대 토크를 발생시킬 수 있는 슬립
Figure pat00071
에 따라 유도전동기(1)의 회전자속 회전속도
Figure pat00072
를 산정하여, 산정하여 얻는 유도전동기(1)의 회전자속 회전속도
Figure pat00073
를 발생시킬 수 있도록 상기 주파수 조정장치(110)를 제어한다. 도면을 참조하면, 회전자속 회전속도
Figure pat00074
를 엔진(11) RPM 제어값으로 도시하여서, 엔진(11) 회전속도와 발전기(12) 회전속도가 동일하고, 인가 전압에 의한 회전자속 회전속도가 발전기(12) 회전속도로 되는 것으로 이해되지만, 엔진(11) 회전속도와 발전기(12) 회전속도가 차이 나는 경우에는 차이 나는 속도에 따라 수정 적용하여야 하고, 또한, 발전기(12)의 상수 또는 극수에 따라 수정 적용하여야 함은 본 발명이 속한 기술분야에서 당연하므로, 산정한 유도전동기(1)의 회전자속 회전속도
Figure pat00075
를 얻기 위한 엔진(11) RPM의 산정식에 대한 상세 설명은 생략한다.
여기서, 최대토크를 발생시키는 슬립
Figure pat00076
은 상기 수학식 5에 따라
Figure pat00077
으로 얻을 수 있다. 물론, 유도전동기(1) 회전자의 임피던스를 고정자 측으로 환산하여 얻는 저항 성분
Figure pat00078
및 리액턴스 성분
Figure pat00079
는 미리 설정하여 두어 적용할 수 있게 하여야 한다. 물론, 상기 수학식 5에서 고정자 저항
Figure pat00080
및 누설 리액턴스
Figure pat00081
을 포함한 근사화 이전 식을 적용할 수도 있다.
그리고, 유도전동기(1)의 회전자계 회전속도
Figure pat00082
는 산정한 슬립
Figure pat00083
을 상기 수학식 1에 대입하여 아래의 수학식 5의 값으로 얻는다.
Figure pat00084
그런데, 유도전동기(1) 회전자의 리액턴스
Figure pat00085
은 유도전동기(1)의 회전자를 정지시킨 상태에서 정격 주파수
Figure pat00086
의 전압을 인가하여 측정한 값으로서, 인가 전압의 주파수 f에 따라 변동한다. 이에 따라, 수학식 6에서
Figure pat00087
는 출력단(12b)을 통해 검출한 인가 전압에서 얻는 주파수 f를 반영한
Figure pat00088
으로 대체할 수도 있다. 보다 정확한 값을 얻기 위해서, 유도전동기(1)의 회전자계 회전속도
Figure pat00089
를 동기전동기(1)의 극수 P를 반영한
Figure pat00090
으로 대체한 후 f에 대한 이차함수를 풀고, 이때 얻는 주파수 f에 따라 회전자계 회전속도
Figure pat00091
를 얻을 수도 있다.
유도전동기(1)의 회전자계 회전속도
Figure pat00092
는 발전기(12)에 의한 전압의 주파수로 환산한 후 다시 엔진(11)의 RPM으로 환산하여 상기 주파수 조정장치(110)를 전달한다. 이에, 최대 토크를 발생시키는 주파수의 전압을 발생시켜 유도전동기(1)에 인가되게 한다.
상기 V/f 제어부(133)는 상기 주파수 제어부(132)에서 얻는 회전자계 회전속도
Figure pat00093
에 대응되는 주파수에 비례하는 전압
Figure pat00094
을 산정하여, 상기 전압 조정장치(120)에 전달할 지령 전압으로 함으로써, 발전기(11)의 출력 전압, 즉, 유도 전동기(1)에 인가하는 전압이 산정한 전압
Figure pat00095
를 추종하게 한다. 즉, V/f 제어 기술에 따르면, V/f 비율을 일정하게 유지하여 기동 중 토크를 일정하게 유지할 수 있으므로, 주파수 f에 비례하는 전압 V을 인가하여, 유도전동기(1)의 기동 시간 동안 토크를 일정하게 한다.
여기서, V/f의 비율은 유도전동기(1)의 정격 전압
Figure pat00096
및 정격 주파수
Figure pat00097
를 적용한 아래의 수학식 7로 얻는다.
Figure pat00098
한편, 유도전동기(1)를 초기 기동시킬 시에 소정의 전압 및 주파수를 갖게 하여야 하므로, 이러한 소정의 전압 및 주파수를 상기 수학식 7의 비율에 따라 미리 설정하여 두어, 초기 기동시의 값으로 사용하게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 주파수 조정장치(110), 전압 조정장치(120) 및 기동 컨트롤러(130)로 구성되는 소프트 스타트 시스템(100)을 수도사업장의 취수 펌프를 위한 비상발전기에 적용하여서, 도 4 및 도 5의 결과를 얻었다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 소프트 스타트 시스템(100)에 의한 전압/주파수 가변 기동 방식을 직입 기동 방식과 비교한 결과를 보여준다.
본 발명에 따른 소프트 스타트 시스템(100)에 의한 전압/주파수 가변 기동 방식은 도 4a 및 도 4c에서 보여준 바와 같이 회전속도 및 토크의 증가 속도가 직입 기동 방식에 비해 늦다. 이는 도 4b에서 보여준 바와 같이 가버너 출력을 점진적으로 증가시키기 때문이다.
즉, 가버너 출력은 도 4b에서 보여준 바와 같이 펌프를 가동시키는 유도전동기의 속도에 연계하여 수학식 6으로 산정한 RPM에 따라 점진적으로 증가시키고, 발전기에 의해 인가하는 전압도 도 5a와 도 5로 비교한 바와 같이 수학식 7로 산정한 전압에 따라 점진적으로 증가시킨다.
이에, 펌프의 유도전동기에 유입되는 전류는 도 4d에 도시한 바와 같이 직입 기동에 비해 크게 낮출 수 있고, 기동 시간 동안 피상전력 VA가 도 5c에 도시한 바와 같이 직입 기동에 비해 매우 낮게 되고, 펌프의 유도전동기에 의해 소비되는 전력도 도 5d에 도시한 바와 같이 직입 기동에 비해 상대적으로 낮게 된다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 전압/주파수 가변 기동 방식은 유입 전류, 피상전력 및 소비 전력을 직입 기동 방식에 비해 크게 낮출 수 있어서, 펌프 용량에 준하는 용량의 비상발전기로 펌프를 가동할 수 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 소프트 스타트 시스템(100)은 비상발전기(10)와 연계되게 설치하여 유도전동기(1)의 소프트 스타트를 위해 비상발전기(10)를 제어한다. 따라서, 본 발명에 따르면 상기한 소프트 스타트 시스템(100)을 구비한 비상발전기로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비상발전기는 무정전절체스위치(CTTS : Closed Transition Transfer Switch, 20)도 구비하게 구성할 수 있다.
이와 같이 구성되는 비상발전기는 전력계통(2) 및 유도전동기(1)를 무정전절체스위치(20)에 연결하고, 전력계통(2) 측의 전압 및 주파수를 검출하게 하여, 전력계통(2) 측에서 정전 사고가 발생함에 따라 무정전절체스위치(20)가 절체 스위칭 동작할 시에, 유도전동기(1)에 전력 공급하여 재기동시킨다. 재기동할 시에는 소프트 스타트 시스템(100)에 의해서 돌입전류를 제한한다.
이와 같이 구성되는 비상발전기는 유도전동기(1)의 소프트 스타트를 위한 강압 변압기, 인버터, 고조파 필터 및 승압 변압기를 필요하지 아니하고, 엔진(11) 및 발전기(12)를 제어하여 소프트 스타트 기능을 구현하므로, 비상발전이 필요한 현장에 즉시 투입하여 운용할 수 있도록 구성을 간소화할 수 있고, 운용 및 관리하기에도 유리하다.
1 : 유도전동기 2 : 전력계통
10 : 비상발전기
11 : 엔진
11a : 전자식 가버너(Digital Governor)
11b : 마그네틱 픽업 센서(MPU : Magnetic Pickup Sensor)
12 : 발전기
12a : 여자기(Exitor) 12b : 출력단(Terminal)
20 : 무정전절체스위치(CTTS : Closed Transition Transfer Switch)
100 : 소프트 스타트 시스템
110 : 주파수 조정장치
111 : RPM 계산기 112 : 비교기
113 : PI 컨트롤러 114 : 증폭기
120 : 전압 조정장치
121 : 비교기 122 : PI 컨트롤러
123 : 증폭기
130 : 기동 컨트롤러
131 : 전동기 RPM 추정부 132 : 주파수 제어부
133 : V/f 제어부

Claims (7)

  1. 엔진(11)으로 발전기(12)를 작동시키게 구성된 비상발전기(10)로 유도전동기(1)에 전압 인가하여 유도전동기(1)를 기동시키는 비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템에 있어서,
    엔진(11) RPM을 조절하여 인가 전압의 주파주를 조절하는 주파수 조정장치(110);
    발전기(12) 여자전류를 조절하여 인가 전압을 조절하는 전압 조정장치(120); 및
    주파수 대비 인가 전압의 비율 V/f을 기설정 비율로 유지하며 인가 전압 및 주파주를 점차 증가시키도록 상기 주파수 조정장치(110) 및 전압 조정장치(120)를 제어하되, 주파수 조절을 위한 엔진(11) RPM은 최대 토크를 발생시킬 수 있는 슬립과, 유도전동기(1) RPM에 따라 산정한 회전자속 회전속도를 얻을 수 있는 값으로 조절하게 하는 기동 컨트롤러(130);
    를 포함하는
    비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기동 컨트롤러(130)는
    상기 기설정 비율을 정격 주파수 대비 정격 전압의 비율로 하고, 인가 전압 및 주파주를 점차 증가시켜 정격 주파수 및 정격 전압에 도달하게 하는
    비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기동 컨트롤러(130)는
    인가 전압과 인가 전압에 의해 흐르는 전류 사이의 위상차를 이용하는 센서리스 방식으로 유도전동기(1) RPM을 추정하여 회전자속 회전속도를 산정하는 데 적용하는
    비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기동 컨트롤러(130)는
    최대 토크를 발생시키는 슬립
    Figure pat00099
    를
    Figure pat00100
    으로 하고, 추정한 유도전동기 RPM
    Figure pat00101
    을 적용하여 얻는 유도전동기(1)의 회전자계 회전속도
    Figure pat00102
    에 따라 엔진(11) RPM을 얻으며, 여기서,
    Figure pat00103
    및
    Figure pat00104
    는 유도전동기(1)의 회전자의 저항 및 리액턴스를 고정자 측으로 환산한 값으로 하는
    비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    유도전동기(1)의 회전자계 회전속도
    Figure pat00105
    는 유도전동기(1) 회전자의 리액턴스
    Figure pat00106
    에 인가 전압의 주파수를 반영하여 얻는
    비상발전기를 이용한 유도전동기의 소프트 스타트 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중에 어느 하나의 항에 기재된 소프트 스타트 시스템을 구비한 비상발전기.
  7. 제 6항에 있어서,
    무정전절체스위치(CTTS : Closed Transition Transfer Switch, 20)을 구비하고, 전력계통 측의 정전 사고 시에 무정전절체스위치(20)으로 자동 절체한 후 소프트 스타트 시스템을 가동시켜 유도전동기를 기동시키게 한
    비상발전기.
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