고압 소프트 스타터 이해 (Medium voltage Soft Starter)

석유화학 플랜트에는 다양한 고압 대용량 전동기를 많이 사용합니다. 이러한 대형 전동기는 기동 전류로 인해서 전기 용량에 부담이 많이 되기 때문에 기동전류를 낮추기 위한 노력을 많이 기울이게 됩니다. 그래서 소프트 스타터를 선택하게 되는 경우가 많지만 유효한 효과를 만들기가 쉽지 않습니다. 이번 포스팅에서는 소프트 스타터의 종류를 살펴보고 적절한 적용을 고민해 보면 좋겠습니다. 

소프트 스타터는 3상 고압 농형 유도 전동기에 사용되는 전자식 전동기 제어기로, 전동기 시동 시, 소프트 스타터는 전동기에 공급되는 전압 또는 전류를 제어하며, 전동기에서 발생하는 토크를 최적화하면서 총 시동전류를 감소시켜 전동기 시동 성능을 최적화합니다.

 

이 포스팅은 고압 분야의 전기 엔지니어가 스타터가 어떻게 작동하는지, 모터 제어에 어떤 이점을 제공하는지, 마지막으로 스타터가 사용되는 주요 용도를 이해하는 데 도움을 주고자 합니다.

고압 소프트 스타터 외형도

 

 

목 차

1. 소프트 스타터 기술

1.1 개방 루프 소프트 스타터 제어

1.2 폐루프 소프트 스타터 제어

 

2. 소프트 스타터의 이점

 

3. 특수 소프트 스타터의 적용 (본 포스팅에서는 삭제함 - 실제 적용을 잘 하지 않음)

3.1 정역 전동기 기동

3.2 복수의 전동기 기동

3.3 슬립 링 전동기 제어

 

1. 소프트 스타터 기술

 

상술한 바와 같이, 모터 시동의 성능은 총 시동 전류를 감소시킴으로써 최적화됩니다. 모터 정지는 또한 미리 정해진 시간 동안 출력 전압을 다운시킴으로써 제어될 수 있습니다. 이는 펌핑 애플리케이션에서 워터 해머를 제거하는데 특히 유용합니다.

 

소프트 스타터는 SCR을 사용하는데 이는 소프트 스타터의 각 제어된 위상별로 백투백으로 배치되어 있습니다. 이것은 양방향에서 전압 파형의 위상 제어를 제공합니다.

전동기의 전압을 제어하는 소프트 스타터 기술이 개방 루프 제어이고 전동기의 전류를 제어하는 소프트 스타터 기술이 폐루프 제어 기술입니다.

 

1.1 개방 루프 소프트 스타터 제어

개방 루프 소프트 스타트 컨트롤러는 기동 현상을 컨트롤러에 피드백하지 않고 타이머에 의해 제어되는 미리 설정된 전압 천이를 따릅니다. 개방 루프 소프트 스타트 컨트롤러는 단계별 전압 (Voltage Step)이나 시한 전압 상승 추이(timed voltage ramp approach)를 사용할 수 있습니다.

전압 계단 소프트 스타터 제어 (Voltage Step Soft Starter Control)

전압 계단 컨트롤러(Pedestal controller라고도 함)는 시작할 때 미리 설정된 레벨의 전압을 인가한 다음 사용자 정의 기간 후에 최대 전압으로 스텝핑합니다. 단계별 전압 시동기는 무정전 절체 전기 기계식 시동기에 비해 장점이 거의 없으며 거의 사용되지 않습니다.

시한 전압 상승 제어 (Timed voltage ramp control)

시한 전압 상승 컨트롤러는 제어된 속도로 사용자 정의 시작 전압에서 최대 전압으로 전압을 상승시킵니다. 저가형 소프트 스타터에서 시한 전압 상승 제어가 광범위하게 사용됩니다.

시작 전압과 상승 기울기 비율은 종종 토크와 가속도 조정으로 알려져 있습니다. 그러나 소프트 스타터는 단지 토크와 가속도에 영향을 주지만 세밀한 제어를 제공하는 것은 아닙니다. 이 가속 비율은 전동기와 기계의 관성에 의해 결정됩니다.

 

높은 관성 부하는 전류를 최소화하려면 느린 램프 시간이 필요합니다. 시작 전압이 빠르게 상승하면 전류가 직입 기동 전류(Locked rotor current)에 접근할 수 있습니다. 낮은 관성 부하는 짧은 램프 시간이 필요합니다. 시동 시간이 지나치게 길면 모터가 최대 속도에 도달한 후 안정적으로 작동하기 위한 전압이 부족할 수 있습니다.

 

1.2 폐루프 소프트 스타터 제어 (Closed loop soft starter control)

폐루프 소프트 스타터 제어는 전동기의 특성을 감시하는 하나 혹은 몇 가지 피드백을 받게 됩니다. 소프트 스타터는 모터의 특성을 제어하기 위해서 전압을 조정합니다.

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1.2.1 정전류 소프트 스타터 (Constant current soft starter)

정전류 소프트 스타터는 기동 전류를 감시합니다. 출력 전압을 높이거나 낮추면 모터에 공급되는 전류가 증가하거나 감소합니다. 모터가 가속하면 고정자 임피던스가 증가하고 일정한 전류를 유지하기 위해 전압도 증가합니다. 전압과 속도의 정확한 관계는 모터 설계에 따라 달라집니다.

 

정전류 스타터의 경우 모터가 최대 속도에 도달하면 최대 토크를 사용할 수 있습니다.

기동전류가 모든 조건하에서 전동기를 정격 속도로 가속하는데 충분하게 높아야 하는 것은 중요한 부분입니다. 만약 토크가 기동 시간 동안 한순간이라도 가속을 시키는데 불충분하면 전동기는 감소된 속도에서 계속 돌게 될 것입니다. 이것은 기동시간 초과 보호 기능이 없으면 전동기를 과열 시키게 됩니다.

 

1.2.2 시한 전류 상승 소프트 스타터 (Timed voltage ramp soft starter)

시한 전류 상승 소프트 스타터는 선택된 시동 레벨에서 최대 시동 전류까지 전류를 제어된 속도로 증가시킵니다. 이는 시동 토크 요구량의 변화를 충족시키거나, 최대 시동 토크를 제한하지 않으면서 감소된 시동 토크를 제공할 수 있습니다.

 

대표적인 응용 분야는 부하가 변하는 중에 기동을 하는 컨베이어와 저속에서 매우 낮은 토크를 필요로 하는 펌프입니다.

 

또한 이 방법은 시동 부하가 발전기 세트에 점진적으로 가해지기 때문에 발전기 전원 장치에서 구동되는 모터에도 적합합니다. 이는 모터 시동 시 발전기 세트의 안정적인 전압 및 주파수 제어를 제공합니다.

 

1.2.3 정가속 소프트 스타터 (Constant acceleration soft starter)

정가속 또는 선형 가속 스타터는 모터 축에 설치된 타코 제너레이터를 이용해서 모터 속도를 모니터링합니다. 모터에 인가되는 전압은 선택된 가속 시간 동안 일정한 가속 속도를 제공하도록 제어됩니다.

 

전류 제한 회로는 특히 구속 부하가 발생할 가능성이 있는 사용처에서 최대 기동 전류를 제한하는 데 사용될 수도 있습니다.

 

2. 소프트 스타터의 장점 (Benefits of using Soft Starter)

전기적 이점

1. 사용처에 맞춰 기동 전류를 최소화합니다. 이는 전체적인 전기 수요를 줄여줍니다.
2. 전동기의 기동과 정지 시 과도 전류를 제한합니다. 다른 기기의 성능이나 위험한 상황에 영향을 주거나 장비의 고장을 유발할 수 있는 전압 강하를 피할 수 있게 합니다.
3. 변압기, 배전반 그리고 케이블의 크기를 줄여줍니다.
4. 최대 수요 요금을 줄여줍니다.

 

기계적 이점

1. 사용처에 맞춰 기동 토크 수준을 최소화합니다. 이것은 전기기계적 기동 방법과 연관된 기계적 손상을 일으키는 과도 토크를 없애줍니다.
2. 부드럽고 계단 상승이 없는 토크는 모터 축으로부터 기계에 적용됩니다. 그래서 펌프에 적용 시 워터 충격과 배관의 압력 서지를 줄여줍니다. 또한 벨트 구동 부하에서는 벨트가 벗겨지는 것을 방지하고 대형 컨베이어 용도에서는 벨트 슬랩을 제거합니다.
3. 보수 기간과 생산 정지 기간을 줄여줍니다.

적용 이점

1. 어떤 모터나 부하 조합에서도 성능을 최적화 시킵니다.
2. 소프트 정지는 펌프 적용 시 워터 해머링을 줄이거나 없애줍니다.
3. 단순성. 소프트 스타터는 하나의 묶음으로 완벽한 전동기 제어 해법을 제공합니다. 이것은 진보된 전동기 보호와 원격 제어와 감시를 위한 입출력 신호들 그리고 넓은 범위의 통신 옵션들을 제공합니다.

 

 

참고 자료: https://electrical-engineering-portal.com/medium-voltage-soft-starter-motor-control

 

소프트 스타터는 실제로 적용을 해보면 상당히 애매한 경우가 많습니다. 기동 전류를 감소하려는 목적에서는 요즘 전동기 업체에서 고압 전동기의 경우 특별한 주문을 통해서 3.5배까지 기동전류를 낮추는 것이 가능합니다. 그러면 소프트 스타터를 쓰는 경우와 같은 수준이 됩니다. 더 낮추려면 소프트 스타터가 아닌 인버터를 사용해서 기동을 해야 합니다.

 

다만 소프트 스타터를 전기적인 이유가 아닌 기계적인 이유로 사용하는 것은 충분히 검토할 수 있습니다. 높은 기동전류와 과도 토크로 인해서 기계적 손상이 우려되는 경우에는 연속적으로 전류를 증가시켜 부드럽게 기동하는 것이 필요한 기계에서는 적극적으로 적용을 고려할 수 있습니다. 다만 이 부분은 전기적으로 판단하기 어렵기 때문에 기계팀과 기계 제작 업체에서 요청하는 경우 검토할 수 있습니다.

 

실제의 프로젝트에서 대형 전동기를 소프트 스타터를 적용해서 설계를 하고 현장에 설치했었는데 기동에 실패했던 일이 회사에서 발생한 적이 있었습니다. 상당히 어렵고 곤란한 상황이 발생했었습니다. 실제 설계 시에는 정확한 전동기의 사양을 소프트 스타터 업체에 전달하여 시뮬레이션을 해보는 것이 매우 중요합니다. 전류를 줄이면 기동 토크도 줄기 때문에 기동 토크가 기계의 필요 토크보다 높은지 반드시 확인해야 합니다.