발전 설비에서의 에너지 절약과 AC 드라이브 적용

㈜ABB코리아(www.abb.co.kr)
드라이브 & 모터 사업부_민병규 부장, 조신현 부장
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AC 드라이브 적용 이점

1. 기동 토크, 전류
기동 토크는 크고, 입력전류는 0~100%로 소프트하다.
⑴ 직입 기동
농형전동기를 전전압 방법으로 직입 기동할 경우, 직입기동 시 기동전류는 400~500% 이상으로 매우 크지만 기동 토크는 고작 40~60%에 지나지 않는다. 따라서 직입 기동 시에는 전동기의 발생 토크가 약해 기동 시간이 길어진다.
⑵ AC 드라이브 기동
AC 드라이브는 모터의 속도를 조절하기 위해서 주파수를 가변하게 되는데, 이때 전압을 같이 가변하게 된다. 이것은 AC 드라이브를 V.V.V.F(가변전압 가변주파수 장치)라고 부르는 이유이기도 하다. 모터가 100% 부하가 걸린 상태라도 모터 속도에 따라 AC 드라이브로 입력되는 전류는 0~100%가 된다. 만일 10% 속도에서 150% 토크(즉, 모터 전류가 150%)로 기동 중이라면 이때의 AC 드라이브 입력전류는 고작 전동기 정격전류의 15%(=0.1×1.5) 전류밖에 흐르지 않는다.
⑶ 요약
AC 드라이브 사용 시 토크는 150%(직입 기동 시에는 60%) 이상, 기동전류는 불과 15%(직입 기동 시에는 500%)이면서 직입 기동에 비해 기동 토크가 2.5배 이상 크다는 것을 알 수 있으며 AC 드라이브를 적용하면 더 큰 토크를 얻을 수 있다.

2. AC 드라이브로 기동 시 가 · 감속 시간
가 · 감속 시간은 직입 기동에 비해 AC 드라이브로 구동 시 발생되는 토크가 크기 때문에 AC 드라이브로 구동 시 가 · 감속 시간이 훨씬 짧아지고 가 · 감속 시간을 조절할 수 있는 이점이 있다. 특히 감속 시간은 직입 기동 시에는 관성으로 정지하는 반면, AC 드라이브로 구동 시에는 전기적인 방법으로 제동력을 얻을 수 있기 때문에 감속 시간을 자유자재로 조절할 수 있다. 일반적으로 AC 드라이브 자체 제동력은 약 10%이며 이 이상이 요구될 때에는 별도의 제동장치(저항+Chopper)를 설치한다.

3. 빠른 토크 응답성과 속도 제어
팬, 펌프를 구동하는 AC 드라이브는 속도를 제어해야 하기 때문에 토크 응답성이 매우 빨라야 하며 발생된 속도 오차를 신속히 보상해야만 우수한 제어 특성을 발휘할 수 있다. ABB AC 드라이브는 토크를 직접 제어(DTC(Direct Torque Control) 방식)하는 신기술을 개발, 제품에 적용해 일반 전동기로도 DC 드라이브를 능가하는 토크 응답성을 발휘한다(<표> 참조).

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4. 배관 및 기계 계통의 충격 완화
AC 드라이브로 운전하는 경우 Soft Start/Stop이 가능하므로 기존 방식(직입 기동)보다 배관을 포함한 기계계의 충격을 줄임으로써 수명이 오래가고 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.

5. 전원 충격의 저하
기존 방식은 직입 기동 시 약 500%에 달하는 기동전류로 인해 기동전류에 의한 전원 설비 용량이 커질 뿐만 아니라 동일 전원 라인에 접속된 장치들에 악영향을 초래한다. 그러나 AC 드라이브를 사용하는 경우 AC 드라이브 입력 전력이 전동기 회전속도에 비례해 가변되므로 전원에 전혀 영향을 끼치지 않는다.

6. 가변속으로 온도/유량/압력 제어
기존 방식은 팸, 펌프를 일정 속도로 돌린 다음 일정하게 토출되는 유량과 압력을 밸브류, 댐퍼류 등을 사용해 유량/압력/온도를 조정하는 비효율적인 운전을 했으나, AC 드라이브를 사용하는 경우 회전속도에 따라 유량/압력/온도를 조정하기 때문에 필요한 경우 이러한 밸브류, 댐퍼류 등을 없앨 수 있고 제어가 단순해진다.

7. 전체 시스템의 효율 개선
밸브류, 댐퍼류 등에 의해 조정되는 방식은 비효율적으로 동력이 소모되는 반면, AC 드라이브에 의한 회전 조절 방식은 운전 조건, 즉 부하 상태와 생산량에 비례해 동력이 소모되므로 전 시스템의 효율이 크게 개선된다.

8. 에너지 절감 효과
AC 드라이브를 사용해 운전하는 경우, 회전수를 가변하여 유량/압력/온도를 조정하고 소요되는 동력은 속도의 3승에 비례하므로 에너지 절감 효과가 매우 크다.

기타, 팬, 펌프 운전에 요구되는 AC 드라이브의 주요 기능

일반적으로 드라이브가 갖추어야 할 기능 외에 팬 펌프 구동을 위해 다음과 같은 기능이 요구된다.

1. 자동 재기동 기능
순시 정전, 순간 과부하 등으로 인한 AC 드라이브 고장 발생 시 고장 원인을 자동으로 해제한 후 즉시 재기동해 설비 가동 시간을 극대화해야 한다. 일부 AC 드라이브의 경우 자동 재기동 기능은 있으나 정상 운전 복귀까지의 시간이 상당히 소요되니 주의할 필요가 있다.

2. 순간 정전 시 운전 계속
운전 중에 순간 정전이 되면 일반적으로 AC 드라이브는 트립(Trip)되어 정지한다. 순시 정전이 되더라도 트립 없이 설비의 가동을 극대화해야 하므로 순간 정전이 되더라도 운전을 계속할 수 있는 AC 드라이브를 채용해야 한다. ABB AC 드라이브는 유일하게 순간 정전 시 전동기의 관성에너지를 흡수하여 운전을 계속할 수 있는 기능이 내장되어 불필요한 트립을 방지할 수 있다.

3. 리액터 내장
전류 평활 작용에 의해 AC 드라이브 사용 시 발생되는 입력 고조파를 줄이고 AC 드라이브 수명을 연장시킨다. 또한 전원 용량을 최소화할 수 있으며 동일 라인에 연결된 다른 장치에 대한 영향을 최소화한다.

4. 회전 중 기동(동기 기동)
특히 팬의 경우 기동 전에 팬이 회전 중인 경우가 많은데, 이때 통상적인 AC 드라이브 기동을 할 경우 회전 중인 전동기에서 발생되는 역기전력 때문에 과전압, 과전류로 트립될 수 있다. 이를 방지하기 위해 회전 중 기동(동기 기동) 기능이 내장된 AC 드라이브를 채용해야 한다. 회전 중 기동 기능은 회전 중인 전동기의 회전 속도를 탐색하여 그 회전 속도와 동기를 시킨 다음 기동하는 방법으로, 탐색 시간이 짧은 AC 드라이브를 채용해야 면 절체 시간을 극소화 할 수 있다.

5. PI 컨트롤러 기능
PI 컨트롤러 기능을 내장한 AC 드라이브를 채용할 경우, 압력/유량/온도 검출 장치만 AC 드라이브에 연결하고 원하는 Set-Point를 AC 드라이브에 기준값으로 입력하면 자동으로 Set-Point 지령치로 유지되도록 AC 드라이브가 운전을 하기 때문에 별도의 공정 제어 장치의 추가 없이 쉽게 폐루프 제어시스템을 구성할 수 있다.

6. 공진주파수 운전 금지
전동기의 운전주파수와 기계측 배관계를 포함한 기계계의 고유 진동주파수가 일치하는 경우 공진현상이 발생되며 이로 인해 AC 드라이브가 트립될 수 있으므로 이 구간을 피해 운전할 수 있는 기능을 가져야 한다.

7. 복수대 팬/펌프 제어(PFC Macro)
복수대의 팬/펌프가 하나의 관로에 연결되어 (연동)운전을 해야 하는 경우 PFC Macro 기능이 매우 유용하다. 만일 4대의 팬/펌프가 있는 경우 이 중 1대를 AC 드라이브로 가변속 운전하고 나머지 3대는 AC 드라이브에서 운전 상황에 따라 직입 기동하는 명령을 AC 드라이브에서 판단하여 제어하는 원리이다. PFC Macro는 앞에서 설명한 PI 컨트롤러
기능과 직입 기동에 필요한 일부 시퀀스(Sequence)를 합쳐서 만든 ABB AC 드라이브에만 있는 아주 유용한 기능이다. ABB AC 드라이브의 PFC Macro는 1대의 AC 드라이브로 총 4대의 팬/펌프를 자동으로 제어하기 때문에 AC 드라이브 설치 비용이 저렴하고, 에너지 절감 효과는 4대를 합친 용량에 의해 절감되는 것과 같다.

[그림 1] Fan Save 프로그램

에너지 절감량 검토

일례로 Combined Induced Draft Fan의 댐퍼 제어 시와 AC 드라이브 제어 시의 풍량에 따른 전력소모량 비교를 위해 <그림 1>과 같은 ABB Fan Save라는 프로그램으로 출력했다. Fan Save는 운전정보를 정확하게 입력하면 각 부하별 AC 드라이브 적용 시 에너지 절감 효과를 쉽게 검토할 수 있으며, 기존의 댐퍼 제어 시스템과 AC 드라이브 시스템에 대한 에너지 절감 예를 계산했다. 실제 운전 시의 값은 여기 추정값으로 인한 오차값이라 할 수 있겠다.

마무리 : AC 드라이브 적용 시 효과

⑴ 팬/펌프에 AC 드라이브를 적용하면 압력 및 풍량 등의 피드백 신호를 AC 드라이브에 연결하여 자동 운전이 가능하다.

[그림 2] 기계식 유량 제어와 AC Drive(VSD) 속도 제어의 투자비 및 에너지 소요량 비교

⑵ AC 드라이브에 의한 압력 등의 피드백 신호를 입력하면 자동 운전 및 일정 압력으로 제어함으로써 시스템의 안정을 가져온다.
⑶ 제어 방법이 단순하며 제어 성능이 뛰어나다.
⑷ 에너지 절감 효과가 매우 커 설비 투자비를 약 2~3년 이내에 회수할 수 있다(<그림 2> 참조).
⑸ 기동전류가 매우 낮으므로 전원 및 기타 장비에 전혀 영향을 미치지 않는다. 이로 인한 유지 보수비의 절감을 가져 올 수 있다.
⑹역률이항상95% 이상으로일정하게유지된다.
⑺ 순시 정전 시 운전을 계속할 수 있으므로 라인(Line)의 불필요한 정지 시간을 없앤다.
⑻ 시스템을 자동화 할 수 있다.
시스템 효율을 높이고 에너지 절약 및 CO₂가스저감, 지구온난화까지 예방할 수 있는 속도 제어용 드라이브의 적용은 이제 필수 불가결한 시스템인 만큼 발전소의 안정적인 운전과 효율 향상을 위한 ABB의 고압 드라이브 솔루션을 소개하고자 한다.
ABB는 고압 드라이브로 ACS 1000, ACS 1000i, ACS 2000, ACS 5000, ACS 500i, ACS 6000 그리고 Mega Drive LCI 시리즈 등을 현재 생산하고 있다. 1960년대 후반부터 AC 드라이브를 생산한 ABB는 이와 같은 제품으로 고객의 요구에 맞춘 다양하고 고성능의 고압 드라이브 솔루션을 제공하고 있다. ACS 6000과 Mega Drive LCI 시리즈는 시험 설비, 선박용 Propulsion, 철강공장의 밀 드라이브 등 특수한 용도로 사용되며, 특히 LCI의 경우는 초대형 모터 및 가스 터빈 기동용으로 많이 사용되는 엔지니어링 드라이브 제품이다. 여기서는 일반 범용의 표준 드라이브인 ACS 1000, 2000, 5000 시리즈의 드라이브에 대해 간단히 소개하고자 한다.
ACS 1000 시리즈는 고압 농형 유도전동기 제어용으로 2.3~4.16㎸ac, 315~5,000㎾급 고압 인버터(Medium voltage Drive)이다. ABB에 의해 개발된 고압용 전압형 소자 IGCT(Insulated Gate Commutated Thyristor)를 적용해 부품 수 및 외함크기를 대폭 줄이고 성능 및 신뢰성을 크게 향상시킨 제품으로, 1998년 하반기에 출시된 이래 전 세계적으로 수 천여 대가 운전되고 있다. ACS 1000은 IGCT 소자에 DTC 제어는 물론, 12 Pulse Input, NPC(3-level) Switching, Common DC Reactor, Output Sine Filter 등의 인버터 제어 기술을 적용했다. Sine Filter는 인버터의 PWM 출력을 정현파에 가까운 전압/전류 파형으로 변형해 전동기에 공급해 일반 전동기에도 절연문제 없이 적용 가능하며, 일반 전동기 케이블 사용과 장거리 케이블 거리적용에도 적합하다. 전압형 인버터인 ACS 1000은 사용과 유지 보수가 쉽도록 저압 드라이브인 ACS 800 드라이브와 같은 프로그램 구조로 되어 있어 프로그램 및 조작을 사용하기 쉽게 단순화했다.

[그림 3] 표준 드라이브 ACS 1000

ABB는 6㎸에서 6.9㎸급의 다양한 어플리케이션에 적용 가능한 범용 고압 드라이브 400에서 1,000㎸A의 신제품 ACS 2000을 출시했다. 기존 설치된 곳이나 신규 설치할 곳이나 ACS 2000은 별도의 절연변압기를 사용하지 않고 설치가 가능하다. 변압기없이 라인에 직접 연결이 가능한 직결 기술(Directto-Line Technology)은 빠르고 수월한 설치 및 시운전을 가능케 한다. 고압 인버터는 ABB의 3선 입력 3선 출력 케이블 결선 개념으로 쉽게 결선이 가능하고, 단순한 직입 기동의 결선 방법과 같이 드라이브에 입력 결선을 하고 모터와 드라이브 간 결선을 하면 된다. 내장 액티브 입력 장치(AFE : Active Front End)인 입력 부분은 고가의 특수 변압기를 사용하지 않고 하모닉을 최소화했으며, 4상한 운전 및 역기전력(VAR) 보상 기능 등이 갖추어져 있다.
ABB의 ACS 2000 설계는 상 모듈이 인출식으로 구성되어 있으며, 멀티레벨 전압형 인버터(VSI) 기술 및 고압 IGBT 전력 반도체, DTC 모터 제어 기술을 적용해 신뢰성과 유용성(Availability)을 향상시키고 긴 MTBF(Mean Time Between Failure)를 가능케 했다.
6㎸에서 6.9㎸급의 또 다른 표준 고압 드라이브 ACS 5000은 1.5~22㎿ 6.6㎸용 드라이브로 수냉식 및 공랭식 구조로 되어 있다. ACS 5000은 Multilevel-Fuseless 전압형 고압 인버터로, 전력반도체 소자의 직렬 연결 없이도 고압 모터 적용이 가능하며, 이는 제어 시스템, 냉각 장치 및 보조 장치를 포함해 전 드라이브의 전력 밀도가 1㎹A/㎥ 이내이다. DTC 모터 제어 방식은 낮은 에너지 손실과 빠르고 정확한 프로세스 제어, 그리고 높은 토크 및 뛰어난 속도 제어를 제공한다. 또한 고압 전력 퓨즈 대신 IGCT 고압 전력소자를 사용해 출력 파형을 최적화했다. 한편 PEBB라는 특별한 전력전자회로 구성을 바탕으로 했으며, 다이오드 렉티파이어를 내장해 고조파를 최소화했다.

ABB 고압 드라이브는 DriveMonitor라고 하는 툴을 이용해 서비스 엔지니어가 현장에 방문하지 않고도 드라이브에 대한 운전 정보나 고장 내용을 점검할 수 있다. DriveMonitor는 드라이브 내부 하드웨어(Hardware) 모듈과 선택된 드라이브 신호, 파라미터들을 자동으로 수집 · 분석하는 소프트웨어(Software)로 구성되어 있으며, 부하 상태와 관련된 정보 전달 및 성능을 향상시키는 데 필요한 감시기능이 있다. 또한 드라이브 자체뿐만 아니라 모터축과 같은 다른 부분에 대한 고장 진단 절차 및 데이터 검출이 가능하며, 설치된 다른 ABB 드라이브와의 연결도 가능하다.

[그림 5] ABB ACS 5000 전압형 멀티레벨 퓨즈 리스 인버터

이처럼 다양한 전압과 용량 범위를 갖춘 ABB 드라이브는 심각하게 대두되고 있는 국제 기후 문제해결에 많은 역할을 하고 있다. 국내에서도 많은 관심과 적용으로 국제사회에 동조해 에너지 절감을 통한 CO₂가스 저감으로 지구온난화 문제 해결의 선도자적인 역할을 했으면 한다.