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[기고] 저압 모터 콘트롤 센터의 디지털화 동향
2005년 7월 3일 (일) 22:31:00 |   지면 발행 ( 2005년 6월호 - 전체 보기 )



저압 모터 콘트롤 센터의 디지털화 동향(Intelligent Motor Controller 'IMC-II') 개요 1980년대에 들어서면서 세계적으로 전력계통의 각종 설비에 있어서 소형화, 다기능화를 요구하면서 전자화, 디지털화 된 기기가 개발되어 전력회사 및 실 계통에 적용되고 있으며, 그 성능이 우수한 것으로 확인되어 주요 계통부분에서는 이미 상용화되어 있는 실정이다. 국내에서도 최근 5∼6년 전부터 기술 개발이 본격적으로 진행되면서 송전 및 수·배전 설비 등의 분야에서 전자화 디지털화로 전환이 추진되고 있는 추세이며, 모터보호 관련 분야에서도 역시 예외는 아니다. 본 내용에서는 저압 MCC(Motor Control Center)의 개발 동향에 대해 알아보고, 차단기, 전자개폐기를 포함하는 MCC의 주 회로부와 모터보호계전기, 계측기, 조작 및 표시장치, 기타 부가기능 및 Sequence 회로를 포함하는 보조 회로부가 디지털화된 디지털 모터보호제어장치(Intelligent Motor Controller)에 대하여 설명하고자 한다. 기술동향 일반적으로 모터를 보호하는 장치로는 열동형, 전자식, 유도형, 정지형 등 각종 과부하계전기가 있다. 이중 가장 기본적인 보호기능을 가지고 있는 열동형 과부하계전기는 모터의 열특성과 유사한 특성곡선을 그리는 바이메탈의 만곡특성을 이용하여 전자접촉기를 석방시켜 모터에 흐르는 과전류를 차단함으로써 그 보호기능을 수행한다. 최근에는 여러 가지 보호기능이 추가되고 권선에 흐르는 전류를 검출하기 위해 전류변환기(CT) 2차 측 전류를 내부 MCU(Micro Control Unit)에서 사고 여부를 판독하고 릴레이를 동작시켜 모터보호를 수행하는 전자식 모터보호 계전기(EMPR)도 급속히 확산되고 있는 실정이다. 이와는 별도로 국내에서도 이미 1990년대 초반부터 디지털 기술을 적용한 디지털 모터보호제어장치(IMC)의 연구개발이 착수되었으며 1994년에 제품화됐으나, 국내 시장이 형성되기까지는 상당한 시간이 흘러 1996년에 이르러서야 각종 플랜트 설비를 중심으로 MCC(Motor Control Center)반에 적용되기 시작하여 현재에 이르고 있다. 최근에는 3∼4곳의 중소 업체에서도 디지털 모터보호제어장치(IMC)와 유사한 기능들을 갖춘 제품들을 출시하고 있는 상황이며, 1998년에는 한국전기연구소 주관 전력변환 기술이전 세미나에서 '마이크로 프로세서를 이용한 다기능 Motor Control Center'를 소개하기도 하였는데 이 역시 디지털 모터보호제어장치의 일종이라고 할 수 있다.

일반적으로 Motor Control Center의 내부 Unit 구조는 <그림1>과 같이 차단기, 전자접촉기, 열동형 계전기(or 전자식 계전기), 외부CT, 그리고 Sequence에 따라서 보조계전기, Timer, 단자대 등의 기기로 구성된다. Door부에는 차단기의 N-Handle과 전류계가 매입되고 운전·정지·Trip을 나타내는 각종 Lamp들과 운전·정지·Reset용 Push Button들로 구성된다. 디지털 모터보호제어장치(IMC)는 내부의 전자식 과전류계전기, 각종 Sequence회로, 보조계전기, Timer 등의 기능과 Door부의 전류계와 각종 Lamp, Push Button을 하나의 디지털 기기로 집약시켜 MCC Unit를 간소화하여 배선이 간편하고 유지보수가 용이하게 하였다. 과전류, 구속, 지락, 결상, 역상, 불평형, 부족전류 등 모터보호의 다양한 기능들을 제공하며 부하전류는 물론 각종 사고의 Trip 원인까지 표시할 수 있어 사고 원인을 신속 정확하게 파악하고 대처할 수 있다. 뿐만 아니라, IMC 자체에 직입기동, Y-Δ기동, Reactor기동, 정역기동 등의 각종 Sequene 기능을 가지고 있으므로 다양한 적용이 가능하다. 또한 고속의 Data통신 기능을 가지고 있어 원격에서 통신에 의한 모터제어를 할 수 있고 및 전류값, Fault 정보 등 각종 상태감시가 가능할 뿐만 아니라, 프로토콜 변환기를 통하여 다양한 상위 시스템과 Network 구성이 가능하다. IMC-II의 구성 1. IMC-II의 구조 IMC-II는 본체와 표시부 분리형으로 표시부는 도어에 매입하여 부착할 수 있는 구조이며, 본체와의 통신은 RS-232 케이블로 연결한다.

2. IMC-II의 하드웨어

PT입력을 통한 조작전압 입력부, CT/ZCT입력부의 전류/지락전류 센싱, Micro-Processor 사용 실시간 데이터 처리, EEPROM Back-up, 노이즈 필터, 다양한 형태의 고장상태 출력 등의 H/W구성과 고장 진단 알고리즘에 의한 Firmware와 Software의 결합으로 최적의 모터보호를 구현한다. 3. 디지털 모터보호제어장치(IMC)의 BLOCK DIAGRAM 4. IMC-II의 정격 다음 <표1>은 IMC-II의 정격을 나타낸다. 제어전원, 입출력 사양, 전류조정범위, 시간설정 등을 비롯한 IMC-II의 기본적인 사양을 제공한다. IMC-II의 주요 기능 1. 과전류·구속·부족전류 보호 3상 선로에 흐르는 전류를 검출하여 대표값 전류를 산출한다. 설정치를 기준으로 백분율(%)로 표시가 가능하며 과 전류가 발생하면 기동 또는 운전 중 모터의 열상태를 판별하여 설정된 동작시간 경과 후 Relay를 구동시키고 과 전류 Trip을 표시한다. 모터의 운전 중에 컨베어밸트의 손상이나, 분쇄기의 걸림현상 등의 경우와 같은 순간적인 과 전류는 IMC의 Stall 보호기능으로 150∼300%이상까지 설정하여 보호할 수 있다. 모터의 구동축이 부러지거나 하는 등 초기부터 완전 구속되어 기동이 불가능하고 큰 구속전류가 흐를 경우에는 Lock 보호기능으로 200∼700%까지 설정하여 보호할 수 있다. 부족전류 보호기능은 모터와 부하의 접속 상태를 감시하고자 할 때나, 펌프 등의 무부하 상태로 모터의 회전에 의해서 흐르는 냉각매체나 FAN 등으로 모터를 냉각시키게 되는 경우 모터가 과열되는 현상을 방지하고자 할 때 쓰인다. IMC-II는 부족전류 보호를 30∼70% 이하로 설정하거나 설정하지 않을 수도 있다. <그림5>는 구속 및 부족전류 보호 특성곡선이다.

2. 결상전류·불평형전류 보호 IMC-II에서는 각 상전류간의 불평형율이 30∼50% 일 때 불평형으로 동작하여 5초 이내에 트립되어 모터를 보호한다. 불평형율이 70% 이상이 되면 결상으로 인식하여 1.5초 이내에 동작한다. 결상 및 불평형 보호기능은 사용자의 필요에 따라 On/Off 선택이 가능하다. 단상모터 적용 시는 결상 및 불평형 보호가 불가능하므로 OFF로 설정하여야 한다. 3. 역상(Reverse Phase) 보호 모터 기동 시 전류의 상이 바뀌어 입력되는 경우 즉, 모터의 역회전을 방지하기 위한 기능이다. 입력되는 3상 전류의 위상차를 비교하여 위상이 바뀌었을 때 0.1초 이내에 동작하게 된다. 역시 단상 모터 적용 시에는 역상보호가 불가능하므로 OFF로 설정하여야 한다. 4. 지락전류(영상전류) 보호 지락보호는 인명과 기기에 관련된 안전상의 위험에 대한 보호로써, 최근 저압계통에서도 지락, 누전의 경우 주 회로를 차단하는 방법이 각 방면에서 채택되고 있다. 즉, 지락, 누전전류의 크기를 판단하여 고장회로를 차단하는 것이기 때문에 보호계통에 따라 감도 전류를 다르게 설정해야 한다. IMC-II는 지락전류의 크기가 설정치 이상이 되면 0.1초 이내에 Relay를 구동시키고 지락표시를 한다. 지락설정은 보호 대상이나 목적에 따라 표준설정(100∼2500mA)과 고감도설정(30∼1000mA)으로 구분할 수 있다. (영상전류 검출 방식 : ZCT(Zero Current Transformer)) 특히나 최근 들어서는 국내의 전기안전을 담당하고 있는 전기안전공사에서도 저압 MCC에 지락보호기능이 있는 과부하장치를 사용할 것을 권장하고 있어 지락보호의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 5. 순시정전 재기동(Restart) 일반 전자식 과부하계전기는 순간적인 정전이 발생했을 때는 모든 모터가 정지되고 복전 후 다시 기동시키기 위해서는 관리자가 직접 현장을 방문하거나 혹은 원방에서 직접 모터를 기동시켜야 한다. 이런 불편함을 해소하기 위해서 IMC-II는 10초 이내의 순시정전에 대해 복전 후 정전 이전의 상태로 계속 운전하기 위한 편리한 기능을 가지고 있다. 설정시간은 1초에서 10초까지 설정이 가능하다. 단, 전자접촉기가 석방되지 않을 정도나 200ms 이하의 짧은 순단 현상이 발생할 경우에 IMC-II는 순시정전을 검출하지 않으며 모터는 정상적으로 운전상태가 지속된다. 6. 순시 정전 시 재기동 지연시간 설정 순간 정전 후 재기동하는 기능보다 중요한 기능이 지연시간 설정이다. 왜냐하면 순간 정전 후 동시에 모든 모터가 동시에 재기동하게 된다면 모터의 기동전류에 의해 과부하가 발생하고, 변압기에도 무리가 발생하므로 이를 방지하기 위하여 순차적으로 기동하도록 기동 지연시간을 설정할 필요가 있다. 재기동 지연시간을 1∼300초까지 설정할 수 있다. 이 때 표시창은 재기동 지연시간을 표시하며 초단위로 카운트 다운하여 남은 시간을 표시하게 된다. 운전상태 및 원격제어상태는 정전 직전의 상태를 그대로 유지하게 된다. 카운트다운 중에도 운전조작(On, Off) 및 재기동 지연시간 변경이 가능하며, 변경된 운전조작은 카운트가 끝난 후에 적용된다. 7. 기동방법 설정 IMC-II가 일반 EMPR(전자식 모터보호 계전기)과 다른 가장 대표적인 제어기능이다. IMC-II에서는 직입기동, Y-Δ기동, 가역기동, Reactor기동을 선택하여 설정할 수 있으며 내부 Relay출력을 통해 직접 제어가 가능하다. 이로써 MCC Unit내부의 각종 보조계전기, Timer 등의 Sequence회로를 간소화하여 공간 활용도를 높이고 설치 및 유지보수를 용이하게 할 수 있다. 모터의 정/역회전도 IMC-II 자체의 간단한 버튼조작으로 가능하며, 시퀀스 수정에 따른 대응도 매우 용이하다. 8. Y-Δ기동·Reactor기동 변환시간 설정 Y-Δ기동이나 Reactor기동 시에는 별도로 Timer를 내장하여 기동 변환시간을 설정해 주어야 한다. IMC-II에서는 내부에 기동 변환시간 설정기능이 있으므로 별도의 Timer를 사용하지 않고 Sequence 회로를 구성할 수 있다. 뿐만 아니라 Y-Δ기동이나 Reactor기동을 위한 보조접점을 가지고 있으므로 별도의 보조계전기를 사용할 필요가 없다. MCC Unit를 구성하는데 필요한 시간과 인건비, 자재 또한 절감할 수 있다. 9. 원격제어 IMC-II는 현장운전(LOP ; Local Operation Panel), MCC운전(Motor Control Center), 자동운전(Auto) 및 Data 통신을 통한 원방운전(Remote) 등 4개소에서 모터의 운전 및 제어가 가능하므로 다양한 현장에 적용할 수 있다. 현장 운전모드는 조작 우선 순위가 가장 높은 모드로서 긴급 상황 발생 시나 유지 보수 시 모터가 설치된 현장 인근에서 모터제어가 가능한 모드이다. 이 때 다른 모드에서는 조작이 불가능하다. MCC모드는 MCC에 설치된 IMC-II에서 조작할 수 있으며, 자동운전모드는 PLC나 DDC, DCS 등을 통한 자동운전이 가능한 모드이다. 또한 Data통신을 통해 원방 감시반에서 IMC-II의 각종 기능 및 운전상태를 모니터링할 수 있으며, 원방 운전 모드상태에서 제어도 가능하다. IMC-II의 특징 1. 디지털 디스플레이(LED DISPLAY) 가. 운전표시 및 감시 : IMC-II에서는 별도의 전류계 없이도 부하전류, %전류, Trip원인 및 Trip전류, 설정치를 LED표시창으로 표시할 수 있다. (<그림2> IMC-II의 구조 참조) 나. 부하전류 표시 : IMC-II는 7-Segment 표시창과 % LED로 부하전류를 백분율로 표시가 가능하다. 다. Fault Record : [SEL]버튼과 [▼]을 동시에 누르면 IMC-II가 저장하고 있는 최종 Trip원인 및 Trip 전류값을 확인할 수 있는 모드로 들어간다. 다시 반복해서 누르면 정상으로 복귀된다. 2. 기능 선택 스위치 (Function switch) IMC-II는 [▲] or [▼] Key로 설정항목을 검색하고 [ENT]Key를 눌러서 설정 값을 선택하고 다시 [▲] or [▼] Key로 세부 항목을 조정하여 설정 값을 설정한다. 이 모든 조작 사항들이 7-Segment상에 표시가 되므로 별도의 매뉴얼 없이 표시창 확인만으로도 조작 및 설정이 가능하다. 모터 운전 중에도 설정 및 설정 값 변경이 가능하므로 주의를 요한다. <표2>와 같이 간단한 Key 조작으로 다양한 모터보호기능과 부가기능들을 설정할 수 있다 3. 한시 특성(Time-Current Characteristics) 국제규격 IEC의 한시 특성을 적용하였으며, 설정Mode에서 과전류 보호 기능으로 1∼60초까지 설정할 수 있다. 즉, Class1에서 Class60까지 적용 가능하여 사용자가 모터의 운전특성에 따라 다양한 시간을 선택할 수 있도록 하였다. 모터의 과부하 보호 기능은 모터에 흐르는 전류를 Check하여 모터의 열상태를 추적하여 과열을 보호하는 것이다. Thermal Mode Hot : t = τ·ln [ I2 / {I2 -(k·IB)2} ] Cold : t = τ·ln [ (I2 - Ip2)/ {I2 -(k·IB)2} ] t : 동작시간 τ : 열시정수 IB : 정격전류 I : 사고전류 Ip : 고장전의 부하전류 <그림6>은 모터가 Cold 상태 기준이며 Hot 상태일 때는 위 수식에 의거 모터의 열상태를 추적하여 더 빠른 시간에 Trip되어 모터를 안전하게 보호한다. IMC-II는 과전류모드가 있어 Thermal Mode와 Non-Thermal Mode를 선택할 수 있도록 되어 있다. Non-Thermal Mode는 반한시 특성으로 동작하더라도 모터가 정지되거나, 트립 후 Reset시에는 축적된 열량이 자동으로 제거되는 모드이다. 단, 무리한 재기동으로 인해 모터가 소손될 수 있으므로 주의하여야 한다. 4. 자기진단(Self Diagnostic) 및 시퀀스 감시(Contact Failure) IMC-II는 내부 Memory이상이나 통신이상 등의 자기진단 기능을 제공하며, 모터 기동 시나 정지 시 전자접촉기의 상태를 감시하여 이상 발 생시 표시창에 Error.No를 표시하고 Sys.Fail LED를 점등시킨다. <그림7>는 Error 표시를 나타낸다. 5. 동작 원인 디지털 표시 (Easy Troubleshooting) 디지털 모터보호제어장치의 가장 큰 장점 중의 하나가 바로 사고의 원인을 표시창으로 확인할 수 있어 신속 정확한 대응이 가능하다는 점이다. 트립이 발생되면 고장원인이 표시창에 표시되며, Trip LED가 점등된다. 이때 [SEL] 버튼을 누르면 트립시 각 상의 전류값이 표시되므로 고장 전류 값을 확인할 수 있다. 6. 산업 설비 운영의 생력화(省力化) IMC-II는 Remote기능으로 원방에서 모터를 ON/OFF조작 및 제어가 가능하다. 또한 IMC-II의 순간 정전 재기동 기능은 단시간 정전으로 모터가 모두 정지되었을 때 자동으로 순차적인 재기동이 가능하게 함으로써 직접 수많은 모터를 기동해야 하는 관리가 필요 없게 된다. 다양한 보호기능 및 부가기능을 제공하여 뛰어난 모터 보호기능을 수행함으로써 결과적으로는 유지보수의 비용과 인력을 절감할 수 있을 것이다. 7. Sequence 적용 예시 <그림9> IMC-II 결선도에서는 대부분의 Sequence가 제품 자체에 포함되어 있고 별도의 보조계전기, 표시Lamp, Push Button 등을 사용하지 않아도 되므로 MCC반 구성이 매우 간소화된다. 또한 단자구성이 Housing Connector로 되어 있으므로 설치 및 유지보수가 더욱 용이하다. 8. IMC-II 환경사양 디지털 기기의 가장 큰 문제점은 외부의 노이즈나 서지 등의 영향을 받기 쉽다는 점이다. IMC-II는 국제규격인 IEC 환경규격에 적합하게 설계되어 노이즈 등 외부영향에 대해 그 신뢰성이 뛰어나다. <표3>는 IMC-II의 환경사양을 보여준다 국·내외 시장 동향

디지털 모터보호제어장치(IMC-II), 그리고 전자식 모터보호계전기(EMPR ; Electronic Motor Protection Relay)가 열동형 과부하계전기(Thermal Relay)에 비하여 기능이 많고 여러 가지 장점들이 있어 현재 국내외 시장이 급속도로 전자화, 디지털화 되고 있음은 사실이다. 그러나 열동형 계전기도 장점을 가지고 있기 때문에 향후에라도 열동형 계전기가 100% 전자식으로 대체 되리라고 보기는 어렵다. 가장 큰 이유는 역시 경제성이다. 전자식에 비하면 열동형은 거의 10~30%정도의 가격 수준이며, 또한 모터의 가장 빈번한 소손 원인이 과부하와 결상이라고 보면 가장 경제적인 열동형 계전기만으로도 모터 보호의 역할을 나름대로 수행할 수 있기 때문에 중요도가 낮은 부하나 저가의 모터보호 용도 중심으로 향후에도 기존 열동형 과부하계전기는 지속적으로 사용될 것이다. 현재 국내보다 기술적으로 10여년 이상 앞서있는 해외 선진 메이저사에서도 열동형 과부하계전기가 꾸준히 생산되고 있다는 것이 그 좋은 예라고 할 수 있다. 다만 상당부분이 전자화, 디지털화 되어가며MCC 자체의 시스템적인 전자화 추세는 여전히 급진전하리라고 본다. 맺음말 향후에는 모터 보호계전기뿐만 아니라 거의 모든 계통 영역이 시스템화되어 통합 될 것이다. MCC Unit 표시부, 내부 Sequence회로, 보조계전기 등의 부속장치까지, 그리고 여기에 기구적으로 전자접촉기, 차단기까지 전자적으로 결합되면 MCC Unit차원이 아니라 다기능화 된 한대의 디지털 기기로 한 개의 MCC Unit기능을 모두 수행할 수도 있을 것이다. 물론 다양한 시스템과도 완벽한 통신Network 구성이 가능하여 모터의 감시·제어뿐만 아니라 기타 모든 조작과 설정을 하나의 감시반에서 완벽하게 수행하게 될 것이다. Intelligent Building System의 구현은 그 좋은 예라고 할 수 있다. 이 정도의 기술이 확보되어야만 진정한 생력화(省力化)가 실현된다고 할 수 있다. 모터의 최적화 된 보호 기능과 제어 및 자기진단, 고장예방 기술을 기본으로 여기에 통신 Network 구현 기술이 필수적으로 접목되어 완벽한 감시시스템이 구현될 것이다. 이러한 시점에서 국내 모터 보호 및 제어장치의 선두주자 격인 디지털 모터보호제어장치(IMC-II)의 보급은 더욱 확대될 것으로 전망되며, 고객들의 Needs 또한 다양화되고 한 차원 높아지게 되리라고 본다.

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