프로젝트 개요

텍사스주 휴스턴의 주요 제조 시설에서는 생산 공정의 냉각 용량을 확장하기 위해 새로운 500마력 원심 냉각기를 설치해야 했습니다. 480V 3상에서 작동하는 냉각기의 모터는 주 배전 스위치기어에서 약 600피트(180m) 떨어진 새 기계실에 위치하게 됩니다. 이 프로젝트는 모터의 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 신중한 엔지니어링 분석이 필요한 상당한 전압 강하 문제를 제시했습니다.

대형 산업용 모터는 시동과 운전이라는 두 가지 다른 모드에서 작동하기 때문에 고유한 전기적 문제를 제시합니다. 정상 운전 중에 모터는 정격 전부하 전류(FLC)를 지속적으로 끌어옵니다. 그러나 시동 중에는 운전 속도에 도달할 때까지 10~15초 동안 전부하 전류의 6~8배를 끌어올 수 있습니다. 이 높은 시동 전류는 모터가 충분한 시동 토크를 생성하는 능력에 영향을 미칠 수 있으며, 동일한 전기 시스템의 다른 장비를 방해할 수 있는 일시적이지만 상당한 전압 강하를 생성합니다.

공장의 엔지니어링 팀은 이 설치에 단순한 전류 용량 기반 전선 선택 이상의 것이 필요하다는 것을 인식했습니다. 운전 조건과 시동 조건 모두에서 전압 강하를 고려하고, 다른 공장 부하에 미치는 영향을 평가하며, 가변 주파수 드라이브나 소프트 스타터와 같은 모터 시동 방법을 설계에 통합해야 하는지 결정해야 했습니다. 이 사례 연구는 성공적인 설치로 이어진 완전한 엔지니어링 분석을 탐구합니다.

기술 요구 사항 및 과제

모터 시동 조건

• 전부하 전류：590A @ 480V
• 시동 전류(DOL)：3,540A (6× FLC)
• 시동 기간：10-15초
• 필요 시동 토크：150% FLT
• 전압 허용 범위：충분한 시동 토크를 생성하려면 최소 80% 전압 필요

운전 조건

• 전부하 전류：590A
• 일반 운전 부하：530A (90% 부하)
• 운전 시간：연간 8,760시간 (24/7)
• 목표 운전 전압 강하：효율을 위해 <3%
• 에너지 비용：$0.08/kWh 산업 요금

스위치기어에서 모터 위치까지 600피트(180m)의 거리는 상당한 도체 저항을 생성합니다. 이 크기의 모터가 480V 3상에서 작동하는 경우 590암페어의 운전 전류는 중요합니다. 도체가 전류 용량만을 기준으로 크기가 결정된 경우, 정상 운전 중 전압 강하가 허용 한계를 초과하여 모터 효율을 저하시키고 운영 비용을 증가시킬 수 있습니다. 시동 중에는 상황이 더욱 중요해집니다. 3,540암페어의 시동 전류는 공장 전체의 전기 시스템에 극적인 전압 강하를 일으킵니다.

엔지니어링 팀이 설정한 설계 기준은 정상 운전 조건에서 전압 강하를 3% 미만으로 유지하고 다른 공장 부하에 대한 간섭을 방지하기 위해 시동 전압 강하를 제한해야 했습니다. 또한 모터가 원심 압축기 부하에 충분한 토크를 생성하기 위해 시동 중에 최소 정격 전압의 80%를 받도록 보장해야 했습니다.

초기 분석: 직접 기동

엔지니어링 팀은 먼저 기준 요구 사항을 이해하기 위해 전통적인 직접 기동(DOL) 접근 방식을 분석했습니다. 590A 부하에 충분한 전류 용량을 제공하는 500 kcmil 구리 도체를 사용하여：

DOL 시동 분석: 500 kcmil 구리선

운전 전압 강하 (590A):

Vd = (√3 × 590 × 600 × 0.0258) / 1000 = 15.8V

운전 Vd% = 15.8 / 480 × 100 = 3.3%

시동 전압 강하 (3,540A):

Vd = (√3 × 3540 × 600 × 0.0258) / 1000 = 94.8V

시동 Vd% = 94.8 / 480 × 100 = 19.8%

시동 중 모터 전압: 385V (정격의 80.2%)

분석은 DOL 접근 방식의 두 가지 중대한 문제를 드러냈습니다. 첫째, 3.3%의 운전 전압 강하는 목표 3% 한계를 초과하여 모터 효율이 약간 감소하고 24/7 운전 일정에서 에너지 소비가 증가합니다. 둘째, 더 중요한 것은 시동 중 거의 20%의 전압 강하가 공장 전체에 허용할 수 없는 전압 강하를 일으켜 생산 장비, 조명 및 기타 민감한 부하에 영향을 미칠 수 있다는 것입니다.

최적화 솔루션: VFD와 병렬 도체

엔지니어링 팀은 시동 전류 문제를 제거하는 가변 주파수 드라이브(VFD)와 비용을 최적화하면서 운전 전압 강하를 줄이는 병렬 도체의 두 가지 주요 요소를 포함하는 최적화 솔루션을 개발했습니다.

이 애플리케이션에서 VFD의 이점

• 소프트 스타트: 시동 전류를 600%가 아닌 전부하 전류의 100-150%로 제한
• 속도 제어: 에너지 절약을 위한 냉각기 용량 조절 가능
• 역률 보정: 역률 1.0으로 전류 소비 감소
• 기계적 스트레스 감소: 냉각기 구성 요소의 수명 연장
• 에너지 절약: 부분 부하에서 효율적인 운전

VFD를 사용하면 시동 전류가 약 885A로 감소하여 시동 전압 강하를 관리 가능한 수준으로 낮춥니다. 이를 통해 팀은 운전 효율을 최적화하기 위해 병렬 도체 구성에 집중할 수 있었습니다.

최종 설계: 상당 3세트의 500 kcmil

유효 저항: 0.0258 / 3 = 0.0086 Ω/kft

운전 Vd = (√3 × 530 × 600 × 0.0086) / 1000 = 4.7V

운전 Vd% = 1.0% - 우수!

VFD 시동 Vd = (√3 × 885 × 600 × 0.0086) / 1000 = 7.9V

시동 Vd% = 1.6% - 허용 범위 내

경제 분석

$12,000

연간 에너지 절약

낮은 전압 강하 및 효율적인 운전으로부터

효율 개선

I²R 손실 감소로

2.1년

회수 기간

VFD 및 병렬 도체 추가 비용

VFD와 병렬 도체 구성의 초기 비용은 추가로 $25,000였지만, 연간 $12,000의 에너지 절약으로 투자는 2.1년 만에 회수됩니다. 또한 VFD는 냉각기 용량을 조절하는 기능을 제공하여 부분 부하 조건에서 연간 추가로 $8,000의 절약을 제공합니다.

구현 및 결과

설치는 2023년 6월에 완료되었으며 시스템은 즉시 설계 목표를 충족했습니다. 운전 전압 강하는 지속적으로 1.0% 미만으로 유지되며, 시동 시퀀스 동안 공장 전압 변동은 1% 미만입니다. 냉각기는 처음 6개월 동안 문제없이 작동하여 24/7 일정에서 99.8%의 가용성을 달성했습니다.

주요 성공 지표

• 운전 전압 강하: 1.0% (목표 3%를 훨씬 하회)
• 시동 전압 강하: 1.6% (공장 운영에 영향 없음)
• 에너지 절약: 예측을 초과하는 연간 $20,000
• 모터 효율: 정격 효율로 작동
• 시스템 신뢰성: 6개월 동안 전압 관련 문제 없음

모터 피더 분석

모터 피더 설치를 계획하고 있습니까? 당사의 전압 강하 계산기는 병렬 도체 구성을 포함한 산업 애플리케이션용 3상 계산을 지원합니다.

모터 피더 계산

산업용 모터 피더: 500마력 냉각기 설치

도전 과제

해결책