목차(동력설비의 에너지 절약)
동력설비의 에너지 절약
❓동력설비의 에너지 절약방안
- 최근 건축물의 높은 에너지 소비율, 온실가스 배출량 증가, 건물의 노후화, 에너지 과다사용으로 에너지 소비량 증가
- 전체 에너지 소비 중 동력설비가 60~70%로 많이 사용되므로 이에 대한 고효율 기기 도입, 적정시스템 설계 및 운영관리를 통한 에너지 절약이 필요
- 따라서 고효율기기사용, 효율적 운영 및 제어, 적정한 유지보수 및 관리로 전력수급의 안정, 전력요금 및 비용절감, 온실가스 감축과 환경대책에 기여할 수 있다
1️⃣에너지 절약의 목적(필요성)
- 고효율 기기의 선정 및 보급
- 효율적인 운영 및 제어
- 적절한 유지보수 및 관리
- 전력비용 절감으로 원가 절감
- 전력수급의 안정화
- 온난화 대책에 기여하여 환경성 재고
2️⃣동력설비의 에너지 절감 시 사전검토 항목
1)정부의 에너지 절약 대책
- 에너지이용합리화법, 건축물 에너지 절약 설계기준, 전력수요 관리사업 지침
- 고효율 기자제 인증제도, 보급촉진규정, 건축물 에너지 효율등급 인증제도
- 자발적 협약(VA), ESCO사업 등에 포함되어 있는 동력설비의 에너지 절감시책을 충실히 반영하여야 한다.
2)동력설비의 검토사항
| 구분 | 검토사항 |
| 부하 전동기 | 부하토크, 회전속도, 운전방식, 부하율, 효율개선, 역률개선 |
| 결합방식 | 슬립손실저감, 증감속도와 손실저감 |
3)LCC측면에서 검토
LCC측면에서 에너지 절약 극대화 방안 계획, 설계단계에서부터 검토하여 VE실시한다
3️⃣동력설비의 에너지 절감
1)전동기설비의 에너지 절약
- 고효율 전동기 채용
- 600[V]이하 3상유도 전동기에 고효율 전동기 사용
- 손실20~30[%]저감되고, 효율4~10[%]향상
- 고효율 유도전동기의 생산판매 의무화 : 0.75[kw]이상
- 효율적 운전
- 공회전 방지는 2~3배 전력소모(불필요 시는 정지)방지
- 경부하 운전 방지 : 약 80~90[%]부하 시 효율이 최대
- 전압 불평형 방지, 동력설비 전용 간선 필요
2)반송설비의 에너지 절약
- 인버터 방식채용 : 1회 왕복시 약 50[%]절전 효과
- 군관리 방식 채용 : 여러대의 필요 없는 가동을 최소의 가동으로 최대 효과 기대
- 격층 운행 : 격층 운행 시 약 10[%] 절감
- 에스컬레이터 수평보행기는 평상시 정지, 인체감지 후 작동하는 가동 시스템 운영
3)VVVF인버터 방식 에너지 절약
- 가변전압 가변주파수 장치로 전압과 주파수를 변환시켜 전동기 속도제어방식
- 2승 저감토크 부하인 펌프, 팬, 블로어에서 절감 효과 우수
- 인버터 방식 적용 30~70[%] 에너지 절감 효과 기대
- 고조파 전동기 온도상승, 전원의 맥동현상 등에 대한 대책이 필요
4)역률개선 에너지 절약
- 적정한 용량의 콘덴서 설치
- 설치방법은 모선측 설치, 부하측 설치, 모선+부하측 분산 설치가 있으나 적합한 장소에 맞게 선택하여 설치
- 역률개선 시 변압기, 배전선 손실 저감, 저안강하 경감, 전력요금 경감, 설비용량의 여유증가 등을 가져올 수 있다
5)공조설비의 에너지 절약
- 고효율 냉동기, 가스 직화식 흡수식 냉동기 채용
- 냉동기 대수 분할 필요, FCU대수제어 필요
6)심야전력 이용설비 채용
- 심야시간대 심야전력 기기(축열식, 축랭식)냉방기기 사용시 별도로 계량기를 설치하여 전기요금 할인 혜택
- 빙축열 시스템 채용 : 심야 시간대 냉동기 가동 축열조에 얼음을 저장하여 주간의 피크 시간대 축열조에서 냉방부하에 공급
7)운용관리 측면에서 에너지 절약
- BAS적용
냉난방 및 전력시스템을 총괄 감시하고 제어하여 가장 효율이 있는 최적 운전을 하여 에너지를 절약한다
- 수요관리
동력설비의 최대전력 수요관리하여 에너지 절약
💯기출문제
○01냉각수 펌프의 전동기의 회전수를 이용하여 속도조절시 전동기의 회전수와 출력, 펌프유량, 압력(수압)과의 관계를 설명하시오
냉각수 펌프의 전동기 회전수를 조절하면 펌프의 성능을 다양하게 변화시킬 수 있습니다. 회전수 변화에 따른 출력, 유량, 압력의 관계는 다음과 같습니다.
1. 회전수와 출력의 관계
- 회전수 증가: 일반적으로 회전수가 증가하면 펌프가 더 많은 일을 하므로 출력이 증가합니다. 하지만, 마찰 손실 등의 요인으로 인해 출력 증가량은 회전수 증가량에 비례하지는 않습니다.
- 회전수 감소: 반대로 회전수가 감소하면 출력도 감소합니다.
2. 회전수와 유량의 관계
- 회전수 증가: 회전수가 증가하면 펌프가 단위 시간당 더 많은 유체를 이동시키므로 유량이 증가합니다.
- 회전수 감소: 회전수가 감소하면 유량도 감소합니다.
- 선형 관계: 일반적으로 회전수와 유량은 거의 선형적인 관계를 보입니다. 즉, 회전수가 2배 증가하면 유량도 대략 2배 증가합니다.
3. 회전수와 압력(수압)의 관계
- 회전수 증가: 회전수가 증가하면 펌프가 유체에 가하는 에너지가 증가하여 압력이 높아집니다.
- 회전수 감소: 회전수가 감소하면 압력도 감소합니다.
- 비선형 관계: 압력은 유량과의 관계에 따라 달라지므로, 회전수와 압력의 관계는 항상 선형적인 것은 아닙니다. 펌프의 특성 곡선을 통해 더 정확한 관계를 파악할 수 있습니다.
4. 펌프 특성 곡선
펌프의 성능을 나타내는 곡선으로, 회전수를 변화시킬 때 유량과 압력이 어떻게 변하는지 보여줍니다. 이 곡선을 통해 펌프의 최적 운전 점을 찾고, 회전수 조절에 따른 성능 변화를 예측할 수 있습니다.
회전수 조절의 장점
- 에너지 절약: 필요한 유량과 압력에 맞춰 회전수를 조절하여 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
- 시스템 안정성 향상: 급격한 부하 변동에 유연하게 대응하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있습니다.
- 시스템 수명 연장: 적정한 운전 조건을 유지하여 펌프의 수명을 연장할 수 있습니다.
회전수 조절 방법
- 인버터: 전동기의 주파수를 변화시켜 회전수를 조절하는 가장 일반적인 방법입니다.
- 기어 변속: 기어비를 변경하여 회전수를 조절합니다.
- 가변 속도 풀리: 풀리의 직경을 조절하여 회전수를 조절합니다.
결론
냉각수 펌프의 회전수를 조절하면 펌프의 성능을 유연하게 조절할 수 있습니다. 하지만 회전수 조절은 펌프의 효율, 수명, 시스템 안정성에 영향을 미치므로, 펌프의 특성과 시스템 요구 사항을 종합적으로 고려하여 적절한 회전수를 설정해야 합니다.
○09고효율 전동기의 특징을 설명하시오
고효율 전동기의 주요 특징
- 높은 에너지 효율: 일반 전동기 대비 3~5% 이상의 높은 효율을 자랑합니다. 이는 전력 손실을 줄여 에너지 비용을 절감하는 데 크게 기여합니다.
- 낮은 동손: 고품질의 구리 선재를 사용하고 권선 설계를 최적화하여 동손을 줄였습니다. 동손은 전동기 내부에서 발생하는 열 손실의 주요 원인 중 하나입니다.
- 낮은 철손: 고품질의 철심을 사용하고 철심 설계를 최적화하여 철손을 줄였습니다. 철손은 철심 내에서 발생하는 와류 손실과 히스테리시스 손실을 의미합니다.
- 낮은 소음: 효율 향상과 함께 소음도 감소시켰습니다. 이는 팬 설계 개선, 진동 감소 등을 통해 가능합니다.
- 긴 수명: 낮은 동작 온도와 우수한 절연 재료를 사용하여 전동기의 수명을 연장시켰습니다.
- 다양한 사이즈 및 종류: 다양한 용도에 맞춰 다양한 사이즈와 종류의 고효율 전동기를 생산하고 있습니다.
고효율 전동기의 장점
- 에너지 절감: 전력 소비를 줄여 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
- 환경 보호: 온실가스 배출 감소에 기여하여 환경 보호에 도움이 됩니다.
- 운전 비용 절감: 전력 요금 감소뿐만 아니라 유지보수 비용도 절감할 수 있습니다.
- 설비 수명 연장: 낮은 동작 온도로 인해 설비의 수명이 연장됩니다.
고효율 전동기의 활용 분야
- 산업 현장: 펌프, 송풍기, 압축기 등 다양한 산업용 설비에 적용됩니다.
- 건물: 엘리베이터, 에스컬레이터, 공조 시스템 등에 사용됩니다.
- 가전제품: 냉장고, 세탁기 등에 적용되어 에너지 효율을 높입니다.
고효율 전동기 도입 시 고려 사항
- 초기 투자 비용: 일반 전동기에 비해 초기 투자 비용이 높을 수 있습니다.
- 호환성: 기존 설비와의 호환성을 고려해야 합니다.
- 정부 지원 정책: 정부에서 제공하는 다양한 지원 정책을 활용할 수 있습니다.
●13전동기 설비의 에너지절약설계방안
○16유도전동기 벡터 인버터 제어의 원리와 구성에 대하여 설명하시오
유도전동기 벡터 인버터 제어란 무엇인가?
유도전동기 벡터 인버터 제어는 유도전동기의 속도와 토크를 정밀하게 제어하기 위한 기술입니다. 일반적인 V/F 제어 방식보다 훨씬 뛰어난 성능을 제공하여 산업 현장에서 널리 사용되고 있습니다.
벡터 제어란 유도전동기에 인가되는 전류를 토크 성분과 자속 성분으로 분리하여 각각 독립적으로 제어하는 방식입니다. 이를 통해 속도 응답성, 토크 정밀도, 넓은 속도 범위에서의 고성능을 구현할 수 있습니다.
인버터는 교류 전원을 직류로 변환한 후, 다시 원하는 주파수와 진폭의 교류 전압으로 변환하여 유도전동기에 공급하는 장치입니다. 벡터 제어에서는 인버터를 통해 유도전동기에 정밀하게 제어된 전류를 공급합니다.
벡터 인버터 제어의 원리
- 전류 분해: 유도전동기에 흐르는 전류를 토크 성분(iq)과 자속 성분(id)으로 분해합니다.
- 토크 제어: 토크 성분(iq)을 조절하여 모터의 토크를 제어합니다. 토크 성분이 증가하면 모터의 회전력이 증가하고, 감소하면 회전력이 감소합니다.
- 자속 제어: 자속 성분(id)을 조절하여 모터의 자속을 일정하게 유지합니다. 자속이 일정하게 유지되어야 모터의 효율이 높아지고, 안정적인 운전이 가능합니다.
- PI 제어기: 토크 성분과 자속 성분의 오차를 줄이기 위해 PI 제어기를 사용하여 인버터의 출력 전압을 조절합니다.
벡터 인버터의 구성
- 전력부:
- 정류기: 상용 교류 전원을 직류로 변환합니다.
- 인버터: 직류를 가변 주파수, 가변 진폭의 교류로 변환하여 모터에 공급합니다.
- 제어부:
- 마이크로컨트롤러: 전체 시스템을 제어하고, 각종 알고리즘을 수행합니다.
- 센서: 모터의 속도, 위치 등을 측정하여 제어에 사용합니다.
- PI 제어기: 토크 성분과 자속 성분의 오차를 줄이기 위한 제어 알고리즘을 수행합니다.
벡터 인버터 제어의 장점
- 높은 속도 응답성: 빠른 속도 변화에 대한 응답이 우수합니다.
- 넓은 속도 범위 제어: 저속부터 고속까지 넓은 속도 범위에서 정밀한 제어가 가능합니다.
- 높은 토크 정밀도: 정밀한 토크 제어가 가능하여 다양한 부하 조건에서 안정적인 운전이 가능합니다.
- 높은 효율: 자속을 일정하게 유지하여 모터의 효율을 높일 수 있습니다.
벡터 인버터 제어의 종류
- 직접 벡터 제어: 모터의 자속을 직접 측정하여 제어하는 방식으로, 정밀도가 높지만 센서가 필요합니다.
- 간접 벡터 제어: 슬립 주파수를 이용하여 자속을 추정하여 제어하는 방식으로, 센서가 필요 없지만 정밀도가 직접 벡터 제어보다는 약간 떨어집니다.
- 센서리스 벡터 제어: 센서 없이 모터의 상태를 추정하여 제어하는 방식으로, 비용이 저렴하지만 정밀도가 낮을 수 있습니다.
●17인버터 시스템 적용 시 고려사항을 인버터와 전동기로 구분하여 설명
인버터 시스템은 전동기의 속도와 토크를 정밀하게 제어하여 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 인버터 시스템을 도입할 때에는 인버터와 전동기 각각의 특성을 고려하여 시스템을 설계해야 합니다.
인버터 고려 사항
- 용량:
- 부하 전동기의 정격 전류 및 기동 시 필요한 전류를 충분히 감당할 수 있는 용량을 선택해야 합니다.
- 마진을 두어 장기적인 시스템 확장 가능성을 고려하는 것이 좋습니다.
- 출력 주파수:
- 부하 전동기의 운전 주파수 범위를 충족해야 합니다.
- 출력 전압:
- 부하 전동기의 정격 전압과 일치해야 합니다.
- 제어 방식:
- V/F 제어, 벡터 제어 등 다양한 제어 방식이 있습니다. 부하의 특성과 요구되는 성능에 따라 적절한 제어 방식을 선택해야 합니다.
- 보호 기능:
- 과전류, 과부하, 과열, 저전압 등 다양한 이상 상황에 대한 보호 기능이 포함되어 있는지 확인해야 합니다.
- 환경 조건:
- 설치 환경의 온도, 습도, 먼지 등을 고려하여 적절한 등급의 인버터를 선택해야 합니다.
- 통신 기능:
- 상위 시스템과의 통신을 위한 기능이 필요한 경우, 해당 기능을 지원하는 인버터를 선택해야 합니다.
- 효율:
- 에너지 절감을 위해 고효율 인버터를 선택하는 것이 좋습니다.
전동기 고려 사항
- 종류:
- 유도 전동기, 동기 전동기 등 다양한 종류의 전동기가 있습니다. 인버터와의 호환성을 고려하여 적절한 전동기를 선택해야 합니다.
- 정격:
- 인버터의 출력 용량과 일치하는 정격의 전동기를 선택해야 합니다.
- 절연 등급:
- 인버터에서 발생하는 고조파 전류에 대한 내성을 고려하여 절연 등급이 높은 전동기를 선택하는 것이 좋습니다.
- 냉각 방식:
- 인버터 구동 시 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있는 냉각 방식을 갖춘 전동기를 선택해야 합니다.
- 기계적 강도:
- 변속 운전 시 발생하는 기계적 스트레스를 견딜 수 있도록 충분한 기계적 강도를 갖춘 전동기를 선택해야 합니다.
인버터와 전동기의 호환성
- 전압 및 주파수: 인버터의 출력 전압과 주파수가 전동기의 정격 전압과 주파수와 일치해야 합니다.
- 제어 방식: 인버터의 제어 방식과 전동기의 특성이 서로 맞아야 합니다.
- 모터 드라이버: 일부 인버터는 특정 종류의 전동기와만 호환되는 모터 드라이버를 사용할 수 있습니다.
추가적인 고려 사항
- 소음: 인버터 구동 시 발생하는 소음을 줄이기 위한 방안을 마련해야 합니다.
- 진동: 인버터 구동 시 발생하는 진동을 줄이기 위한 방안을 마련해야 합니다.
- EMC: 전자파 적합성을 고려하여 다른 장비와의 간섭을 최소화해야 합니다.
- 안전: 안전 규정을 준수하여 시스템을 설계하고 운용해야 합니다.
●18동력설비의 에너지 절감 방안을 전원공급, 전동기 부하사용측면에서 각각 설명
동력설비는 산업 현장에서 에너지 소비의 큰 비중을 차지합니다. 이러한 동력설비의 에너지 효율을 높여 에너지 절감을 이루기 위해서는 전원 공급과 전동기 부하 사용 측면에서 다양한 방안을 모색해야 합니다.
1. 전원 공급 측면
- 고효율 변압기 사용: 변압기는 전력 손실의 주요 원인 중 하나입니다. 고효율 변압기를 사용하여 무부하 손실과 부하 손실을 줄일 수 있습니다.
- 역률 개선: 역률이 낮으면 무효 전력이 증가하여 전력 손실이 커집니다. 역률 개선기를 설치하여 역률을 향상시키면 전력 손실을 줄이고, 설비 용량을 효율적으로 활용할 수 있습니다.
- 전압 안정화: 전압이 불안정하면 전동기의 효율이 저하되고, 수명이 단축될 수 있습니다. 전압 안정기를 설치하여 전압을 일정하게 유지하면 에너지 절감에 도움이 됩니다.
- 전력 품질 개선: 고조파, 플리커 등 전력 품질 문제는 설비의 수명을 단축시키고 에너지 손실을 야기합니다. 적절한 필터를 설치하여 전력 품질을 개선하면 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
- 스마트 그리드 도입: 스마트 그리드를 도입하면 실시간으로 에너지 사용량을 모니터링하고, 효율적인 에너지 관리가 가능합니다. 예를 들어, 피크 시간대에는 전력 사용량을 줄이고, 야간에는 전력을 저장하여 활용하는 등의 방식으로 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
2. 전동기 부하 사용 측면
- 고효율 전동기 사용: 고효율 전동기는 일반 전동기에 비해 에너지 효율이 높아 전력 소비를 줄일 수 있습니다.
- 인버터 제어: 인버터를 사용하여 전동기의 속도를 정밀하게 제어하면 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 펌프나 팬 등의 부하는 필요한 만큼만 구동하여 에너지를 절약할 수 있습니다.
- 부하 최적화: 각종 부하의 가동 시간, 가동률 등을 분석하여 불필요한 부하를 줄이고, 부하를 최적화하면 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
- 정기적인 점검 및 보수: 전동기의 상태를 정기적으로 점검하고, 필요한 경우 보수를 실시하여 효율을 유지해야 합니다.
- 소프트 스타터 사용: 전동기 기동 시 발생하는 큰 전류를 줄여 전력 계통에 미치는 영향을 완화하고, 전동기의 수명을 연장할 수 있습니다.
3. 기타
- 에너지 관리 시스템 도입: 에너지 사용량을 실시간으로 모니터링하고 분석하여 에너지 절감 목표를 설정하고 관리할 수 있는 시스템을 도입하는 것이 효과적입니다.
- 직원 교육: 에너지 절약에 대한 중요성을 인식시키고, 에너지 절약을 위한 행동 변화를 유도하는 교육을 실시해야 합니다.
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