Win-Win Tech - 전력소비 절감을 위한 수퍼 프리미엄급 효율의 유도기동형 동기전동기 개발
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
정인성 센터장 전자부품연구원 지능메카트로닉스연구센터 isjung@keti.re.kr
현대 사회는 전기 기반 사회라고 해도 과언이 아니다.
자동차, 항공기, 선박 등의 수송기기와 보일러 등의 열기기는 석유, 가스 등의 1차 에너지를 그대로 사용하지만, 산업 및 가정에서의 에너지 소비의 상당 부분은 전기로 변환된 2차 에너지를 사용하고 있다.
그림 1 은 전기 에너지의 전 세계 최종 소비 비율을 나타내고 있다. 조명(Lighting), 난방(Heating) 등으로도 사용되고 있지만, 전동기(Electric Motors)에 의해 소비되고 있는 비중이 40% 정도로서 가장 큰 비중을 보이고 있다.
전동기는 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하는 에너지 변환 기기로서, 전동기와 함께 펌프, 팬, 압축기, 바퀴 등이 연결되어 다양한 기능을 수행하게 된다.
한국전기연구원 등의 자료에 따르면 국내의 경우에는 전동기의 전력소비 비중이 더욱 높아 전력 소비의 60% 가량이 전동기에 의해 소비되고 있다.
따라서, 전동기의 에너지 변환효율을 1%만 높인다고 하여도 국가 전력의 0.6%를 절약할 수 있다는 계산이 나오며, 5% 효율 향상은 전력의 3%를 절약하는 효과로서 전동기의 효율향상은 국가에너지 정책에 있어 중요한 사안이 된다.
전동기는 구동원리, 전원의 종류 등에 따라 다양하게 분류된다. 구동원리(힘발생 원리)에 따라서는 자기력(Magnetic Torque)
형, 릴럭턴스(Reluctance Torque)형, 유도(Induction Torque)형으로 구분할 수 있으며, 전원의 종류에 따라서는 직류(Direct
Current, DC) 전동기와 교류(Alternate Current, AC) 전동기로 분류된다.
또한, 교류 전동기는 입력전원의 주파수와 전동기 회전자의 회전주파수가 일치하는 동기전동기(Synchronous Motor)와 일치하지 않는 비동기전동기(Asynchronous Motor)로 세분된다. 전통적으로 직류 전동기로는 브러시형 직류 전동기가 가장 널리 사용되고 있으며, 교류 전동기로는 유도 전동기(Induction Motor)가 가장 많이 사용되어 왔다.
유도 전동기는 고정자측에 3상의 권선을 시행하여 교류전원을 입력으로 받아 회전자계를 형성하고, 회전자에는 알루미늄 도체바를 설치하여 회전자계 내에서 와전류(Eddy Current)가 흐르게 함으로써 회전력을 발생한다.
구조가 간단하여 제조가 용이하며, 수명이 길고 유지보수가 간단하다는 장점을 가지며, 재료비가 저렴하면서 대용량까지 제작이 용이하다는 장점으로 인해 산업동력용 및 가정용 등으로 광범위하게 사용되고 있다.
그러나, 토크 발생을 위해 회전자에 와전류가 유기되어야 하므로, 이로 인한 추가적인 손실로 인하여 상대적으로 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
반면, 회전자에 영구자석을 채용함으로써 와전류 손실 없이도 토크를 발생하는 구조의 영구자석형 전동기가 지속적으로 사용이 확대되고 있다.
이는 종래의 브러시형 DC 전동기로부터 발전한 것으로서 BLDC(Brushless DC) 전동기라고 부르며, 반도체 전력소자들로 구성된 인버터라는 구동회로를 통해 구동제어가 필요하다는 단점이 존재하지만, 효율 특성이 우수하고 가변속 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
영구자석의 높은 가격 및 제작상의 제약으로 인하여 VTR, HDD 등의 전자·정보기기용 소형 전동기를 시작으로 하여 냉장고, 에어컨, 세탁기 등의 가전기기, 정밀제어용 서보모터 등 산업자동화용 전동기로 용량과 시장을 확대해 나가고 있다.
그러나 이러한 BLDC 전동기는 필수적으로 인버터가 필요하다는 제약으로 인하여, 상용 AC전원에 바로 연결하여 정속으로 구동하는 대부분의 응용분야에는 가격경쟁력을 가지지 못하고 있어, 효율은 낮으나 가격 경쟁력이 높은 유도전동기가 정속형 시장의 대부분을 점유하고 있는 실정이다.
현재, 전력소비량 기준으로 가변속형 전동기 시장 대비 정속형 전동기 시장의 비율은 80%에 이르고 있어, 가격이 저렴하면서도 효율이 높은 전동기의 개발이 중요한 실정이다.
실제로 국내 자료에 의하면, 전동기에서 소비되는 전력의 70%가 3상 유도전동기에 의해 소비되고 있다.
정부에서는 이러한 현실을 반영하여 2008년부터 산업용 3상 유도전동기의 최저효율제를 실시하고 있다.
이는 기존에 대부분 사용하던 일반 효율급의 유도전동기는 판매/유통을 금지하고, 고효율 등급 이상의 유도전동기만 제조/판매가 가능하도록 강제한 규정이다.
유도전동기는 개발의 역사가 오래되었고 산업적으로 광범위하게 사용되고 있기 때문에, IEC(International Electrotechnical Commission, 국제전기표준회의)에서는 전동기의 효율을 그림 2 와 같이 4가지 등급으로 분류해서 제시하고 있다.
전동기는 구동원리상 용량이 클수록 효율이 높아지므로 용량에 따른 효율의 그래프로 나타나게 된다.
전통적으로 많이 사용되던 일반적인 유도전동기를 일반효율급(IE1)으로 정의하고, 이보다 손실을 일정비율 줄여 효율을 3~5% 정도 향상시킨 전동기를 고효율급(IE2), 이보다 한 단계 더 효율을 향상시킨 것을 프리미엄급 고효율(IE3), 그 다음 단계를 수퍼 프리미엄급(IE4)로 규정하였으며, 등급이 올라갈수록 전동기의 효율은 높아지나, 이를 위하여 전동기의 재료를 보다 우수한 등급으로 사용하고 제조공정을 까다롭게 관리하게 되어 전동기의 가격이 상승하게 된다.
전자부품연구원 지능메카트로닉스연구센터에서는 상용 AC 전원에 바로 연결하여 사용하는 유도전동기 시장을 대체할 수 있는 보다 고효율의 전동기 기술로서 유도기동형 동기전동기 기술개발을 진행하였다.
유도전동기는 여자전류(Exciting Current)와 회전자 동손이 존재하기 때문에 원리상으로 효율을 수퍼 프리미엄급으로 높이기에는 한계에 직면하고 있는 상황이다.
따라서, 인버터 없이도 구동이 가능한 유도전동기의 장점과 고효율 특성의 영구자석 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)의 장점을 채택한 저가격, 고효율의 유도기동형 동기전동기 구조로 수퍼 프리미엄급 효율을 달성하는 것으로 방향을 수립하였다.
그림 3 은 유도기동형 동기전동기의 단면 구조를 나타내고 있다. 고정자는 3상의 코일이 권선되어 있는 유도전동기의 구조를 그대로 유지하고 있으며, 내측의 회전자에 도체바를 가지고 있는 유도전동기의 구조와 회전자에 영구자석을 가지고 있는 영구자석형 전동기의 구조를 합하여, 회전자에 도체바와 영구자석을 모두 가지고 있는 구조이다.
유도기동형 동기전동기는 기동시에 유도기의 원리로 동작하므로 별도의 인버터 사용 없이 상용 교류전원의 인가만으로 기동이 가능하다.
따라서 Line-Start Permanent-magnet Motor(LSPM)라고도 호칭한다.
기동하여 동기속도로 가속된 정상상태에서는 동기기로 운전되기 때문에 종래의 유도전동기에 비하여 높은 효율특성을 얻을 수 있다.
그림 4 는 LSPM의 손실저감 원리를 나타내고 있다. 유도전동기에서 필연적으로 발생하는 회전자 도체바에서의 와전류 손실을 없앨 수 있기 때문에, 그만큼 손실을 저감하여 전동기의 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다.
LSPM의 단점으로는 두 가지 상반된 토크특성이 중첩되어 나타나기 때문에 설계가 매우 난이하며, 기동특성이 본질적으로 양호하지 못하다는 특징을 가진다.
즉, 기동시에는 회전자 바에 의해 유도기 토크가 발생하여 가속되나, 이와 더불어 자석에 의한 방해 토크가 동시에 발생하여 기동특성을 악화시키는 것이다.
이는 기동시 높은 부하토크 특성을 가지는 압축기 부하에의 적용을 어렵게 하며, 전압변동에 따른 강인성도 약화될 수 있다.
또 다른 특징으로는, 잘못 설계하면 기동시에 유입되는 높은 전류에 의해 영구자석에 영구감자(Demagnetization)가 일어나서 전동기가 초기 특성을 잃을 수 있다는 것이다.
따라서, LSPM의 설계시에 이러한 사항들을 고려하여 매우 세밀하게 특성분석 및 형상/치수 결정을 진행해야 한다.
그림 5 는 380(V)의 전압을 인가하고 1800(rpm)로 회전시켰을 경우, 설계 모델의 자속밀도 및 자속선도를 나타내고 있다.
이때 자속 포화가 심하게 발생하는 구간은 자석 양 옆의 베리어 부근임을 확인할 수 있다.
수백W에서 수백 kW까지 광범위한 용량으로 생산되는 전동기중 7.5kW 이하급의 유도전동기가 산업용 유도전동기 중에서도 50%이상을 점유하고 있다는 점에 기반하여, 본 연구센터에서는 3상 전원 구동용의 LSPM을 2.2, 3.7, 5.5, 7.5kW급의 4종을, 단상 전원 구동용으로 0.25~1kW 범위의 4종을 설계/개발하였다.
다음의 표 1 및 표 2 는 개발된 LSPM들의 용량별 효율치들을 정리한 것이다. 3상 LSPM들의 경우 효율이 91~94%를 나타내었으며, 단상 LSPM들의 경우 효율치가 약 80~89%를 나타내어, 모두 수퍼 프리미엄급의 높은 효율 특성을 달성한 것을 알 수 있다.
그림 6 은 시장에서 판매되고 있는 국내외 유도전동기들과 개발된 LSPM과의 효율을 비교한 그래프로서, 3상 및 단상 모두 5~10% 가량 효율이 높음을 알 수 있다.
그림 7 은 개발한 3상 3.7kW급 LSPM을 동일 출력의 유도전동기를 사용하던 수중펌프에 교체하여 펌프 성능을 시험하는 장면이다.
실험결과, 일반 유도전동기를 사용하던 수중펌프의 운전효율이 51.6%였는데, 개발한 LSPM으로 전동기를 대체시에 펌프의 운전효율이 61.2%로서, 약 19%의 효율 향상을 확인하였다.
본 적용사례와 같이, LSPM의 응용분야로는 팬, 펌프, 컴프레셔 등을 들 수 있으며, 현재 이러한 분야에 사용되는 산업용 유도전동기는 인버터가 필요한 영구자석형 전동기에 비하여 저가격의 장점은 있지만 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있으므로, 향후 에너지 효율의 인식 제고에 따라 시장의 점진적인 수요 확대가 기대된다.