[기술특집] 자기(磁氣) 에너지 회생 스위치(MERS)에 의한 단상 유도전동기의 역률 개선

▶ 개요

단상 유도전동기는 전등선에서 간단하게 이용할 수 있기 때문에 1㎾ 미만 소용량 전동기로서 가정용, 농업용, 소규모 공장용으로 많이 사용되고 있다.
그러나 역률은 0.3~0.7% 정도로 같은 정격의 삼상 유도기에 비해 떨어지는 등의 문제점이 있다.
역률이 나쁜 부하가 증가하면 전원 용량의 증대를 초래하고 전원 전류가 증가함에 따라 송전 손실도 증가한다. 따라서 역률을 개선하면 수전 전원 용량(VA) 및 코스트 삭감과 에너지 절감으로 이어진다.
단상 유도전동기를 인버터 구동으로 특성을 개선하는 연구도 진행되고 있지만, 제어 장치의 가격이 전동기 본체의 약 3배나 되는 등 원래 용량이 적고 저렴한 기계에 고가의 복잡한 제어 장치를 이용하는 것은 코스트 측면을 고려해 볼 때 실용화되기 어렵다.
여기에서는 간단한 회로 및 제어로 교류회로의 역률을 개선하는 자기 에너지 회생 전류 스위치(MERS : Magnetic Energy Recovery Switch)를 단상 유도전동기에 적용하여 역률을 개선함과 동시에 코스트도 포함시키는 MERS 실용성에 대해 설명한다.
MERS는 교류 회로에 직렬 삽입하는 전류 스위치로, 구성·제어가 단순하기 때문에 저코스트로 역률을 개선할 수 있다. 더욱이 부하가 변해도 피드백 제어 없이 자동적으로 역률을 하나의 상태로 안정적으로 가질 수가 있기 때문에 단상 유도전동기에 적용하기 적합하다.


▶ MERS 전원 동기 위상제어에 의한 역률 개선

1. MERS에 의한 역률 개선 원리
<그림 1>은 단상 유도전동기에 MERS를 적용했을 경우의 회로도다.
MERS는 교류전원과 단상 유도기 사이에 직렬로 삽입된다. 기본적으로는 S1 · S3을 On으로 하거나 S2 · S4를 On으로 하여 MERS를 제어한다.
스위칭을 반복하고 부하 인덕턴스의 자기 에너지가 MERS 콘덴서로 흡수되어 직류전압 Vc가 자동적으로 발생한다. 따라서 S1·S3을 On으로 하는 경우에는 MERS 양끝에 그림 속 정방향의 전압Vmers이 발생하고, S2·S4를 On으로 하는 경우에는 반대로 부방향의 전압이 발생한다. 그 때문에 전원 전압V1와 교류전압 Vmers의 합이 부하에 인가됐다.



그래서 S1·S3 및 S2·S4의 스위칭 위상을 전원 전압 위상에 대해 π/2 진행 위상으로 하는 것으로, Vmers는 전원 전압에 대해서 π/2 진행 위상의 전압이 된다. 그 결과 부하 인덕턴스로 발생하는 전압이 Vmers에 의해 보상됐기 때문에, 부하의 저항분에 걸리는 전압은 전원 전압과 같아져 회로의 역률이 개선된다.

2. 제어 회로
게이트 제어 회로도를 <그림 2>로 나타냈다.
전원 전압V1을 RC 회로로 π/2 진상의 전압을 발생시키고 포토 볼(Photo-Vol)(TLP90B)의 1차측에 입력한다. 포토 볼은 적외 LED와 포토다이오드(Photodiode) 어레이(Array)를 합친 전력 전송이 가능한 광절연 소자로, IGBT를 직접 구동할 수 있다. 동작 속도는 0.2ms 이하로 느리지만, MERS의 스위칭 주파수는 전원 주파수와 같은 50㎐이기 때문에 속도가 충분하다. <그림 3>은 제작된 MERS 모듈로, 제어 회로를 포함시켜도 간단한 구조로 실현할 수 있다.



단상 유도전동기의 역률 개선에는 부하율이 변한 경우에도 피드백에 의한 단상 제어 등은 행하지 않고, 보통 전원 위상에서 π/2 빗겨간 위상으로 스위치를 행한다.

3. 동기 위상 제어에 의한 실험
실험에 이용된 단상 유도기의 주요 사양을 <표 1>로 나타냈다.
정격부하 400W의 콘덴서 시동형 유도기다. 무부하 시 단상 유도기 리액턴스는 XL=13.4Ω이기 때문에 MERS의 콘덴서는 Xc ≪ XL이 되도록 820㎌의 전해 콘덴서로 바꿔 실험했다.



MERS를 삽입한 경우 유도기에 인가된 전압은 전원 전압보다 상승하기 때문에 전원에 강압 스위칭을 장치하여 유도기에 인가된 전압 실효치가 100V가 되도록 조절하여 측정했다. 부하 시험은 시험 설비를 이용하여 제품 시험과 같은 요령으로 행했다. 부하기에는 직류기를 이용하여 여자 전류를 제어하는 것으로 부하 토크·회전수를 설정하고 부하율(정격출력에 대한 부하출력비) 25%, 50%, 75%, 100%, 125%로 측정했다.
한편 MERS에 이용한 IGBT 최대 정격·전기적 특성을 <표 2>로 나타냈다.



4. 시험 결과
<그림 5>는 부하율 100%(단상 유도기의 기계 출력은 400W)일 때의 전원 전압 V1, 유도기 인가전압 V2, 전압 전류 i1, 유도기 전류 i2, MERS 콘덴서 전압 Vc의 파형을 측정한 결과다.
V1과 i2의 기본 파 성분의 역률은 1이지만, 전류파형에 왜곡이 발생해 i1 및 i2의 전 고주파 왜율(THD)은 모두 27%다. MERS 콘덴서에 발생되는 전압 Vc는 부하 리액턴스 전압을 보상하는 전압이 되기 때문에 유도기의 등가회로로 구한 리액턴스를 XL로 하면 다음 식으로 표시할 수 있다.



단, 슬라이닥스의 누설 리액턴스는 충분히 적기 때문에 여기에서는 무시했다. Vc=Vmers이기 때문에 측정한 콘덴서 전압 실효값을 이론값과 비교하면 <표 3>과 같이 실험값과 거의 일치한다. 차이를 조금 보이는 것은 전류파형의 왜곡에 의한 고주파 성분 때문인 것으로 생각된다.
<그림 6>은 부하율을 바꿨을 때의 역률을 비교한 결과다.
부하율 100%일 때 MERS가 없는 경우에는 역률이 0.72였지만, MERS를 이용한 경우에는 0.96까지 개선됐다. 부하율 25%일 때에는 0.39에서 0.86까지 개선됐다. MERS 적용 시 역률은 부하율에 의존하지 않고 0.9 정도를 유지하고 있지만, 완전하게 1은 되지 않고 부하가 가벼울수록 역률은 저하된다. 이것은 MERS의 스위칭 주파수가 50㎐로 전류파형에 왜곡이 생겨 고주파 성분이 남으므로, 기본파 역률은 1이지만 종합 역률은 약간 저하됐기 때문이다.
<그림 7>은 전원전류 i1의 실효값 I1를 각 부하율로 비교한 결과를 나타낸 것이다. 역률이 개선됐기 때문에 무효분의 전류가 없어져 전류치가 대폭적으로 저하된다. 이 결과로 MERS 적용 시 전원 용량의 저하 및 배전선으로의 손실 저하를 기대할 수 있다.
<그림 8>은 유도기에 흐르는 전류 i2의 실효값 I2에 MERS를 적용하지 않은 경우로, 부하를 바꿔 비교한 그래프다.
유도전동기에 인가된 전압은 모든 경우에 V2=100V였기 때문에 유도기에 흐르는 전류는 거의 차이가 없지만, 고주파 전류의 증가에 의한 약간의 전류치 증가를 확인할 수 있다. 한편 <그림 9>는 유도기 효율을 비교한 그래프다. 여기에서의 효율은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.



이는 유도기 손실과 MERS에서의 손실을 포함한 효율이다. MERS를 삽입해도 유도기 특성 자체는 변하지 않기 때문에 효율은 거의 같다. 그러나 MERS를 삽입함으로써 약간의 효율 저하를 얻을 수 있다. MERS에서의 손실은 IGBT 스위칭 손실과 도통(道通) 손실이 있는데, 스위칭 주파수가 50㎐이기 때문에 IGBT에 의한 스위칭 손실은 무시할 수 있을 정도로 적다. 따라서 IGBT의 도통 손실 증가가 효율 저하의 주요인이다.
이상의 결과에서 MERS를 단상 유도전동기에 적용함에 따라, 고주파 전류가 조금 발생하지만 유도기 특성은 변하지 않아 전원 측에서 본 역률 개선과 전원전류 저하가 가능하다고 할 수 있다.


▶ MERS의 PWM 제어에 의한 전류파형 개선

교류전원과 같은 주파수로 MERS를 스위칭한 경우 기본파 역률은 1이 되지만, 고주파 성분이 남기 때문에 종합 역률은 1이 되지 않는다. 또 고주파 전류는 토크 맥동 및 유도기 손실 증가로 이어지는 등의 문제점도 있다. MERS의 PWM 제어를 함으로써 전류 파형을 개선하여 이런 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. MERS의 S1 · S3 및 S2 · S4를 PWM 스위칭하여 Vmers를 정현파 상태의 전압파형으로 하고, 유도기 리액턴스 전압을 보상함으로써 유도기에 왜곡이 없는 정현파 전류를 흐르게 할 수 있다.

1. 실험 회로
<그림 10>은 PWM 제어 시 블록도를 나타낸 것이다.
역률을 1로 하고 유도기의 인가전압 실효값 V2가 100V가 된 부하 전류 i2를 흘리기 때문에 전류 전압 V1를 K1배로 하여 적당한 참조전류 i를 설정한다.
그리고 i와 i2의 차분을 구해 PI제어로 MERS의 각 소자를 On-Off한다.
<표4>에PWM 제어시MERS에사용한MOSFET의주최대정격과전기적특성을나타냈다.
고주파 스위칭을 행하기 때문에 IGBT가 아닌 고속으로 On 저항이 작은 MOSFET을 사용했다.



측정은 동기 위상 제어의 경우와 같이 유도기 제조업체의 부하 시험기를 이용했다.

2. 시험 결과
<그림 11>은 부하율 100%로 PWM 제어할 때의 각 전류·전압 파형을 나타낸 것이다.
PWM 제어로 인해 부하 인가전압 V2에는 고주파 성분을 볼 수 있다. 그러나 부하 전류 i2의 전 고주파 왜률 THD는 5.7%가 되고 제3주파 함유율도 1.4%로 저차 고주파가 대폭으로 저감했다. 또 V1과 i1의 위상이 일치하여 PWM 제어에서도 역률 개선이 가능함을 확인할 수 있었다.
MERS 양끝 전압 Vmers 측정 파형을 <그림 12>로 나타냈다.
고주파 성분을 제거한 기본파 성분은 그림과 같이 전원 전압 V1에 의해 위상이 π/2 진행 정현파가 되는데, 그 전압 실효값은 54.4V다. 유도기의 등가회로에서 요구한 경우 부하 리액턴스 XL= 5.93Ω, 전류 실효값 I2 = 9.11에서 ⑴식으로 구한 리액턴스 전압 실효값은 54.0V이며, MERS으로 부하 리액턴스 전압을 보상함으로써 역률이 개선된 것을 확인할 수 있었다.



<그림 13>은 각 부하율에서 역률을 측정한 결과다.
PWM 제어 시 위의 동기 위상 제어를 했을 때 MERS을 이용하지 않은 경우를 나타내고 있다. 간단한 동기 위상 제어의 경우에는 역률이 0.9 정도였지만, PWM 제어를 행한 경우에는 역률이 거의 1로 일정하므로 경부하 시에도 역률은 저하하지는 않는다. 동기 위상 제어에서는 전류에 고주파 성분이 남기 때문에 충분한 역률 개선이 어렵지만, PWM 제어에서는 MERS에 의해 전류를 정현파로 제어할 수 있으므로 역률을 1로 하는 것이 가능하다는 사실이 입증됐다.



▶ 역률 개선 효과

MERS로 단상 유도전동기 역률을 개선할 수 있다는 사실을 알 수 있는데, 다음에서는 단상 유도기를 이용하는 시판 중인 냉장고에 MERS를 적용하여 그 효과를 실증한다. 소형 단상유도기는 코스트적인 제약 때문에 인버터화되기가 어렵다. 특히 냉장고 등은 연간 가동 시간이 길기 때문에 저역률인 것은 전력의 유효 이용 면에서 문제가 생긴다.
MERS로 역률을 쉽게 개선함으로써 전원 전류 · 배전손실의 삭감을 기대할 수 있다. <그림 14>는 공장내 등에서 긴 배전선(100m)에 단상유도기가 접속된 상태를 상정한 실험의 모식도다.



전력계, 배전선 뒤에 MERS을 직렬 삽입한 냉장고를 접속하고 MERS 유무의 장소에 두고 전력계 이하에서 소비되는 전력을 비교했다. MERS 제어에는 간단한 동기 삼상 제어로 하고 PWM 제어는 행하지 않는다. 또 냉장고로 인가되는 전압은 모두 100V가 되도록 MERS가 있을 때에는 강압 트랜스를 이용해 조정했다. 역률 · 소비전력 · 입력전류 · 배전선에서의 손실을 측정한 결과를 <표 5>로 나타냈다.
역률이 대폭 향상되면 동시에 입력전류가 저하되고 배전선의 손실이 13.9W에서 7.2W로 반 정도나 감소했다. 냉장고가 반년 동안 계속 운전을 하는 경우에는 약 57㎾h의 전력량이 되는데, 이는 전기요금으로 환산하면 약 900엔(종량 전등 B : 도쿄전력)이 절약되는 셈이다. 또 피상전력도 약 30% 저감되어 전원 용량의 삭감으로 이어진다. MERS 모듈은 구성이 간단하기 때문에 경제적으로도 충분한 효과를 기대할 수 있다.


▶ 마무리

간단한 회로·제어로 역률을 개선할 수 있는 직렬형 전류 스위치인 MERS를 단상 유도전동기에 적용하여 그 효과를 실증했다. MERS 제어법으로 간단한 전원 주파수 동기 위상 제어와 PWM 제어를 제안했다. 동기 위상 제어에서는 부하율에 의존하지 않고 유도전동기 역률을 보통 0.9 이상까지 개선하는 효과를 얻을 수 있다. 그러나 전류 파형에 약간의 왜곡이 발생하여 고주파 전류가 남았다.
한편PWM 제어에서는고주파성분을제거하고역률을 완전하게 1로 하는 것이 가능함을 실증했다. 또한 실제 전기제품에 MERS를 적용하여 역률을 개선함으로써 전원 용량을 약 30% 삭감하고 배전선(100m)에 의한 손실을 13.8W에서 7.2W까지 저감하여 에너지 절감 효과가 있음을 확인 할 수 있었다.
MERS를 이용한 역률 개선은 직렬형 전력 제어기 때문에 부하에 인가된 저압이 상승한다. 이것은 전원 전압이 저하되는 대책도 되지만, 단상 유도전동기에 권선수를 늘리는 등 MERS를 이용한 것을 전제로 한 고내압 설계로 고역률의 기기를 저렴하게 실현할 수 있다.