특집&기획기사

[SPECIAL FEATURE ①] 일본의 탑러너 규제와 모터 효율 IEC 규격

김대근 기자
입력 2018.04.01 00:00

[SPECIAL FEATURE ①]
일본의 탑러너 규제와 모터 효율 IEC 규격

탑러너 모터(프리미엄 효율 모터; IE3 모터)는 에너지 절약 및 절전뿐 아니라, 온난화 가스의 배출량 절감 및 지구환경 보전, 산업계의 지속 가능한 성장 등에 크게 기여한다. 본고에서는 탑러너 모터에 대해 소개하고, 일본을 비롯한 각국의 전동기 고효율법 규제화 현황 및 모터 관련 규격에 대해 알아본다.

정리 편집부

최근 국내외적으로 에너지 소비량의 현저한 증가와 지구환경 문제에 대한 국제적인 관심이 고조되는 가운데 에너지 소비와 밀접한 연관이 있는 지구 온난화 문제의 해결을 위해 에너지 수요 증가의 억제가 매우 중요한 과제가 되고 있다.

이러한 상황에서 기계기구 등에 관한 에너지 절약 대책으로 현재 에너지 사용 합리화 등에 관한 법률(이하 「에너지 절약법」)에서 규정하고 있는 기계기구 등에 관한 조치, 이른바 「탑러너(Top-Runner) 제도」에 의해 제조 사업자 또는 수입 사업자(이하 「제조 사업자 등」)에 대한 규제가 실시되고 있다. 제도 개시 이후 에너지 효율 개선이 꾸준히 도모되고 있지만 지속적으로 에너지 절약 대책을 추진할 필요가 있다.

삼상유도전동기는 3상 교류 전력을 동력으로 변환하는 기기로, 산업부문에서 ▲펌프 ▲송풍기 ▲압축기 등 다양한 용도로 폭넓게 이용되고 있다. 삼상유도전동기에 의한 소비 전력량은 전 세계 소비 전력량의 40~50%를 차지하며, 일본에 있어서도 산업부문의 소비 전력량의 약 75%, 전체 소비 전력량의 약 55%를 차지하고 있어 상당량의 에너지를 소비하는 기기라고 할 수 있다.
이에 따라 미국, 유럽 등지에서도 ‘고효율법 규제’가 진전되고 있다는 점 등을 감안해 2013년 11월 1일에 에너지 절약법 제78조에 규정된 에너지 소비 성능의 향상 도모가 특히 필요한 기기로서 삼상유도전동기가 탑러너 제도의 대상기기에 새로 추가되었다. 이에 의거해 목표연도인 2015년 4월 1일부터 효율 규제가 개시되었다. 아울러 목표 기준치는 국제규격(IEC)과의 정합을 도모하여 프리미엄 효율(IE3: [표 1] 참조)로 하고 있다.본고에서는 ▲전동기의 효율 분류 ▲각국의 고효율법 규제화 현황 ▲일본의 탑러너 기준 ▲모터 관련 규격의 개요 등을 중심으로 해설을 진행한다.

모터의 효율 분류

JIS C 4034-30 : 2011 「회전 전기기계 - 제30부: 단일속도 3상 농형유도전동기(三相籠形誘導電動機)의 효율 등급(IE 코드)」에서는 대상 출력이 0.75kW~375kW, 극수가 2, 4, 6극인 3상 유도전동기의 효율 등급(IE 코드)이 규정되어 있다. 해당 규격에서는 JIS C 4034-2-1 : 2011 「회전 전기기계- 제2-1부: 단일속도 3상 농형유도전동기의 손실 및 효율의 산정 방법」에서 규정하는 산정 방법(불확실도 ‘낮음’)을 이용하여 3상 유도전동기의 효율 등급(IE 코드)을 규정하고 있다.

효율 등급(IE 코드)이란 효율을 등급별로 분류한 것으로서 IE1(표준 효율), IE2(고효율), IE3(프리미엄 효율), IE4(슈퍼 프리미엄 효율)라는 4개의 등급이 정해져 있다.

효율 등급(IE 코드)과 JIS규격의 비교를 [표 1]에, 효율 기준치가 규정되어 있는 IE1~IE3의 효율 비교(50Hz, 4극의 예)를 [표 2]에 나타냈다.

JIS C 4034-30의 기초가 된 국제 규격 IEC 60034-30은 2014년도에 개정되어 IEC 60034-30-1로 발행되고 있다. 개정에 따라 적용 범위가 0.12kW~1000kW로 넓어졌다. 효율 등급은 IE4의 구체적인 효율치 기재와 미래의 등급으로 IE5가 정의되어 있다. IE5 이상의 등급은 정의하지 않는 것으로 기재되어 있다. IE5는 현재의 기술로는 경제적인 제품으로 판매되기 어렵다.

JIS C 4034-2-1의 기초가 된 국제 규격 IEC 60034-2-1은 2015년도에 개정되면서 시험 절차를 알기 쉽게 흐름도(flow chart)로 기재하고 온도 시험에 관한 개선이 이루어지고 있다. 향후 최신 국제 규격에 맞게 JIS를 개정해야 한다는 요구가 제기되고 있다.

각국의 고효율법 규제화 현황

세계 규모의 CO² 절감 및 에너지 절약 시책이 추진되고 있는 가운데 유럽과 미국을 비롯한 에너지 소비 대국에 있어 전동기의 고효율화가 매우 효과적인 시책으로 평가됨에 따라 국제적으로는 모터 개체의 효율 향상을 도모하기 위한 움직임이 활발해지고 있다.
각국에서는 국제 규격(IEC)과의 정합성을 감안한 기준치를 설정, 최저 효율을 높게 정하고 최저 에너지소비효율 기준(MEPS; Minimum Energy Performance Standard)을 강화하는 방향을 지향하고 있다.일본에서는 주로 인버터 기술과 조합한 시스템으로 에너지 절약 추진을 도모해 왔지만, 전동기 자체의 고효율화는 거의 진전이 없는 실정이다. 이러한 환경하에 일본에서도 2015년부터 IEC 규격의 IE3 레벨을 목표 기준치로 적용하기로 결정했다. 각국의 고효율법 규제 시기와 그 적용되는 효율 등급을 [그림 1]에 나타냈다. 해외 규제 관련 최신 동향은 일본전기공업회(JEMA)의 WEB 사이트를 참조하면 된다.

탑러너 모터란

‘에너지 절약법 특정 에너지 소비기기’로 지정되는 3상 유도전동기의 목표 기준치는 국제 규격(IEC)과의 정합성을 도모하고 프리미엄 효율 IE3 레벨로 하고 있어 「탑러너 모터」, 「프리미엄 효율 모터」 또는 「IE3 모터」 등으로 부르기도 한다.

전동기 제조 업계단체인 일반 사단법인 일본전기공업회(JEMA)에서는 「에너지 절약법 특정 에너지 소비기기 지정 3상 유도전동기」의 호칭을 「탑러너 모터」로 통일하여 사용하고 있다.

3상 유도전동기의 기준치 달성의 목표 연도는 2015년도이며, 종합자원에너지조사회 에너지 절약 기준 부회 3상 유도전동기 판단 기준 소위원회의 최종 정리 보고서(2013년 6월)의 「3. 에너지 절약에 대한 제언 등」에서 「(3) 3상 유도전동기가 포함된 기계의 제조·수입업자의 대응」으로서 이하의 내용이 제시되었다.

① 에너지 소비 효율이 뛰어난 3상 유도전동기를 포함한 기계의 제조 및 수입을 위해 노력할 것.
② 에너지 소비 효율이 뛰어난 3상 유도전동기가 포함된 기계의 보급을 도모하는 관점에서 대상기계의 카탈로그 및 취급 설명서 외에도 사용자의 기계 선정에 있어 제조 사업자 등이 제시하는 자료에 3상 유도전동기의 에너지 소비 효율에 대해 기재하는 등 구매자가 에너지 절약 성능이 뛰어난 3상 유도전동기가 포함된 기계를 선택할 수 있도록 적절한 정보를 제공할 것.

탑러너 모터의 규제 대상 범위를 [그림 2]에 나타냈다.

【적용 범위】
일본공업규격 JIS C 4034-30 「회전 전기기계 - 제30부: 단일속도 3상 농형유도전동기의 효율 등급(IE 코드)」에서 규정되는 3상 유도전동기의 적용 범위를 기준으로 다음의 ①부터 ⑦까지의 조건을 모두 충족시키는 것.

①정격 주파수 또는 기저 주파수가 50Hz±5%인 것, 60Hz±5%인 것, 또는 50Hz±5% 및 60Hz±5% 공용인 것
② 단일속도인 것
③ 정격 전압이 1000V 이하인 것
④ 정격 출력이 0.75kW 이상 375kW 이하인 것
⑤ 극수가 2극, 4극 또는 6극인 것
⑥ 사용 유형이 다음의 (가) 또는 (나)의 조건에 해당하는 것

(가) 전동기가 열적 평형에 도달하는 시간 이상으로 일정 부하에서 연속운전하는 것(기호: S1)
(나) 전동기가 열적 평형에 도달하는 시간보다 짧고 일정 부하의 운전기간 및 정지기간을 1주기로 하여 반복하는 사용(기호: S3)에서 1주기의 운전기간이 80% 이상의 부하시간율을 갖는 것

⑦ 상용전원으로 구동하는 것

【적용 대상 제외】
· 인버터 구동 전용으로 만들어진 것(기저 주파수가 50Hz±5% 또는 60Hz±5%인 것은 대상에 포함)

· 기계(예를 들면, 펌프, 팬, 컴프레서)에 포함되어 기계에서 분리하여 시험을 할 수 없는 것

인버터 개체 및 인버터 구동 전동기의 효율
지금까지 기술한 대로 단일속도로 구동하는 농형유도전동기의 효율 등급 및 산정 방법이 표준화되면서 일본, 유럽, 미국을 비롯한 각국에서 고효율 모터를 제조하도록 규제가 가해지고 있다. 그러나 그 규격 및 제조 관련 규제에서 인버터 구동 전용의 유도전동기 및 영구자석형 동기전동기(PM 모터) 등은 대상에서 제외되고 있다.현재 IEC에서는 인버터 개체 및 인버터 구동 전동기의 효율 산정 방법 및 효율 등급에 대한 표준화 검토가 실시되고 있으며, 앞으로는 유럽을 비롯한 각국에서 인버터 개체 및 인버터 구동 전동기의 효율 규제가 실행될 것으로 예상된다.

하나의 예로 포르투갈 코임브라 대학의 알메이다 교수는 2016년 10월 스위스에서 개최된 모터 정상회담에서 “관계자 전원이 동의하지 않아 예정대로 진행되지 않는다”고 운을 떼면서 유럽의 규제 확장에 대한 방침을 설명했으며 그 내용의 개요는 [표 3]과 같다(유럽의 효율 규제에 대한 검토 상황은 유럽 ECEEE의 LOT30에 관한 WEB 사이트^*를 참조하면 된다).

* http://www.eceee.org/ecodesign/products/special-motors-not-covered-in-lot-11/

인버터 개체 및 인버터 구동 전동기의 효율 규격에 대한 적용은 [표 4]와 같다. IEC TS 60034-30-2는 2016년 12월에 발행되었고, IEC 60034-2-3의 규격 발행은 2018년경에, IEC 61800-9-2의 규격 발행은 2017년 상반기로 보고 있다.