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[SPECIAL FEATURE ②] 범용 유도기의 손실과 고효율화
2018년 4월 1일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 4월호 - 전체 보기 )

[SPECIAL FEATURE ②]
범용 유도기의 손실과 고효율화


전 세계적으로 에너지 절약화가 추진되고 있는 가운데 전력의 많은 부분을 차지하고 있는 모터의 고효율화가 진행되고 있다. 그 중에서도 유도전동기는 견고하다는 장점과 더불어 가격이 저렴하기 때문에 산업동력용으로 다수 이용되고 있어 유도전동기의 고효율화가 가져오는 에너지 절약 효과는 상당히 높을 것으로 평가되고 있다. 이에 따라 일본에서는 유도전동기를 포함한 산업용 모터에 대한 탑러너 규제가 도입되기에 이르렀다. 본고에서는 유도전동기, 특히 범용 3상 농형유도전동기(이하, IM)의 손실에 대한 일반적 사항과 일본 각사에서의 IM 고효율화 기법을 소개한다.

정리 편집부

IM의 손실 
IM의 기본 구조와 등가 회로
[그림 1]에 고정자 권선을 제거한 IM 단면의 예를 나타냈다. 고정자(1차측)는 고정자 철심과 고정자 권선으로 구성되어 있으며, 회전자(2차측)는 회전자 철심과 회전자 도체(알루미늄 주조)로 구성되어 있다. 회전자 도체는 회전자 양단에서 단락환(엔드링; Endring)에 의해 단락되어 있다. 회전자는 회전축을 통해 베어링으로 지지되어 있고, 고정자와 회전자 사이는 0.2~0.5mm의 갭(간격)이 있다. 고정자 철심과 회전자 철심 모두 와전류손 저감을 위해 0.25~0.5mm의 전자강판을 적층
하고 있다. 이 IM 손실을 포함한 특성을 산출할 경우, [그림 2]에 나타낸 T형 등가 회로(3상 중 성형(星形) 1상분)가 사용된다.


손실의 개요
IM의 각 구성 요소에 손실이 발생했다. 그 손실은 일반적으로 ▲동손 ▲철손 ▲기계손 ▲표유부하손으로 대별된다.

(1) 동손
IM의 권선에 전류가 흐름으로써 생기는 주울 손실(joule損). [그림 2]의 등가 회로에서 1차 동손은 3I₁²r₁, 2차 동손은 3(I₂′)²r₂′로 구해진다(계수의 3은 3상인 경우).

(2) 철손
고정자 철심 및 회전자 철심을 통과하는 자속의 변화에 의해 발생하는 히스테리시스손과 와전류손의 합. IM의 운전 상태에서 회전자 도체에 흐르는 전류의 주파수는 수 Hz로 낮기 때문에 회전자 철심에서의 철손은 일반적으로 작게 보고 통상 고정자 철손을 문제로 삼는다. 그러나 운전 중인 고정자 철손을 측정하는 방법이 확립되어 있지 않기 때문에 일반적으로 무부하시의 철손(무부하 철손)을 IM의 철손으로 취급한다. 이 경우, [그림 2]의 등가 회로상에서 3IM²ri로 구할 수 있다.

(3) 기계손
IM의 회전에 의해 발생하는 풍손(風損)과 베어링에서 발생하는 마찰손(摩擦損, friction loss)의 합. 등가 회로 중에는 포함할 수 없기 때문에 아래의 실험에 의해 구하는 경우가 많다.

(4) 표유부하손 
전술한 (1)~(3) 이외에 생기는 손실의 총합. 일반적으로 산정할 수 없지만 많은 연구에 의해 다양한 계산식이 제안되고 있다.

손실의 측정 방법
[그림 2]에 나타낸 등가 회로 정수를 구함으로써 IM의 특성을 구할 수 있다. 등가 회로 정수는 1차 권선저항 측정, 구속 시험, 무부하 시험에 의해 구할 수 있다. 또 무부하 시험 시에 전압을 IM의 정격보다 조금 높은 값에서 IM의 회전수가 그만큼 저하되지 않는 범위에서 변화시키고, IM의 입력에서 1차 동손을 뺀 값을 그래프로 그려 그 곡선을 0V까지 외삽(Extrapolation, 보외(補外))하여 기계손을 구한다.
표유부하손의 경우 JEC에서는 정격 출력 시에 정격 출력의 0.5%로 규정되어 있지만, 소형 IM의 경우 너무 작다는 지적이 나오고 있어 IM의 용량에 대해 표유부하손의 비율을 변경하는 방법도 제안되고 있다.
IM의 효율을 가장 정확히 산출하려면 중소형의 IM으로 한정되지만 IM에 임의로 가변할 수 있는 부하(발전기 및 브레이크 등)를 연결하여 IM의 입출력을 측정하면 된다. 이 방법을 이용하면 IM의 입력에서 출력, 동손, 철손 및 기계손을 뺀 나머지로서의 표유부하손을 구할 수 있다. JEC에서는 「동력계법(動力計法)」으로 보다 정확히 표유부하손을 구할 수 있는 방법이 규정되어 있다.
이상의 IM 손실에 대해 입력 및 출력 등을 정리하면 [그림 3]과 같은 전력 흐름도로 나타낼 수 있다. IM측의 입력에서 1차 동손, 철손, 2차 동손 및 표유부하손을 제한 것이 기계적 출력이며, 등가 회로에서는 이 기계적 출력까지 계산할 수 있다. 아울러 기계손을 제하면 IM의 출력이 된다.


IM의 고효율화 기법에 관한 구체적인 예
여기서는 2000년 7월 고효율 저압 IM 규격 시행 시의 고효율 규격 대응 IM(이하 고효율 IM)과 규격 시행 이전의 IM(이하, 표준 IM)을 비교하여 IM의 고효율화 기법을 조사한 결과의 일부를 소개한다. 조사 대상으로 한 IM은 모두 범용 2.2kW IM으로, 정격 전압 200V/60Hz에서 시험을 실시했다.
[표 1]에 실측한 전기적 제량 및 기계적 치수 등을 나타냈다. 기계적 치수는 IM을 해체하여 노기스(부척 달린 캘리퍼스, 버니어캘리퍼스) 및 마이크로미터를 사용하여 측정했다. 각사 모두 효율이 오르고 있지만 역률은 저하하고, 회전수는 상승하고 있다. 이러한 고효율화 기법은 다음과 같다.
1차 권선저항을 줄이는 방법으로서 ▲1차 권선의 권수를 줄이는 권선 형식 ▲권선의 단면적을 증가시키는 권선 형식(굵은 권선을 사용하거나 가는 권선을 2개 병렬로 감는다) ▲코일엔드(코일 끝부분)를 짧게 하는 권선 형식이 채용되고 있다.
그때 고정자 슬롯 단면적에 대한 권선 단면적(점적률)을 최대한 크게 하는 것이 중요하지만, 권선을 슬롯에 넣을 때 권선과 철심이 스쳐 절연불량 등을 일으킬 우려가 있다. 각사 모두 1차 저항을 낮춰 1차 저항손을 대폭 줄이고 있다.
2차 저항은 회전자의 슬롯 단면적이나 엔드링의 단면적을 증가시키면 낮출 수 있다. A사 및 B사는 엔드링의 단면적을 늘리고 2차 저항을 낮추고 있는데 특히, B사 제품 고효율 IM의 엔드링 단면적은 표준 IM의 약 3배이다. 각사 모두 2차 저항을 낮추고 있기 때문에 비례추이에 따라 IM의 정격 회전수가 상승하고 있다. 예를 들어 팬 부하와 같이 회전수의 거의 3승에 비례하는 부하가 IM에 연결되어 있는 경우, 약간의 회전수 증가라도 부하가 상당히 커지기(풍량 증가) 때문에 일반적으로 IM의 전류가 증가하여 입력도 증가한다. 또 팬의 회전수가 상승하기 때문에 소음의 증가를 초래해 팬의 형상 변경 등을 해야 하는 경우도 발생한다. 2차 동손의 저감에는 2차 저항을 줄이는 것이 가장 효과적이지만, 정상 회전수의 증가에 따라 부하를 변경해야 하는 경우도 있으며, 상황에 따라서는 표준 IM에서 고효율 IM으로 대체가 불가능한 경우도 있다.
철손의 저감에는 ▲IM의 철심 부피 증가 ▲IM 내부의 자속밀도 저감 ▲저철손 재료의 채용 ▲전자강판의 박판화(薄板化) ▲전자강판 천공(펀칭) 작업 시의 변형 제거 등을 고려할 수 있다. 범용 IM의 경우, 설치 치수가 규정되어 있기 때문에 필요 이상으로 철심 부피를 늘릴 수 없지만, 각사 모두 축방향으로 전자강판의 적층 두께를 늘려 철심 부피를 증가시키고 있다. [표 1]에서는 고정자 철심 길이에 대해서만 언급하고 있지만, 각사 모두 고정자 철심 길이와 회전자 철심 길이가 동일하다. 또 체적 증가 및 재질의 고품질화에 따른 재료비 증가, 박판화에 따른 공수(工數, 인건비) 증가 등으로 IM의 가격이 상승하게 된다. 전자강판의 천공(펀칭)에 의한 변형을 제거하는 방법으로는 전자강판의 온도를 수백도로 올리는 소둔(燒鈍, Annealing, 열처리)이 있다. 이와 관련하여 현재의 고효율 IM의 회전자를 500℃까지 올려 토크 및 전류 특성을 조사한 결과를 [그림 4]에 나타냈다. 완성된 회전자를 전기로(電氣爐)에 넣어 약 500℃로 가열하고 자연냉각을 실시한다(이후 포스트 가열; Post heating). 이때 회전자 철심에는 소둔의 효과와 함께 회전자 철심과 회전자 도체(알루미늄)의 열팽창 계수가 달라지기 때문에 회전자 철심과 회전자 도체의 접촉저항이 늘어나면서 회전자 도체 사이를 흐르는 횡류의 저감이 도모될 수 있다. [그림 4]에서 N0은 시판 상태의 회전자를 포함한 IM, N0 H2는 포스트 가열(Post heating)을 2회 실시한 회전자를 포함한 IM으로, [그림 2]의 T형 등가 회로를 이용해 특성 산정도 실시하고 있다. 포스트 가열의 영향을 명시하기 위해 정격의 1/4 전압으로 하여 미끄럼(슬립) 0에서 2의 범위에서 측정을 실시했다. 그 결과, 포스트 가열에 의해 전류는 약간 떨어지고, 미끄럼 1 이상에서 토크가 대폭 감소했다. 토크의 실측값과 산정값의 차이는 대부분 표유토크로, 이 감소에 의해 미끄럼이 1보다 작은 범위에서 토크가 약간 개선되고 있다.
기계손의 저감책으로는 회전자의 핀 및 외선(外扇) 팬의 소형화가 유효하다. 특히, A사 제품의 경우, 표준 IM이 개방형으로 회전자에 핀을 가진 구조였는데 고효율 IM에서는 전폐(全閉), 그리고 소형의 외선 팬으로 변경함으로써 기계손이 거의 절반이 되었다. 이 경우, 풍손을 상당히 줄일 수 있지만, IM 정상 운전 시의 온도는 올라간다.
표유부하손의 저감에는 ▲고정자와 회전자의 슬롯수 조합 ▲회전자의 경사 슬롯(스큐이드 슬롯) 각도의 재검토 ▲회전자의 슬롯 절연 ▲갭 길이의 재검토가 유효할 것으로 판단된다. 또 갭을 넓히면 표유부하손은 줄일 수 있지만, 여자전류의 증가를 초래하여 역률이 떨어지게 된다. C사 제품의 경우, 이와 반대로 갭을 좁혀 역률의 저하를 억제하고 있는 것으로 보여진다.


[그림 5]에 갭 길이에 대한 손실 변화의 예를 나타냈다. [그림 4]와는 다른 4극 IM을 8극으로 권선 변경한 IM으로, 1대의 고정자에 갭 길이가 다르도록 표면을 절삭한 5종류의 회전자를 조합해 시험 대상 기기로 사용하고 있다. 그래서 효율은 상당히 나쁘다. 이는 전동차량 구동용 등을 상정하여 정격 전압 정격 주파수 fs(Hz) 및 정격 전압 3배의 주파수 3fs(Hz)에서 인버터 구동 손실을 평가한 결과이다. 전압을 일정하게 하고 주파수만 상승시키고 있기 때문에 3fs 구동 시의 정격 출력은 fs 구동 시의 1/3이 된다.
어느 주파수의 경우라도 갭을 넓히면 1차 동손이 증가하나 표유부하손은 감소한다. 갭을 넓히면 여자전류가 늘어나 1차 전류의 증가에 의해 1차 동손이 늘어나게 된다. 한편, 갭을 넓히면 갭 중의 고조파 자속이 감소하여 표유부하손이 감소하게 된다. 구동 주파수를 높이면, 이 시험 대상 기기의 경우 회전자에 핀이 있기 때문에 기계손이 현저하게 커진다. 또 1차 동손 및 2차 동손의 비율은 줄고, 철손 및 표유부하손의 비율이 커진다. 이는 주파수에 반비례하여 출력을 낮추거나 권선의 리액턴스가 커져 전류가 작아지기 때문이다. 한편, 철손 및 표유부하손의 경우는 구동 주파수를 높이게 되면 철심 내 와전류손 및 히스테리시스손의 증가 및 권선단부(捲線端部)에서의 누설자속 증가 등에 의해 늘어나게 된다.


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