월간전기

[기술특집]<현대중공업> 고효율 전동기 경제성 분석과 도입 전략

2009-01-14

고효율 전동기 경제성 분석과 도입 전략

▶ 개요고효율 전동기란 KS C 4202 규정의 고효율 기준을 만족하는 전동기를 말한다. 기존에 사용해 왔던 범용 전동기보다 손실을 20~30% 감소시켜 효율이 4~10% 높은 전동기다.현대중공업은 1997년 국내에서 최초로 에너지공단으로부터 고효율 전동기‘KS C 4202’인증을 획득했다. 이어 1998년 캐나다 CSA로부터 NEMAMG1ㆍCSA-C390 인증을 획득했으며, 2002년 미국 DOE로부터 EPCA US 10 CFR PART 431 인증을 획득하는 등 일찍부터 전동기 효율을 높이기 위한 기술 개발을 적극적으로 진행해 왔다.▶ 전동기의 구조와 손실전동기는‘Stator Winding’,‘ Rotor Conductor’, ‘Stator Core’, ‘Aluminum Die Cast Rotor’, ‘Bearing’, ‘Fan’, ‘Fan Cover’, ‘Shaft’, ‘End Shield’, ‘ End Ring’, ‘ Frame’등으로 구성된다.전동기 작동 시 발생되는 손실은 ‘Stator Winding’에서 발생하는 1차 동손이 43%로 가장 크며, ‘Rotor Conductor’에서 발생하는 2차 동손이 23%로 두 번째다. 그리고‘Stator Core’에서 발생하는 철손이 15%, Aluminum Die Cast Rotor에서 발생하는 표류부하손이 9%, 그 외 기계손이 10%를 차지한다.(<그림 1>, <그림 2> 참조)

전동기 손실에서 나온 값으로 다음과 같이 전동기 효율을 측정할 수 있다.

▶ 고효율 전동기의 특징과 경제성고효율 전동기는 표준 전동기에 비해 가격이 15~20% 정도 비싸다. 그러나 에너지 손실은 20~30% 줄여 4~10% 정도 효율이 높아 전력비를 절감할 수 있다. 따라서 1~2년 내외에 초기 투자비를 충분히 회수할 수 있다.1. 특징① 탁월한 절전효과와 경제성 높은 효율로 전력비를 절감했다.② 길어진 운전 수명 F종 절연의 고급 절연재를 사용하여 온도 상승을 최대한 억제시켜 운전 수명이 길다.③ 정숙 운전 효과적인 통풍 및 냉각 구조로 통풍 소음을 최대한 줄였고 낮은 자속 밀도로 자기 소음 없앴다.④ 유지 보수 비용 감소 신뢰성을 높여 고장률이 낮다.2. 경제성고효율 전동기와 기존 전동기 구입 가격 및 각각의 전기요금, 고효율 전동기를 사용함으로써 남은 절전요금으로 구입가격증분 회수기간과 구입가격 전액 상각기간은 다음과 같이 도출할 수 있다.(<그림 3> 참조)

고효율 전동기 경제성 분석 시 고려해야 할 사항은 ▲연간 사용시간 및 전기요금 ▲고장률 및 정지시간 ▲전동기 구입가격 및 초기투자 회수기간 ▲기존 전동기의 부하율, 효율, 역률, 치수 ▲재권선, 단순 교체 또는 고효율 전동기 신규도입 여부 결정 등이다.▶ 도입 방안고효율 전동기를 도입하기 위해서는 먼저 기존 전동기의 명판 정보 등 초기 도입 정보와 전압, 전류, 역률, 회전수, 부하율, 가동 시간 등 가동 상태를 파악하고 그에 따른 경제성 분석과 고효율 전동기 자료가 필요하다.이와 함께 기존 부하의 실부하율과 전동기 용량을 재검토해야 한다. 부하율의 여유가 지나치게 크면 전동기 효율이 감소한다. 저용량 모터일수록 낮은 부하율에서 효율이 크게 감소하며 회전수가 높아져 동력 상승의 원인이 된다.또한 원심 부하의 적용 시 정격회전수를 고려하면 동등 또는 작은 정격회전수 검토 시 유리하며, 원심 부하의 RPM이 증가하면 유량과 동력 증가하고 효율 감소한다.1. 전동기 효율 비교 검토 기준① 전동기 공칭 효율(NEMA : Nom. Eff.)전동기 표준 시험을 통한 평균 효율치로서 효율 비교 및 절전 효과 계산 기준으로 사용된다.② 최저보증효율제조공정산포에 따른 가장 낮은 효율의 하한치③주요 효율 적용 기준한국 KS C 4202(최저 효율치 규정), 미국 NEMA MG 1(공칭ㆍ최저 효율치 규정), 캐나다 CSA C390(공칭ㆍ최저 효율치 규정) 등2. 고효율 전동기 교체 적용 범위① 600HP급 이하의 표준 저압삼상농형 유도전동기② 연간 2000시간 이상의 가동시간 및 연속 부하③ 구형 또는 재권선된 범용 효율 모터④ 교체가 쉽고 기존 전동기 정보를 알 수 있는 것3. 즉시 교체가 필요한 전동기① 초기비용 회수기간이 1~2년 이내인 것② 1일 운전 시간이 16~20시간 이상인 것③ 부하율이 50% 이하인 것④ 고장 사고가 자주 발생하는 것4. 재권선보다 고효율 전동기 구입이 효과적인 경우① 소용량 전동기② 40~50HP 이하③ 재권선 후 효율과 성능의 저하가 우려될 경우④ 재권선 비용이 고효율 전동기 가격의 50~60% 이상일 경우⑤ 10년 이상 전에 재권선된 모터 또는 15년 이상 장기간 사용한 모터⑥ 고효율 전동기 도입 경제성이 우수할 경우5. 고효율 전동기 적용 시기 및 대상① 신설 장비 및 장치 설비 시② 컴프레서, 공조설비, 펌프 등의 장비 도입 시③ 공정 단계 개선 시④ 구형 전동기 재권선 교체 시⑤ 용량의 여유가 과다할 때⑥ 에너지 절감과 예방 보전 차원▶ 고효율 전동기 부하별 적용 사례1. 펌프현대중공업은 대상㈜의 가양동 공장 물엿이온의 부하율 50% 펌프를 고효율 모터로 교체해 절력비 절감률을 도출했다.기존 표준형 모터는 15㎾-4P 220V, 효율 88%, 역률 83% 성능을 가졌으며, 교체한 고효율 모터는 11㎾-4P 220V, 효율 92.4%, 역률 82.5%이다. 그 측정 결과는 <표 1>과 같다.

2. Rotary Blower현대중공업은 대상㈜의 일반 이송 Rotary Blower를 고효율 모터로 교체했다. 기존 표준형 모터는 37㎾-4P 440V, 효율 94.1%, 역률 84.5% 성능을 가졌으며, 교체한 고효율 모터는 30㎾-4P 440V, 효율 94.1%, 역률 84%이다. 그 측정 결과는 <표 2>와 같다.

▶ 마무리정부는 2008년 7월부터 삼상 유도전동기 등 전기제품에 대해 최저효율기준 적용한 데 이어, 2008년 10월 에너지효율화 핵심 12대 과제를 발표하고, 에너지 이용 효율 향상을 위한 고강도 에너지 정책 추진 계획을 밝혔다.

현대중공업은 2008년 2월 두바이에서 개최된‘ MEE 2008(Middle East Electricity Exhibition & Conferences)’에 참가해 자사가 개발한 고효율 제품 홍보에 적극 나섰다.

앞으로 높은 수준의 최저효율기준이 적용될 전망이며, 최저효율 및 에너지소비효율등급 표시를 통해 저효율 제품은 퇴출될 것으로 보인다.현대중공업은 고유가 시대를 맞아 국내 전력 소비량의 40% 이상 차지하는 삼상 유도전동기를 고효율 전동기로 100% 전환 보급하고자 노력 중이다.현재 고효율 전동기 개발뿐 아니라 차세대 전동기인 프리미엄 전동기 개발을 진행 중이다.고효율 전동기 보급을 위해서는 기술 개발은 물론 정부 차원의 적극적인 홍보와 제도적 보완이 필요하다. 제조자 및 수입 판매상으로 국한된 제재 범위를 수요자 측까지 확대해 고의적인 위반 사례를 방지해야 하며, 최저효율제 주관 기관인 에너지관리공단의 철저한 감시ㆍ감독이 필요하다.현대중공업은 고효율 전동기 보급을 통해 에너지 절감과 친환경 정책에 적극 기여하며, 기술 개발을 통해 해외 시장 선점에 앞장서 외화 획득과 국가 경쟁력 향상에 이바지할 것이다.