현재 우리나라에 발간되어 있는 시험규격인 회전기기-제2-1부: 손실 및 효율을 측정하는 표준 시험방법(표준번호 KS C IEC60034-2-1)은
IEC 60034-2-1:2007를 번역한 규격이다. IEC 60034-2-1은 2014년에 개정되었으나, 글 싣는 순서 정도가 변경되었고, 실질적인
시험절차의 변경은 없었다. 따라서 아직까지는 국내 표준이 국제표준의 시험절차를 잘 반영하고 있는 상황이다.
해외의 경우, 특히 미국과 유럽에서는 전동기 자체 효율에 대한 표준뿐 아니라 인버터와 이를 포함한 전체 시스템의 효율과 관련한 표준도 이미 마련되어
있다.
에 전동기 및 인버터, 그리고 이를 포함한 시스템과 관련한 IEC 표준을 나타내었다.
2.1 IEC 60034-2-1과 IEC 60034-30-1
IEC 60034-2-1은 정격 운전시 전동기의 손실과 효율을 실험적으로 결정하는 방법에 대하여 기술되어 있다
(1). 현재 최종판은 2014년에 개정되었으며 기존과 내용은 같으나 측정하는 방법에 대해 전동기별로 재정리 되었다.
시험평가 대상에는 동기전동기를 포함하여 유도전동기와 직류전동기 모두를 포함하고 있다.
이 중에서 유도기의 효율을 결정하는 방법으로 추천하는 시험방법을 3가지를 제시하고 있다. 첫 번째 방법은 다이나모장치를 이용하여 입력 에너지와 출력에너지를
직접 측정하는 방법으로 모든 용량의 단상전동기에 적용한다. 두 번째 방법으로는 손실분리시험을 제시하고 있으며, 추가부하손실을 잔류손실로부터 결정하는
방법으로 2MW이하의 3상 유도기에 적용한다. 세 번째 방법도 두 번째 방법과 같은 손실분리 시험이지만 추가부하손실을 지정된 값으로 대체하는 방법이다.
이는 2MW보다 큰 대용량 3상전동기에 적용한다.
이와 유사하게 동기기의 효율을 결정하는 방법으로 추천하는 시험방법 역시 3가지를 제시하고 있다. 첫 번째 방법은 유도기에서와 마찬가지로 다이나모장치를
이용하여 입력 에너지와 출력에너지를 직접 측정하는 방법이며, 영구자석형 전동기와 프래임 크기가 180mm 이하인 전동기에 적용된다. 두 번째 방법은
전부하에서의 열포화 시험과 단락시험을 통한 손실분리 시험 방법이다. 이는 프레임의 크기가 180mm보다 크고 2MW 이내의 동기기에 적용된다. 마지막으로
세 번째 방법은 2MW 이상의 동기기에 적용되는 방법으로 전부하 시험 없이 시행하는 손실분리법을 제안하고 있다.
IEC 60034-30-1에서는 전력변환장치를 거치지 않고 상용전원으로 직접 구동되는 정현파 입력의 교류전동기에 대한 IE등급에 대해 규정하고 있다
(2). 120W 이상부터 1,000kW 이하까지의 2,4,6,8극 전동기를 대상으로 한다. 현재까지는 IE1~IE4까지 규정되어 있으며, IE5는 곧
추가될 예정에 있다.
일례로 50Hz에서의 4극기의 등급기준은
그림. 1과 같으며, IE1 ~ IE4 등급의 효율제한을 나타내고 있다.
그림. 1. IEC 60034-30-1의 50Hz, 4극기 효율등급제한
Fig. 1. Efficiency limits of 50Hz, 4poles motors
2.2 IEC TS 60034-2-3과 IEC TS 60034-30-2
IEC TS 60034-2-3:2013은 전력변환장치(인버터)로 구동되는 유도전동기의 손실과 효율을 결정하는 방법에 대해 기술되어 있으며
(3), 이름에서 알 수 있듯이 아직 TS (Technical Specification) 단계이며, 2019년 공식적인 표준(IEC)으로 출판을 예정하고
있다. 여기에는 동기전동기를 비롯한 가변속 전동기의 효율 결정방법에 대해서도 추가될 것으로 예상된다.
주요내용으로는 인버터에서 발생되는 고조파로 인해 전동기에서는 추가적인 고조파 손실이 발생되게 되며 ‘이 값을 어떻게 결정할 것인가’에 대하여 기술되어
있다. 기본적으로는 고조파를 포함한 인버터 구동에서의 손실과 상용전원의 정현파 구동에서의 손실과의 차이로 부터 계산된다. 이때, 인버터의 스위칭 주파수와
제어방식에 따라 손실이 달라질 수 있으므로 표준적인 시험용 인버터의 사양 정의가 필요하며, 이에 대한 규격이 제시되어 있다.
시험방법으로는 손실분리법, 직접측정법, 열량법이 있으며, 손실분리법에서는 표준에 제시된 사양을 만족하는 시험용 인버터를 이용하는 방법과 제조사의 특정
인버터를 이용하는 방법 모두를 인정하고 있다, 그리고, 직접측정법과 열량법은 제조사의 특정 인버터를 이용하여 시험하는 것으로 되어 있다.
IEC TS 60034-30-2 : 2016 역시 현재 TS 단계이며, 2019년 공식적인 표준(IEC)으로 출판을 예정하고 있다. 가변속으로 구동하는
전동기(유도기, 동기기, SynRM)의 효율 등급을 IE5등급을 포함하여, IE1~IE5까지로 규정하고 있다
(4). IE1~IE5까지의 효율한계 값에 대한 참조값이 주어져 있으며, 실제 IE 등급은 고조파손실과 정격속도의 90%에서의 측정을 고려하여 보정하는
수식을 통해 결정하게 되어 있다. 그러나 아직까지는 시험방법에 관해서는 유도전동기에 대해서만 규정되어 있으며, 동기전동기 등에 대해서는 향후에 보완
및 추가될 것으로 예상된다.
2.3 IEC 61800-9-1 과 IEC 61800-9-2
유럽연합(EU)는 2014년까지 전동기 및 구동시스템의 효율 규제를 위한 연구를 1차적으로 마쳤으며, 그 이후 경제적 효과에 대하여 외부 자문도 이루어졌다.
미국에서도 2014년 이후부터 전동기부하의 상당부분을 차지하는 펌프, 팬, 컴프레서의 시스템효율 규제에 대한 연구를 수행해 오고 있다. 이는 전동기,
인버터와 같은 단품의 효율향상만으로는 에너지 절감에 한계가 있기 때문이다. 따라서 부하를 포함한 확장된 시스템(EP : Extended Product)의
효율 관리가 중요하게 대두되고 있으며, EU는
그림. 2와 같이 펌프 시스템에 EEI(Energy efficiency index)를 적용하여 효율을 관리할 계획을 마련한 바가 있다
(5). 이와 관련하여 IEC 61800-9에서 규정하고 있다. 그러나 펌프 시스템의 EEI 효율 등급 적용은 현실적인 이유로 아직까지 시행되고 있지는
않다.
그림. 2. EU의 펌프에 관한 규제의 로드맵
Fig. 2. Road map for regulation on Pumps in EU
IEC 61800은 총 9부로 구성되어 있고, 9부에서 전동기 시스템의 효율에 대한 규격을 다루고 있다.
그림. 3은 전동기를 포함한 전체 시스템의 구성에서 CDM (Complete drive module), PDS(Power drive system), Motor
system, EP의 정의를 보여 주고 있다. 본선 이후부터 전동기 이전까지의 전동기 구동을 위한 장치를 통칭하여 CDM이라 정의하고 있으며, 이때,
차단기와 같은 보조장치는 제외된다. CDM과 전동기를 합쳐서 PDS라 정의하고, 본선이후부터 전동기까지 모든 장치를 통칭하여 모터시스템이라 정의한다.
여기에 부하까지 포함한 전체 시스템을 EP(Extended Product)라 정의하고 있다.
그림. 3. 확장된 전동기 시스템의 정의
Fig. 3. Definiton of extended product
2017년에 발행된 IEC61800-9-1에서는 SAM(Semi analytic model)의 개념을 활용하여 확장된 전동기 시스템의 효율을 산정하는
방법인 EPA(Extended product approach)에 대해 기술하고 있다
(6). 이 방법을 통해 EP에 대하여 EEI를 계산할 수 있게 된다. EU는 펌프 시스템 등에 EEI를 적용하여 효율을 관리할 계획을 마련하고 있다.
이는 전동기가 일정 부하에서 연속적으로 운전되고 있는 경우가 아니고, 주기적 또는 비주기적으로 운전되고 있는 경우의 시스템의 효율 개념으로 확장하여
적용할 수 있게 된다. 이러한 계산은 속도-토크 프로파일과 부하-시간(duty) 프로파일을 이용하게 된다. 이 중에서 특히 속도-토크 프로파일은 부하의
종류(펌프, 팬, 견인 등)에 따라 달라지게 되며, 실제로는 무한에 가까운 부하점에서의 특성값이 요구된다. 그러나, 실용적인 측면에서는
그림. 4에서와 같이 8개의 운전점에서의 값을 요구하며, 이를 이용하여 다른 부하점의 값을 제시된 보간법을 통해 계산할 수 있도록 하고 있다.
그림. 4. PDS의 손실 결정을 위한 동작점
Fig. 4. Operating point for loss determination of PDS
IEC61800-9-2 : 2017에서는 가변속으로 구동하는 전동기 시스템의 에너지효율 향상을 위해 CDM과 PDS의 효율 결정방법과 효율등급을 정의하고
있다
(7). 여기서 효율등급은 전동기 또는 인버터 자체의 효율등급인 IE 등급과 구별하여 PDS의 경우에는 IES등급으로 나타내고 있으며, 적용범위는 0.12kW~1MW를
대상으로 하고 있다.
생산업체중에 전동기만을 생산하거나 혹은 인버터만을 생산하는 업체가 있다면 제시된 모델인 RCDM(Reference CDM)과 RM (Reference
motor)을 기준으로 PDS의 효율등급을 산정할 수 있다. 즉, 전동기만 생산하는 업체의 경우 RCDM을 이용하여 IES 등급을 산정할 수 있게
하였고, 전력변환장치만 생산하는 업체의 경우에도 RM을 이용하여 IES 등급을 산정할 수 있도록 하고 있다. 두 제품을 모두 생산하는 경우에는 각각의
효율측정을 통해 IES 등급을 산정하면 된다. 이러한 경우에 대하여
그림. 5에서처럼 CDM과 전동기 제작사가 IE/IES 등급을 산정하기 위한 가이드라인을 제시하고 있다.
그림. 5. CDM과 전동기 제작사에 대한 가이드라인
Fig. 5. Guideline for CDM and motor manufacturers
CDM의 IE등급 산정을 위해 CDM의 손실을 결정하는 형식시험에는 세 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 규정된 수학적 모델 또는 제조사가 제시하는
다른 수학적 모델을 이용하여 계산하거나, 시뮬레이션하는 방법이다. 두 번째 방법은
그림. 6과 같이 입력측과 출력측의 측정차이를 이용하는 방법이다. 그리고 세 번째 방법은 냉매의 흐름과 온도차이로부터 열량을 계산하는 방법이다.
그림. 6. 입출력의 측정을 통한 손실측정법
Fig. 6. Input-output measurement for CDM loss
PDS의 IES 등급 산정을 위한 형식시험은 수학적 계산방법 또는 입출력단 측정방법을 이용하면 된다.
현재 IEC61800-9-2에서는 CDM의 경우, 효율등급은 IE0부터 IE2까지만 규정되어 있으며, IE3부터는 아직 정해져 있지 않다. 여기서
IE1 등급은 RCDM이 기준이 되며, 이 값의 +/- 25% 이내로 규정되어 있다. IE1보다 25% 크면 IE0, IE1보다 25% 작으면 IE2로
정해진다.
PDS의 경우에는 RPDS가 IES1 등급의 기준이 된다. 이보다 20% 크면 IES0, IES1보다 20% 작으면 IES2가 된다. IES3 이후부터는
아직 정해지지 않다.