1. 서 론
점차 심해지고 있는 기후변화와 환경문제에 대응하기 위해 에너지 소비량과 이산화탄소 배출량을 낮추기 위한 노력이 지속되고 있으며, 이와 관련한 정책들도
뒤따르고 있다. 전기에너지와 관련해서는 특히 전기에너지 소비의 상당부분을 차지하는 삼상유도전동기의 효율 향상에 대해 많은 연구가 이루어져 왔으며,
효율에 대한 규제도 뒤따르고 있다.
우리나라의 경우에는 산업통상자원부의 ‘효율관리기자재 운영규정’을 근거로 삼상유도전동기의 최저 효율을 IE3 등급으로 관리를 해 오고 있으며, 전동기의
효율 등급 기준은 2019년 제정된 국내 규격 KSCIEC 60034-30-1을 따르고, 효율 측정방법은 2019년에 개정된 KSCIEC60034-2-1을
따르고 있다.
2019년부터는 375kW까지의 삼상유도전동기로 대상을 확대 적용하고 있으며, IE3 보다 높은 IE4, IE5로의 진입은 현실적으로 아직 시간이
더 걸릴 것으로 예상된다.
최근에는 컨버터를 이용한 전동기의 구동이 점차 확대되어 감에 따라 컨버터 구동시 전동기의 효율의 향상에도 관심이 높아지고 있다. 이러한 상황에
따라 EU를 중심으로 컨버터를 이용하는 가변속용 전동기도 효율 관리의 대상에 포함되고 있으며, 이와 관련한 연구와 규격이 발표 되고 있다.
우리나라는 이러한 추세에 맞추어 지난 2019년에 컨버터 구동용 전동기의 효율 측정방법에 대한 규격인 KSCIEC 60034-2-3을 IEC/TS
60034-2-3:2013에 부합되도록 제정하였다.
그러나 아직은 컨버터용 전동기는 최저효율제의 대상에서 제외되어 있어 활용이 활발히 이루어지고 있지는 않다.
그리고, 해외에서는 컨버터로 구동되는 가변속용 전동기의 효율 등급기준이 정의되어 있는 IEC/TS 60034-30-2가 2016년에 출판되어 있으나,
아직 이와 부합하는 국내 규격의 제정은 되어 있지 않다.
또한 가변속용 전동기에 대해서도 규제의 대상에서 제외되어 있다. 그러나 이미 해외에서는 점차적으로 규제의 범위에 포함시켜 가고 있는 상황이며,
따라서, 이에 대한 검토와 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 전동기 효율과 관련된 국내외 규격들에 대한 현황과 최근에 제정되거나 개정된 내용을 중심으로 분석해 보고자 한다.
2. 전동기 효율과 관련한 표준 현황
현재 국내의 전동기 효율과 관련한 KS 규격은 효율측정에 관한 규격과 효율등급에 관한 규격이 있다.
전동기 효율을 측정하는 표준시험방법에 대한 규격(60034-2-1)은 2013년 제정되어 2019년에 개정되었으며, 효율등급에 관한 규격(60034-30-1)은
2019년에 제정되었다.
그리고, 컨버터 구동용 전동기의 효율 시험방법에 관한 규정(60034-2-3)이 2019년에 제정되었으며, 이에 대한 현황을 표 1에 나타내었다.
표 1. 전동기 효율과 관련한 국내 KS 표준현황
Table 1. Current status of KS standards in Korea regarding motor efficiency
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KS C IEC60034-2-1
회전기기 - 제2-1부 : 손실 및 효율을 측정하는 표준 시험방법(견인용 모터 제외)
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2013-12-26 제정
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국제표준부합화에 의한 제정
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2019-02-22 개정
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국제표준(IEC) 개정내용 반영(ed1.0 → ed2.0)
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KS C KSCIEC60034-2-3
회전기기 ─ 제2-3부: 컨버터 구동용 유도 전동기의 손실 및 효율 시험방법
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2019-02-08 제정
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국제표준부합화에 의한 제정
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KS C KSCIEC60034-30-1
회전기기 ─ 제30-1부: 상용 전원용 교류 전동기의 효율 등급(IE 코드)
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2019-02-08 제정
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국제표준부합화에 의한 제정
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2.1 KSCIEC 60034-2-1에 의한 효율 측정 방법 (유도전동기 및 동기전동기) (1)
전동기 효율측정 방법에 관한 KS 규격은 최근 2019년에 국제 규격인 IEC 60034-2-1:2014 (2판)에 부합되도록 개정되었으며,
이전의 1판에 비해 시험방법이 바뀌었다기 보다는 시험방법의 명확성을 높이기 위해 내용을 기술한 순서가 바뀐 것으로 보는 것이 타당하며, 이에 따라
시험방법이 달라질 필요는 없어서 혼란의 여지는 없다.
이 규격에 적용되는 전동기는 직류기와 교류전동기 및 유도전동기를 포함하며, 각각의 효율 결정을 위한 시험방법에 대해 기술하고 있다.
이 중에서 유도전동기의 효율 결정을 위한 우선 시험방법으로는 다이나모를 이용한 직접측정법(2-1-1A)과 개별 손실을 따로 측정하여 효율을 결정하는
손실분리법(2-1-1B, 2-1-1C)으로 크게 분류된다.
여기서 (2-1-1C)는 잔류손실을 결정하는 방법에서 2MW 이상의 전동기에 대해서는 전체 부하 시험이 쉽지 않기 때문에 지정된 값으로 대체할
수 있도록 하고 있다.
손실분리법(2-1-1B)은 온도에 대한 보정이 포함되어 불확도가 낮은 방법으로, 현재 우리나라는 ‘효율관리기자재 운영규정’에서 삼상유도전동기의
효율측정을 이 방법으로 하도록 권고하고 있다. 전동기의 효율 측정시 1%p 오차로 인해 효율등급이 달라질 수 있기 때문에 효율측정에서의 불확도는 매우
중요한 요소로 여겨지고 있다(2)-(4).
이 규격에서 제시된 유도전동기의 손실분리법(2-1-1B)에 따른 시험 절차는 다음과 같다.
- 상온에서의 권선저항을 측정한다.
- 정격부하시험 : 정격운전으로 열 평형 상태까지 도달후 각종 측정값을 기록한다.
- 부하손실결정 : 온도 보정된 고정자 권선 손실(Ps), 회전자 권선 손실(Pr), 입력전력(P1θ)을 결정한다.
- 부하곡선 시험 : 정격시험 직후 6개 부하지점에서의 시험을 통해 고정자 권선 손실과 회전자 권선 손실을 결정한다.
- 무부하시험 : 부하곡선 시험직후 8개 전압값에서 무부하 시험을 수행한다.
- 일정손실(PC) : 마찰 및 풍손(Pfw)과 철손(Pfe)을 결정한다.
- 추가 부하 손실(PLL) : 잔류손실데이터의 선형 회귀분석을 통해 추가 부하 손실을 결정한다.
- 효율 결정 : 효율 = (입력전력(P1θ)-총손실(PT))/입력전력(P1θ)로 결정한다. 이때 총손실(PT)은 보정된 일정손실(PC)인 철손(Pfe)과
기계손(Pfw), 부하손실(PL)인 고정자손(Ps)과 회전자손(Pr) 그리고 추가부하손(PLL)의 총합이다.
직접법과 손실분리법 이외의 방법으로도 현장 또는 정기 시험을 위한 시험 방법으로 동일한 전동기 2대를 맞물려 시험하는 방법과 등가회로를 이용한
방법등이 제시되어 있다.
그리고, 유도전동기 이외에도 동기전동기의 효율측정방법도 같이 제시되어 있으며, 기본적인 시험방법은 유도전동기의 시험방법과 크게 다르지 않다.
2.2 KSCIEC 60034-2-3에 의한 효율측정 방법 (5)
‘회전기기- 제2-3부: 컨버터 구동용 유도 전동기의 손실 및 효율 시험방법’은 IEC에서 2013년에 출간된 IEC/TS 60034-2-3의
1판과 부합하는 규격으로 우리나라에서는 2019년에 제정되었다. 그러나 2020년 현재 IEC 60024-2-3은 2판으로 새로 개정 되어 이에 대한
보완이 요구되고 있는 상황이다.
이 규격은 서문에서, 컨버터에 의해 구동되는 유도전동기의 추가적인 고조파 손실을 결정하기 위한 시험방법으로, 속도 및 토크 범위가 넓은 전력구동장치(PDS
: Power Drive System)의 효율 결정에 사용하기는 부적합하다고 명시하고 있다. 그리고, 다양한 개별적인 컨버터의 속성은 시스템의 효율에
영향을 미칠수 있고, 전동기, 컨버터, 연결케이블, 출력필터, 매개변수 설정등의 모든 조합에서 추가적인 고조파 손실을 결정하는 것은 비현실적이고 매우
어려운 문제이며, 이 규격에 따라 얻어진 손실은 서로 다른 전동기효율의 비교를 위한 목적으로하며, 최종 적용에 확정될 손실로 나타낼 것을 의도하지
않는다고 밝히고 있다.
최종적으로 이 규격은 비정현적인 전력공급에 의한 추가적인 고조파 전동기 손실을 측정하여, 결과적으로 컨버터 구동에서의 전동기의 효율을 결정하는
것을 목표로 하고 있으며, 규격에 기술되어 있는 절차는 정현파 전압 공급을 사용하여 측정된 전동기의 손실과 컨버터에 의한 추가적인 고조파 전동기 손실의
비율을 나타내는 고조파 손실비(rHL)이라는 하나의 수치로 그 결과를 나타내고 있다.
이 규격에 제시된 효율결정을 위한 시험방법으로는 시험용 컨버터를 이용한 손실분리법(2-3-A)과 최종용도의 특정 컨버터를 이용한 손실분리법(2-3-B),
다이나모를 이용한 직접법(2-3-C), 그리고 냉각수 온도상승으로 손실을 결정하는 칼로리법(2-3-D)을 제시하고 있으며, 이 중에서 대표적인 방법인
손실분리법(2-3-A)의 시험 절차는 다음과 같다.
- 전손실 PTsin를 결정하기 위하여 정격 주파수와 정격전압의 정현파 공급을 사용한 부하시험을 실시하고, 이에 따라 부하손실을 결정한다.
- 정격주파수 및 정격 전압의 정현파 공급을 통해 부하 곡선 시험을 실시하고, 그에 따른 손실을 결정한다.
- 정격 주파수 및 정격 전압의 정현파 공급을 통해 무부하 곡선 시험을 실시한다.
- 정현파 공급에서의 일정 손실 PC를 결정한다.
- 정격 주파수 및 정격전압의 시험용 컨버터 공급을 통해 부하 곡선시험을 실시한다.
- 정격 주파수 및 정격 전압의 시험용 컨버터 공급을 통해 무부하 곡선 시험을 실시한다.
- 시험용 컨버터 공급시의 일정 손실 PCC를 결정한다.
- 위 시험들을 기초 하여 부하에 따라 좌우되는 추가적인 고조파 손실은 PHLLoad = PLLC - PLL으로 결정한다.
- 일정한 추가적인 고조파 손실은 PHLNo-Load = PCC - PC으로 결정한다
- 시험용 컨버터의 동작에 따른 추가적인 고조파 손실은 PHL = PHLNo-Load + PHLLoad 으로 결정한다.
- 컨버터 구동에 의한 총손실 (PTC)는 정현파 구동에서 얻은 기본손실(PTsin)과 컨버터 구동에서 얻은 추가적인 고조파 손실(PHL)의
합으로 결정한다.
- 시험용 컨버터 공급에 의한 효율의 결정은 정현파 구동시의 기계적 출력을 P2라 할 때 P2/(P2+PTC)로 결정된다.
- 고조파 손실비는 rHL = PHL / PTsin * 100%로 결정된다.
이때, 시험방법은 KSCIEC 60034-2-1의 방법을 따른다.
그리고 시험에 사용되는 컨버터는 규격의 부속서에 기술된 시험용 컨버터를 이용하는 방법을 제시하고 있다. 혹시 산업현장에서와 같이 현실적으로 시험용
컨버터를 따로 준비하여 효율을 측정하기에 곤란한 경우에는, 전동기와 세트로 이루어져 있는 최종 적용을 위한 특정 컨버터를 이용하여 측정할 수 있도록
하고 있으나, 컨버터의 특성에 따라 일부 효율의 차이가 발생할 수 있음에 유의하여야 한다.
이 규격에서 제시한 시험용 표준 컨버터는 다음의 조건을 만족시켜야 한다.
- 2 레벨의 전압원 형식의 컨버터
- 스위칭 주파수가 고정(90kW 이하에서는 4kHz, 그이상에서는 2kHz)
- 전동기의 정격 전압 및 주파수를 출력할 수 있는 사양
- 슬립 보상과 전류 피드백 제어가 비활성화 상태
측정시 주의할 점으로는 컨버터 출력 전압이 PWM 형태이고 이의 기본파 성분이 정현파 입력 성분의 크기와 일치 시켜야 하며, 이때 FFT 변환시
필터의 영향으로 기본파 성분의 값이 달라지지 않도록 세밀한 주의가 요구된다.
또한, 부하곡선 시험시에는 정현파 입력과 컨버터 입력에서의 각각의 부하조건이 잘 일치되도록 주의가 필요하다.
2.3 KSCIEC 60034-30-1 : 상용 전원용 교류 전동기의 효율 등급 (IE 코드) (6)
KSCIEC 60034-30-1는 전동기의 IE 등급 기준이 기술되어 있는 규격으로 IEC에서 2014년 출판된 IEC 60034-30-1:
2014를 기초로, 기술적 내용 및 구성을 변경하지 않고 번역하여 2019년에 제정되었다. 여기에는 IE1 ~ IE4 등급까지 효율 기준이 정의되어
있으며, 아직 IE5에 대해서는 정의되어 있지는 않다.
적용대상은 상용전원에 직접 연결하여 작동하는 모든 종류의 전동기이며, 직입식 영구자석 전동기도 포함된다.
우리나라는 2019년 이후부터는 삼상유도전동기의 최저소비효율기준을 정격출력 0.75kW부터 375kW이하에 대하여 KSCIEC 60034-30-1의
정의되어 있는 IE3 등급의 기준을 따르고 있으며, 그림 1은 이 규격에 따른 60Hz, 2극기의 용량별 효율기준을 보여주고 있다.
그림. 1. KS C IEC 60031-30-1에 의한 IE 등급 효율제한
Fig. 1. IE grade efficiency limit by KS C IEC 60031-30-1
아직 우리나라에는 제정되어 있지 않으나, IEC는 가변속용 전동기 효율에 대한 등급을 따로 IEC/TS 60034-30-2 : 2016에 정의하고
있으며, 비교를 위해 이를 그림 2에 나타내었다. 이 기준은 IEC 64800-9-2에 정의된 가변속 전동기의 효율에 대한 등급에 대비한 내용이다.
그림. 2. IEC/TS 60031-30-2에 의한 IE 등급 효율제한
Fig. 2. IE grade efficiency limit by IEC/TS 60031-30-2
2.4 IEC 60034-2-3 : 2020에 의한 효율측정 방법
2019년 제정된 국내규격인 KSCIEC 60034-2-3의 근거가 되고 있는 IEC/TS 60034-2-3 : 2013에 따른 컨버터 구동용
전동기의 효율 시험방법과 관련하여 여러 가지 이슈들이 제기되었으며, 시험방법 역시 복잡하고 어려운 등이 문제점으로 제기되어 왔다(7)-(11).
이러한 상황에서 IEC 60034-2-3은 최근 2020년에 2판이 출간 되었다. 기존의 1판에서는 컨버터 구동용 유도전동기만이 대상이었던 점과는
달리, 2판에서는 동기전동기를 포함하여 컨버터로 구동되는 AC 전동기 전체를 대상으로 하고 있으며, 2판에서 바뀐 내용을 중심으로 살펴 보면 다음과
같다.
먼저, 개정된 2판에서는 선호방식의 순서를 1판에서의 선호방식 순서와 달리 2-3-A에 다이나모를 이용한 직접측정방식을 첫 번째로 제시하고,
2-3-B에 손실분리법의 순서로 정리해 두었다.
이는 기존의 연구 결과 (13)-(14)에서 손실분리법으로 측정한 결과와 직접법으로 측정한 결과가 상당히 근접한 값으로 잘 일치 함을 보이고 있으며, 최근 다이나모 시스템의 높은 정확도로
인해 직접법의 불확도가 낮아질수 있고, 손실분리법은 과다한 측정장비에 대한 부담이 크다고 언급한 부분을 통해 그 이유를 짐작할 수 있다.
시험 방법에 있어서도, 다소 복잡했던 KSCIEC 60034-2-3의 손실분리법에 비해 IEC 60034-2-3:2020의 손실분리법은 조금
간단해졌다. 이는 일반적으로 유도전동기의 부하손실인 고정자손실과 회전자손실에 컨버터의 영향이 미미하고, 컨버터의 영향은 철손, 기계손, 그리고 잔류부하손에
크기 때문이며, 실제로 측정한 연구결과를 보면 철손에 영향이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다(12). 이러한 이유로 IEC 60034-2-3:2020의 손실분리법(2-3-B)의 경우 컨버터 구동에 의한 고조파 추가손실이 기본적으로 부하에 따라 크게
변하지 않는다는 점을 고려하여 1판에서와는 달리 무부하 시험만으로 결정하도록 하고 있다.
개정된 2-3-B의 시험 절차를 살펴보면 다음과 같다.
- IEC 60034-2-1:2014에 따라 정현파 공급에서의 8개 동작점에서의 무부하 시험을 통해 일정손실 PCsin을 결정한다.
- 컨버터 구동에서의 무부하 시험을 통해 일정손실 PCcon을 결정한다.
- 추가적인 고조파 손실은 PLHL = PCcon – PCsin 으로 결정한다.
- 최종 효율은 P2_60034-2-1 / (P1_60034-2-1 + PLHL)로 결정된다. 여기서, P1_60034-2-1는 IEC 60034-2-1:2014에
따른 전동기 입력전력이며, P2_60034-2-1는 기계적 출력을 의미한다.
직접법(2-3-A)과 손실분리법(2-3-B) 이외에도 수학적 모델을 이용하여 계산하는 방법(2-3-C), 그리고, 2MW이상의 대용량 전동기의
효율 결정을 위한 계산법(2-3-D)이 제시되어 있으며, 시험방법을 1판과 비교하면 표 2와 같다.
표 2. IEC 60034-2-3의 시험법 비교
Table 2. Comparison of test methods in IEC 60034-2-3
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항목
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1판의 방법
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2판의 방법
|
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2-3-A
|
손실의 합 : 시험용 컨버터를 이용한 공급
|
입력-출력
|
|
2-3-B
|
손실의 합 : 최종 용도용 특정 컨버터를 이용한 공급
|
손실의 합 : 최종 용도용 특정 컨버터를 이용한 공급
|
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2-3-C
|
입력-출력
|
수학적 모델을 이용한 결정
|
|
2-3-D
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칼로리법
|
계산에 의한 결정
|
이외에도, 이전의 규격에 비해 크게 달라진 점으로는 그림 3과 같이 7개의 운전점에서의 효율을 측정하고, 보간법을 이용하여 다른 운전점에서의 효율을 예측할 수 있는 방법을 추가적으로 제시하고 있다는 점이다.
이는 컨버터 구동용 전동기의 경우 정격 운전점 이외에도 다양한 운전점에서 구동되기 때문에 이에 대한 효율을 간편하게 예측 할 수 있도록 하기 위함이다.
그림. 3. IEC 60034-2-3에 정의된 7개의 운전점
Fig. 3. Seven Operating Points as defined in IEC 60034-2-3
표 3은 제시된 7개 운전점에 대한 속도, 토크의 크기를 보여주고 있으며, IEC 61800-9-2에 정의된 운전점과는 일부 차이가 있다.
표 3. IEC60034-2-3과 IEC61800-9-2에 따른 운전점 비교
Table 3. Comparison of driving points according to IEC60034-2-3 and IEC61800-9-2
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속도 (%)
|
토크 (%)
|
출력 (%)
|
IEC 61800-9-2 :2017
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|
P1
|
90
|
100
|
90
|
포함
|
|
P2
|
50
|
100
|
50
|
포함
|
|
P3
|
25
|
100
|
25
|
|
|
P4
|
90
|
50
|
45
|
포함
|
|
P5
|
50
|
50
|
25
|
포함
|
|
P6
|
50
|
25
|
12.5
|
포함
|
|
P7
|
25
|
25
|
6.25
|
|
3. 결론
본 논문에서는 정현파 구동 전동기와 컨버터 구동 전동기의 효율 시험 방법에 대한 각각의 표준과, 정현파 구동용 전동기의 효율등급에 관한 표준의
현황과 최근에 개정된 내용에 대해 검토하였다.
KSCIEC60034-2-1는 2019년에 개정되었으나, 시험내용은 기존의 내용과 크게 바뀐 부분이 없어 현재 시험상에 큰 어려움이 없을 것으로
판단되나, 최근 제정된 KSCIEC 60034-2-3은 IEC/TS 60034-2-3:2013에 부합되게 제정되었으며, 이에 의한 시험은 여러단계의
복잡한 절차를 거쳐야 함에 따라 시험과정 중에 실수가 발생될 여지가 다소 높다고 볼 수 있다. 따라서 사람이 수동으로 시험을 수행하는 방식보다는 절차를
자동화 하여 실수의 확률을 낮출수 있도록 시험 장치를 구성하는 방안에 대한 검토가 반드시 필요할 것으로 판단된다. 그리고, 시험기관에서 필요한 시험용
컨버터 공급에 대한 대책도 요구된다.
그리고, 무엇보다도 이미 IEC에서 개정된 IEC60034-2-3의 2판이 출판되었고 1판에서의 내용에서 시험방법이 상당부분 변경된 점을 고려하면,
KS 표준도 이에 부합되도록 빠른 시일내에 개정하여야 혼란이 적을 것으로 사료된다.
또한, 가변속용 전동기의 적용으로 에너지를 크게 줄일 수 있는 가능성이 높은 만큼, 아직 우리나라에서는 제정되어 있지는 않지만, 가변속용 전동기의
효율 측정 시험방법과 효율등급에 관한 IEC 규격인 IEC 61800-9-2:2017에 대한 보다 심도있는 검토도 같이 병행되어야 할 것으로 사료된다.