1. 서 론

기후환경 변화에 대처하고자 화석에너지 사용 저감을 위한 다양한 노력이 지속되어 왔으며, 특히 생산된 전기에너지의 50% 이상을 소비하고 있는 전동기의 효율 향상을 위한 노력은 현재도 계속 진행되고 있다.

EU를 비롯한 많은 국가에서 낮은 효율의 전동기 사용을 규제하기 위해 전동기의 최저효율규제 (MEPS : Minimum Energy Performance Standard)를 시행하고 있으며, 우리나라를 비롯한 많은 나라에서 3상 유도전동기의 최저효율을 IE3 등급 이상으로 관리하는 상황이다.

최저효율규제에 매우 적극적인 EU의 경우에는 2021년 7월부터 정격 출력이 0.75kW에서 1,000kW의 3상 전동기의 에너지효율이 최소한 IE3 등급에 해당해야 하며, 2023년 7월부터는 정격 출력 75kW 이상부터 200kW 이하인 3상 전동기의 에너지효율은 최소한 IE4 등급에 맞추어야 한다.

이처럼 전동기 효율 규제가 지속됨에 따라 IE1 등급과 같은 낮은 효율의 전동기 사용이 감소함에 따라, 이제는 IE2에서 IE3 등급으로 또는 IE3 등급에서 IE4 등급으로의 상향 시 과거와 같은 큰 폭의 효율상승을 기대하기는 어렵다. 그림 1은 효율 등급을 한 등급 높여서 사용할 경우 에너지 절감의 정도를 나타내고 있으며, 등급 간의 효율 차이가 그렇게 크지 않음을 볼 수 있다.⁽¹⁾

그림. 1. IE 등급 변화에 따른 효율 차이

Fig. 1. Efficiency differences according to IE class changes

이에 따라, 최저효율에 관한 규제는 팬, 전동기, 구동용 전력변환장치, 워터펌프 등 전반으로 확대되고 있다. EU는 가변속용 전동기 드라이브(컨버터)의 효율에 대한 규제를 2021년부터 시행되고 있으며, 효율 등급을 IE2 등급 이상으로 요구하고 있다. 그러나 가변속용 전동기가 세계 시장의 10% 정도라는 점과 기존에 사용되고 있던 컨버터의 효율이 대체로 높은 수준을 유지하고 있음을 고려하면 실질적인 에너지 점감의 정도는 큰 수준으로 이루어질 것이라 기대하기는 어렵다. 그러나, 이러한 여건 속에서도 EU의 에너지 점감에 대한 노력은 상당히 적극적으로 이루어지고 있다.

EU에서의 전동기 최저효율규제 (MEPS)에 관한 최근까지의 상황을 그림 2에 나타내었다.

그림. 2. EU의 전동기 최저휴욜등급 제도의 현황

Fig. 2. Status of MEPS in EU

2021년 이전까지는 0.75kW~375kW급 직입형 3상 전동기(8극기 제외)에 대해 IE3 등급, 가변속형 3상 전동기는 IE2 등급으로 제한하였다. 2021년 이후부터는 직입형과 가변속형 모두에 적용하며, 적용되는 용량도 확대되었다. 또한, 국제규격인 IEC 61800-9-2에 따른 VSD의 효율을 IE2 등급으로 제한하고 있다. 2023년 이후에는 단상 유도전동기에 대해서도 IE2 등급으로 제한하고, 직입형 3상 전동기 중 일부는 IE4 등급으로 제한된다. 조금더 자세히 살펴보면, EU는 2021년부터 0.75kW~1,000kW 용량의 2극, 4극, 6극 8극의 3상 유도전동기는 IE3 등급 이상으로 제한하고, 0.12kW~0.75kW 용량의 2극, 4극, 6극 8극의 3상 유도전동기는 IE2 등급 이상으로 제한하고 있다. 2023년 이후부터는 0.12kW~1,000kW 용량의 2극, 4극, 6극 8극의 방폭형(Ex eb) 3상 유도전동기와 0.12kW 이상의 단상 유도전동기에 대해 IE2 등급 이상으로 추가로 제한한다. 그리고, 75kW~200kW 용량의 2극, 4극, 6극의 3상 유도전동기는 IE4 등급 이상으로 제한된다. 이때 브레이크 모터, 방폭형 모터는 제외된다.

전동기 이외에도 전동기 구동용 전력변환장치 (VSD)에 대하여 2021년 이후부터 0.12kW~1,000kW 용량에 대해 IE2 등급 이상으로 제한하고 있어, 규제에 매우 적극적이라는 점을 알 수 있다. 더 나아가, EU는 가변속 전동기 제어 분야에서 전기소비량을 줄일 수 있는 잠재력이 매우 높다고 평가하고 있다. 특히, 펌프, 컴프레서, 팬 부하와 같이 속도 제어가 필요한 부하를 가지는 분야에서 가변속 제어를 이용할 경우 매우 큰 에너지를 절약할 수 있다고 평가하고 있다. 예를 들면, 펌프 시스템의 전통적인 방식은 밸브를 조절하여 흐름을 제어하는 방식으로, 이때 불필요한 손실이 크게 발생한다. 이를 가변속 제어로 변경할 경우 높은 에너지 절감을 이룰 수 있다. 표 1은 펌프 시스템을 전통적 방식의 제어와 가변속 방식으로 제어 시 효율을 비교한 것으로 매우 큰 효율 향상의 가능성을 보여 주고 있다. ⁽²⁾ 이처럼, 팬 또는 펌프와 같이 시스템으로 이루어져 효율 관리가 쉽지 않은 전동기 시스템의 효율 관리를 위해 표준규격인 IEC 61800-9-1:2017과 IEC 61800-9-2:2017을 정비해 나가고 있다.

우리나라의 경우에는 2008년부터 ‘효율관리기자재 운용 규정(산업통상자원부 고시 제2015-37호)’에 따른, 전동기의 효율 등급제도(MEPS)를 시행해 오고 있다. 제시된 최저소비효율 기준을 만족시키지 못할 경우 국내 생산과 판매가 금지된다. 2008년부터 점차 최저효율 기준을 높여왔으며, 2022년 현재 0.75kW~375kW 용량의 3상 농형 유도전동기에 대해서 IE3 등급 이상으로 관리되고 있다.

이와는 달리, 전동기의 가변속 제어에 사용되는 전력변환장치인 인버터의 경우에는 아직 효율 등급제도에 따른 최저효율규제는 시행되고 있지 않다. 다만, 고효율에너지 기자재 보급 촉진에 관한 규정(산업통상자원부 고시 제2021-166호)에 따라 일정 기준 이상을 만족하는 제품에 대해 고효율에너지 기자재로 인증하는 자발적 제도인 고효율인증제도가 시행 중이다. 인버터의 경우에는 0.1kW~7.5kW 용량은 96%, 7.5kW~220kW 용량은 97% 이상의 효율이 기준이 된다. 이때 효율측정 방법을 국제표준인 IEC 61800-9-2 :2017의 측정 방법을 따르고 있지는 않으며 이에 부합되는 KS 표준도 아직 제정되어 있지는 않은 상황이다.

현재 우리나라의 표준현황을 보면, KS C IEC 60034-2-1은 2019년에 IEC 60034-2-1:2014와 부합되게 개정되었으며, 같은 해에 KS C IEC 60034-30-1이 IEC 60034-30-1:2014에 부합되게 제정되어 있다. ^(3,4)

KS C IEC 60034-2-3은 IEC/TS 60034-2-3 : 2013에 부합되게 제정되었으나, 국제표준인 IEC 60034-2-3이 2020년에 2판으로 개정된 상황이다.⁽⁵⁾ IEC 60034-2-3의 2판에는 동기전동기에 관한 내용이 추가되었으며, 시험방법에서도 일부 변경 사항이 있어 국내 표준을 이른 시일 내에 개정하는 것이 요구된다.

본 논문에서는 전동기 효율과 관련된 표준에 대해 검토하고 효율 향상에 관해 연구한 내용을 살펴보고자 한다. 특히, 최근 급성장하고 있는 광대역갭 반도체소자 연구와 전기자동차 연구가 전동기 시스템의 효율 향상에 미칠 수 있는 영향도 살펴보고자 한다.

2. 국내 외 표준 현황

전동기의 효율을 관리하기 위해서는 전동기 효율을 객관적으로 측정하는 방법과 효율의 등급 기준이 필요하게 된다. 우리나라를 비롯한 대부분의 나라에서 IEC 규격을 준용하고 있다. IEC는 전기 기술에 관한 표준의 국제적 통일과 조정을 목적으로 1906년에 설립된 ‘국제전기표준위원회’를 이른다.

표 2는 전동기 효율과 관련한 IEC 규격을 나타낸다. 각각의 규격은 전동기 및 컨버터의 효율을 측정하는 방법과 측정 결과에 따른 효율 등급 기준을 정의하고 있다.

IEC 60034-2-1:2014에서는 상용전원으로 직접 구동되는 전동기의 손실과 효율을 결정하는 방법에 관하여 기술하고 있으며, 유도전동기, 동기전동기 그리고 직류전동기 등을 대상으로 하고 있다. ⁽⁶⁾

IEC 60034-30-1:2014에서는 전력변환장치(컨버터)를 사용하지 않고 상용전원(50/60Hz)으로 직접 구동되는 유도전동기에 대한 효율 등급에 관해 규정하고 있다. 등급은 IE1~IE4로 정의되어 있으며 용량별 효율은 그림 3과 같다. ⁽⁷⁾

IEC 60034-2-3:2020에서는 전력변환장치로 구동되는 교류전동기의 손실과 효율을 결정하는 방법에 대해 기술되어 있으며, 전력변환장치의 고조파로 인한 전동기에서의 추가적인 고조파손실을 결정하는 방법에 대하여 자세히 기술되어 있다. 유도전동기와 동기전동기가 적용 범위에 포함된다.⁽⁸⁾

IEC TS 60034-30-2:2016에서는 가변속으로 구동하는 전동기(유도기, 동기기, SynRM)의 효율 등급을 규정하고 있다.⁽⁹⁾ 고조파손실과 정격속도의 90%에서의 측정치를 이용하여 보정하는 수식을 통해 결정하게 되어있다. 규격의 이름에서 알 수 있듯이 아직은 기술 사양 단계의 규격이다. 기술 사양은 세부 사항 및 완전성 측면에서 국제표준에 근접하지만, 합의에 도달하지 않았거나 표준화가 시기상조로 여겨져 아직 모든 승인 단계를 통과하지 못한 단계를 의미하며 2023까지는 기술사양으로 유지될 예정이다.

IEC 61800-9-1:2017에서는 확장 제품 접근 방식(Extended product approach : EPA) 및 반 분석 모델(Semi analytic model : SAM)을 기반으로 부하를 포함한 확장된 전동기 시스템의 효율 지표를 결정하는 방법을 기술하고 있다.⁽¹⁰⁾ 이 방법을 통해 펌프 시스템 등에 적용할 수 있는 EEI (Energy efficiency index)를 계산할 수 있게 된다. 이는 전동기 시스템이 주기적 또는 비주기적으로 운전되고 있는 경우의 시스템의 효율 개념으로 확장하여 적용할 수 있게 된다.

부하를 포함한 전체 시스템의 구성에서 CDM (Complete drive module), PDS(Power drive system), Motor system, EP의 정의를 그림 4에서 보여 주고 있다.

IEC 61800-9-2:2017에서는 가변속으로 구동하는 전동기 시스템의 에너지효율 향상을 위해 전력변환장치(Complete Drive Module : CDM)와 전동기 구동 시스템(Power Drive System : PDS)의 효율 결정방법과 효율 등급을 정의하고 있다. ⁽¹¹⁾

다양한 드라이브 토폴로지 및 다양한 제어 전략에서의 시스템의 효율 비교를 위해 표준 PDS(RPDS)라는 개념이 도입되었다. 이러한 표준화된 RPDS와 비교하여 설계된 확장 제품 효율의 수준을 파악할 수 있다. 그리고, 전동기만 생산하거나 전력변환장치만 생산하는 업체도 RCDM 또는 RM을 이용하여 시스템의 효율 수준을 예상할 수 있게 하였다.

전력변환장치(CDM)의 효율 등급은 과변조를 방지하고 다른 방법으로는 달성할 수 없는 제조업체 간의 비교 가능성을 보장하기 위해 효율 등급은 90/100 작동 지점(90% 모터 고정자 주파수, 100% 토크 전류)을 참조하여 IE0에서 IE2까지 상대적 손실을 정의한다. 효율 등급 IE1(기준 변환기)은 RCDM이 기준이 되며 이 값의 +/- 25% 이내로 규정되어 있다, IE1보다 25% 크면 IE0, IE1보다 25% 작으면 IE2로 정해진다.

그림. 3. IEC 60034-30-1의 50Hz, 4극기 효율 등급 제한

Fig. 3. Efficiency limits of 50Hz, 4 poles motors

그림. 4. 확장된 전동기 시스템의 정의

Fig. 4. Definition of Extended Product

PDS의 효율 등급은 특정 부하 지점이 기준점이 되며, 100/100 작동점(100% 모터 고정자 주파수, 100% 토크)이다. 효율 등급은 IES0에서 IES2로 PDS의 상대적 손실을 정의한다. RPDS가 IES1 등급의 기준이 된다. 이보다 20% 크면 IES0, IES1보다 20% 작으면 IES2가 된다.

IEC 61800-9-2에서의 손실 분석은 속도 제어 작동을 목표로 하므로 컨버터로 동작하도록 설계된 모터도 포함되며, 전동기의 전체 부하 범위에 대한 손실 분석이 가능하다. 다양한 상황에서의 효율을 다루기 위해 모터 및 드라이브 시스템의 전체 부하 및 부분 부하에서의 작동 지점을 정의하고 그 지점에서의 손실을 결정한다. 부분 부하 작동에서의 동작점의 손실 데이터를 기반으로 가변 속도 드라이브를 더 자세히 고려할 수 있다. 가변속 전동기의 사용은 매우 다양한 형태의 운전 방법을 가지게 되는데 이러한 다양한 상황에서의 효율을 결정하기 위해 생산업체는 그림 5와 같이 사용자에게 7개 지점의 효율을 제공하여야 한다. 사용자는 IEC 600-2-3:2020에 따라 보간법을 이용하여 원하는 동작점에서의 효율을 계산할 수 있다. 예를 들어, (1), (2), (3)의 동작점은 컨베이어 벨트 또는 호이스트와 같이 일정 토크를 요구하는 부하에서의 효율 계산에 쉽게 사용될 수 있으며, (7), (6), (5), (4), (1)은 펌프, 팬, 컴프레서와 같이 속도의 제곱에 비례하는 부하에 적용이 용이할 수 있다.

그림. 5. IEC 60034-2-3에 정의된 7개의 운전점

Fig. 5. Seven Operating Points as defined in IEC 60034-2-3

3. 효율 향상을 위한 연구 동향

이상에서와 같이 전동기 사용의 효율을 높이기 위한 지속적인 노력과 함께 효율 향상을 위한 다양한 연구도 병행되고 있으며, 최근 들어 몇 가지 환경의 변화로 연구가 더욱 활발해지고 있다. 전동기와 관련한 분야에서의 다양한 변화들 즉, 전동기를 사용하는 시스템의 효율 향상에 대한 규제 움직임, 전기자동차 시장의 급속한 성장, 영구자석의 가격상승에 따른 탈 영구자석. 광대역갭 반도체의 급속한 기술력 향상 등과 같은 환경변화가 전동기 시스템 연구의 방향에 큰 영향을 미치고 있다.

기본적으로는 전동기의 효율 향상을 위해 최근까지는 산업계에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 유도전동기의 효율 향상에 집중해 왔다. 유도전동기의 손실은 철손 20%(히스테리시스손 + 와전류손), 고정자 동손 35%, 회전자 동손 25%, 표류부하손 10%, 기계손 10% 정도로 알려져 있으며,⁽¹²⁾ 유도전동기의 철손을 줄이는 방법으로 자속의 포화를 낮추기 위해 스택 길이를 늘이거나 철심 재질을 바꾸는 연구가 있었으며, 동손을 줄이기 위해서 저항이 작아지도록 설계하거나, 전선의 형상을 바꾸거나 전선의 재질을 바꾸는 연구도 있었다. 표류부하손의 경우 자성 웨지를 사용하거나 효과적인 슬롯 수의 조합을 찾는 연구도 있었다. 기계손의 경우 냉각팬의 형상 변화와 베어링의 개선하는 연구도 있었다. 또한, 회전자 손실을 줄이기 위해 농형의 알루미늄을 구리로 대체하는 방법도 적용되었다. 그러나 이러한 노력에도 IE４ 또는 IE5의 효율에는 어려움이 있으며, 유도전동기 자체의 효율 향상은 거의 최대치에 이르렀다고 볼 수 있다. 이러한 한계를 극복하고, 유도전동기를 영구자석형 전동기로 대체할 경우 비용적인 부분에서의 어려움을 해결하기 위해 유도전동기에서 손실이 많이 발생하는 회전자만을 SynRM 회전자로 대체하여 전동기의 효율을 향상하는 연구도 이루어졌다 ⁽¹³⁾. 그러나, 다양한 분야에서 직입 구동형 유도전동기가 광범위하게 사용되고 있고, 이를 가격 측면에서 대체할 수 있는 전동기는 현실적으로 어려울 것으로 보여, 유도전동기 효율 향상에 관한 연구는 당분간 더 지속될 것으로 예상된다.

단일 속도로 구동되는 직입 구동형 유도전동기와는 달리 가변속이 요구되는 경우에는 상황이 다르다. 전력전자의 발전으로 인버터 성능은 높아지고 가격이 낮아져 경쟁력을 갖춤에 따라 효율을 더 높일 수 있는 영구자석형 전동기가 좋은 대안이 될 수 있다. 특히 희토류계 영구자석을 사용한 고성능의 영구자석형 전동기의 연구가 활발히 진행되었다. 희토류계 영구자석형 전동기는 고토크, 고효율 전동기에 매우 빠르게 적용되어 왔다. 그러나, 최근에는 희토류 자석의 가격상승과 물량 부족으로 인해 영구자석의 사용을 줄이거나 사용하지 않는 전동기의 연구도 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 경우가 SynRM이다. 그림 6은 최근 10년간 IEEE에 등록된 논문의 비율을 나타낸다. Google scholar에서 검색한 것으로 유도전동기(IM)의 논문은 매년 거의 일정한 비율로 등록되는 반면, SynRM의 논문은 2018년까지 급격히 증가한 것을 볼 수 있다.

SynRM은 회전자 손실에 의한 열 발생이 적어 냉각에도 유리한 장점이 있어, ABB, Siemens 등 해외 업체에서는 이미 IE4, IE5급의 SynRM 전동기를 생산하고 있다. 이처럼 영구자석의 가격상승과 전동기의 효율 규제와 맞물려 최근 들어 전동기의 연구는 고효율과 탈 영구자석이 주요 추세이다.

그림. 6. IEEE에 출판된 SynRM 과 유도전동기에 대한 논문 수 비교

Fig. 6. Comparison of the number of papers on SynRM and induction motors published in IEEE

전동기의 효율에서 새로운 소재의 사용은 효율 향상에서 매우 중요하며, 따라서 소재 분야에서의 연구도 활발하다.

철심 소재에서 Si는 철손을 효과적으로 감소시킬 수 있으므로 전기강판에서 가장 중요한 원소이며, 무방향성 전기강판에는 Si가 2~3% 정도가 일반적으로 첨가된다. 그러나, 가공성의 어려움에도 불구하고 6.5% Si 강판은 매우 낮은 철손을 보여주며. 이와 같은 Si 강판은 고주파에서 유리하여 자동차용 전동기에 적용이 효과적일 수 있다. 철심 이외에도 입계확산에 의한 고성능 영구자석, 탄소나노튜브(CNT)가 포함된 Cu 권선 등의 첨단소재 연구도 진행되고 있다.

또 다른 소재 분야로는 반도체소자의 소재를 들 수 있다. 최근 광대역갭 반도체소자의 스위칭 속도와 낮은 스위칭 손실로 인해 전력변환장치의 효율 향상에 큰 기대가 되고 있다. 전력변환장치의 스위칭 주파수를 IGBT보다 높은 수kHz로 높일 수 있어 고속 회전용 컨버터에도 적용이 가능하다. 높은 스위칭 속도와 낮은 스위칭 손실은 냉각에 유리하여 제품의 크기를 크게 줄일 수 있는 이점도 있다. 최근 상용 전기자동차 테슬라 모델3에 SiC MOSFET 모듈이 사용되어 높은 관심을 끌었다. 이처럼 SiC 장치는 높은 스위칭 주파수, 고전압 및 고온 응용 분야에서 기존의 부품을 대체해 가고 있다.

광대역갭 반도체의 급속한 발전은 이를 이용한 전력변환장치에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대된다.

전동기 연구가 활발해진 또 다른 분야로는 전기자동차용 전동기이다. 최근 국내외의 주요 자동차 생산업체들이 내연기관 자동차에서 전기자동차로 빠르게 전환되고 있다. 이는 환경규제에 따른 영향도 크지만, 배터리, 영구자석형 전동기 및 드라이브, 광대역갭 반도체소자의 발전 등도 큰 몫을 하고 있다. 전기자동차의 핵심부품인 전동기는 높은 에너지 밀도와 높은 효율이 요구된다. 이는 영구자석형 전동기의 특성과 잘 부합되어 대부분의 전기자동차용 전동기는 영구자석형 전동기가 적용되고 있다. 자동차 구동용 전동기의 특성으로는 가속 성능을 위해 높은 기동토크가 요구되며, 제한된 공간 때문에 고밀도의 에너지 밀도가 요구된다. 또한 배터리의 제한으로 고효율의 특성이 요구된다. 이러한 요구에 부합되는 전동기는 IPM 전동기가 대표적이다. 실제로 최근 몇 년간 생산된 전기자동차의 대부분에 IPMSM 전동기가 채택되었다.⁽¹⁴⁾ 전기자동차 생산업체의 입장에서는 전기자동차의 핵심부품에 해당하는 전동기와 전력변환장치의 연구가 매우 중요한 분야이며, 연구에 매우 적극적일 것으로 예상할 수 있으며, 새로운 성과는 다른 분야에도 크게 영향을 미칠 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 논문에서는 정현파 구동 전동기와 컨버터 구동 전동기의 효율 시험방법에 대한 각각의 표준과, 정현파 구동용 전동기의 효율 등급에 관한 표준의 현황과 최근에 개정된 내용에 대해 검토하였으며, 전동기 효율 향상을 위한 연구 현황도 검토하였다. EU에서는 가변속용 전동기 및 인버터의 효율 규제가 시작되었고 시스템 효율의 향상에 대해서도 적극적으로 추진하고 있으며, 관련 규격이 점차 확립되어 가고 있어 이와 관련한 연구 역시 활발히 진행될 것으로 예상된다. 특히 시스템의 효율 향상에 관한 연구는 전동기 자체의 효율 향상에 관한 연구와는 달리 시스템 규모에서의 연구가 필요하여 정부의 지원이 크게 필요할 것이다. 그리고 국내 표준의 경우에는 해당하는 국제표준에 잘 부합될 수 있도록 제정 및 개정이 필요한 시점이라 생각된다.