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최근 중국 모터 시장 동향을 통해 본 유도 모터의 고효율화
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2017.11.03 11:45
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노무라 종합 연구소에 따르면 중국의 전력 소비량은 2002 년 이후 급격히 늘어 2010 년에 미국, 일본을 제치고 세계 최대가 된 것으로 나타났다. 그런데 세계 전력 수요의 20 % 이상을 차지하는 중국의 전력 수요 중 75 %는 여전히 석탄에 의한 화력 발전으로 충당하고 있다. 이러한 상황에서 에너지 절감의 방안으로 주목 받고 있는 것이 모터의 고효율화다.
중국은 경제 성장이 둔화되었다고는 하나, 여전히 높은 성장률을 보이고 있는 만큼 에너지 소비는 현재 상태를 유지할 것으로 보인다. 이에 에너지, 환경 문제는 중국에서 중요한 주제이며 에너지 절약은 더 이상 미룰 수 없는 문제다. 그 중에서도 중국은 전력 수요의 약 50 %를 공장과 가정용으로 쓰이는 모터에서 소비하고 있어 모터의 효율을 높임으로써 전기 에너지 절감에 대한 요구가 높아지고 있다.

에너지 절약 지수를 좌우하는 모터

중국에서 만드는 가전제품에는 에너지 절약 지수를 나타내는 라벨이 붙어 있다. 소비자는 기능과 가격뿐만 아니라 에너지 절약도를 확인하고 구매에 참고한다. 그런데 같은 인버터를 탑재했다 하더라도 레벨에 차이가 나는 경우가 있다. 이러한 차이가 나는 이유는 압축기, 실외기 팬, 실내기 팬에 적용된 모터의 종류가 다르기 때문이다.
에어컨의 보급에 따라 중국의 인버터화 비율은 2016 년에 50 % 가까이 되었지만, 아직도 고효율 동기 모터와 브러시리스 DC 모터는 사용되지 않고, 유도 모터가 주류를 이루고 있다. 유도 모터는 1900 년대 초부터 실용화한 AC 모터의 원조로서, 구조가 간단하며 작동이 용이하고 비용도 저렴하다. 고출력이면서 회전 모터에 대응하기 쉽다는 점 등의 장점이 있어 중국뿐만 아니라 전세계 다양한 산업에서 아직도 많이 사용되고 있다.

유도 모터의 구조와 동작 원리

먼저 유도모터의 구조와 작동 원리에 대해 살펴보자. 동기 모터와 유도 모터의 가장 큰 차이점은 자석을 사용하고 있는지의 여부다. 유도 모터는 자석을 사용하지 않고 유도 전류에 의해 토크를 발생시킨다. 이에 유도 모터는 2 차 동판에 의한 손실이 크고, 미끄럼을 따라 회전하기 때문에 동기 모터에 비해 10 ~ 30 % 효율이 떨어진다.

[그림 1]은 동기 모터와 유도 모터의 구조와 원리를 비교하여 정리한 것이다.

유도 모터를 설명하는 중요한 키워드는 바로 유도전류(와전류 합성 성분)다. 유도전류의 근본이 되는 와전류는 자계의 이동에 의해 회전자 내에 발생한다. 자계에 의해 N극이 접근할 때와 멀어질 때 그 소용돌이의 회전 방향이 다르다[그림 2]. 회전 자계와 그 고정자의 동판에 발생하는 2 개의 와전류의 합성에 의한 유도 전류가 자계 속에서 전자력을 발생시켜 모터 토크가 된다.

여기서 주목해야 하는 것이 도체의 원반은 회전 자계보다 늦게 회전한다는 것이다. [그림3]의 원반보다 빨리 회전하는 자석(자계)의 전방에서는 자력이 증가하면서 왼쪽 방향 와류가 발생하고, 자석 뒤쪽에서는 자계가 감소에서 오른쪽 방향의 와류가 발생한다. 그 합성 전류인 유도 전류가 발생하여 전자력이 생긴다. 즉 유도 모터는 회전 자계와 도체 원반의 회전 수의 차이에 의한 '미끄럼'이 필요한 것이다.

또한 이 회전자 측에는 동기 모터에는 없는 동판에 대해 와전류가 흘러 2 차 전류 손실이 발생한다. 회전 자계에 대해 ‘미끄럼(회전 자계와 회 전자의 회전 수 차이)’이 발생하기 때문에 효율이 떨어진다. 이 미끄럼이 없으면 와전류가 발생하지 않기 때문에 토크도 발생하지 않는다. 한편 토크의 특성으로는 정지 시에도 회전 자계에 대해 토크가 발생하기 때문에 특별한 기동 보조 장치 없이 기동이 가능하다. 이 점에서 매우 사용하기 쉬운 모터라고 할 수 있다.

회전자는 회전자계의 회전수에 가까워질수록 토크가 올라간다(= 회전 자계의 1차 전류와 고정자 내의 2 차 전류의 위상차에 의한 상승). 최대 토크 발생 회전 수와 회전 자계의 회전 수 사이의 부하에 따라 일정 속도의 회전 수가 결정된다.

부하가 거의 없는 상태에서도 토크의 발생원이 되는 미끄럼이 필요하기 때문에, 회전자는 결코 회전 자계와 같이 회전되는 경우는 없다.
이와 같이 유도 모터는 상용 전원만으로도 쉽게 사용할 수 있다. 또한 부하의 변화에 대해서도 미끄럼을 바꾸는 것으로 대응 가능하고, 거의 일정한 속도로 회전할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있다.

유일한 단점으로 효율성이 꼽히기는 것이 사실이다. 유도 모터의 손실 요인으로 권선 저항에 의한 동손이나 고정자 인 철심, 회 전자의 철손(히스테리시스 손실과 와전류 손실)이 존재하기 때문이다. 그러나 권선 구조의 개선 및 저 손실 재료의 적용 등 효율성 개선을 위한 노력이 이루어지고 있다.

 

인버터 기술의 진화


앞서 언급했듯 유도 모터는 1900 년 이후 현재까지 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 교류 전원을 ON/OFF(시동/ 정지) 방식으로 쉽게 작동시킬 수 있기 때문이다. 실용화한 직후에는 회전 수를 안정시키거나 속도를 바꿀 수 없었으나, 1980 년 이후 전력용 반도체 장치의 발전으로 인버터 기술이 보급되면서 크게 진화하게 된다.

모터에서 인버터 기술이란 회전 자계를 발전소의 주파수에서 임의의 주파수로 변환하는 기술을 말한다. 이 기술로 인해 지금까지 상용 주파수에 의한 고정 회전밖에 할 수 없었던 유도 모터를 필요한 때에 필요한 회전 수, 필요한 만큼의 토크를 얻을 수 있게 되었다. 이로써 에너지 절약 운전이 가능해진 것이다. 동시에 고효율 동기 모터의 기동성을 용이하게 할 수 있어 보급이 확대되고 있다.


인버터 기술은 다음과 같은 구동 방식의 순서로 실현되어 왔다. 120도 구형파 구동 → 정현파 구동→ 벡터 제어가 가능한 정현파 구동이다. 120 구형파 구동은 인버터 초기에 3상 브리지의 반도체 디바이스가 높은 주파수에서 스위칭이 되지 못했기 때문에 적용되었다. 하지만 지금까지 불가능했던 회전 수 가변이나 동기 모터의 기동에서 보조기구 없이도 가능해졌다[그림 4].

때문에 인버터는 AC를 한 번 전파 정류된 DC 전원에서 인버터 회로(3 상 스위칭 회로)에서 회전 자계를 대상으로 주파수, 전류를 생성할 수 있는 기술이다. 부하에 맞게 필요한 토크 회전 수를 제어함으로써 에너지 절약을 달성할 수 있다. 그러나 초기 단계에서는 모터의 회전자의 위치는 피드백 없이 오픈 제어하여 동작시키는 원리였다.

지금은 반도체 소자, 특히 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)의 발전에 따라 스위칭 주파수를 높이는 것이 (20KHz 이상) 가능하다. PWM(Pulse Width Modulation/ 펄스 폭 변조)에 의한 토크 제어, 정현파 구동 기술도 가능해졌다. 또한 벡터 제어(Field Oriented Control) 기술에 의해 부하나 회전자의 상태를 감지하여 피드백하고 고속 연산 처리하여 최적의 토크 제어(d 축 제어)를 실시함으로써 저 진동, 저소음, 에너지 절약을 실현할 수 있게 되었다

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