에어콤프레샤(Air Compressor)의 모터도 고효율 모터에서 PM(영구자석형)모터로 진화

◈ 에어콤프레샤 모터(Air Compressor Motor)의 진화 ◈ 

   전기절감을 위한 모터의 선정을 위한 자료 (PM Motor란), PM Motor + 인버터 장착 공기압축기 

   앞의 글에서 PM Motor적용한 Air Compressor에 대한 자료도 참조 : http://blog.daum.net/wmefu/8668587

내부영구자석 (iPM) 모터를 채택한 아트라스콥코 신형 Air Compressor GA37VSD＋모델

    Air Compressor의 Screw Rotor를 돌려주는 가장 핵심적인 부분이 Motor입니다. 이 모터의 성능 향상은 곧 에어콤프레샤의 전기절감과 직결되는 것입니다. 그래서 고효율 모터를 사용하는 것은 필수 입니다. 현재 고효율모터의 진화가 어디까지 왔는지 앞으로 어떻게 진화 되어 가는지에 대한 좋은 자료가 있어 올려봅니다.

※ 이 자료는 월간 전기기술에서 인용한 것입니다. 법적문제가 된다면 언제든 삭제 하겠습니다.

1. 고효율 모터란?

고효율 모터란 유도전동기가 발생하는 손실을 저감시켜효율값을 향상시킨 모터이다.유도전동기는 전원에서 공급된 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 동력원으로 널리 이용되고 있는데(주1),그 일부가 열 에너지로서 그림 1에 나타내는 전동기의 각부분에서 소비되고 있다. 이 전동기의 출력축에서 동력으로 사용할 수 없는 에너지를 손실이라고 한다. 손실이 클수록 전동기의 온도상승이 높아지고 절연수명을 짧게 할뿐만 아니라 전력을 헛되이 낭비하게 된다.
전동기의 손실은 크게 나누어 동손, 철손, 표유 부하손,기계손으로 구성된다. 고효율 모터는 이들 손실을 저감시키
는 것으로 효율향상을 도모하고 있다. 예를 들어 도체단면의 증대, 철심의 연장(주2)으로 인한 동선 저감, 철심에 저
손실 특성을 갖는 고급 전기철판을 채용하는 등 권선저항,입력전류, 자속밀도를 가능한 한 적게 하고 있다.
이와 같은 것을 고려하여 설계된 고효율 모터는 표준전동기에 비해서 전체 손실의 20∼30%가 저감되며 효율값
은 3∼6% 정도 향상되었다.그림 2에 고효율 모터의 일례로 골드모터의 정격부하에서의 효율값을 표준전동기와 비교하여 나타내었으며, 그 외관을 사진 1에 나타낸다.

그림1. 유도전동기의 구조와 손실

(주1) 최근 알루미늄 다이캐스트 모터가 사용되고 있다. 이 모터는 전동기 제조상의 에너지 절감(재료 절감)이 목적인데, 알루미늄을

        사용함으로써 종래에 비해30%의 경량화, 전용설계에 의해 철심을 작게 함으로써 종래비 20%의 소형화를 실현시키고 있다.
(주2) 철심의 연장
        회전자,고정자의 철심길이를 길게 함으로써 도체면적은 증가, 권선저항은 감소돼 동선, 철손의 저감을 도모하고 있다.

그림2. 고효율모터 골드모터의 출력과 효율특성

사진1. 고효율 골드모터의 회형

고효율 모터의 특징으로는 효율개선에 의한 전력삭감만이 아니라 손실저감에 따른 전동기 냉각용 팬의 소형화
및 형상 변경에 의한 저소음화, 효율향상에 따르는 전동기발열 억제에 의한 장수명화 등이 있다. 또한 표준전동기로
부터의 치환을 고려하여 표준전동기와 동일한 설치치수,종래의 표준전동기와 역률, 최대출력 등이 거의 동등하므
로 호환성이 있다는 것 등을 들 수 있다.

2. 가변속전동기(인버터 제어)
다양화,복잡화하는 부하기계의 수요에 대해서 일정속도로 움직이는 전동기로는 에너지 절약효과가 충분하지않을 경우가 많다. 이러한 경우 가변속 전동기를 채용하면 회전수를 제어함으로써 최적 운전이 가능해지며 에너지절약효과도 크다.
가변속전동기로는 전동기와 인버터 조합에 의한 가변속제어가 일반적이며, 대표적인 용도인 팬 펌프에서의 에너지 절약효과는 아래와 같다. 댐퍼(조정밸브)로 풍량(유량)을 제어하는 경우, 전동기는 항상 일정한 회전수로 회전하기 때문에 풍량(유량)이적어져도 필요한 축동력은 그다지 저감하지 않는다. 그러나 인버터 구동에 의해 가변속전동기로 운전하는 경우, 전동기의 회전수를 낮춰서 풍량(유량)을 제어하기 때문에 회전속도의 3제곱에 비례하여 축동력이 감소하므로 대폭적으로 에너지를 절약할 수 있다(그림 3).

그림2. 인버터모터를 적용한 팬펌프에서의 에너지 절약효과 예

3.고효율 영구자석 동기전동기(PM 모터)와 그특징
최근에는 한층 더 에너지 절약이 요구되고 있다. 그에 따라 전동기 회전자에 영구자석을 사용한 고효율영구자석 동기전동기(PM 모터)가 주목받고 았는데, PM모터는 전동기의 회전자 도체 대신 영구자석을 사용한 모터이다.

(1) 종 류
PM 모터에는 SPM(Surface Permanent Magnet)과 IPM(Innterior Permanent Magnet) 이 있다(그림 5). SPM 은 회전자 표면에 자석을 붙이며 구조상 소용량용이다. 이에 비해 IPM 은 회전자 내부에 자석을 매입하는 구조로 되어 있으므로, 중,대용량 제작도 가능하고 고회전에의 대응도 가능하다.

그림5. PM 모터의 로터 구조도

(2) 특 징
IPM은 회전자에 자석이 매입되어 있는 구조이기 때문에 SPM 에 비해서 고회전시 영구자석의 유지가 용이하다. 또한 특성면으로는 자석 토크와 릴럭턴스 토크(주4)의 병용, 회전자 표면의 와전류 손실 저감 등의 특징에 의해 고토크화, 고효율화를 실현시키고 있다.

(주4) 릴럭턴스 토크
IPM 모터에서 자속이 영구자속부분을 통과하는 자기저항과 그 이외의 부분을 통하는 자기저항은 투자율의 차로 발생하는데, 이 토크를 릴럭턴스 토크라고 한다.

이에 의해 PM 모터는 표준전동기와 비교할 때 아래와 같은 특징이 있다.

•에너지 절약: 손실 35%의 저감에 의해 효율 3∼5%향상(그림 6).

 고효율, 고역률이기 때문에 전동기 입력의 저감이 가능해지고 드라이브 장치의 소형화가 가능.

그림6. 출력,효율 특성

•경량, 스페이스 절감: 전동기 질량은 약 40%, 용적은 약 35% 저감된다.
•저관성 로터: 로터의 관성 질량이 약 50% 저감되고 우수한 가속특성이 얻어진다.
•메인터넌스 저감: 로터 손실의 저감으로 로터,베어링온도가 저감하여 베어링 수명이 2배 이상 연장된다.

그림 7 및 표 1은 인버터를 조합한 경우의 유도전동기와 PM 모터와의 특성을 비교한 예이다.

그림7. IPM 모터구조도

 

항       목	유도 전동기와 PM 모터 비교
전동기 번호	2 번호 다운
전동기 중량	약 40% 경량화
전동기 용적	약 35% 소형화
전동기 효율	약 35% 손실저감
전동기 역률	효율 향상과 함께 전류 약 15% 감소

                               표1. IPM 모터와 유도전동기의 비교

4. 전기에너지 절감을 위한 전동기 운전 방법

전동기 응용설비에서 전력을 삭감하는 경우는 즉시 효력이 있는 고효율 모터 채용에 의한 효율 향상 외에, 전동기로 구동되고 있는 기계특성을 충분히 조사하여 그 용도에 적합한 모터 드라이브 방식을 선정함으로써 전력을 절약하는 것이 중요하다.

(1) 부하에 대응하는 전동기의 선정
전동력 설비의 에너지를 절약하는 데 있어서 다음과 같은 전제조건을 고려하여 전동기를 선정하여야 한다.
① 구동기계에 적합한 특성과 기능을 가지고 있을 것.
② 신뢰도가 높고 보수점검이 용이할 것.
③ 호환성이 있고 염가일 것.
④ 설비비 및 운전비가 적게 들고 투자금액을 단기간에 회수할 수 있을 것.

(2) 운전 패턴에 대응하는 전동기의 선정
부하의 운전상태는 일정부하 연속사용의 정속운전 뿐만아니라 반복부하의 단속운전, 연속운전, 가변속운전 등 다양하다.
전동기 설비에 있어서 이들 패턴에 따라 에너지 절약효과가 큰 전동기를 선정하는 것이 포인트가 된다.

 

(3) 인버터 도입검토
운전 패턴의 재검토나 가변속화에 의한 에너지 절약효과를 목적으로 하는 경우에 인버터 구동을 적용하면, 에너지 절약에 효과적이므로 인버터의 도입 검토도 필요하다. 인버터 도입을 검토하는 경우, 부하 토크와 관성 모멘트에 의한 가감속 시간의 제약, 허용 토크 특성, 과부하전류정격에 의한 시동특성 등의 인버터 특성을 이해하고 선정할 필요가 있다.

(4) 전동기 사용환경의 확인
전동기를 사용할 때, 다음 항목에 주의함으로써 전동기를 최적상태로 하고 최대효율로 사용하는 것도 중요하다.
① 공운전과 경부하운전의 방지
에너지 절약이라는 관점에서 효과적으로 일을 하지 않는 비생산기간에 전동기 정지.
② 전원의 안정화
정격전압, 정격주파수에서 최적 특성이 얻어지므로 명판표시정격 이외에는 사용하지 않는다. 또한 전원의 전압및 주파수의 변동을 억제한다.
③ 보전 추진
수명을 연장하고 장기간의 효율적인 사용과 신규 교환시의 필요사항 보존을 위해, 정기적인 점검을 함으로써 불필요한 손실의 증가를 없애고 효율적인 운전, 에너지 소비를 감소할 수 있다.

지구환경과 에너지 절약에 관한 국제적 동향을 감안한다면 앞으로 한층 더 에너지를 효율적으로 이용해야 한다.
모터 드라이브에 대해서도 용도, 운전상태, 설치상태와 함께 모터의 고효율화, 모터의 인버터 드라이브 또는 PM
모터를 선정하여 효과적인 에너지 절약을 도모하여야 할것으로 생각한다. 특히 PM 모터는 에너지 절약이라는 관점에서 가장 효과가 기대되는 전동기이며 앞으로 보급이 기대되고 있다.

PM Motor를 설치한 Air Compressor

PM 모터 + 인버터를 장착한 인거솔랜드 Nirvana(너바나)시리즈 인버터 타입 Air Compressoe

PM Motor + 인버터를 장착한 중국한 HUADA제품

현재 중국에서 생산되는 Air Compressor는 국내보다 오히려 PM Motor를 사용하는 비중이 높습니다. 국내에서도 공기압축기의 구동모터로 PM Motor로 대체될 것입니다. 이에 PM Motor에 대해 미리 알아보았습니다. 여러분의 Air Compressor뿐만 아니라 Motor를 사용하는 장비관리에 참조가 되시기를 바랍니다.

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