[논문]1MW 고온초전도 동기모터의 개념설계 고찰

백승규; 손명환; 이언용; 권영길; 문태선; 박희주; 김영춘

문제 정의

따라서 기존의 동기발전기보다 높은 효율을 가지면서고 온 초전도 선재의 사용량도 비교적 적은 설계안을 여러 가지 경우에서 선택하여 기기의 제작비용을 줄이면서 기존의 동기기보다 우수한 특성을 갖도록 설계하고자 한다.
따라서 판매되고 있는 고압인버터의 활용성을 고려한다면 3300V가 적당할 것으로 보인다. 본 논문에서 설계하고자 하는 초전도 모터는 담수화 플랜트와 같은 대규모의 설비에 사용되는 대용량의 모터들에 향후 적용될 것을 목표로 하였다. 따라서 이런 용도의 모터들은 선박용의 모터들과는 달리 회전속도가 빠르므로 극 수를 4극(1800rpm) 또는 2극(3600rpm) 으로 하여 각각 설계하여 보았다.
5MW가 되도록 실제 적용시의 부하변동을 감안하여 설계하였다. 설계된 초전도 모터는 현재 미국에서 개발 중인 선박용과는 달리 중동에 시설되는 담수화 플랜트나 발전소 등에 이용되는 수 MW 급에 적용하는 것을 목표로 한다. 따라서 이러한 모터들은 설비의 냉각이나 펌프(pump) 등에 사용되기 때문에 고속으로 회전하며 2극 내지 4극으로 구성이 된다.

제안 방법

Fig. 2에서와 같이 1MW을 설계 모터의 정격용량으로 하고 정상상태에서 부하각이 90°이 되는 최대용량을 현장 적용시 부하의 변동을 감안하여 1.5MW으로설정하였다〔1〕. 최대용량 L5MW에서 전기자 도체의 전류 밀도는 강제공랭식의 기존 기기에서 사용되는 최대치인 lOA/mnj으로 하였다.
계자코일에 고온초전도체를 이용하여 직류 자장을 발생시키는 고온초전도 동기모터를 1MW의 정격출력을 얻을 수 있도록 설계하고자 한다. 설계시 부하각에 여유를 두어 과부하시 발생할 수 있는 탈조(pull out) 를 방지하였다.
본 논문에서 설계하고자 하는 초전도 모터는 담수화 플랜트와 같은 대규모의 설비에 사용되는 대용량의 모터들에 향후 적용될 것을 목표로 하였다. 따라서 이런 용도의 모터들은 선박용의 모터들과는 달리 회전속도가 빠르므로 극 수를 4극(1800rpm) 또는 2극(3600rpm) 으로 하여 각각 설계하여 보았다. 또한, 기술적으로 동일하게 적용할 수 있는 발전기로서의 응용을 고려하여 2극 내지 4극을 기본적인 설계 사양으로 하여 비교 .
설계시 부하각에 여유를 두어 과부하시 발생할 수 있는 탈조(pull out) 를 방지하였다. 또한, 극수를 2극 또는 4극으로 변화시키면서 기기의 크기와 효율 및 고가의 고온초전도 선재의 사용량 등을 고려하여 적절한 설계안을 선정하였다. 현재 고온초전도 선재의 가격이 전체 기기의 제작비용에서 차지하는 비중이 상당히 크며, 고온초전도 선재의 사용량을 상대적으로 적게 하면 동일 용량에서 전기적으로 전기자코일이 분담하는 량이 많아지므로 동 손의 증가를 초래한다.
따라서 이런 용도의 모터들은 선박용의 모터들과는 달리 회전속도가 빠르므로 극 수를 4극(1800rpm) 또는 2극(3600rpm) 으로 하여 각각 설계하여 보았다. 또한, 기술적으로 동일하게 적용할 수 있는 발전기로서의 응용을 고려하여 2극 내지 4극을 기본적인 설계 사양으로 하여 비교 . 검토하였다.
1에 보인다. 레이스트랙 (race-track)형의 계자코일은 제작후 원래의 Bi-2223 고온초전도 선재보다 낮은 임계전류 특성을 가지므로, 이를 고려하여 설계하고자 하는 초전도 모터의 계자코일 Load line을 설정하였으며 그 운전전류는 100A 정도가 코일 제작 후의 임계전류 감소분을 감안하여 적당하리라 여겨진다.
먼저 1MW 급의 고온초전도 모터를 4극으로 설계했을 경우에 최외각의 기계실드 내경의 변화에 따라 필요한 최소의 고온초전도 선재량을 검토하였다.
대부분의 기존 회전기의 내부를 차지하는 철심은 2T 이상이 되면 그림 13에서와 같이 자기 적 으로 포화되기 시 작하여 투자율이 감소하게 된다. 본 논문에서 다룬 설계안들은 고온초전도 선재의 소요량을 줄이고 회전자 내부에 철심을 배치시키는 것을 고려하여 계자에서의 발생 자장을 1.5T 정도로 유지시켰다. 설계하고자 하는 1MW 급 정도의 용량에서는 발생 자장을 3T 이상의 고자장으로 할 경우, 2극의 설계안에서 10km 정도의 고온초전도 선재가 필요하였다.
선정된 설계 사양을 기준으로 4극, 1800rpm°l 경우와 2극, 3600Tpm인 경우를 μ0111/11으로 구성된 설계프로그램을 이용하여 모터의 최외각에 존재하는 기계실드(Machine Shield)의 내경과 기기효율, 계자코일에사용되는 고가의 고온초전도 선재량 등을 고려하여 설계해 보기로 한다.(설계과정과 이론에 대한 자세한 내용은 참고문헌〔2〕, 〔3〕을 참조)
설계안의 선정 시에서는 기존의 1MW 급 동기기보다 높은 효율을 가지고 고가의 고온초전도 선재를 적게 사용하도록 하여 기기의 경제성을 높이도록 하였다. 4극의 경우와 2극의 경우를 각각 설계하여 상호비교한 결과 2극인 경우가 기기의 체적과 고온초전도 선재의 요구량뿐만 아니라 효율에서도 우수한 결과를 선택할 수 있었다.
설계하고자하는 1MW 급의 고온초전도모터의 사용 단자전압의 설정에는 기존 고압 모터의 사용 전압과 모터의 구동을 위해 사용되는 인버터의 전압 등을 고려하여 선택하였다. 현재 국내에서 제작되고 있는 1MW 급의 고압 유도전동기는 3300V, 4160V, 6600V로 설계되어 있으며 고압인버터는 3300V, 4160V의 출력전압을 갖는다.
향상시킬 수 있는데 있다. 앞의 4극에서와 마찬가지로 동일한 조건에서 극수만 2극으로 하여 고온초전도 선재의 사용량과 기기의 효율, 기기의 크기 등을 비교 검토하여 보기로 한다.
정격용량 1MW의 고온초전도 동기 모터를 정상 상태시에 최대용량이 1.5MW가 되도록 실제 적용시의 부하변동을 감안하여 설계하였다. 설계된 초전도 모터는 현재 미국에서 개발 중인 선박용과는 달리 중동에 시설되는 담수화 플랜트나 발전소 등에 이용되는 수 MW 급에 적용하는 것을 목표로 한다.

성능/효과

4극의 경우와 2극의 경우를 각각 설계하여 상호비교한 결과 2극인 경우가 기기의 체적과 고온초전도 선재의 요구량뿐만 아니라 효율에서도 우수한 결과를 선택할 수 있었다. 선택된 설계안들은 계자코일부에서의 발생자장이 1.5T 정도이므로 회전자 내부에 철심을 사용하면 2극의 설계안에서도 현재 수준의 고온초전도 선재의 가격으로 1억원 이상의 고온초전도 선재 절감효과를 볼 수 있었다. 향후 더욱더 효과적인 설계를 위해서 설계 후보들에 대한 전기자에서 발생하는 열의 영향과 전자력 등에 관한 검토가 필요하리라 여겨진다.
또한 4극에서 얻어진 결과들보다 기계실드의 내경이 더 작은 경우에도 프로그램 결과들을 얻을 수 있었다. 설계안을 선택시 기기 효율이 96.5% 이상이 되는 결과들 중에서 고가의 고온초전도 선재의 필요량이 최소인 24 슬롯을 가지고 기계실드 내경이 420mm인 결과를 선택하였다. Table 3에 2극일 경우 선택된 설계안의 사양을 정리하고 Fig.
이상에서와 같이 철심을 회전자 내부에 부분적으로배치시켜도 유기 전압의 파형에 영향을 미치는 전기자에서의 자장분포가 철심이 없었을 때와 마찬가지로 정현적이면서 고가의 고온초전도 선재의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다. 이와 같은 방식으로 철심을 배치시켜도 전기자코일과 철심과의 거리가 기존의 모터에 비하여 상당히 크므로 전기자코일의 인덕턴스가 그다지 증가하지 않을 것이므로 동기리 액턴스의 증가는 매우 작다고 볼 수 있다.

후속연구

설계하고자 하는 1MW 급 정도의 용량에서는 발생 자장을 3T 이상의 고자장으로 할 경우, 2극의 설계안에서 10km 정도의 고온초전도 선재가 필요하였다. 따라서 기존의 상전도 기기와의 가격 경쟁력을 고려한다면 고자장으로 설계하는 것보다는 본 논문에서 다루고 있는 바와 같이 비교적 낮은 자장 값으로 설계하여 경제성을 확보하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 그러나 10MW 이상의 대용량기로의 적용시에는 고자장으로 설계하는 것이 기기의 체적이나 경제성을 고려해볼 때 유리할 것으로 보인다.
이와 같은 방식으로 철심을 배치시켜도 전기자코일과 철심과의 거리가 기존의 모터에 비하여 상당히 크므로 전기자코일의 인덕턴스가 그다지 증가하지 않을 것이므로 동기리 액턴스의 증가는 매우 작다고 볼 수 있다. 또한 철심의 재료로 적절한 Invar 은 저온에서 의 열수축이 매우 적고 강도가 강하며 투자율이 높은 특성을 가지므로 제작시 충분히 활용이 가능할 것으로 보인다. 반면에 철심을 사용하면 계자코일을 지지하는데 사용되는 알루미늄 대신에 비중이 높은 철이 사용되므로 기기의 중량이 증가하고 고속회전 시 회전자의 발란싱에 더 어려움이 있을 것으로 보인다.
5T 정도이므로 회전자 내부에 철심을 사용하면 2극의 설계안에서도 현재 수준의 고온초전도 선재의 가격으로 1억원 이상의 고온초전도 선재 절감효과를 볼 수 있었다. 향후 더욱더 효과적인 설계를 위해서 설계 후보들에 대한 전기자에서 발생하는 열의 영향과 전자력 등에 관한 검토가 필요하리라 여겨진다.

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