[논문]인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도 평가

이호현; 박한석; 전희득; 김대경; 우경일

doi:10.5370/kiee.2018.67.6.724

인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도 평가
Evaluation of the Efficiency Uncertainty for an Inverter-fed Three-Phase Induction Motor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.6, 2018년, pp.724 - 729

이호현 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University) , 박한석 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University) , 전희득 (Korea Testing Certification(KTC)) , 김대경 (Dept. of Electrical Control Engineering, Sunchon National University) , 우경일 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presented an evaluation method for the efficiency uncertainty of an inverter-fed three-phase induction motor using FEM. The motor efficiency in the FEM is calculated by the IEC 60034-2-3 as in the actual test. In the process of evaluating the efficiency uncertainty, the difference between the finite element method and the actual test is the method of calculating the type-A / B standard uncertainty of the input quantity to estimate the efficiency and each losses. For the input quantities which can confirm the instantaneous values with respect to time, the type-A standard uncertainty in the FEM is calculated from the RMS values or average values having separate periods in the steady state. And, the type-B standard uncertainty in the finite element method is assumed to be zero. Also, this paper compared and analyzed the efficiency uncertainty evaluated by the proposed method and the efficiency uncertainty through the actual test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도를 실제 시험이 아닌, 유한요소법으로 평가하는 방법을 제시하고자 한다. 전력전자 해석 프로그램으로 모델링된 인버터와 유한요소 해석 모듈을 연계 해석하여 인버터 구동 3상 유도전동기의 특성을 해석한 후, 해석 결과를 이용하여 국제규격을 바탕으로 효율을 계산하고 실제 시험 결과와 비교한다[5].
본 논문에서는 인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도를 유한요소법으로 간단하게 평가하는 방법을 제시하였다. 3상 유도전동기 1대를 선정하여 유한요소법으로 이를 해석하고, 해석 결과를 바탕으로 IEC 60034-2-3에 따라 효율을 계산하였고 실험 결과와 비교하여 해석의 정확도를 확인하였다.

가설 설정

본 논문에서 제시한 방법으로 유한요소법을 이용한 불확도 평가가 가능하였으며, 이를 통해 전동기 설계 및 제작 과정에서 더욱 신뢰적인 평가 지표로 활용될 가능성을 확인하였다. 본 논문에서 B형 표준 불확도는 0으로 간주하였다. 그러나 B형 표준 불확도는 분명히 존재하는 값이며 본 논문의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 이를 적용하기 위한 방법을 고려할 필요가 있다.

제안 방법

3상 유도전동기의 전자기적 해석은 Maxwell 을 이용하였고, 이를 구동시키는 인버터 회로 설계는 Simplorer를 이용하였다. Maxwell을 이용한 유도전동기의 전자기적 해석은 2차원 또는 3차원 모두 가능하나, 본 논문에서는 간단한 효율 계산을 위해 비교적 시간이 적게 소요되는 2차원 해석을 채택하였다.
그림 5에 따르면, 효율 불확도 평가를 위해 가장 먼저 요구되는 것은 효율 및 각 손실을 측정하는 모델식을 수립하는 것으로 식 (1) ~ (9)에 해당한다. 그 후, 수립된 모델식을 추정하기 위한 입력량인 전압, 전류, 토크, 속도 등에 대한 불확도 요소를 선정하고, 그에 대한 A / B형 표준 불확도를 산출한다. 다음으로 각 표준 불확도를 불확도 전파법칙에 따라 합성하여 합성 표준 불확도를 구하고, 마지막으로 포함인자를 곱하여 신뢰수준이 적용된 확장 불확도를 산출한다.
먼저 기본파 성분에 의한 손실을 파악하기 위해, 상용 전원으로 유도전동기를 구동하여 손실 분리 시험을 시행한다. 그 후, 유도전동기를 인버터로 구동한 상태에서 무부하 곡선 시험과 부하 곡선 시험을 시행하여 고조파 성분이 포함된 손실을 계산한다. 다음으로, 고조파 성분이 포함된 손실에서 기본파 성분에 의한 손실을 빼서 고조파 성분에 의한 추가적인 손실을 계산하여 측정된 입·출력에 대해 효율을 계산한다.
3상 유도전동기 1대를 선정하여 유한요소법으로 이를 해석하고, 해석 결과를 바탕으로 IEC 60034-2-3에 따라 효율을 계산하였고 실험 결과와 비교하여 해석의 정확도를 확인하였다. 그 후, 측정 불확도 이론을 적용하여 계산된 효율의 불확도를 평가하였다. 평가 결과, 정현파 구동과 인버터 구동 각각의 효율 불확도는 ±0.
그 후, 수립된 모델식을 추정하기 위한 입력량인 전압, 전류, 토크, 속도 등에 대한 불확도 요소를 선정하고, 그에 대한 A / B형 표준 불확도를 산출한다. 다음으로 각 표준 불확도를 불확도 전파법칙에 따라 합성하여 합성 표준 불확도를 구하고, 마지막으로 포함인자를 곱하여 신뢰수준이 적용된 확장 불확도를 산출한다.
다음으로, 고조파 성분이 포함된 손실에서 기본파 성분에 의한 손실을 빼서 고조파 성분에 의한 추가적인 손실을 계산하여 측정된 입·출력에 대해 효율을 계산한다.
45이므로, ∞로 취급하여 정규 t-분포표에서 신뢰수준을 2로 찾았다. 따라서 신뢰수준을 적용한 확장 불확도를 다음과 같이 산출하여 유한요소법을 이용한 인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도를 평가할 수 있다. 이는 효율 계산을 위한 100번의 반복 해석동안, 95번의 결과가 82.
또한, 표류부하손은 부하 곡선 시험 시 각 부하 지점에서 발생하는 잔류손실의 평활화를 통해 계산하며, 잔류손실은 측정된 입력에 대해 고정자 동손, 철손, 회전자 동손, 풍·마찰손 및 기계적 출력을 빼서 계산한다.
국제규격에 따르면, 인버터 구동 3상 유도전동기의 효율을 측정하는 절차는 그림 2와 같다[5]. 먼저 기본파 성분에 의한 손실을 파악하기 위해, 상용 전원으로 유도전동기를 구동하여 손실 분리 시험을 시행한다. 그 후, 유도전동기를 인버터로 구동한 상태에서 무부하 곡선 시험과 부하 곡선 시험을 시행하여 고조파 성분이 포함된 손실을 계산한다.
불확도 전파법칙을 이용하여 각 손실의 표준 불확도로부터 효율의 합성 표준 불확도를 0.0094[%]로 산출하였다. 또한, 효율 모델식에 대해 계산된 유효 자유도는 11.
실제 시험에서는 n회 측정을 통한 통계적 기법으로 A형 표준 불확도, 계측 장비의 정밀도 등 선험적 기법으로 B형 표준 불확도를 계산한 후, 수립된 모델식에 대한 합성 표준 불확도를 산출한다. 즉, 임의의 모델식에 대한 표준 불확도를 산출하기 위해서는 반드시 A / B형 표준 불확도를 얻어야만 한다.
상용 전원으로 구동되는 유도전동기의 손실을 측정하기 위한 국내 표준 시험방법은 손실 분리 시험으로 그림 2의 왼쪽 영역에 해당한다. 유도전동기에서 발생하는 각 손실은 다음과 같은 계산을 통해 개별적으로 구해지며, 표 2에 유한요소 해석 결과로 계산한 손실을 나타내고 실제 시험값과 비교하였다.
현재 3상 유도전동기의 효율을 평가하는 국내 표준 시험방법은 손실 분리 시험이며, 효율 측정을 위해 전동기를 시험하는 경우 입력 에너지를 포함한 여러 측정값들은 계측 장비의 정밀도, 시험 방법, 또는 시험자의 숙련도에 따라 달라질 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 손실 분리 시험은 수차례에 거친 측정으로 얻은 raw data의 산술평균을 통해 효율을 계산한다[1]. 그러나 산술평균을 이용하는 방법이 측정 단계에서 발생하는 측정값들의 변동을 효율에 모두 포함한다고 무한히 신뢰하기에는 어려움이 있다.
따라서 본 논문에서는 인버터 구동 3상 유도전동기의 효율 불확도를 실제 시험이 아닌, 유한요소법으로 평가하는 방법을 제시하고자 한다. 전력전자 해석 프로그램으로 모델링된 인버터와 유한요소 해석 모듈을 연계 해석하여 인버터 구동 3상 유도전동기의 특성을 해석한 후, 해석 결과를 이용하여 국제규격을 바탕으로 효율을 계산하고 실제 시험 결과와 비교한다[5]. 그리고 측정 불확도 이론을 유한요소법에 적용하여 효율 불확도를 평가한다.
제안된 방법은 피시험 전동기의 손실 분리 시험을 위한 공급 전압으로 상용 전원을 이용하였다. 그러나 현재 대부분의 유도전동기는 용이한 속도 및 토크 제어를 위해 인버터로 구동된다.

데이터처리

3상 유도전동기 1대를 선정하여 유한요소법으로 이를 해석하고, 해석 결과를 바탕으로 IEC 60034-2-3에 따라 효율을 계산하였고 실험 결과와 비교하여 해석의 정확도를 확인하였다.

이론/모형

그림 4는 유한요소법을 이용한 효율 계산을 위해 인버터 구동회로를 단면도로 나타낸 것이다. 3상 유도전동기의 전자기적 해석은 Maxwell 을 이용하였고, 이를 구동시키는 인버터 회로 설계는 Simplorer를 이용하였다. Maxwell을 이용한 유도전동기의 전자기적 해석은 2차원 또는 3차원 모두 가능하나, 본 논문에서는 간단한 효율 계산을 위해 비교적 시간이 적게 소요되는 2차원 해석을 채택하였다.
전력전자 해석 프로그램으로 모델링된 인버터와 유한요소 해석 모듈을 연계 해석하여 인버터 구동 3상 유도전동기의 특성을 해석한 후, 해석 결과를 이용하여 국제규격을 바탕으로 효율을 계산하고 실제 시험 결과와 비교한다[5]. 그리고 측정 불확도 이론을 유한요소법에 적용하여 효율 불확도를 평가한다.

성능/효과

본 논문에서 제시한 방법으로 유한요소법을 이용한 불확도 평가가 가능하였으며, 이를 통해 전동기 설계 및 제작 과정에서 더욱 신뢰적인 평가 지표로 활용될 가능성을 확인하였다. 본 논문에서 B형 표준 불확도는 0으로 간주하였다.
01[%]로 평가되었다. 정현파 구동에 비해 인버터 구동에서 입력량들의 표준 불확도가 더 큼에도 불구하고, 최종적인 효율 불확도는 더 낮게 평가되었다. 이는 효율을 계산하는 모델식의 차이로 보인다.
평가 결과, 정현파 구동과 인버터 구동 각각의 효율 불확도는 ±0.07[%], ±0.01[%]로 평가되었다.

후속연구

본 논문에서 B형 표준 불확도는 0으로 간주하였다. 그러나 B형 표준 불확도는 분명히 존재하는 값이며 본 논문의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 이를 적용하기 위한 방법을 고려할 필요가 있다. 또한, Multi-Physics 해석을 통해 평가 과정에서 상수로 취급되었던 저항과 온도에 대한 A /B형 표준 불확도의 산출 방법에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
그러나 B형 표준 불확도는 분명히 존재하는 값이며 본 논문의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 이를 적용하기 위한 방법을 고려할 필요가 있다. 또한, Multi-Physics 해석을 통해 평가 과정에서 상수로 취급되었던 저항과 온도에 대한 A /B형 표준 불확도의 산출 방법에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3상 유도전동기의 효율을 평가하는 국내 표준 시험방법은?	현재 3상 유도전동기의 효율을 평가하는 국내 표준 시험방법은 손실 분리 시험이며, 효율 측정을 위해 전동기를 시험하는 경우 입력 에너지를 포함한 여러 측정값들은 계측 장비의 정밀도, 시험 방법, 또는 시험자의 숙련도에 따라 달라질 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 손실 분리 시험은 수차례에 거친 측정으로 얻은 raw data의 산술평균을 통해 효율을 계산한다[1].
	유한요소법의 장점은?	또한, 별도의 안전 대책이 마련되지 않은 경우 시험 중인 전동기에 의해 사고 발생의 가능성이 있어 위험하다. 반면, 유한요소법은 실제 시험의 단점을 보완할 대안이 될 수 있으며, 실제 모델과 동일한 조건으로 해석할 경우 간단하고 정확한 해석이 가능하기 때문에, 유한요소법을 이용하여 정현파 구동 유도전동기의 효율 불확도를 계산하는 연구가 진행되고 있다[4].
	손실 분리 시험의 문제점과 해결책은?	이러한 점을 보완하기 위해 손실 분리 시험은 수차례에 거친 측정으로 얻은 raw data의 산술평균을 통해 효율을 계산한다[1]. 그러나 산술평균을 이용하는 방법이 측정 단계에서 발생하는 측정값들의 변동을 효율에 모두 포함한다고 무한히 신뢰하기에는 어려움이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 측정 불확도 이론을 도입하여 효율 불확도를 평가함으로써 계산된 효율의 신뢰도를 향상시키기 위한 방법이 제안되었다[2].

참고문헌 (6)

KS C IEC/TS 60034-2-1, "Rotating electrical machines - Part 2-1 : Standard methods for determining losses and efficiency form tests (excluding machines for traction vehicles), 2014.
Hee-Deuk Jun, Han-Seok Park, Dea-Kyong Kim, Kyung-Il Woo, "Study on the Evaluation of Uncertainty for the Efficiency of 0.75[kW] Class Three Phase Induction Motor", the Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers, 64(4), pp. 653-659, 2015.

원문보기 상세보기
Kwang-Woo Chung, "A study on Control Technics and Driving Device for Induction AC Motors", Korea Railroad College, Vol. 15, 1999.
Ho-Hyun Lee, Han-Seok Park, Hee-Deuk Jun, Kyung-Il Woo, "Evaluation for Efficiency Uncertainty of Three-Phase Induction Motor using Finite Element Analysis", the Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers, 66P(4), 163-168. 2017.
IEC/TS 60034-2-3, "Rotating electrical machines - Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors, 2013.
ISO, "Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM)", 1995.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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