삼상유도전동기 효율의 불확도 평가 확립을 위한 연구

Abstract

Electric motors consume the largest amount of electricity more than 40% of global electricity consumption. In addition, motors are included in the global high-trade products and the main driving source for industrial equipment and house appliances. Thus, International standards and regulations for their efficiency are internationally being discussed and created for the energy saving. The regulations for efficiency grade of the three phase induction motor are internationally being discussed and upgraded for the protection of environment and energy saving. So the efficiency improvement and the reliable test result are essential to determine the premium grade three phase induction motor. While a study on developing the efficiency motor is active, there is little research about the guarantee for efficiency. Most of accreditation or designation body requires that testing laboratories should have the procedures to estimate their measurement uncertainty for confirming the quantitative indication of the quality with test results. However, there is internationally a lack of ability to understand and to compute measurement uncertainty that affects reliability of testing laboratory. In addition, internationally accredited laboratories are unable to provide adequately estimated uncertainties due to lack of understanding of the causes and factors of uncertainty estimation. Therefore, this paper presents the most reliable method among various international methods for evaluating motor efficiency. The concept of measurement uncertainty, which has not been applied so far, is applied to evaluate the reliability of the motor. The concept of measurement uncertainty is a method of quantifying the uncertainty factors that are issued by input, torque, speed, and measurement environment, using statistical processing techniques and reflecting them in the final efficiency calculation. For the calculation of the uncertainty, the efficiency is first calculated by the loss separation method of IEC 60034-2-1. The losses are calculated by the model equation of each loss and each measured of the three-phase induction motor obtained from the test. In addition, this paper presents the uncertainty factors related to the efficiency and finally calculates the measurement uncertainty for the efficiency. Finally, this paper presents a change of measurement uncertainty according to the pole number, out power, and accuracy of the equipment of the motor. Through this, researchers and manufacturers are able to predict and apply the uncertainty values that occur during the design, manufacture and testing of motors. The uncertainty estimation method and result presented in this paper can provide the reliability of the efficiency value measured considering the test environment, repeatability and measurement variability of equipment that should be considered when measuring the efficiency of three-phase induction motor. In case of estimating the measurement uncertainty in the efficiency of the motor in research and testing laboratories, it is expected that the standardized and more accurate uncertainty can be estimated by considering the estimation model equations and uncertainty factors.

본 논문에서는 고효율 사용이 의무화된 삼상 유도전동기 효율값의 신뢰성을 보증하기 위해서, 95 [%]의 신뢰수준인 효율 불확도 평가 방법을 제시하였다. 특히, 국제적으로 채택된 불확도 평가 방법인 GUM의 방법과 IEC 효율 측정 방법을 이용하여 불확도 모델식을 결정함으로써, 손실 및 최종 효율에 대한 불확도를 연구하였다. 또한 효율 평가 시 발생될 수 있는 각 시험 값의 분산 특성을 고려하여, 정확하고 신뢰성 있는 효율평가를 제시하였다. 불확도 사례연구를 위하여 샘플 선정은 고효율 등급 규제의 시작 용량이고 산업용 및 가정용 기기 분야에서 가장 많이 사용되는 0.86 [kW]급 삼상 유도전동기를 선정하였다. 선정된 삼상 유도전기에 대해서 국제적으로 사용되는 IEC 60034-2-1의 손실 분리법으로 시험을 실시하였다. 시험으로부터 얻은 데이터를 이용하여 불확도를 평가하고 불확도에 미치는 요인들을 제시하였다. 불확도 모델식의 연계성 분석을 통해, 효율 불확도가 발생되는 가장 큰 요인은 표류부하손임을 알 수 있었다. 표류부하손은 각 손실의 불확도와 기계적 출력의 불확도의 영향을 함께 받는 것으로 분석되었다. 또한 전동기의 측정회수(1회, 10회), 장비의 정확도별(토크센서 0.05-3.0 [%]), 용량별(0.75-200 [kW], 업체별(4개사)의 불확도 변화 추의를 분석하였다. 측정 회수 및 다양한 조건들이 증가 할수록 효율 불확도 값이 증가 하였으며, 불확도 산정 조건들이 증가 할수록 측정 회수의 영향이 점점 줄어짐을 알 수 있었다. 또한 토크 센서의 정확도 따른 효율 및 표류부하손의 불확도 변화에 영향이 크게 나타났다. 특히 토크센서의 정확도가 떨어질수록 대용량 보다 소용량 전동기에서 불확도 변화가 크게 나타났다. 또한 전동기의 용량이 커질수록 입력 및 각 손실의 불확도는 커지게 되나, 효율 불확도는 점점 작아지게 나타났다. 이는 효율에 대한 각 손실의 감도계소는 입력값이 커질수록 작아지게 된다. 같은 용량의 전동기에 대해서 업체별 효율값은 같은 다르게 나타난다. 그러나 각 Case별 불확도 값은 효율 변화와 상관없이 거의 일정하게 나왔다. 이는 같은 결과는 시험환경 및 시험자 및 설비가 변경이 없을 경우, 불확도가 일정함을 알 수 있었다. 본 논문에서 제시한 삼상 유도전동기의 손실 분리법에 의한 효율 측정의 불확도 추정 방법은 실제 시험 환경에서 발생되는 측정요인의 변동 및 측정 장비의 정확성을 고려하여 신뢰성 있는 결과를 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 향후 연구 및 시험기관에서 효율 결과 산출시 불확도를 추정하고자 할 경우, 본 논문에서 제시한 불확도의 측정 모델식 및 불확도 인자 설정 등의 방법을 응용하여 국제적으로 표준화된 방법 및 더 정확한 불확도를 추정할 수 있을 것으로 기대된다.