에너지 정책 패러다임이 공급 위주에서 에너지 절약과 이용 효율 향상 등 수요 관리 중심으로 바뀌고 있다. 여기에 맞춰 전기산업 분야 연구 개발도 친환경, IT 융합, 고효율, 초고압 부문에 집중하는 추세다. 특히, 세계 전력 소비의 43∼46%를 차지하는 전동기의 효율성 향상에 대한 연구 개발이 한창이다. 선진국은 1990년대부터 고효율 전동기의 생산과 보급을 확대하고자, 저효율 전동기의 생산과 판매를 금지했다. 우리나라도 2011년 전체 전동기 보급량의 70% 이상을 차지하는 유도 전동기(산업용 모터)의 효율 기준을 선진국 수준으로 강화했다. 저효율 전동기를 시장에서 퇴출하고, 2015년부터 단계적으로 프리미엄 전동기의 생산 판매를 의무화하기 위한 조치의 하나다.
제조업, 농업, 광업, 건설업 등 산업 부문이 전세계 에너지 소비의 40% 이상을 차지한다. 산업 현장에서 전기를 많이 소비하는 장치는 절단기, 연마기, 펌프, 냉동기, 공기 압축기 등을 구동하는 데 필요한 전동기다. 세계 각국이 고효율 전동기의 연구 개발과 보급 확대 정책을 펴는 이유다. 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 전동기는 에너지 효율에 따라 일반 효율 전동기(IE1), 고효율 전동기(IE2), 프리미엄 전동기(IE3), 슈퍼 프리미엄 전동기(IE4)로 구분한다. 프리미엄 전동기는 에너지 효율이 일반 효율 전동기보다 약 7%, 고효율 전동기보다 약 2% 높다. IE(International Energy-Efficiency Class)는 국제전기기술위원회(IEC)에서 IEC 60034-30 규격으로 정한 전동기 효율 등급이다.
현재 전동기는 우리나라 전체 전력 소비량의 46%를 차지하며, 전체 사용 전동기의 대부분이 유도 전동기다. 산업연구원에서 펴낸《녹색 산업 발전방안 연구》를 보면 전동기 총 보급량의 85.2%가 삼상 유도 전동기이며, 그 다음이 단상 유도 전동기(7.0%), 고효율 삼상 유도 전동기(2.7%), 직류 전동기(1.8%)순이다. 매년 전력난에 시달리는 상황에서 전기 먹는 하마인 삼상 유도 전동기(일반 전동기) 퇴출은 시급한 실정이다.
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국제에너지기구(IEA : International Energy Agency)는 최저 효율 기준에 미달하는 제품의 생산과 판매를 금지하는 '최저 효율제(MEPS : Minimum Energy Performance Standard)'를 온실가스를 줄이는 강력한 대책으로 보고, 전동기에 대해 최저 효율제를 시행할 것을 각국에 권고했다.
2011년 총 39개국이 최저 효율제를 시행 중이며, 그 중 미국과 캐나다는 고효율 기준을 더욱 강화하고 대상 모델을 확대해 프리미엄급 전동기의 최저 효율제를 시행하고 있다.
미국은 1992년에 제정한 <에너지 정책법(EPAct: Energy Policy Act of 1992)>을 통해 1997년 10월부터 의무적으로 고효율 전동기만 생산 판매하도록 한 '최저 효율제'를 시행했다. <에너지 정책법>의 목표는 전동기의 75%를 고효율 전동기로 개체改替하는 것이다. 이를 위해 최저 효율제 시행 전 단계로 장려금 지원 프로그램인 모터 챌린저 프로그램Motor Challenge Program을 시행하는 한편 최저 효율제를 위반하면 1대당 벌금 110달러를 부과하고 있다. 또한, 2011년에 고효율 전동기보다 효율이 높은 프리미엄 전동기의 생산 판매를 의무화했다.
 캐나다의 '브리티시 콜롬비아 하이드로 프로젝트British Columbia Hydro Project'는 고효율 전동기의 성공적인 시장 전환 사례로 꼽힌다. 일반 효율 전동기를 고효율 전동기로 개체할 경우 가격차액 대부분을 지원하는 리베이트Rebate 제도를 시행해 전동기를 많이 사용하는 광산업계와 제지업계로부터 호응을 받았다. 또한, 전동기 판매상에도 20% 인센티브를 지급했다. 캐나다는 1995년 리베이트 제도를 중지하고 최저 효율제를 도입했으며, 2011년 프리미엄 전동기의 생산과 판매를 의무화했다.
프리미엄 전동기 효율 기준 도입
우리나라는 삼상 유도 전동기의 최저 소비 효율제를 2008년에 37㎾ 초과 용량에 대해 시행한 데 이어 2011년에 8극까지 확대 적용했다. 최저 효율제 시행 과정을 보면 ▲2008년 7월 1일 - 37㎾ 초과 200㎾ 이하 삼상 유도 전동기 ▲2010년 - 15㎾ 초과 37㎾ 이하 삼상 유도 전동기, 8극 전동기 확대 적용(37㎾ 초과 200㎾ 이하) ▲2010년 7월 1일 - 0.75㎾ 이상 15㎾ 이하 삼상 유도 전동기 ▲2011년 1월 1일 - 8극 전동기 확대 적용(0.75㎾ 이상 37㎾이하) 등이다. 최저 소비 효율제를 위반하면 <에너지 이용 합리화법>과 '효율 관리 기자재의 운영에 관한 규정'에 따라 2,000만 원 이하의 과태료를 부과한다.
정부는 2011년 9월 "저효율 전동기(산업용 모터)를 퇴출하고, 2015년부터 단계적으로 프리미엄 전동기의 생산과 판매를 의무화하겠다"라고 밝혔다.
2012년부터 3년간 임의 인증으로 프리미엄 마크를 부여하고, 2015년부터 3년간 단계적으로 최저 소비 효율 기준을 적용하기로 한 것이다. 2012년 1월부터 프리미엄 전동기에 대한 효율 기준을 제정해 적용하기 시작했다.
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고효율 전동기 70% 대체, 원전 2.2기에 해당
에너지기술평가원에서 발행한《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-전동기》를 보면, 전동기는 전주기 비용(Life Cycle Cost) 중 에너지 소비가 96%이상을 차지한다. 현재 수준에서 가장 효율적인 전동기로 교체할 경우, 에너지 소비의 4∼5%를 즉각적으로 절약할 수 있으며, 여기에 고효율 전동기와 함께 최종 소비자가 비용을 최적화한 전기 기계식 솔루션Solution을 적용하면 에너지를 15∼20%까지 추가로 줄일 수 있다.
고효율 전동기는 정격 상태에서 운전할 경우 일반형 전동기에 비해 효율이 4∼5% 높다. 고효율 전동기의 특징은 절전 효과, 수명 연장, 저소음, 높은 경제성, 호환성 등이다.
절전 효과 | 효율을 극대화해 절전 효과가 우수하다. 철심과 권선 설계를 최적화하고, 고급 자재를 사용해 손실을 표준 대비 20∼30% 낮춰 수전 설비와 전력 소비량을 줄인다.
수명 연장 | 일반 전동기에 비해 운전 시 낮은 온도상승으로 권선 수명을 연장한다. 고효율 전동기는 F종 절연을 채택하고, 서비스 팩터Service Factor 1.15를 적용해 온도 상승에 여유를 확보함으로써 권선의 절연 수명, 즉 전동기 수명을 연장한다. F종 절연은 허용 최고 온도(155℃)에 충분히 견디도록 마이카, 석면, 유리 섬유 등의 재료를 실리콘, 알키드 수지 등 비접착 재료와 함께 사용하는 것이다. 서비스 팩터는 정격 전압과 정격 주파수 및 허용 온도(Max. Ambient Temperature) 아래서 허용할 수 있는 과부하 용량(Overload Capacity)을 얻기 위해 정격 출력에 곱하는 계수다.
전동기 관련 주요 KS 규격 적용 범위
일반 전동기는 한국산업표준 KSC 4202(일반용 저압 삼상 유도 전동기) 규격에서 정한 표준 전동기 또는 KS 표준이 아닌 비표준 전동기다. KSC 4202 규격은 냉매 온도 40℃ 이하인 장소에 사용하는 연속 정격, 주파수 60㎐, 전압 600V 이하의 일반용 저압 삼상 유도 전동기에 대한 규정이다. 2009년 12월 개정 시 정격 출력 45~200㎾를 추가해 표준형과 고효율형 제품의 용량을 확대하고, 또한 환경 문제를 고려해 진동 · 소음 기준 값을 추가했다.
KS 규격 가운데 전동기와 관련한 것은 30여 개며, 그중 전동기의 효율 기준 결정과 밀접한 것은 KSC 4202, KSC 4203, KSC 4204, KSC IEC 60034-2, KSC IEC 61972 등이다.
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저소음 | 전동기의 소음은 ▲전자적 소음 - 기본파 · 고조파 자속(Magnetic Flux)에 의한 진동음, 전자기적 불평형에 의한 진동음 ▲기계적 소음 - 기계적 불균형에 의한 진동음, 베어링 음 ▲통풍음 - 팬과 덕트 음 등으로 구분한다. 외부 팬 형상과 구조를 변경하면, 통풍음과 전자음이 일반 전동기에 비해 3∼8㏈ 줄어든다.
경제성 | 전동기의 고효율화는 일반 전동기에 비해 고품격 재료(철심, 권선, 베어링, 절연물 등)를 사용하고, 설계 · 해석 · 제조상 고려(자성 웨지, 슬롯 Slot 형상 설계, 스큐 설계, 동銅다이캐스팅Diecasting 등)을 통해 달성한다. 이로 말미암아 일반 전동기에 비해 고가高價지만, 운전 비용이 낮으므로 초기 투자 비용을 단기간에 회수할 뿐만 아니라 운전 시간이 길어질수록 경제성이 높아진다. 한국벤처기업협회는《그린 SW 기술 및 시장 동향-스마터 모터 분야》에서, "고효율 전동기는 15~30% 비싸지만, 설치 후 6개월 이내에 절전 금액으로 그 차액을 회수할 수 있으며, 전기요금 절감액만 고려할 때 제품 가격에 대한 투자 회수 기간은 2.5~4.5년이다"면서, "전동기 수명은 10~15년이므로 투자 회수 기간 이후 사용자에게 순이익이 되므로 투자 경제성이 높다"라고 밝혔다.
호환성 | 대부분 일반 전동기와 치수가 동일하므로 호환성을 유지할 수 있으며, 국제전기기술위원회(IEC : International Engineering Consortium)와 미국전기제조협회(NEMA : National Electrical Manufacturers Association) 규격에 모두 대응할 수 있다.
전동기 손실과 저감 대책
전동기의 효율은 입력에 대한 출력의 비이며, 손실은 입력과 출력의 차이다. 전동기의 효율을 높이려면 무엇보다 손실을 줄여야 한다.
 손실은 크게 고정손인 철손과 기계손(마찰손 · 풍손), 부하손인 동손과 표류손으로 구분한다. 요인별 손실률은 1차 동손 43%, 2차 동손 23%, 철손 15%, 기계손 10%, 표류 부하손 9%순이다.
한국벤처기업협회는《그린 SW 기술 및 시장 동향-스마터 모터 분야》에서 전동기 손실 요인과 저감대책을 다음과 같이 설명한다.
철손 | 적층積層전기 강판에 외부에서 회전 자계(Rotating Magnetic Field)를 인가해 발생하는 손실로, 와전류 손실과 히스테리시스Hysteresis 손실로 이뤄진다. 철손이 작은 전기 강판을 사용하거나 가공 후 강판을 열처리하는 방법으로 철손을 줄인다. 일반적인 저철손 철심은 포화 자속 밀도가 높지 않으므로 저철손 고자속 밀도 철심을 개발해 사용한다.
기계손 | 전동기 운전 중 베어링 '마찰손'과 냉각팬 '풍손'등으로 말미암아 발생하는 손실이다. 냉각에 영향을 덜 주는 한도에서 전동기의 냉각 팬 지름을 작게 하거나, 적정 베어링 선정 및 윤활유 사용 등으로 손실을 줄인다.
동손 | 도체에 전류가 흐름으로써 발생하는 주울 열(Joule's Heat)로, 도체의 저항을 줄이는 것이 포인트다. 권선 저항은 단면적에 반비례하고 길이에 비례하므로 권선 수 감소와 단면적을 증대한다. 권선 피치Pitches 단축 등 권선 방식을 변경해 권선의 길이와 코일 단(Coil-End) 길이를 단축하고, 회전자를 슬롯 형상으로 변경해 2차 도체 단면적을 증가시킨다. 또한, 엔드 링End Ring 단면적을 증대해 엔드 링의 저항을 감소시킨다. 적당한 엔드 링 면적증대는 회전자의 냉각 효과도 좋게 만든다.
표류손 | 전동기의 총 입력 에너지에서 출력과 1, 2차 동손, 철손, 기계손을 뺀 나머지 손실이다. 부하 시 고조파 동손, 고조파 자속에 의한 철손, 적층 철심 사이 누설 전류, 회전자 도체 사이 누설 전류 등에 의한 손실 등이 복합적으로 작용한다. 표류손을 줄이려면 고정자와 회전자 슬롯 조합을 최적화해 공간 고조파를 줄이고, 고정자와 회전자 간 공극 길이 최적화, 회전자 스큐Skew 최적화, 회전자 슬롯브리지 두께 최적화 등을 통해 고조파를 줄일 수 있다. 이를 위해 정확한 해석과 최적화 설계 기술이 필요하다.
고효율 전동기 구조
한국전기연구원(KERI)은 2010년 12월에 '최저 효율제 고효율 유도 전동기'를 개발했다. 이 전동기는 기존 고효율 전동기 대비 재료비를 5∼20% 낮추고, 일반 전동기 대비 효율을 3∼5% 높였다. 다음은 한국전기연구원에서 설명한 고효율 전동기의 구조다.
코어 | 고정자 코어와 회전자 코어로 이뤄진다.
외부 팬 | 전동기 냉각을 위한 장치다.
프레임 | 전동기의 고정자 및 회전자를 둘러싼 보호구조물이다.
고정자 코어 | 전동기의 자속이 지나가는 자로(Magnetic Path) 역할을 한다. 보통 손실을 줄이기 위해 두께 0.35㎜ 또는 0.5㎜ 규소 강판을 축 방향으로 적층해 만든다.
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고정자 권선 | 절연 구리선을 고정자 철심의 도체 홈에 감아 넣은 것이다. 외부에서 삼상 전원을 입력하면 회전 자계를 생성해 회전자에 자속을 유도(Induction)하고, 회전자는 고정자의 회전 자계를 따라 회전한다. 이러한 회전 원리에 의해 구동하는 전동기를 '유도 전동기'라고 한다.
회전자 코어 | 고정자 코어와 같이 규소 강판을 적층해 만들며, 고정자로부터 발생하는 자속이 회전자 철심을 통과한다.
회전자 케이지Cage | 회전자 철심의 원형 또는 사각형 모양의 반폐 홈(Semi Closed Slot)에 용융 금속(알루미늄 또는 구리)을 다이캐스팅해 만든 것이다. 일반적으로 농형(Squirrel Cage : 다람쥐 쳇바퀴 모양)을 사용한다.
다이캐스팅 | 다이 주조라고도 한다. 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계 가공한 강제鋼製금형에 용융 금속을 주입해 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀한 주조법이다. 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없고, 기계적 성질이 우수하며, 대량 생산할 수 있다. 사용하는 금속은 아연 · 알루미늄 · 주석 · 구리 · 마그네슘 등의 합금이며, 다이캐스트 주조기로 공기압, 수압, 유압 등에 의해 주입해 냉각 응고시킨다. 제품으로 자동차 부품, 전기 기기, 광학 기기, 방직기, 건축, 계측기 부품 등이 있다.
동 다이캐스팅 | 일반적으로 유도 전동기 회전자에 농형을 주로 사용하며, 케이지 재질로 알루미늄을 사용하나, 동을 사용하면 알루미늄보다 도전율이 높아 회전자 케이지에서 발생하는 열 손실을 대폭 줄일 수 있다. 그러나 알루미늄(660℃)보다 동의 용융점(1084℃)이 높아 기술적으로 다이캐스팅해 양
산하는 데 어려움이 많으며, 금형 재질 또한 높은 온도를 고려해 특수 재질로 제작해야 한다. 보통 동일 모델에서 회전자의 알루미늄 케이지를 동으로 바꾸면 전동기 효율이 3~5% 높아진다.
베어링 | 회전자 축軸에 고정해 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 회전자를 회전시키는 역할을 한다.
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미국 에너지부(DOE : Department of Energy)는 전동기 효율 향상을 위한 3가지 방법을 제시한다. 첫째, 전동기 자체 효율을 높이는 방법으로, 새로운 전동기 또는 기존 전동기의 효율을 높인 고효율 전동기 개발이다. 이를 통해 4.3% 이상 효율을 개선할 수 있다. 둘째, 필요한 용량에 적합한 전동기 사용이다. 즉, 용량을 교정하는 방법으로 1.2% 정도 효율을 개선할 수 있다. 셋째, 전동기 시스템의 전체 효율을 개선하는 방법이다. 가변속 구동 시스템(VSD)에 의한 전동기 구동과 기계 장치 개선(파이프 직경 증가, 용량 동일화, 불필요한 흐름 개선, 손상된 기계 장치 교환 등)을 통해 10.5% 정도 효율을 높일 수 있다.
미국 에너지부가 밝힌 것처럼 고효율 전동기는 설계 기술을 적용해 일반 전동기의 효율을 높이는 것 외에 새로운 전동기를 개발하는 것도 있다. 회전자 권선을 기존 알루미늄에서 저항이 작은 동銅권선으로 대체한 전동기 그리고 전기 저항이 없는 초전도 권선을 적용한 초전도 전동기다. 또한, 권선형 계자 대신 영구 자석을 채택한 영구 자석형 전동기(Permanent Magnet Motors), 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motors), 단상 영구자석형 동기 전동기(Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors) 등도 고효율을 위한 새로운 형태의 전동기다.
선진국은 영구 자석용 및 초전도 전동기, 횡자속형 전동기, 원전용 전동기 개발에 한창이다. 품목별 기술 개발 동향을 보면 ▲영구 자석용 및 초전도 전동기 - 100만rpm에서 최고 25㎾까지 초고속 전동기 시스템 개발 ▲횡자속형 전동기 - 독일 25㎿급 개발 ▲원전용 RCP용 1500㎿급 개발 등이다. 우리나라는《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-전동기》에서 슈퍼 프리미엄급 고효율 삼상 유도 전동기, 고속 전동기, 직구동 전동기를 전략 품목으로 선정했다(41쪽 참조).
국가 전체 전력 소비량의 약 40%를 차지하는 산업용 일반 효율 전동기 퇴출과 고효율 전동기의 보급 확대는 필수다. 구대현 한국전기연구원 전동력 연구센터 센터장은 "평균 효율을 4% 정도 높인 고효율 전동기로 기존 일반 효율 전동기의 70%를 대체한다고 가정할 때, 1GW 원전 2.2기 발전량에 해당하는 약 4639GWh의 전력을 절감할 수 있으며, 이는 약 3,600억 원의 비용 절감 효과를 뜻한다"면서, "늘어나는 전력 수요를 충족하기 위해 필요한 발전소 및 건설 부지 선정, 공사 기간 등을 감안하면, 그 경제적 파급 효과는 수조 원이 넘을 것이다"라고 말한다. 이처럼 유도 전동기를 고효율 전동기로 바꾸는 시장 전환 정책은 에너지 절약의 핵심이다.
<Energy News>
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