고효율 유도전동기 원가절감을 위한 최적설계 및 손실분석에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 국내 전력사용량의 40[%]이상을 사용하는 에너지 다소비기기인 삼상유도전동기의 원가저감을 위한 최적설계 및 손실분석에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 고효율 삼상유도전동기의 기본적인 설계기법에 유전알고리즘을 적용하여 제조원가를 최소화하는 설계변수 최적화 방법을 제시하였다. 원가저감 최적설계를 위해 효율과 재료비를 목적함수로 하여 다목적 최적화 연구를 수행하였다. 두 개의 목적함수 사이의 경합관계에 대해 적절히 균형을 가지고 해를 얻기 위해서는 “파레토 (Pareto)” 개념을 이용한 유전 알고리즘 NSGA (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)을 적용하였다. 일반적으로 파레토 최적성을 만족하는 해는 복수개가 존재한다. 따라서 컴퓨터에 의해 최적해의 후보를 복수 선출하고, 설계상의 제약이나 제작 시의 공차 혹은 수치화가 곤란한 기기의 특성 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해서 최종적으로 최적해를 결정한다. 이러한 최적화 기법을 이용하여 초기 모델 대비 재료비를 약 10[%] 저감하였으며, 시작품을 제작한 후 최저효율제 공인시험규격인 KS C IEC 60034-2-1로 시험으로 본 논문의 최적화 설계기법의 타당성을 검증하였다. 또한, 기존의 유도전동기 설계방법의 가장 중요한 설계 변수인 전류밀도와 출력상수 값을 이용하여 고효율전동기에 활용할 경우 많은 문제점이 발생하므로, 국내외에 시판되고 있는 고효율 및 프리미엄급 유도전동기를 비교분석 후 고효율 및 프리미엄급 유도전동기 설계에 맞는 새로운 전류밀도값과 출력상수값을 제안하였다. 그리고 전자계 해석으로는 계산되지 않는 기계손과 표류부하손을 실험을 통하여 얻은 자료를 바탕으로 용량과 극수 별로 비교 분석 후 그 값을 새롭게 제안하여 전동기 설계의 정확도를 높이고 원가절감 설계를 할 수 있는 방법을 제시하였다. 마지막으로 전동기의 최적설계를 통해 제조원가를 저감하는 방법 외에 표류부하손 및 기계손을 개선하여 고효율 전동기 원가 상승을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다.