3상 유도 전동기의 성능 평가(1945-2020)

본 입문서의 내용은 "[MDPI]"에서 발행한 논문 "[A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020]"을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: 1945년에서 2020년 사이의 3상 유도 전동기 성능 평가 (A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020)
• 저자: 다닐로 페레이라 데 소우자 (Danilo Ferreira de Souza), 프란시스코 안토니오 마리노 살로티 (Francisco Antônio Marino Salotti), 일도 루이스 사우어 (Ildo Luís Sauer), 헤디오 타티자와 (Hédio Tatizawa), 아니발 트라사 데 알메이다 (Aníbal Traça de Almeida), 아르날도 가키야 카나시로 (Arnaldo Gakiya Kanashiro)
• 발행 연도: 2022년
• 발행 학술지/학회: Energies
• 키워드: 3상 유도 전동기 (three-phase induction motor); 농형 회전자 (squirrel-cage rotor); 에너지 효율 (energy efficiency); 전동기 성능 (motor performance)

2. 초록:

19세기 후반, 3상 유도 전동기는 유럽과 미국의 제2차 산업 혁명에서 생산성 증가의 핵심 요소였습니다. 현재, 이는 전 세계적으로 전기 시스템의 주요 부하이며, 전 세계 산업 부문에서 전기 에너지 소비의 약 70%를 차지합니다. 20세기 동안 전동기는 상당한 성능 향상을 가능하게 한 집중적인 기술 혁신을 겪었습니다. 따라서 본 연구에서는 1945년에서 2020년 사이에 60Hz 주파수의 저전압에 연결되어 테스트된 3.7kW, 37kW, 150kW의 기계적 출력과 2극 및 8극에 해당하는 속도 범위를 가진 농형 회전자 3상 유도 전동기 (SCIM)의 성능 변화를 분석합니다. 연구 결과 일부 경우에서 10% 이상의 누적 성능 향상이 확인되었습니다. 전도체용 절연 재료는 여러 세대 (면, 실크, 현재는 바니시)를 거쳤습니다. 냉각을 위한 하우징, 베어링, 활성 재료의 품질 및 설계 개선은 높은 성능 향상을 가능하게 한 요소였습니다. 최초의 상용 2극 SCIM (축 출력 4.4kW)은 1891년에 중량/출력 비율 86kg/kW로 판매되었으며, 2000년대까지 이 값은 점차 감소하여 결국 4.8kg/kW에 도달했습니다. 2000년에서 2020년 사이에 이 비율은 SCIM의 성능 개선을 기반으로 역전된 추세를 보였습니다. 더 활성적인 재료가 사용되어 중량/출력 비율이 8.6kg/kW에 도달했습니다. SCIM의 MEPS (최저 에너지 성능 기준)는 지난 30년 동안 성능 향상에 필수적인 역할을 했습니다. 데이터 수집은 상파울루 대학교 에너지 및 환경 연구소의 전기 기계 연구소에서 테스트를 통해 이루어졌습니다. 이 연구소는 1911년부터 전기 장비에 대한 테스트 역사를 가지고 있습니다.

3. 서론:

3상 유도 전동기 (SCIM)는 19세기 후반부터 산업 혁명을 주도해 왔으며, 현재 전 세계 산업 전기 에너지 소비의 약 70%를 차지합니다. 본 논문은 동력 생산의 역사적 발전을 강조하며, 동물의 가축화부터 증기 엔진, 그리고 최종적으로 전기 모터에 이르기까지의 과정을 설명하고, 초기 방식보다 전기 모터의 우수한 효율성과 경제성을 강조합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 전기 모터는 1880년대 도입 이후 동력 공급의 선호 수단으로 증기 동력을 빠르게 대체했습니다. 특히 SCIM을 포함한 전기 모터의 출현은 그림 2에 묘사된 것처럼 유연한 공장 레이아웃과 향상된 공정 제어를 가능하게 함으로써 산업 조직에 혁명을 일으켰습니다. 다양한 전기 모터 기술이 존재하지만, SCIM은 저비용, 간단한 구조, 신뢰성 및 유지 보수의 용이성을 포함하여 표 1에 요약된 장점 덕분에 산업 응용 분야에서 지배적인 선택이 되었습니다. 정적인 기술이라는 인식에도 불구하고, 본 연구는 SCIM이 겪어온 중요한 변화, 특히 성능, 설계 및 시간이 지남에 따른 부피 변화에 초점을 맞추어 조사합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

3상 유도 전동기는 현대 산업에서 중요한 구성 요소이며, 전 세계 전기 에너지의 상당 부분을 소비합니다. 에너지 효율과 산업 생산성을 최적화하려면 성능 진화를 이해하는 것이 중요합니다. SCIM 기술이 정체되어 있다는 인식에도 불구하고, 재료, 설계 및 제조 공정의 지속적인 발전은 성능 향상으로 이어졌을 가능성이 높습니다. 본 연구는 이러한 개선 사항을 정량화하고 이를 주도하는 요인을 이해해야 할 필요성을 다룹니다.

선행 연구 현황:

선행 연구에서는 전기 모터의 역사적 발전과 에너지 효율성의 중요성이 증가하고 있음을 인정합니다. 논문에 인용된 기존 문헌은 SCIM 기술의 초기 혁신과 표준화 및 재료 개선이 모터 설계 및 질량 감소에 미치는 영향을 문서화합니다. 그러나 이러한 질적 관찰을 검증하고 수십 년에 걸친 실제 성능 향상을 측정하기 위해 경험적 테스트 데이터를 기반으로 한 장기 성능 추세에 대한 포괄적인 정량적 분석이 필요했습니다.

연구 목적:

본 연구는 1945년부터 2020년까지의 농형 회전자 3상 유도 전동기 (SCIM)의 성능 진화를 평가하는 것을 목표로 합니다. 본 연구는 다음과 같은 주요 질문에 대한 답변을 구합니다.
I. SCIM이 역사 전반에 걸쳐 겪어온 가장 중요한 변화는 무엇입니까?
II. SCIM의 성능은 개발 이후 변화했습니까?
III. SCIM의 부피는 시간이 지남에 따라 변화했습니까?

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 상파울루 대학교 (USP) 에너지 및 환경 연구소 (IEE)의 전기 기계 연구소의 과거 테스트 보고서에 대한 상세 분석을 포함합니다. 본 연구는 60Hz에서 테스트된 특정 정격 출력 (3.7kW, 37kW, 150kW) 및 속도 (2극, 4극, 6극, 8극)를 가진 SCIM에 초점을 맞춥니다. 1945년부터 2020년까지의 359개의 기술 보고서를 분석하여, 본 연구는 이 기간 동안 모터 성능 및 중량/출력 비율의 변화를 정량화하여 SCIM 기술의 기술 발전에 대한 경험적 증거를 제공합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 75년 동안의 SCIM 성능 추세를 평가하기 위해 과거 데이터를 분석하는 양적, 종단적 연구 설계를 채택합니다. 데이터 신뢰성 및 일관성을 보장하기 위해 표준화된 성능 테스트 보고서에 의존하는 데이터 기반 접근 방식을 활용합니다. 본 연구는 다양한 모터 유형 및 성능 특성에 걸친 비교 분석을 용이하게 하기 위해 SCIM을 출력 및 극 수별로 분류합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 약 21,000개의 기술 보고서를 보유하고 INMETRO의 인증을 받은 IEE-USP 전기 기계 연구소의 기술 테스트 보고서에서 수집되었습니다. 1945-1996년 보고서는 디지털화되었으며, 1997-2020년 보고서는 이미 디지털 형식으로 제공되었습니다. 분석은 특정 기준을 충족하는 보고서에 초점을 맞추었습니다: 3상 SCIM, 신규 SCIM, 규정에 따른 테스트, 제조업체 제공 명판 데이터, 저전압 작동 (최대 600V), 60Hz 작동 및 연속 작동. 통계적 방법 (평균 및 선형 회귀 포함)은 특히 여러 데이터 포인트 또는 데이터 격차가 있는 연도에서 시간 경과에 따른 성능 추세를 분석하는 데 사용되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 SCIM의 성능 평가에 초점을 맞추고, 특히 다음 사항을 조사합니다.

• 다양한 정격 출력 및 극 구성에 대한 시간 경과에 따른 모터 성능 (효율) 변화.
• SCIM의 중량/출력 비율의 진화, 특히 2극 모터의 경우.
• 기술 혁신, 재료 개선 및 최저 에너지 성능 기준 (MEPS)이 SCIM 성능에 미치는 영향.
• 저전력 (3.7kW), 중전력 (37kW) 및 고전력 (150kW) 범주에 걸쳐 2극, 4극, 6극 및 8극 SCIM의 성능 추세 분석.

6. 주요 결과:

주요 결과:

본 연구에서는 1945년에서 2020년 사이에 SCIM에서 상당한 성능 향상이 나타났으며, 일부 경우에서는 누적 이득이 10%를 초과하는 것으로 나타났습니다. 손실 감소는 상당했으며, 모터 전력 및 극 구성에 따라 약 45%에서 73% 범위였습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

• 성능 향상: 지속적인 성능 향상이 관찰되었으며, 특히 1945년에서 1960년대 중반 사이와 1980년대에서 2020년 사이에 두드러졌습니다. 에너지 위기 동안 비용 절감에 초점을 맞춘 결과 1960년대에서 1980년대 사이에 일시적인 성능 저하가 발생했습니다.
• 중량/출력 비율 진화: 중량/출력 비율은 1891년 86kg/kW에서 2000년 4.8kg/kW로 급격히 감소하여 기술 발전을 반영했습니다. 그러나 2000년부터 2020년까지 이 비율은 8.6kg/kW로 증가하여 질량 증가를 감수하더라도 더 높은 성능과 효율성을 우선시하는 방향으로 전환되었음을 나타냅니다. 이러한 추세 반전은 그림 21에 설명되어 있습니다.
• MEPS의 영향: 최저 에너지 성능 기준 (MEPS)은 특히 연구 기간의 마지막 30년 동안 성능 향상을 주도하는 데 중요한 역할을 했습니다.
• 기술적 동인: 절연 재료 (면에서 바니시로), 베어링 (플레인에서 볼 베어링으로), 활성 재료, 냉각 방법 및 제조 공정의 개선은 성능 향상의 핵심 동인이었습니다. 그림 5와 그림 7은 이러한 혁신이 모터 설계 및 부피 감소에 미치는 영향을 시각적으로 나타냅니다.

그림 목록:

• 그림 1. 수력, 증기 엔진 및 전기 모터에서 제조된 기계 구동력의 연도별 백분율. 출처: [7,8]에서 각색.
• 그림 2. 다음을 기반으로 한 산업 조직: (a) 수력 에너지로부터의 기계 구동; (b) 증기 엔진; 및 (c) 전기 모터. 출처: [13-16].
• 그림 4. 1891년에서 1984년 사이의 SCIM 중량/출력 비율 개선. 출처: [61-63].
• 그림 5. 1900년에서 1990년 사이의 0.75kW SCIM 질량 감소 연대기. 출처: [65-68].
• 그림 7. 1903년에서 1974년 사이의 11kW 4극 SCIM의 치수 추세 및 하우징 변경. (a,b): 1904년의 개방형 구조에서 1970년대에 사용된 구조 (오늘날의 방적 및 완전 팬 냉각 SCIM과 유사)로의 다양한 전력 SCIM의 외관 및 프레임 치수 변화. 출처: [28,53]에서 각색.
• 그림 9. 에어 갭의 자기 플럭스 밀도 및 SCIM 부피.
• 그림 11. 1935년에서 1996년 사이의 4극 SCIM 성능 변화. 출처: [65,66]에서 각색.
• 그림 14. 1945년에서 2020년 사이의 2극 SCIM 평균 성능.
• 그림 21. 1891년에서 2020년 사이의 SCIM 중량/출력 비율 변화.
• 그림 22. 표준 SCIM과 고효율 SCIM 간의 재료량 차이. 출처: [98].

7. 결론:

본 연구는 SCIM 기술이 정적이라는 통념과는 달리, 1945년에서 2020년 사이에 SCIM 성능에 상당한 발전이 있었음을 입증합니다. 10%가 넘는 누적 성능 향상과 상당한 손실 감소가 경험적 데이터 분석을 통해 확인되었습니다. 기술 혁신, 재료 개선 및 MEPS 구현은 이러한 진화의 중요한 동인이었습니다. 본 연구는 지속적인 성능 향상 (1945년-1960년대 중반), 비용 최적화로 인한 성능 감소 (1960년대-1980년대), 법률 및 기술 발전으로 인한 성능 개선 재개 (1980년대-2020년대)의 세 가지 뚜렷한 기간을 강조합니다. 2000년 이후 중량/출력 비율의 증가는 크기와 비용보다 효율성을 우선시하는 방향으로 전환되었음을 의미합니다. 이러한 결과는 SCIM 기술의 역동적인 특성과 전기 모터에서 더 높은 효율성과 성능을 지속적으로 추구하는 것을 강조합니다.

8. 참고 문헌:

• [7] Baldwin, S.F. The Materials Revolution and Energy-Efficient Electric Motor Drive Systems. Annu. Rev. Energy 1988, 13, 67-94.
• [28] Alger, P.L.; Arnold, R.E. The History of Induction Motors in America. Proc. IEEE 1976, 64, 1380-1383.
• [66] Sjöberg, S. Motor Developments and Energy Efficiency. In Energy Efficiency Improvements in Electric Motors and Drives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1997; pp. 102–112.
• [85] McCoy, G.A.; Douglass, J.G. Advanced Manufacturing Office Premium Efficiency Motor Selection and Application Guide—A Handbook for Industry Premium Efficiency Motor Selection and Application Guide Disclaimer; Washington State University Energy Program: Washington, DC, USA, 2014.
• [98] De Castro, R.A. Feasibility Analysis of Replacement of Oversized Electric Motors and the Influence of Reactive Energy. Master's Thesis, University of Campinas-UNICAMP, Sao Paulo, Brazil, 2008.

9. 저작권:

• 본 자료는 "[다닐로 페레이라 데 소우자, 프란시스코 안토니오 마리노 살로티, 일도 루이스 사우어, 헤디오 타티자와, 아니발 트라사 데 알메이다, 아르날도 가키야 카나시로]"의 논문입니다. "[A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020]"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.3390/en15062002

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