R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C157784-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 가격과 효율 경쟁력을 갖는 철도 역사 공조용 SynRM개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2020-04-13 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이주 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 195,000,000 원 기업 : 66,667,000 원 계 : 261,667,000 원 |
총연구비 | 정부 : 320,000,000 원 기업 : 108,334,000 원 계 : 428,334,000 원 |
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| 연구기관명 | 한양대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B552989-000523-01 | |||||
| ISBN | 978-89-7218-745-5 (93560) | |||||
| 주요 내용 |
○ 지하철 역사 환경 개선의 필요성 - 현재 지하철은 수도권을 중심으로 부산, 대구, 광주, 대전 등에 개발되어있고, 매일 평균 7백만 명 (서울 기준)이상의 시민들을 수송하는 주요한 교통수단임 - 전국적으로 구축된 지하철 역사는 총 820개 (수도권의 경우 총 562개)로써 시민들의 편리한 지하철 이용을 위한 공간으로 자리 잡고 있음 - 지하철 역사의 경우 대부분 지하에 위치해 있고 밀폐되어 있는 역사의 특성상 실내 공기가 오염되었을 경우 자연적인 환기에 의해 정화되기 어려움 - 국내 지하철 역사 내 환경 개선을 위한 환기 시스템과 냉난방 시스템을 도입하여 역사의 환경 개선을 위한 주요한 인프라를 구축 하고 있음 - 지하철 역사에 도입된 환기 시스템의 에너지 소비량은 전체 에너지 소비량의 14~35% 정도를 차지하여 에너지 사용 절감 문제 해결을 위한 필수적인 과제임 (국토교통부 도시철도 역사에너지 절감기술 개발 최종 보고서 (2018)) - 정부 차원에서 2차례에 걸친 ‘지하역사 공기질 개선 대책’ 정책을 이용하여, 역사 공기 환경이 개선되는 추세이지만 지하역사의 미세먼지 평균 오염도는 다중 이용시설 중 2번째로 높은 오염도를 나타냄 (제 3차 지하역사 공기질 개선대책 (2018~2022)) - 2019년부터 유동인구가 많고 오염도가 높은 주요 역사를 우선으로 하여 미세먼지 자동측정기기 설치를 의무화함으로써 실시간으로 오염도를 제공하고 있음 - 역사 내의 환기 시스템은 실시간 공기질을 분석하는 방식과 축적된 공기질 데이터를 기반으로 제어하는 방식으로 구분됨 - 현재는 과거의 요일별, 시간별 공기질 데이터를 기반으로 제어하는 방식으로 실시간의 오염도를 반영하지 못하는 단점이 있음 - 환기 시스템의 대부분에 가변속 제어를 사용하고 있지 않으며, 실시간으로 분석된 공기질을 기반으로 실시간으로 제어하기 위해서는 가변속 제어용 전동기로 대체해야함 - 현재 서울 지하철 역사 내에 냉방시설이 구축되어 있지 않은 역사는 1~8호선의 전체 277곳 역사 중 52곳으로 약 19%에 달함 (지하역사 29곳, 지상역사 23곳) - 지하 역사에 냉방설비를 설치하기 위해서는 400억 원 이상의 비용이 필요하며, 냉방시설이 미설치되어 있는 지하 역사 29곳에 모두 냉방 시설 설치를 하려면 1조 1600억 원 이상의 비용이 발생함 - 본 연구 과제 수행을 통해 고효율 전동기를 개발함으로써 냉난방 시스템 개선 및 추가 설치를 위한 환경 유지비용 개선이 가능함 ○ 송풍용 팬 및 공조시스템 압축기용 유도전동기의 문제점 - 일반적으로 역사 내에서 사용하는 평균 전력 사용량은 서울을 기준으로 약 555 GWh이며, 이 중에서 환기 시스템과 냉난방 시스템에 적용되는 전력은 14~35%임 - 에너지 효율을 약 5% 향상 시키게 되면 서울을 기준으로 하였을 때 저감되는 전력 사용량은 약 30 GWh이며, 전력 요금은 약 37억 7천만 원의 절감 효과를 기대 할 수 있음 - 현재 역사 내의 송풍용 팬 모터와 냉난방 압축기용 전동기는 효율이 낮은 유도전동기가 대부분 채택되고 있음 - 기존의 환기 시스템 및 냉난방 시스템에 적용되고 있는 유도전동기는 효율 향상에 한계가 존재 하므로 대체할 수 있는 새로운 타입의 고효율 전동기에 대한 연구 개발이 요구됨 ○ 유도전동기 대체를 위한 효율 및 원가 최적화 전동기 개발 - 높은 에너지 밀도를 가지는 영구자석이나 다층 배리어 구조에 의한 돌극성을 갖는 동기전동기는 고토크를 발생시킬 수 있으므로 유도전동기 대비 출력밀도 및 효율 개선이 가능함 - 동기전동기 중 Synchronous reluctance motor (SynRM)은 유도전동기 대비 유리한 출력 특성을 바탕으로 사이즈를 최소화 시켜 전동기 제작의 원가 절감이 가능함 - 주관기관인 한양대학교는 다수의 전동기 설계 과제를 수행하였고, SynRM 설계 과제 또한 수행한 이력이 있기 때문에 축적된 설계 노하우를 바탕으로 유도전동기 대체를 위한 울트라 프리미엄 효율 (IE5) SynRM의 개발이 가능함 - TRL 4 수준의 축적된 전동기 설계 노하우를 바탕으로 과제를 수행하여 과제 수행 종료시 TRL5 수준에 도달 가능한 전동기 설계 기술 도출이 가능함 [최종목표] ○ 최종 목표 - 가격경쟁력을 갖는 고효율 압축기 및 송풍용 SynRM개발 ○ 고효율 SynRM 전동기 최적 설계 및 제작 연구 - 공조 압축기 SynRM : 5.5 kW / 7.5 kW / 45 kW - 송풍용 SynRM : 7.5 kW / 30 kW / 55 kW - SynRM의 출력밀도 개선으로 사이즈 최소화하여 기존 유도전동기 원가 대비 97% 수준 달성 - 기존 공조용 유도전동기 대비 최대효율 3%이상 향상 - TRL 5 도달을 위한 시작품 제작 및 철도 부품 공인인증시험 ○ 성능시험을 위한 7.5KW급 인버터 개발 - 모터의 성능 시험을 위한 구동 회로 및 방열구조 기술 개발 - 압축기 및 팬 부하 특성을 파악하여 센서리스 제어에 접목함으로써 공조용 7.5KW 센서리스 인버터 개발 - 고용량 인버터의 소형화 구현 및 최대 효율 95% 운전 알고리즘 개발 - SynRM 모터 제어 파라메터 산출 및 센서리스 구동 알고리즘 연구 [연구내용 및 범위] ○ 가격 경쟁력을 갖는 고효율 SynRM 전동기 최적 설계 연구 - 고효율 공조용 압축기 및 송풍용 SynRM 기초 설계 ？ 압축기 SynRM (5.5 kW / 7.5 kW / 45 kW) 용량에 따른 부하 특성 분석 ？ 송풍용 SynRM (7.5 kW / 30 kW / 55 kW) 용량에 따른 부하 특성 분석 ？ 국내외 논문 및 특허 조사를 통한 SynRM의 설계 기술 분석 ？ 자기등가회로 기반 SynRM 전자계 기초 설계 ？ Finite Element Analysis (FEA)를 통한 기초 모델의 검증 및 고효율화와 소형화를 위한 설계 파라메터 특성 파악 및 분석 - 고효율 공조용 압축기 및 송풍용 SynRM 효율 최적 설계 ？ 효율 개선 및 사이즈 최소화를 위해 약계자 제어 및 경제성을 고려한 SynRM 설계 ？ 최대 효율점 분석을 통한 효율 개선 연구 ？ 구조 해석을 통한 고속 회전시의 전동기 신뢰성 확보 ？ 최종 모델의 FEA 결과 및 공인시험기관에서의 시험 결과 비교 검증 ○ 7.5kW급 SynRM 기구부 설계 및 제작기술 연구 - 7.5kW급 SynRM 기구부 설계 ？ 냉각방식 선정 및 구조 연구 ？ 축 하중 및 사용환경을 고려한 기구부 설계 - 전동기 특성 개선을 위한 고정자 및 회전자 철심 제작기술 개발 ？ 회전자 철심의 강성을 고려한 외경가공 조건 연구 ？ 회전자 외경 가공 전후의 작업절차 개선을 통한 손실 저감 방안 연구 ？ 조립 공차 최소화를 위한 작업 공정 개선 방안 연구 - 7.5kW SynRM의 전자계 설계 결과를 기반으로 기구부 설계 및 시제품 제작 ？ 1차년도 연구결과를 기반으로 구축된 제작 프로세스 검토 ？ 2차년도 전자계 설계 결과를 기반으로 기구부 설계 ？ 성능 검증용 7.5kW SynRM 시작품 제작 ○ 고효율 SynRM용 센서리스 제어 연구 - 범용 고 용량 인버터의 구조 및 특징 분석 ？ 파워 모듈의 사양 및 특성 파악 ？ SMPS 전원 구성요소 및 용량 참조 ？ 센서리스 기동 방법 및 특성 파악 - 공조 부하 특성 및 센서리스 알고리즘 연구 ？ 압축기 및 팬의 부하 특성 파악 ？ 부하에 따른 센서리스 기동 특성 파악 ？ 부하의 변화에 대응하는 센서리스 알고리즘 연구 - 모터의 구동 사양에 따른 소자 선정 및 회로 설계 및 제작 ？ 모터의 용량에 최적화된 하드웨어 구조 설계 ？ 제어기 내부의 Layout 설계 - 공조 시스템의 부하 특성에 적합한 센서리스 알고리즘 개발 ？ 압축기 및 팬 부하 특성에 대한 센서리스 구동 ？ 센서리스 기동 시간 및 기동 안정성을 위한 알고리즘 개발 ？ 최대 효율 운전을 위한 알고리즘 개발 및 특성 시험 |
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| 색인어 | 한글 | 고효율전동기 | 동기릴럭턴스전동기 | 압축기 | 송풍용전동기 | 센서리스제어 |
| 영문 | High efficiency motor | Synchronous Reluctance motor | Compressor | Fan motor | Sensorless control | |
| 최종보고서 | 최종보고서_발간_v1.pdf | |||||