한국전자기술연구원(KETI: Korea Electronics Technology Institute)은 1991년에 설립된 전자·ICT 분야의 대표적인 전문생산기술연구소로서 산업통상자원부 산하에서 운영된다.

지능메카트로닉스연구센터는 미래모빌리티 및 탄소중립을 위한 전기추진시스템 고출력·고효율화 기술과 더불어 산업용 전동력설비를 대상으로 고효율·고정밀 설계기술을 중점적으로 개발하고 있다.

또한 전자계 기반 연구역량뿐만 아니라 전동력시스템 열관리, 유체기기 해석, 설계 등 다학제적 연구역량을 기반으로 제조공정에서 에너지·환경·안전 세 가지 지표를 지향하는 전동력시스템의 지능형 운전제어 기술을 중점적으로 연구한다. 이를 통해 다양한 산업영역에서의 차세대 전동력시스템과 지능형 메카트로닉스 기술 발전을 선도하고 있다.

센터는 최근 종료된 ‘생산정보 연계 제조환경 설비에너지 통합 운영관리시스템 개발 및 실증’ 연구단 2세부에 속해 전동기 기반 에너지효율화기술 개발을 주도했다. 양성진 KETI 책임연구원을 만나 연구내용과 향후 활용방안에 대해 들었다.

 

■ 주요 연구내용은

기존 제조 공정은 IE1, IE2급의 노후 유도전동기가 70% 정도 차지하며 생산계획 및 수요량 상황에 따라 전동기 부하율은 다양하게 변할 수 있다. 그러나 기존 FEMS 보급사업 대상이었던 기축 공정들은 대부분 50% 미만 부하율로 운전하는 정속구동 위주의 유도전동기 기반이다.

이는 변동하는 부하에 효율 탄력적으로 대응할 수 없는 태생적 한계를 내포하고 있음을 의미한다. 즉, 현행 제조설비 환경은 낮은 정격효율, 초기 기동효율 저하, 부분부하대응 효율저하 및 정량적인 에너지･상태정보 계측미비 등 4가지의 공통된 기술적 문제를 지닌다.

이에 따라 유도전동기 중심의 기축 전동력 기기를 대상으로 변동부하에 대응하는 운전효율 한계를 극복하고자 이번 연구개발을 추진했다.

구체적으로는 첫째로 저비용 보급형 부분부하 드라이브모듈(SLDM)을 개발했다. 이를 통해 변동부하 대응이 가능하지만 도입 및 유지보수 비용이 과다하며 전면도입이 힘든 인버터의 단점을 극복했다.

둘째로 전동력 기기가 운전되는 각각의 공정 부하특성에 맞춤 설계된 최적 운전제어 알고리즘을 개발했다. 요구속도와 토크부하에 대응해 에너지소비효율 측면에서 최적의 운전영역을 제시했다.

셋째로 전동력 기기의 상태정보 및 에너지효율 등 지표를 송수신하는 IoT모듈이 통합패키징 된 디지털 전동기를 구현해 이번 과제의 최상위 목표인 에너지･환경 통합관리시스템(EEMS)과 연동했다.

끝으로 회전자 효율향상 개조기술을 개발해 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 및 LSPM(Line Start Permanent Magnet) 형태의 회전자 개조를 통해 기존 유도기의 저효율을 구조적으로 개선했다.

이러한 4가지 세부기술이 통합 패키징 된 형태의 ‘변동부하 대응형 에너지효율화 모듈’을 개발해 전력사용 핵심기기인 기축 유도전동기 대체개조를 통해 기축 전동력설비 기준 10% 전력 절감을 달성했다.

 

 

■ 이번 연구에서 KETI의 강점은

KETI 지능메카트로닉스연구센터는 전동기 및 유체기기설비 고효율화, 다중물리기반 해석 및 제어기술 등 산업 전동력시스템 전반에 걸친 종합적 연구역량을 보유하고 있다. 특히 유도전동기 기반의 변동부하 대응효율 개선, 에너지·환경지표 연계 운전제어, 스마트 유체기기 설계 등은 제조현장의 핵심문제를 직접 해결할 수 있는 실용성을 갖춘다. 또한 SLDM 기반 구동모듈, IoT 연계 상태정보 진단, PMSM·LSPM 개조기술을 통해 기존설비 에너지효율을 구조적으로 향상시키는 강점을 지닌다.

이를 바탕으로 연구단 내에서는 제조공정의 에너지절감·효율향상 패키지기술 실증에 기여했으며 향후 산업계 전반의 탄소중립 및 지능형 제조혁신을 선도하고자 한다.

 

■ 그간 개발과정은

1차연도에는 기축 전동력설비 특성분석 및 에너지효율화 모듈의 요소기술 개발 및 기본설계를 진행했으며 2차연도에는 에너지효율화 모듈의 시작품 제작 및 성능평가 기반 고도화 개발, 실증대상 공정 실운전 데이터 기반 운전제어 알고리즘을 개발했다.

3차연도에는 변동부하 대응 에너지효율화 모듈의 2차 시작품을 성능평가 및 개선했으며 실증 환경에 적용한 부분부하 대응 최적운전 알고리즘을 성능검증하고 1차 실증했다. 4차연도에는 변동부하 에너지효율화 모듈을 수요처에 도입했으며 실증현장을 대상으로 통합적 현장평가를 완료했다.

 

■ 이번 연구 이후 기대효과는

연구단 참여를 통해 지능메카트로닉스연구센터는 산업전동력 시스템분야에서 변동부하 대응 및 에너지효율화 기술의 선도적 연구기관으로서 위상을 강화할 수 있었다고 평가한다. 특히 변동부하 대응효율 구동모듈, IoT 기반 상태정보 진단, PMSM·LSPM 개조기술을 실증함으로써 기존 설비효율 개선과 제조업의 에너지절감 성과를 직접 창출할 수 있었다.

또한 연구단 내 산·학·연 협력을 통해 축적된 데이터와 알고리즘은 향후 센터의 연구역량을 한층 고도화하고 국가적 차원의 탄소중립 정책 및 스마트 제조혁신 실현에 기여하는 파급효과를 창출할 것으로 기대한다.

 

■ 연구결과 활용방안은

연구결과는 제조업 현장에서의 실증을 기반으로 상용화 가능한 에너지 효율화솔루션 패키지로 확산될 수 있다. 특히 변동부하 대응 구동모듈과 고효율 전기기기 설계기술은 중소·중견기업의 노후설비 개선사업에 바로 적용 가능하다.

이와 함께 IoT 상태 모니터링 및 운전제어 알고리즘은 스마트팩토리 구축, 지능형 유지보수, 에너지관리시스템(EMS) 연계로 확장 적용할 수 있다. 또한 확보된 기술성과는 향후 정부 R&D 후속과제, 기업 맞춤형 기술이전, 해외 공동연구 프로젝트로 이어져 산업 전반의 지속가능한 성장과 글로벌경쟁력 확보에 활용될 것으로 기대된다.