70 kW 전기선외기 추진시스템 성능 및 안전성 평가 연구

2.1 전기선외기 추진시스템 개요

전기선외기 추진시스템의 구조와 주요 구성 요소를 Fig. 2에 나타내었다. 시스템은 크게 헤드, 중간축 및 하부 조립체로 구성되며, 헤드 부분에는 국산화한 듀얼 모터와 인버터 및 전기·전자 제어 모듈이 포함되어 있다. 듀얼 모터 구조는 단일 모터 대비 부하 분산 및 용량 확장에 유리하며, 일부 구동 계통 이상 발생 시에도 제한적인 추진이 가능하여 운용 신뢰성과 안전성을 향상 시킬 수 있다. 특히 전기선외기 추진시스템은 국산 SiC 기반 듀얼 인버터 및 통합 제어 기술을 적용하여 고효율·고신뢰성을 확보하였으며, 해외 기술 의존도가 높은 고출력 전기선외기 핵심 전장 기술의 국산화 측면에서 기술적 차별성을 갖는다. 중간축 부분에는 열교환기와 구동축, 냉각장치가 배치되어 있으며, 하부 조립체는 베벨기어 구동축과 프로펠러로 구성되어 추진력을 발생시킨다.

Fig. 2.

Structural configuration of electric outboard propulsion system.

Table 2.

Key Specifications of Electric Outboard Propulsion System

3.1 시험 시스템 구성

시험 시스템은 70kW급 전기선외기 추진시스템의 출력 특성, 효율, 열적 안정성 및 전기적 안전성을 종합적으로 평가하기 위하여 구성하였다. 전원 공급 장치에서 공급된 전력은 인버터를 통해 모터로 전달되며, 모터에서 발생한 기계적 출력은 다이나모미터를 통해 부하 조건이 모사되도록 구성하였다. 또한 전력 분석기(WT3000), 회전속도 센서 및 온도 센서를 이용하여 시스템의 운전영역별 출력 및 효율 특성과 고출력 운전 조건에서의 시스템 안정성을 분석하고자 하였다. 시험 시스템의 전체 구성은 Fig. 3에 나타내었다(Kim et al.[2018]).

Fig. 3.

Test configuration diagram of electric outboard propulsion system.

3.2 모터 성능시험

모터 성능시험은 전기선외기 추진시스템이 실제 운항 조건에서 요구되는 추진 출력을 안정적으로 제공할 수 있는지를 검증하기 위하여 수행하였다. 특히 선박 추진용 프로펠러는 회전속도 증가에 따라 추진 부하가 비선형적으로 증가하므로, 부분부하 영역부터 정격 및 최대 출력 영역까지 안정적인 토크 및 출력 특성을 유지하는 것이 중요하다. 따라서 시험에서는 회전속도 변화에 따른 토크, 출력 및 효율 특성을 계측함으로써 추진시스템의 출력 및 효율 특성을 확인하고자 하였다. 시험은 Fig. 4와 같이 다이나모미터를 이용하여 모터에 부하를 인가한 상태에서 수행되었으며, 다양한 운전 조건에서 모터의 토크 및 출력 특성을 분석하였다. 이를 통해 전기선외기 추진시스템에 적용된 모터의 기본적인 운전 특성과 출력 성능을 평가하였다(Jang[2016]).

Fig. 4.

Actual test setup of electric outboard propulsion system.

실제 선박 운항 시 발생하는 프로펠러 추진 부하 특성을 고려하여 다이나모미터 부하 조건을 설정하였다. 선박 추진용 프로펠러 부하는 회전속도 증가에 따라 토크와 출력이 비선형적으로 증가하므로, 시험에서는 부분부하 영역부터 정격 및 최대 출력 영역까지의 운전 특성을 확인할 수 있도록 부하 조건을 구성하였다(Kim et al.[2018]). 이에 따라 본 연구에서는 프로펠러 법칙(propeller law)에 기반한 부하 프로파일(load profile)을 적용하여 실제 운항 조건의 가변 추진 부하 특성을 모사하였다(Carlton[2012]).

여기서 Q = 프로펠러 토크(Propeller torque)
          K_Q= 토크 계수(Torque coefficient)
          ρ = 유체 밀도(Fluid density)
          n = 회전수(Rotational speed)
          D = 프로펠러 직경(Propeller diameter)

식 (1)은 회전속도와 프로펠러 토크 간의 관계를 나타내며, 이를 기반으로 부하 조건을 설정하였다. 이를 통해 회전속도 변화에 따른 추진시스템의 토크, 출력 및 효율 응답 특성을 확인하고자 하였다. 시험에 사용된 다이나모미터는 정격 토크 500 N·m(정밀도 ±0.1%), 정격 회전속도 2800 rpm, 최대 회전속도 7500 rpm 및 정격 출력 140 kW의 사양을 갖추고 있어 70 kW급 추진시스템의 성능 평가에 충분한 작동 범위를 확보하고 있다. 또한 ±0.1% 수준의 토크 측정 정밀도를 통해 효율 분석에 필요한 계측 데이터의 신뢰성을 확보하였으며, 정격 및 최대 출력 조건에서 추진시스템의 기계적 출력 특성을 실시간으로 계측하였다.

3.3 온도 제어 시험

온도 상승 시험은 고출력 연속 운전 조건에서 모터 및 냉각 시스템의 열관리 성능을 평가하기 위하여 수행하였다. 일반적으로 전기추진시스템은 장시간 고부하 운전 시 권선 및 전력변환장치의 발열이 증가하며, 과도한 온도 상승은 절연 열화 및 출력 저하의 주요 원인이 될 수 있다. 시험에서는 연속 운전 조건에서 주요 부위의 온도 변화를 계측함으로써 냉각 시스템의 열 제거 성능과 장시간 운전 시 열적 안정성을 확인하고자 하였다. 본 시험은 모터를 일정 부하 조건에서 연속 운전시키면서 주요 부위의 온도를 측정하는 방식으로 진행하였다. 온도 측정은 모터 외부 표면 및 주요 발열 부위를 대상으로 수행하였으며, 온도 센서를 이용하여 시간에 따른 온도 변화를 계측하였다(Heo et al.[1995]). 계측된 온도 데이터는 모터 운전 시간에 따른 온도 상승 특성을 분석하고, 장시간 운전 시 열적 안정성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용하였다.

Table 3.

140 kW Dynamometer Specifications

Table 4.

Specifications of IP55 Test Nozzle and Dust Test Chamber

3.4 외관 검사

전기선외기 추진시스템의 구조적 이상 여부를 확인하기 위하여 외관 검사를 수행하였다. 외관 검사는 시스템의 주요 구성 요소를 대상으로 손상, 변형 및 조립 상태 등을 확인하는 방식으로 진행하였다. 이를 통해 시스템의 구조적 건전성과 조립 상태를 점검하였다.

3.5 PT(비파괴 검사)

전기선외기 추진시스템의 주요 구조부 및 용접부에서 발생 가능한 표면 균열과 미세 결함을 확인하기 위하여 침투탐상시험(PT, Penetrant Testing)을 수행하였다.

전기선외기 추진시스템은 운전 중 지속적인 진동 및 추진 하중을 받게 되므로, 구조부의 미세 균열은 장기 운용 시 구조적 안전성 저하의 원인이 될 수 있다. 따라서 주요 구조부의 표면 결함 유무를 평가하여 장기 운용에 필요한 구조적 건전성을 검증하고자 하였다(Lho[2018]).

3.6 IP 방수 방진 시험

IP 시험은 해상 환경에서 발생 가능한 수분 및 분진 유입에 대한 시스템 보호 성능을 검증하기 위하여 수행하였다. 전기선외기 추진시스템은 인버터 및 전기·전자 제어장치가 밀폐 구조 내부에 탑재되어 있으므로 외부 수분 유입 시 절연 성능 저하 및 시스템 고장이 발생할 가능성이 있다. 따라서 시험에서는 IEC 60529 기준에 따라 방진 및 방수 시험을 수행하여 환경 내구성과 운용 신뢰성을 평가하였다. 방진 시험을 통해 분진 차단 성능을 평가하였으며, 방수 시험에서는 물 분사 조건에서의 수분 유입 여부와 시험 후 시스템의 정상 작동 여부를 확인하였다(IEC 60529[2013]).

4.1 모터 성능 시험 결과

모터의 출력 및 효율 특성을 분석하기 위하여 성능시험을 수행하였다. 시험에서는 모터의 회전 속도, 토크, 전압 및 전류를 측정하여 출력 특성을 분석하였다. 성능시험을 통해 측정된 주요 데이터는 Table 5, Table 6, Table 7에 나타내었다.

Table 5.

Performance Data

Table 6.

Motor Temperature Rise Test

Table 7.

Dielectric Withstand Voltage Test

Table 5의 500rpm 조건은 전기선외기 추진시스템의 저속 운전 특성과 초기 구동 안정성을 평가하기 위한 조건으로 설정하였다. 또한 다이나모미터를 이용하여 정격 및 최대 출력 지점까지 부하를 단계적으로 인가하는 부하 프로파일(load profile)을 적용함으로써 실제 운용 환경에서 발생 가능한 가변 추진 부하에 대한 시스템의 기계적·열적 대응 특성을 반영하였다. 시험 결과, 모터는 정격 운전 조건(2400 rpm)에서 최대 75 kW 수준의 출력을 안정적으로 유지하였으며, 출력 증가에 따른 급격한 효율 저하 없이 약 98% 수준의 높은 효율 특성을 나타내었다. 이는 SiC 기반 듀얼 인버터 적용에 따른 스위칭 손실 감소와 고효율 전력변환 특성에 기인하는 것으로 판단된다.

또한 정격 출력 및 최대 출력 영역에서도 전류 증가에 비해 출력 증가 특성이 안정적으로 유지되어 고출력 운전 조건에서 시스템의 전기적·기계적 안정성이 확보된 것으로 분석된다.

Fig. 5는 회전속도 변화에 따른 토크, 출력 및 효율 특성을 나타낸 것이다. 부분부하 영역에서는 저속 운전 조건에서도 비교적 높은 토크 특성이 유지되어 접·이안 및 저속 조종 운전 시 요구되는 추진 응답성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 정격 운전 영역에서는 약 70 kW 수준의 출력을 안정적으로 유지하였으며, 최대 출력 영역에서는 약 75 kW까지 출력이 증가하였음에도 효율 저하가 제한적으로 나타났다.

Fig. 5.

Comparison of torque, output, and efficiency under operating conditions.

일반적으로 프로펠러 기반 추진 시스템은 회전속도 증가에 따라 추진 부하가 비선형적으로 증가하므로 고속 운전 영역에서 전력변환 손실 및 발열 증가가 발생할 가능성이 높다. 그러나 전기선외기 추진시스템은 고출력 운전 영역에서도 안정적인 효율 특성을 유지함으로써 실제 운항 환경 적용 가능성을 확인하였다. 이는 Kim et al.[2018]의 전기추진 선외기 운전 특성과 유사한 경향을 나타내며, 전 운전 영역에서 안정적인 운전 성능을 확보하고 있음을 보여준다.

4.2 온도 제어 시험 결과

모터의 열적 안정성을 평가하기 위하여 1시간 동안 온도 상승 시험을 수행하였다. 시험에서는 70 kW급 고출력 모터의 열설계 적절성을 검증하기 위해 냉각수로 청수를 사용하였으며, 유량은 37L/min으로 설정하였다. 모터 주요 부위의 온도를 측정하여 시간에 따른 온도 변화 특성을 분석하였다. 온도 측정은 시료 표면 1, 시료 표면 2, 급수부 및 배수부의 총 4개 지점에서 수행하였으며, 각 측정 위치는 Fig. 7에 나타내었다. 시험 결과, 각 측정 지점의 온도는 Fig. 6와 같이 시험 시간 동안 일정 범위 내에서 안정적으로 유지되는 경향을 보였다. 또한 Fig. 6에 나타낸 바와 같이, 시료 표면 1과 시료 표면 2의 온도는 각각 최대 약 34.9°C 및 34.3°C로 측정되었으며, 급수부와 배수부 역시 유사한 수준에서 안정적인 온도 범위를 유지하는 것으로 확인되었다.

Fig. 6.

Temperature Graph.

Table 8.

Insulation Resistance Test

Fig. 7.

Locations of temperature measurement points (specimen surface 1 and 2).

이러한 데이터는 고출력 구동 상태에서도 냉각 시스템이 열을 효과적으로 제어하고 있음을 보여준다. 따라서 모터는 장시간 운전 시에도 과도한 온도 상승 없이 안정적인 열적 거동을 나타내며, 70 kW급 전기선외기 추진 시스템의 지속 운전 조건에서도 안정적인 열 특성을 나타내었다. 기존 연구에서는 단시간 운전 기반의 기본 성능 검증이 주로 수행된 반면, 본 연구에서는 70 kW급 고출력 연속 운전 조건에서 열적 안정성을 평가하였다는 점에서 차별성을 가진다.

절연저항 측정 결과 U,V,W 단자군은 67.8 GΩ, X,Y,Z 단자군은 162.9 GΩ으로 측정되어 모두 높은 절연저항 특성을 나타내었다. 또한 절연내력시험에서는 권선과 외함 사이에 1500 V를 1분간 인가한 조건에서도 절연 파괴 및 이상 전류 발생이 확인되지 않았다. 일반적으로 저전압 회전기기의 절연저항은 수 MΩ 이상, 절연내력 시험에서는 절연 파괴가 발생하지 않아야 하는 것으로 알려져 있다(Kim and Park[2012]). 따라서 전기선외기 추진시스템은 절연저항 및 절연내력 기준을 만족하며, 해양 환경에서 요구되는 전기적 안전성을 확보한 것으로 나타났다.

4.4 외관 및 PT 검사 결과

전기선외기 추진시스템은 운전 중 추진 하중과 진동에 지속적으로 노출되므로, 주요 구조부의 손상 및 용접 결함은 시스템의 구조적 안전성과 운용 신뢰성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 전기선외기 추진시스템의 구조 건전성과 표면 결함 여부를 확인하기 위하여 외관 검사 및 침투탐상시험(PT)을 수행하였다. 외관 검사에서는 주요 구조부의 손상, 변형 및 조립 상태를 중점적으로 점검하였으며, PT 시험은 주요 용접부 및 구조 접합부를 대상으로 수행하였다. 시험 과정에서는 침투액과 현상제를 이용하여 표면 균열 및 미세 결함 발생 여부를 확인하였다. Fig. 8은 외관 검사 및 PT 검사 결과를 나타낸다. 검사 결과 주요 구조부 및 용접부에서 균열, 변형 및 기타 결함은 발견되지 않았으며, 추진시스템의 구조적 건전성과 안전성이 유지되는 것으로 확인되었다(Korea Ministry of Government Legislation).

Fig. 8.

Visual and PT Inspection.

Fig. 9.

IP55 test results.