공랭식 열교환기가 적용된 전폐형 고압 유도전동기의 냉각성능 향상에 관한 수치적 연구 = Numerical Analysis of the Cooling Performance Improvement for a Totally Enclosed High Voltage Induction Motor with Air-to-Air Heat Exchanger

국문 초록 (Abstract)

전기에너지를 기계적 일로 변환시켜 주는 장치인 전동기는 2차 산업혁명으로 전기가 대중화된 이후 높은 에너지 변환 효율, 기동 및 제어의 용이성 때문에 가장 편리한 동력원 중의 하나로써 가정에서부터 공장에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다.
1830년대 초반 전동기가 개발된 이후 고출력밀도, 고효율, 고신뢰성, 낮은 가격을 가지는 전동기를 개발하기위한 연구는 지금까지 계속되어 왔으며, 이들 특성을 가지는 전동기를 개발하는데 있어 전동기 냉각성능은 핵심기술 중의 하나이다. 그러나, 이와 관련된 대부분의 연구는 저압전동기와 TEFC (totally enclosed fan cooled) 타입 고압 유도전동기를 대상으로 한 것이 대부분이며, 관군 열교환기가 적용된 TEAAC(totally enclosed air to air cooled) 타입 고압 유도전동기에 대한 연구는 실험과 수치해석에 대용량 전력설비와 해석 자원(resource)이 필요해 다른 종류의 전동기에 비해 관련 연구가 매우 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 2MW 용량의 500 Frame 2 pole TEAAC 타입 고압 유도전동기의 냉각성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 연구를 수행하는데 있어 실험과 수치적인 방법으로 접근하기 어려운 점을 극복하기 위해 대용량의 전력설비 없이 온도상승 실험을 할 수 있는 전동기 모사실험 장치를 개발하여 유량과 온도 등의 실험데이터를 취득하였고, 다공성 물질 기법과 dual cell 열교환기 모델 기법을 사용해 TEAAC 타입 고압 유도전동기의 냉각성능을 전체 시스템 수준에서 분석할 수 있는 수치해석 모델을 구성하였다. 연구에 사용된 수치해석 모델은 격자독립성 테스트 수행과 실험결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 열교환기 자체의 성능을 개선할 수 있는 3 가지 개선안으로 내부 핀 관(internally finned tube), 배플(baffle) 개수 증가, 외기 재사용 열교환기 하우징을 제안하였고, 검증된 수치해석 모델을 이용하여 이에 대한 효과를 전동기 전체 시스템 수준에서 평가하기 위해 고정자 권선 평균온도 상승치를 이용해 평가하였다.
열교환기 관군에 내부 핀 관을 적용한 결과 고정자 권선 평균 온도가 기존 대비 2.7℃ 낮아져 약 3%의 냉각성능 향상 효과가 있었다. 배플 개수를 1개에서 3개로 증가시킨 경우는 열교환 효율 증가로 인한 내기온도 감소 효과보다 내기유량 감소에 의한 영향이 더 크게 작용해 기존보다 오히려 고정자 권선 평균온도를 3.1℃ 증가시켜 약 4.7%의 냉각성능 감소가 나타났다. 외기 재사용 열교환기 하우징 도입으로 전동기 프레임 표면의 평균 온도를 기존보다 7.9℃ 낮추는 효과가 있었다. 이로 인해 고정자 권선 평균 온도를 1.2℃ 낮춰 약 1.8%의 냉각성능 개선효과가 있었다. 냉각 성능 개선효과가 있었던 내부 핀 관과 외기 재사용 열교환기 하우징을 같이 적용한 경우 기존보다 고정자 권선 평균온도를 약 3.4℃ 낮춰 약 5.2% 냉각 성능 향상 효과를 나타냈다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ever since electricity became popular in the second industrial revolution, induction motors have been widely used worldwide because of their high reliability and low maintenance cost due to their simple structure.
The demand for motors with high power density, high efficiency, high reliability, and low price has continued since the development of the first electric motors in the early 1830s. One of the main factors affecting these characteristics is the cooling performance of the motor.
However, most of the studies related to motor’s cooling performance improvement have been focused on low-voltage motors or TEFC(totally enclosed fan cooled) type high-voltage induction motors. Unlike these types of motors, few studies have been conducted on cooling performance of TEAAC(totally enclosed air to air cooled) type high-voltage induction motor(hereafter called the TEAAC motor), This is because a large-capacity power facility is required to test the TEAAC motor and a large amount of computing resources is needed for numerical analysis due to the characteristics of the motor that includes a heat exchanger consisting of hundreds of tubes.
Therefore, in this paper, we performed a study for improvement in the cooling performance of a 3-phase 500 frame. 2 pole 6.6 kV 60 Hz TEAAC motor. To overcome the difficulties of experiments and numerical analysis, we developed a test rig that can experiment heat exchanger performance of TEAAC motor without large-capacity power facilities and measured flow rate and temperature of the test rig. Also, we constructed a 3D numerical model of the entire TEAAC motor that can analyze the cooling performance of the TEAAC motor at the entire system level using porous media approach and dual cell heat exchanger model that used as an alternative numerical method for the heat exchanger simulation. The numerical models were verified through performing the grid independence test and comparing it with the experimental results.
We have suggested 3 design factors that can improve the cooling performance of TEAAC motor such as internally finned tubes, the number of baffles, and heat exchanger housing that recycles exhaust air. Using the verified numerical, we evaluated the cooling improvement effect of the motor according to 3 design factors using the average stator winding temperature as evaluation index in order to analyze the cooling effect of each design factors at the entire system level of the motor. The following results were obtained.
Applying the internally finned tubes rather than the existing tubes reduces the external air flow rate by about 3.4%, but it also reduces the average stator winding temperature rise by 2.7℃ due to the increase in the heat transfer area inside the tubes. The results represent an improvement in cooling of about 4.1% based on the winding average temperature rise.
Increasing the number of baffles from one to three in the heat exchanger had the effect of lowering the outlet temperature of internal air by 4.6℃, but the average temperature rise in the stator winding was increased by 3.1℃ owing to a decrease in the internal air flow rate caused by the increased pressure drop through the tube banks. Therefore, increasing the number of baffles reduces the cooling performance of the TEAAC motor.
Use of recycle HX housing in the TEAAC motor reduces the average temperature of the motor surface by 7.9℃ due to direct cooling of the motor frame. This effect reduces the average temperature rise in the stator winding by 1.2℃. The results show a cooling improvement of about 1.8% based on the average stator winding temperature rise.
Use of internally finned tubes in conjunction with recycle HX housing in the TEAAC motor decreases the average winding temperature rise by about 3.4℃. This value is slightly smaller than 3.9℃, which is the sum of the temperature effects in the stator winding of each design factor alone.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 국내∙외 연구동향 3
• 1.3 연구 목적 5
• 1.4 연구 방법 및 논문 구성 7
• 제 2 장 TEAAC 고압 유도전동기 9
• 2.1 TEAAC 고압 유도전동기 구조 9
• 2.2 삼상(three phase) 유도전동기 작동 원리 14
• 2.3 TEAAC 고압전동기 손실 15
• 2.4 TEAAC 고압전동기 냉각 유로 18
• 제 3 장 TEAAC 고압전동기 냉각성능 측정실험 19
• 3.1 TEAAC 고압전동기 모사실험 장치 20
• 3.1.1 측정 장비 23
• 3.1.2 실험 방법 및 조건 26
• 3.2 TEAAC 고압전동기 온도상승 시험 28
• 3.3 실험결과 31
• 제 4 장 수치해석 모델 및 방법 38
• 4.1 해석 격자 38
• 4.2 지배방정식 43
• 4.3 압력강하량 모델링 44
• 4.4 Dual cell 열교환기 모델 49
• 4.5 수치해석 방법 52
• 4.5.1 경계 조건 53
• 4.6 수치해석의 타당성 검증 57
• 4.6.1 격자 의존성 시험 57
• 4.6.2 수치해석 결과와 시험결과 비교 58
• 제 5 장 결과 및 고찰 59
• 5.1 평가지표 59
• 5.1.1 고정자 권선 평균온도 59
• 5.1.2 R-factor 60
• 5.2 개선안 별 TEAAC 고압전동기 냉각 성능 61
• 5.2.1 내부 핀 관의 효과 62
• 5.2.2 배플(baffle)개수 증가 효과 67
• 5.2.3 외기 재사용 열교환기 하우징 효과 74
• 5.2.4 내부 핀 관과 외기 재사용 열교환기 하우징 동시 적용 효과 79
• 제 6 장 결론 및 향후 제언 80
• 6.1 결론 요지 80
• 6.2 향후 제언 83
• 참고문헌 84
• Appendix 해석모델의 격자 의존성 시험 결과 90
• Abstract 95
• 감사의 글 98