인버터 전력 절감의 원리 및 적용사례

인버터 전력 절감의 원리 및 적용사례

인버터(INVERTER)란 역변환기라는 뜻으로 순변환기(CONVERTER)와 대별된다. 순변환기(변환기)는 교류(AC)를 직류(DC)로 바꾸어주는 기기이며 역변환 기는 직류를 교류로 바꾸어주는 기기이다.

그러나 여기서 말하는 인버터는 CONVERTER와 INVERTER가 혼합하 여 하나의 기기로 만들어 진 것을 말한다. 즉, 교류를 직류로 바꾼 다음 다시 직류를 교류로 바꾸는 기능을 하는 것 이다. 그러면 왜 "콘버터 인버터"라고 하지 않고 인버터라고 칭하는가 하면 콘 버터부분은 단순한 한 두 개의 부품만으로 되어 있으므로 점유하고 있는 공 간이나 가격의 원가면에서 또는 기술적인면에서 그 비중이 아주 약하다.

반면에 인버터 부분이야말로 최첨단 하이테크 전력전자 반도체 부품을 포함한 마이크로 프로세서 기술이 집약되어 있으며 원가면에서도 대부분을 차지하고 있으므로 이것을 "인버터"라 칭한다. 인버터의 주요기능은 산업 현장에서 흔히 볼 수 있는 교류모터(유도 전동 기)의 회전수를 자유로이 가변할 수 있는 것이다. 본래 유도 전동기는 전원이 인가되면 이미 정해져있는 모터의 극수와 전 원 주파수(60Hz)에 의하여 일정한 한가지 속도로만 회전하는 것으로 사용되 어왔으나 인버터가 탄생되어 유도전동기와 조합하여 사용하므로써 회전수를 가변하여 사용할 수 있게 되었다.

즉, 유도전동기의 속도(회전수) : N=(1-S) [rpm]의 식에서 f(주파수) 가 회전수 N 과 비례하므로 인버터는 이 f(주파수)를 조절하여 모터의 회전 수를 필요한만큼 회전하게 하는 것이다. (단, S는 약간의 모터슬립. P는 모 터의 극수이므로 고정임) 인버터의 사용목적 버터의 사용목적은 그 용도별로 여러 가지로 나눌 수 있으나 크게 3가 지로 설명할 수 있다.

(1) 자동화 라인의 속도조절용 자동화 라인에서 제품을 생산가공하는데 가장 적당한 속도(회전수)를 내 기 위한 목적으로 사용되며 주로 실을 뽑는 방사공정, 제품을 이동시키는 콘베어 공정, 섬유의 굵기와 강도 및 신도를 조절하기 위한 연신공정, 각종 염색가공기 실(絲)의 장력을 일정하게 유지하며 감는 와인더 장치 등에 이용 된다. 최근의 인버터를 사용하는 목적은 대부분 이 분야에 이용되고 있다.

(2) 에너지 절감용(절전용) 인버터를 이용하여 유도전동기의 회전수를 조절(주로 저속운전에 관계 됨)하므로써 소비전력을 크게 절감할 수 있으며 우리나라에서는 과거 80년 대초 에너지 파동때에 대기업을 위주로 많이 적용한 사례가 있고 최근에는 전력수요가 급증하고 있으나 환경 문제 등으로 발전소 건설이 어려워져 다 시 전력 절감용의 인버터에 대하여 관심이 높아지고 있다. 특히 정부차원에서 2001년부터「고 마크」제도를 신설하여 인버터를 이용한 전력 절감 효과가 일정 수준 이상이면 대폭적인 자금지원을 한다고 한다. 인버터를 이용한 전력 절감은 주로 공조장치와 브로아, 용수의 펌프 등에 많이 적용된다.

(3) 속도 및 위치제어용 자동제어계에서 위치 제어에 사용되는 구동장치는 수년전까지만해도 스 태핑모터 또는 서보 모터가 주류를 이루고 있었으나 최근에는 고응답성 정 밀제어를 제외한 일반적인 위치제어에 범용인버터를 적용하는 사례가 늘고 있다. 이것은 인버터의 출력 소자가 SCR 방식에서 TRANSISTOR방식, IGBT 방식으로 발전되어 왔고 제어방식이 아나로그에서 디지털 방식으로, 또한 마이크로 프로세서와 제어알고리즘의 발전으로 준서보(SERVO)기능과 센서 리스 벡터제어 기능까지 성능과 기능이 향상되었다.

따라서 섬유공장에서 사용되는 지관의 커팅위치제어 이송제품의 위치제 어, 자동주차장치의 파레트 위치 제어 등에 범용 인버터를 적용하는 경우가 많다. 전력 절감의 원리 가변속 구동용은 절전용과 일반 가변속 구동용으로 분류되며, 각각의 부 하 Torque 특성에 의한 기종, 제어범위, 용량 등을 결정하게 된다.

(1) 절전대상 부하 Torque 특성이 2승 저감 Torque 부하에 상당할 때 절전효과가 크 며, INVERTER 가 가장 효율적으로 적용되는 것이 된다. 이 대표적인 것이 Pump, Fan, Blower이며, 속도제어범위는 1 : 3정도가 태반이다.

① Fan, Blower, Pump의 변속 Fan, Blower, Pump의 특성은 속도제어로 조정되며, 유량․정압특성 (Q-H)곡선, 유량․소요동력(Q-P)특성, 효율 특성이 대표적인 것이며, 속 도와 각 특성의 관계는

㉠ 유량(Q)는 속도 (N)에 비례 Q ∝ N ㉡ 정압(H)는 속도 (N)의 자승에 비례 H ∝ N2 (= Q2) ㉢ 소요동력 (P)는 속도 (N)의 3승에 비례 P ∝ N3 ㉣ 최고 효율점은 속도에 비례하여 이동한다. 제 1 도

② Valve Damper Pump의 유량 제어는 종래부터 Valve, Damper에 의하여 제어된다. 제 2도는 일정 속도로 운전되는 Fan, Blower의 유량을 Damper로 제어한 경우의 소요 동력을 표시한다.

㉠ Profiler Fan (축류), 링그 브로아는 유량을 감하면 소요 동력이 증대 한다. ㉡ 시록크․터보, 래디얼형 Fan 은 유량을 감하면 소요 동력이 감소하지 만 유량을 0으로 하여도 약 40%의 소요 동력이 필요하게 된다. P1 = (0.4 + 0.6 Q) P Q : 유량비 P : Motor의 출력 (kw) P1: 소요동력 (kw) 제 2 도 ㉢ 2승 저감 Torque 부하 특성 …… INVERTER 에 의한 가변속 P1 = Q3 P, Q = 1/2 → P = 1/8 Q = 유량비 P = Motor의 출력 (kw) P1 = 소요동력 (kw) ③ Fan, Blower, Pump 의 INVERTER 구동에 의한 절전 절전, Fan, Blower, Pump는 그의 특성과 취급하는 유체의 유도 특성의 교점에서 운전된다. 유도특성은 저항 곡선과 양정이 대표적인 것이다.

(2) 양정이 무시되는 경우 제 3-1도 에 양정이 없는 경우의 운전 특성을 표시한다. 유도 특성은 저항곡선으로만 되며 Fan, Blower, Pump의 정압도 유도의 저항도 유량의 자승에 비례하며, 속도와 유량, 소요 동력은 아래 그림과 같다. 제 3-1 도

(3) 양정이 무시되지 않는 경우 제 3-2 도에 양정이 있는 경우의 운전 특성을 표시한다. 유량의 특성은 양정과 저항 곡선으로 되며 속도와 유량 동력의 관계는 복잡하게 된다. ㉠ 100% 속도의 Q-H 특성 및 소요동력 특성은 판명되어 있다. (Fan, Pump 의 시험 성적표) ㉡ 양정도 명확히 되어 있다. ㉢ ㉠, ㉡에서 저항 곡선은 유량의 자승에 비례하기 때문에 제 3-2도 좌 도와 같이 된다. ㉣ 구하고자 하는 유량(예 : 50%)에서 얻을 수 있는 QH곡선의 유량 50% 에서의 점(Q1, H1)은 명확해진다.

㉤ Q1, H1 점이 100% 속도의 QH 특성의 어느 점이 이동하여 왔는지를 역산하여 Q′, H′점을 얻는다. (Q1, H점을 통한 자승 곡선을 상방에 연장하여 100% 속도에서의 QH 곡선과의 교점을 구한다.) ㉥ 유량은 속도에 비례하여 변화하기 때문에 Q1, H1를 부여하는 속도는 Q1/Q′보다 약 67%이다.

제 3-2 도 ㉦ 동력은 속도(=유량)의 3승에 비례하지만 Q′에서의 동력은 이미 85% 이다. 때문에 85 × (0.67)3는 약 25%의 동력을 요한다. ④ 일정 속도 전동기의 ON, OFF제어 제 4도에서 Q2 = 0.7 Q1 로 하면, P1 = 0.7 Po P2 = (0.7)3 Po = 0.343 Po 절전 단순계산하면 P1 - P2 = (0.7 - 0.343) Po = 0.357 Po 35.7% 절전효과가 있음. 제 4 도 인버터의 적용사례 대구 소재 주식회사 유천에서는 BOX포장용 끈(BAND)을 생산하는 기계 를 제작하고 있는데 그림과 같이 원료(CHIP)를 가열하여 녹여서 밀어내는 압출기와 냉각장치 끈의 형태를 이루고 있는 초기제품을 잡아주는 1st롤러 제품의 넓이와 두께를 결정하여 끈의 강도를 높여주기위한 연신 2nd롤러 끈을 사용할 때 미끄러지지 않고 마찰력을 높여주기 위한 엠보싱롤러(3rd) 다음에는 신축성을 부여하는 4th롤러 마지막으로 완성된 제품을 감아주는 와인더롤러로 구성되어 있다.

벤딩 머신 공정도 이 압출공정의 1st ～ 4th 까지 각 롤러는 초기 스타트시에는 저속으로 운 전하면서 TAKE UP을 하여야하고 TAKE UP이 끝나면 고속으로 정상 운전 에 들어간다. 따라서 각 롤러마다 장치되어 있는 모터가 가변속이 가능한 것이라야 한다. 이 공정에 인버터를 적용하기 전에는 각 롤러의 구동모터가 변속기어드 모터로 되어 있어서 변속범위가 좁고 (30～40%) 각 모터의 기어부분에 장착 되어 있는 핸들을 돌려서 변속을 해야하므로 네 사람이 기계 밑으로 각각 들어가서 동시에 같은 비율로 변속(증속)을 시켜야하므로 TAKE UP을 완료 하고 정상운전에 진입하기가 여간 어려운 것이 아니다.

TAKE UP을 실패하거나 정상운전에 진입하는 것을 실패할 경우 다량의 LOSS가 발생하며 동시에 네명이상의 인원이 필요하고 모두 가위를 들고 제품을 끊어내면서 재빠르게 작업을 하기 때문에 매우 위험하며 안전사고도 빈번히 일어나고 있었다. 그러나 이 공정에 인버터 방식을 적용한이후 많은 효과를 얻게 되었다. 먼저 1st ～ 4th롤러의 변속기어드 모터를 일반 유도전동기로 교체하고 각각의 회전수를 조절할 수 있도록 인버터를 연결하였다. 인버터의 제어(변속범위 90%이상)방법에서 먼저 각 인버터별로 저속과 고속용의 볼륨을 준비하고 처음 기동시에는 최저속으로 회전시켜 단 한사 람이 여유있게 TAKE UP을 하고 다음 전체 공정을 살핀 후 원터치 셀렉팅 방식으로 한번의 스위치 조작으로 각 롤러가 각각 따로 설정되어있는 고속 회전수로 증가하여 정상운전하게 된다.

여기서 중요한 것은 각 롤러의 최종 회전수는 각각 다른 값으로 되지만 저속에서 고속으로 변화하는 기울기와 가속시간이 모두 같아야 제품이 끊어 지지않고 정상운전에 진입하게 되는 것이다. 인버터는 가감속시간과 기울기를 원하는 값으로 설정할 수 있어서 이러 한 공정에는 최적의 기능을 발휘한다. 따라서 단 한번에 TAKE UP과 정상 운전에 진입하므로 LOSS를 제로화 할 수 있고 안전사고도 전혀 없게 되었다.

비용면에서도 변속기어드 모터방식에 비하여 그리 높지 않다. 지금은 국내 10여곳의 벤딩머신 제작사에서 전량 인버터 방식을 채택하 고 있다. 또한 벤딩머신 뿐만아니라 인버터를 사용하게되면 가속과 감속시간을 완만히 할 수 있으므로 기계구동에 무리가 감소되어 기계의 수명이 연장되는 효과도 있다.