에너지 절감과 정밀 모터 제어를 위한 인버터가 변화한다

국제적인 환경 규제와 함께 에너지 절약에 대한 관심이 늘어나면서 전동기의 에너지 사용량을 줄이기 위한 인버터의 보급이 활발하다. 또한 제어성능의 향상과 사용자 편의성 측면에서의 다양한 고객지원 기술이 나오고 있으며, 비 산업용 제어분야에서의 채용도 크게 늘고 있는 중이다. <편집자 주>

오승모 기자 (smoh@motioncontrol.co.kr)

현재 주로 사용하고 있는 직류(DC)전류를 교류(AC)전류로 변환하여 전동기의 속도를 제어한다는 근대적인 개념의 인버터는 1960년대 미국의 GE에서 사이리스터를 이용한 인버터를 개발함으로써 시작되었다. 이후 1980년대 들어서면서 일본업체들에 의해서 활발한 제품개발과 각종 산업에서의 보급이 이루어졌다.
최근 들어 산업이 고도화되고 자동화되어 감에 따라 인버터에 대한 수요가 크게 늘어나고 있으며, 인버터 자체도 기술의 진보에 따라 점차 고성능 고정밀화되어 기존 DC 드라이브 모터 시장을 대체하는 등 신규분야에 대한 적용이 확대되고 있다. 또한 에너지 절감 및 쾌적한 환경조성을 위한 ESCO 및 세탁기, 냉장고 등의 가전분야, 운동기구 및 놀이시설 등의 비산업분야까지의 확산이 활발하게 진행중이다.
저압 인버터 세계 시장, 50억 달러

인버터 시장은 2000년대들어 대폭적인 수요확장을 통해서 활발한 시장성장을 보이고 있다. 지난 2001년에 40억 달러의 규모(600V급 이하의 전동기 구동용 인버터 기준)를 형성했던 세계 인버터 시장은 2004년에는 50억 달러에 육박했다. 또한 향후 인버터 시장은 기존 산업용 시장은 물론 비산업용 시장에서의 신규 시장이 부각되면서 성장세는 더욱 가파르게 진행될 예정이다. 향후 5년간 인버터 시장은 연간 8.6%라는 큰 폭의 성장세를 유지하면서 2009년에는 80억 달러에 근접할 것이라는 분석이다.
인버터에 대한 투자는 기존의 산업용 분야는 물론 소비재 산업, 그리고 공공 분야에까지 모두 큰 폭의 신규 시장을 형성할 전망이다. 특히 최근들어 오일쇼크에 대한 우려감과 환경 규제의 강화, 그리고 인버터 기술 및 시장확대에 동반한 가격의 하락과 무엇보다도 고효율 전동기 가동에 의한 비용절감에 따른 투자회수 기간의 단축 등이 인버터의 수요를 확장시키는 요인으로 작용한다.
세계 인버터 시장은 ABB를 비롯하여 씨멘스, 슈나이더 일렉트릭 등의 유럽업체가 30%, 미쓰비시전기, 야스카와전기, 도시바, 후지 등의 일본업체가 30%의 시장을 점유하면서 아시아와 유럽의 대결양상을 보이고 있다. 또한 로크웰오토메이션과 GE 같은 미국 업체가 12%, 기타 업체가 나머지 30%의 시장을 확보하고 있는 것으로 추산된다.
또한 중국에서의 인버터 시장도 크게 주목된다. 2008년 중국 북경 올림픽을 앞두고 대규모 프로젝트가 기대되면서 국제적인 인버터 메이커 및 대만, 한국 및 중국내 메이커들의 발걸음이 무척 빨라졌다. 중국의 인버터 시장은 2004년에 4억 달러(저압 인버터 기준)의 시장을 형성하였으며, 올림픽이 개최되는 2008년에는 7억 달러까지 성장할 것으로 산업자동화 전문 리서치 기관인 ARC가 최근 밝혔다. 한편 중국의 고압 인버터 분야도 연간 10%대의 성장을 통해 2008년에 4억 달러의 시장을 형성할 전망이다. 특히 중국시장은 공공사업분야에서 소요되는 제품에 대해 중국내 생산제품에 대한 인센티브가 예상되면서 많은 메이커들이 중국내 현지공장 설립에도 적극 나서고 있다. 더구나 IGBT 소자 및 DSP 컨트롤러를 통한 인버터의 핵심 기술에 대한 접근성이 대중화되고 제조기술의 확산도 일반화되면서 중국내 토종 인버터 메이커들의 출현이 활발할 것으로 예상된다. 이들 업체들은 공공설비 부문에서의 수요를 중심으로 고기능성과 저가격을 무기로 대규모 공세를 펼칠 것이다.
약 1500억원의 시장을 보이고 있는 국내 시장에서는 LS산전, 현대중공업을 비롯하여 미쓰비시전기, 야스가와전기, 씨멘스, 로크웰삼성오토메이션(RSA), ABB, 슈나이더일렉트릭 등이 HVAC 시장을 중심으로 적극적인 마케팅 활동을 펴고 있다. 또한 최근에는 에머슨 그룹의 콘트롤테크닉스를 비롯하여 댄포스, 델타 등이 새롭게 시장진입에 나서고 있으며, 중국산 저가 인버터의 국내 출현도 조만간 이루어질 것으로 보인다. 이에 국내 중소 인버터 메이커들의 생존전략이 시급히 요청되고 있는 시기이기도 하다.

DSP, IGBT가 인버터의
기술 속도 가속화

초기 실리콘 소자의 출현 이후 인버터를 구성하는 전력용 반도체 스위칭 소자 성능이 반도체 기술의 발전에 힘입어 크게 향상됨에 따라 인버터 성능도 크게 개선되고 있다. 현재 인버터에 널리 사용되고 있는 스위칭 소자는 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolaer Trasistor), GTO(Gate Turn-Off Thyristor) 및 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)가 있다.
지난 80년대 중반 이후 산업용에 적극 사용되기 시작된 IGBT는 중.소용량 전압형 PWM 인버터 분야에서 확고한 자리를 차지하고 있다. 특히 저가격을 실현한 IGBT 소자의 전반적인 기능이 대폭 확장되고 개발이 손쉽다는 장점으로 초창기 산업용 인버터는 물론 백색가전분야에 까지 그 사용영역을 넓혔다. 현재 1700V까지 사용중인 IGBT 인버터는 고압 인버터 분야에 확고한 시장을 구축하고 있던 GTO 인버터의 영역까지 점차 침범하고 있는 중이다.
IGBT 인버터는 현재 3300, 6600, 7200V의 고압 인버터 분야에서 IGBT 저압 인버터를 조합하는 멀티레벨 인버터를 구성함으로써 고압 대용량 인버터의 역할을 무난히 수행하고 있다. 아직까지 고압 인버터 분야는 GTO 방식이 확고한 시장을 형성하고 있기는 하지만, IGBT 방식이 이론상으로는 10,000V까지 가능한 것으로 보고되고 있어 향후 영역 논쟁이 예상되고 있다.
제어영역에서는 DSP의 기술 발전이 급속하게 이루어지면서 인버터에서의 최신 DSP 채용이 크게 증가하고 있다. DSP는 기존의 MCU에서 불가능했던 고급의 연산처리 기능이 가능할 뿐만 아니라, 시리얼 인터페이스, 보호회로, 속도 피드백 블록 등이 내장되어 누구나 쉽게 파워 모듈만 부착하여 인버터를 구성하고 운용할 수 있게 되었다. DSP의 기술발전이 인버터에 대한 기술적인 접근성을 대중화시켰으며, 기능도 평준화시키는 역할을 담당하고 있다.
이에 인버터 메이커들은 자신만의 고유 기술 영역을 확보하기 위한 다양한 특성 연구를 진행하고 있으며, 각 적용 분야별로 엔지니어링 경험과의 결합을 통한 특화된 전용 제품화로 점차 나가고 있는 중이다. 자신만의 고유 영역과 소비자가 원하는 기능만을 완벽하게 수행하는 가격경쟁력을 확보한 맞춤형 제품으로 전략을 구사하고 있으며, 현지 사용자의 언어 지원 및 오토튜닝 기능, 다양한 디스플레이 방법, 시운전 도우미 기능, 다양한 필드버스 지원, 온라인 지원 시스템 등의 사용자 편의성에 대한 고객 지원에 적극적인 투자집중이 예상된다.

다음 시장은 고압 인버터 분야

300V 이하의 저압 인버터가 국내외적으로 인버터의 시장을 견인하면서 많은 업체들이 이 시장에서 두각을 나타내기 시작했다. 특히 국내에서는 LS산전이 국내 저압 인버터 시장의 40% 이상을 확보한 것을 비롯하여 중국 시장에서의 인지도도 무척 고무적인 것으로 나타나고 있으나, 고압 분야에서는 시장진출을 모색하는 단계에 머물고 있다. 국내 고압 인버터 분야는 ABB, 씨멘스 등 유럽 및 미국 업체들의 시장 우위권이 지속되고 있다. 국내 업체로는 현대중공업만이 고압 인버터에 대한 집중적인 연구개발을 통해 기초 시장을 확보하기 시작했을 뿐이다. 또한 로크웰오토메이션도 발전설비를 중심으로 하는 에너지 절약용 고압 인버터 분야에 국내외적으로 집중하고 있는 모습을 보인다.
고압 인버터는 고압 대용량 유도 전동기에 입력되는 전압 및 주파수 가변을 통해 전동기의 속도를 제어하여 에너지 절감 효과를 얻을 수 있는 것으로 고압 전력용 반도체 소자를 사용한 전력 스택과 이를 제어하기 위한 제어 장치로 구성된다. 고압 인버터는 발전설비 등에 소요되는 고압 팬 블로어 등의 에너지 절약 분야 이외에 철강 압연 및 제지 분야와 같은 정밀 토크 제어가 요구되는 분야에 사용된다. 특히 생산공정상 다른 설비와의 연계운전이 요구되는 분야에서도 생산품의 품질향상, 공정의 자동화, 생산성 향상 제고의 목적으로 사용된다.
고압 대용량 인버터 기술은 구조나 적용소자 및 특성면에서 기술적인 수준이 거의 유사한 소용량급의 인버터와 달리 메이커에 따라 전력 회로 토폴로지가 다르고 적용 소자나 제어 기법도 독자적인 기술을 보이고 있어, 장기적인 연구개발과 대규모 투자 비용을 통한 기술 확보가 필요한 분야로서 저압 인버터와 달리 중소 메이커의 시장 접근이 쉽지 않은 특성을 보인다.
특히 대용량 인버터라 할지라도 사용자 요구에 대응하려면 다양한 전압과 용량의 제품군을 확보해야 한다. 전압은 2400V로부터 7200V까지의 대응이 가능해야 하고, 용량은 400KVA부터 4MVA까지는 갖추어야 일반적인 대용량 전동기에 대응이 가능하다. 또한 최근에는 초고압 인버터에 대한 수요시장도 늘어나고 있어 이에 대한 대응방안도 필요한 시점이다.

복합기로서의 제어 성능 향상

범용 인버터의 적용 분야가 확대됨에 따라 제어의 고성능화를 요구하는 니즈가 증대되어 반송기계나 공작기계를 비롯한 공장자동화(FA: Factory Automation)기기 분야에서 토크 제어 특성 등의 제어성능 향상이 요구되어 왔다. 지금까지 적용되어 온 V/F제어(전압/주파수 제어)에서는 저속회전시의 토크 부족이나 급 가감속시의 과전류 트립 등의 문제가 크게 대두되었는데 자속 벡터제어 등 센서리스 벡터 제어방식을 도입함으로써 범용 인버터도 이제는 저속에서 150%이상의 토크를 실현하기에 이르렀다.
또한 저속에서의 운전도 맥동이 없이 매끄러운 운전이 가능하여 안정적인 저속운전이 가능하다. 일정 수준 이상의 토크나 저속 운전을 필요로 할 경우에는 전동기의 속도나 위치를 검출하는 엔코더가 부착되어 있는 전용 벡터 제어 인버터가 사용되기 때문에 범용 인버터가 이제는 일반 기계제어에서는 어느 정도 충분한 성능을 발휘할 수 있게 된 것이다. 이에 따라 범용 인버터에서는 저속 토크의 개선뿐만 아니라 사용 용이성, 각 부하에 맞는 전용기능 등의 개발도 활기를 띄고 있다.
인버터는 또 Soft starting 기능을 가지고 있어 전기적 혹은 기계적 충격없이 부드럽게 기계장치를 구동시켜 시스템의 유지 보수 비용을 절감시킬 수 있다. 최근 출시되고 있는 고성능 초소형 인버터의 경우 기존 범용 인버터의 문제점이었던 저속에서의 토크특성 저하 및 부하변동에 따른 모터속도 변동 등을 개선하는 센서리스 제어방식을 채택하고 있다. 또한 PLANT나 Process의 상태(유량, 온도, 압력 등)를 제어하기 위한 인버터의 속도제어 기능으로 설정값과 센서에서 측정된 검출 신호값을 비교하여 비례, 적분, 미분 동작을 통하여 제어하는 PID 제어기능의 적용도 활발하게 확대되고 있다.
더구나 최근에는 컨트롤러에 대한 설비에서의 비중이 확대되는 경향에 따라 해외 선진 메이커를 중심으로 컨트롤러 기능을 인버터에 접목하는 방식이 대두되고 있어 주목된다. 이미 미쓰비시전기를 비롯하여 슈나이더일렉트릭, 콘트롤테크닉스, 덴포스 등이 일부기종에서 상위 제어계를 담당했던 PLC에서 담당했던 시퀀스 기능을 제공하여, 소규모 시퀀스가 요구되는 애플리케이션 분야에서 컨트롤러의 기능까지 담당하고 있다. 또한  씨멘스는 모듈형 설계와 네트워크, 그리고 공용 하드웨어와 소프트웨어 구성장치들의 단일화로 통합 플랫폼을 이용한 통합 제어 시스템을 제시하고 있다.

기능향상보다는
사용자 편의성에 주목

범용 인버터가 워낙 광범위한 분야에서 사용되고 있는 데다 장비를 활용하는 고객의 기술수준도 다양해지면서 인버터의 올바른 사용에 대해 혼란스러워하는 고객들이 늘고 있다. 이에 대응하기 위해 인버터 생산업체들은  Loader의 사용법을 개선하는 한편 각종 프로그램 작성시 인버터와 전동기에 대한 정확한 특성을 이해하지 못하고 수동으로 설정함에 따라 생길 수 있는 각종 에러 발생을 예방하기 위하여 인버터가 스스로 최적 제어를 할 수 있도록 자동 설정 기능을 적극 채용하고 있다. 예를 들면 가감속 운전 패턴을 수동으로 설정할 경우 가감속시 과전류 및 과전압이 발생하여 운전 정지되는 것을 방지하기 위해 스스로 최적 가감속 패턴을 설정하는 방식을 제공하고 있다.
저속에서 높은 토크 특성을 요구하는 분야에서 최적의 운전을 위한 수동설정이 어려웠던 점도 Auto Tuning(전동기 상수를 스스로 측정하여 인버터 자체가 이에 맞게 조정하는 것) 기능을 채용하여 해결함으로써 운전과 사용의 편의성을 향상시키고 있다.
또한 운전 중에도 지락 전류를 상시 체크할 수 있도록 하는 Ground Fault 트립 기능 등의 강력한 보호기능을 내장함으로써 급가감속, 부하변동, 순시정전시의 급격한 상황 변화에서도 최적의 강력한 운전이 가능하도록 지원하고 있다. 최근에는 PC를 능숙하게 사용할 수 있는 PC사용자도 급격히 늘어남에 따라 PC를 사용하여 원격에서 전동기를 구동, 운용, 보수할 수 있도록 PC를 비롯한 각종 정보기기와 인터페이스 할 수 있도록 하는 통신기능에 대한 요구도 점점 늘어나고 있다. 세계 주요 Ethernet 네트워크에 대응할 수 있도록 RS-422/485 통신 기능(MEMOBUS/Modbus 프로토콜)을 표준으로 채택한 제품이 일반화되고 있으며, 개방형 네트워크인 DeviceNet, Profibus DP 인터페이스 보드에 대한 개발지원도 활발하다.
또한 PC에서 인버터를 운전하고 파라미터를 설정할 수 있는 번들용 통신 프로그램의 제공이 일반화되고 있으며, 엘리베이터 및 항만 크레인 응용 프로그램과 같은 특정 응용 분야만을 위한 전용 프로그램 개발 지원도 늘어나고 있다.
특히 환경 문제와 더불어 에너지 절약에 대한 관심이 늘어나면서 에너지 사용량이 많은 대표적 기기인 전동기의 에너지 사용량을 줄이기 위한 인버터의 보급 확대도 기대된다. 정부의 정책 자금을 지원받아 수행하는 에너지 절약 전문기업(ESCO:Energy Service Company)사업이 활성화 되고, 한전과 에너지 관리공단의 고효율 인버터 제도에 따른 정부의 보조금 지원이 이루어지고 있어 인버터가 대표적인 에너지 절약기기로 자리잡을 전망이다.
적용 부하별 인버터의 특성

인버터에 의한 에너지 절감 원리는 다음과 같다. 전동기를 일정 속도로 구동하는 펌프, 팬은 계절과 시간 혹은 생산 상황에 따라 부하가 변동 하는데, 이때 밸브와 댐퍼를 조정해서 부하변동에 대응하게 된다. 이 방식은 유량을 줄이기 위해 밸브와 댐퍼를 조절하더라도 어느 정도의  손실이 발생한다. 이로 인해 모터의 소요동력이 충분히 감소하지 않아 절전효과를 기대할 수 없는 것이다.
이러한 경우 인버터를 이용하여 전동기의 회전수를 제어하면 소요동력이 회전수의 3승에 비례해서 감소하므로 에너지를 크게 절감할 수 있는 것이다.
따라서 인버터는 정속 운전 중에 부하조건에 따라 자동적으로 출력전압을 조정하여 FAN, 공조기기 등 일정 속도로 장시간에 걸쳐 운전하는 기계에 큰 에너지 절감 효과를 제공하는 것이다. 최근에는 인버터의 자체 효율이 대부분 95%를 넘어서고 있기 때문에 인버터 자체의 에너지 절감보다는 인버터가 전체 기계의 에너지 소모를 얼마나 효율적으로 절약하도록 할 것인가에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한 전동기가 발생하는 자체의 여자전류를 없애기 위해 자계 발생용 영구자석이 들어 있는 직류 브러시리스 전동기를 이용하려는 움직임도 점차 활성화되고 있다.

사용자 편의성과 응용분야 확대 노력

인버터의 발전은 전력용 반도체, 마이크로프로세서로 대표되는 H/W 및 PWM 파형 합성, 전동기 운전 등의 제어기술로 나누어 볼 수 있다. H/W의 발전은 이미 급속도로 진행되어 사이즈 등에서 당분간 획기적인 신기술이 개발되어 적용되기보다는 현재보다 다소 개선, 보완하는 수준의 발전이 예상된다.
특히 고신뢰성 확보, 발생 노이즈의 감소 등을 목표로 지속적인 제품의 업그레이드가 진행중이다. S/W 측면에서도 인버터 자체의 알고리즘 개선 즉 파형합성, 전동기에 공급되는 전압, 주파수, 위상을 제어하는 알고리즘 변화는 크지 않을 것이라는 것이 업계의 일반적인 의견이다. 그 대신 인버터가 기계장치의 주요 부품으로서 최종적으로 어떻게 기계장치를 제어할 것인가에 대한 방법들이 제안되고 있는 실정이다.
그리고 고객의 요구가 분야별로 다양해지고 있어 각 부하나 고객 상황에 맞는 전용 인버터 개발 공급이 보다 활성화되어 이에 대해 쉽게 대응 가능한 구조를 가진 제품들이 출시될 것으로 예상된다. 또한 전자접촉기 대용, 업소용 공조기, 자동문, 분수대 제어, 단순 컨베이어 제어 등 현재까지 국내에서는 활성화되어 있지 않은 기계식 변속기기나 가변속기기 등 단순 가변속 분야로 적용 범위를 넓히기 위한 저가격화 추진도 빠르게 진행될 것이다. 또한 이러한 저가격화와 응용영역의 확대는 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 지능형 공조기기에서의 인버터 채용을 강화해 나갈 전망이다. 이에 따라 현재 선진국에 비해 매우 낮은 수준인 국내 전동기 시장에서의 인버터 장착이 점차 증대되어 갈 것으로 기대된다. ■

<웹사이트>
LS산전 http://www.lsis.biz
ABB http://www.abb.co.kr
씨멘스 http://www.siemens.seoul.kr
한국미쓰비시전기
 http://www.mitsubishi-automation.co.kr
한국야스가와전기
 http://www.yaskawa.co.kr
로크웰오토메이션
 http://www.rockwellautomation.co.kr
슈나이더일렉트릭
http://www.schneider-electric.co.kr
콘트롤테크닉스
 http://www.controltechniques.com