기획연재 ② 인버터 주요 특성 및 기능

지난호 목차

Ⅰ. 인버터의 정의 및 구성

1. 인버터의 정의와 사용 목적

2. 인버터의 장점

3. 인버터의 분류

4. 인버터의 구성

이번호 목차

Ⅱ. 인버터의 제어 방식과 에너지 절감 효과

1. 인버터의 제어 방식

2. 인버터의 부하

3. 인버터의 에너지 절감 원리 및 효과

Ⅱ. 인버터의 제어 방식과 에너지 절감 효과

1. 인버터의 제어 방식

인버터의 주요 제어 방식에는 ‘V/F 제어’, ‘벡터 제어’, ‘센서리스 벡터 제어’가 있다. 이 중 V/F 제어 방식은 가장 보편적으로 적용되고 있는 제어 방식으로, 주파수가 가변될 때 전압도 함께 가변되어 출력되는 방식이다.

V/F 제어 방식은 주파수 변화 시 V/F비가 일정하면 모터가 발생시킬 수 있는 토크 역시 일정하다는 성질을 활용한 방식인데, 주파수를 변화시킬 때 그에 상응하는 전압을 일으킨 후 제어를 실시한다. V/F 제어 방식은 성능은 높지 않지만 높은 경제성과 범용성을 보유하고 있다는 평가를 받고 있다. 벡터 제어란 유도 모터의 고정자에 이입되는 전류를 토크분 전류(iq)와 자속분 전류(id)로 나눠 제어하는 방식이다.

이러한 벡터 제어 방식은 모터 자속을 직접 검출하는 직접 제어 방식과 자속을 직접 검출하지 않는 대신에 슬립 주파수를 제어하는 간접 제어 방식으로 나뉜다. 벡터 제어 방식은 자속분 전류만 일정해도 토크분 전류를 자유롭게 제어할 수 있어 넓은 속도범위에서도 강력한 토크 특성을 얻을 수 있다. 마지막 센서리스 벡터 제어 방식은 벡터 제어 방식의 일종인데, 토크분 전압(Vgs)과 자속분 전압(Vds)을 제어하는 데 쓰인다.

벡터 제어 방식이 속도 검출 센서로 인해 현재 모터의 실제 속도를 피드백 받아 정밀 속도 제어를 실시할 때 센서리스 벡터 제어 방식은 속도감지 센서가 없어 모터의 실제 속도를 피드백 받을 수 없다. 하지만 센서리스 벡터 제어 방식은 속도 추정기를 활용해 실제 속도와 근사한 값을 제어기에 실시간으로 입력하는데, 이는 센서리스 벡터 제어 방식이 벡터 제어 방식에 버금가는 속도와 토크 제어를 수행할 수 있는 원동력으로 작용한다. 이와 같은 제어 방식들의 특징을 간략히 표로 정리하면 다음 <표 1>과 같다.

2. 인버터의 부하

인버터 부하에는 ‘CT 부하’와 ‘VT 부하’가 있는데, CT 부하는 모터 회전 속도에 따라 부하 토크가 일정한 부하인 반면에 VT 부하는 모터 회전 속도에 따라 부하 토크가 변하는 부하이다.

CT 부하는 속도에 무관하게 일정한 토크를 구현하는 특성으로 인해 ‘컨베이어’, ‘엘리베이터’ 등에서 주로 활용된다.

정출력 특성을 갖춘 CP는 저속 운전 및 기동 시에 큰 토크 특성이 필요한 반면에 고속 회전 속도에서는 낮은 토크를 요구한다.

이 때문에 CP는 주로 ‘와인더’, ‘목공’, ‘금속 절삭용 톱’, ‘탈수기’ 등에 적용된다. VT는 토크가 속도의 2승에 비례해 증가하는 특성 때문에 ‘팬’, ‘펌프’, ‘블로워’ 등에 내장된다.

3. 인버터의 에너지 절감 원리 및 효과

앞에서 살펴본 것처럼 팬, 펌프, 블로워는 대표적인 VT 부하로, 높은 에너지 절감 효과를 창출한다. 인버터 에너지 절감 원리는 풍량이 회전 속도에 비례한 반면에 정압이 회전 속도의 2승에 비례하고 동력이 회전 속도의 3승에 비례하는 구조를 따른다.

이 같은 인버터의 에너지 절감 원리를 곡선으로 나타내면 다음 <그림 22>와 같은 결과가 도출된다. 인버터 에너지 절감 원리는 부하 변동에 따른 조치로서 밸브와 댐퍼를 조정하는데, 이로 인해 부하 변동에 대한 대응 유량이 줄어드는 반면에 손실이 증가하게 되어 모터 소요 동력이 그 차이만큼 감소하지 않게 된다. 또한 모터가 인버터 에너지 절감 원리에 기반해 회전수 제어를 수행하는데, 이 때문에 소요 동력이 회전수의 3승에 비례하게 되어 결국에는 감소되기에 이른다. 그리고 이는 큰 에너지를 절감시키는 효과를 발생시킨다. 사용자의 입장에서는 이와 같은 인버터 에너지 절감 원리로 인해 인버터를 설치한 후 55Hz로 운전을 할 시 23%의 절감효과를, 50Hz로 운전을 하게 될 시 42%의 절감효과를 얻을 수 있다.

이러한 효과를 인버터 효율 및 기타 영향을 감안해 분석해보면 사용자는 55Hz로 운전을 시행할 시 평균 20%, 50Hz로 운전 시 평균 37%의 절감효과를 얻을 수 있다는 결과가 나오게 된다.

<다음 호에 계속>

자료제공 | LS산전(www.lsis.co.kr)