인버터 국내 도입률 6%…에너지 절감 효과로 수요 ‘꿈틀’

국내 인버터 도입 비율은 약 6%에 불과하지만, 에너지 절감 효과가 커 수요는 계속 증가할 전망이다.
인버터는 전동기의 속도를 제어해 주므로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있고, 기동 전력 또한 줄일 수 있다.
그뿐만 아니라 전동기에 인버터를 연결할 경우 역률 개선이 가능해 에너지 절감 효과가 뛰어나다.
특히 상하 운동을 반복하는 수직부하 혹은 회생이 많이 발생하는 부하에서 회생 유닛을 사용하게 된다면 에너지 절감의 효과는 더욱 커진다. 앞으로 인버터를 통한 에너지 절감이 과거보다 더 큰 이슈를 만들 것으로 예상된다.

이규훈 LS산전 A&D 기술팀


전 세계적인 에너지 소비의 지속적인 증가로 자원 고갈과 환경 문제가 주요 이슈로 부상하고 있다. 이에 따른 에너지 절감과 에너지 사용의 효율성을 향상시키기 위한 방안으로 인버터의 수요는 계속 증가하고 있다.
특히 원전 가동 중단으로 인한 전력수급 현황이 좋지 않은 올해에는 에너지 효율이 더욱 중요시되고 있다. 최근 정부는 현재 에너지이용 합리화법에 따라 공공기관은 220kW 이하 용량에서는 고효율 인버터 사용을 의무화하고 있으며, 고효율 인버터를 설치하는 경우 설치금 일부를 무상 지원하고 있다.
현재 인버터로 구동 가능한 삼상유도전동기는 전체 국가 전력의 40%, 제조업 현장 산업전력의 70%를 사용하고 있어 국가 전력 소비량이 큰 비중을 차지하고 있지만, 국내 인버터 도입 비율은 약 6%에 불과하다. 지속적으로 전기요금이 인상되는 점과 사용전력의 효율성이 중요한 만큼 인버터를 통한 에너지 절감이 과거보다 더 큰 이슈가 될 것임이 분명하다. 또한, 국가지원금과 절감 금액이 증가하는 만큼 인버터 설치로 인한 효과가 더욱 부각될 전망이다.

인버터란?

인버터는 전력용 반도체를 활용한 전력변환으로 전동기 속도를 제어하는 대표적인 전력전자제품이다. 보다 자세히 말하면, 일정 주파수(60Hz)를 가진 한전 전원의 주파수를 변환하여 전동기의 속도를 제어하는 장치로 한전의 교류 전원을 내부에서 직류로 변환한 후 다시 교류로 변환하면서 원하는 주파수로 변환시킨다.
주파수는 전동기의 회전 속도와 직접적인 연관이 있는 값으로, 주파수가 증가/감소하게 되면 회전 속도 역시 같은 비율로 증가/감소하게 된다.

모터 회전 속도 N(rpm) =

= 30×주파수(f)

*주) 일반모터는 4극임
*‌해당 값은 동기 속도로, Slip 값에 따라 유도되는 속도가 조금 감소된다.

그럼 전동기의 회전 속도를 변경하게 되면 어떠한 효과를 얻을 수 있을까? 이 효과는 여러 측면에서 나타나게 된다. 우선 원하는 속도 값을 정밀 제어할 수 있기 때문에 설비를 최적 조건으로 운전할 수 있게 된다. 더불어 생산성 향상이 가능하고 설비의 유지보수에 소요되는 비용과 시간을 절약할 수 있다. 또한, 설비의 소음과 진동을 감소시켜 쾌적한 환경을 제공하는 점 등 제어 측면에도 여러 장점이 있다. 그리고 무엇보다, 기존 설비를 그대로 유지하면서 에너지 절감을 할 수 있으며, 에너지 절감을 여러 방면에서 나타낼 수 있다.


 
인버터의 에너지 절감

1. 속도 저감에 따른 에너지 절감
인버터는 전동기의 속도를 제어해 주는 전력전자 제품으로, 한전에서 제공하는 고정 주파수를 더 낮은 값으로 변환시켜 주게 되면 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 그리고 2승 저감 토크 특성(Variable Torque)을 나타내는 팬, 펌프, 블로워와 같은 부하에서는 사용되는 동력 양이 회전 속도의 3승에 비례하게 되어 에너지 절감 효과가 크다.
이는 다음과 같은 공식이 적용된다.



① ‌풍량(유량)은 회전 속도에 비례 → Q ∝ N
② ‌정압은 회전 속도의 2승에 비례 → H ∝ N2
③ ‌동력(Power)은 회전 속도의 3승에 비례 → P = H×Q ∝ N



팬, 펌프, 블로워 등은 일정한 크기의 관 등을 통과하여 풍량 혹은 유량을 제어하게 되는데, 풍량(유량)은 회전 속도에 비례하고, 정압은 관의 단면적에 비례하게 되어 회전 속도의 2승에 비례한다.
동력(Power)은 풍량(유량)과 정압의 곱으로 나타나게 되어 계산상으로는 인버터 설치 후 최대 주파수 55Hz로 운전할 경우 23%, 50Hz로 운전 할 경우 42% 절감이 가능하나 실제 실험 결과 인버터 효율 및 기타 영향으로 55Hz  운전 시 평균 20%, 50Hz 운전 시 평균 37%의 절감 효과를 얻을 수 있다(전기연구원 검증 자료).
과거 제어 방식인 댐퍼 제어와 비교하면 큰 에너지 절감 차이가 나타남을 측정할 수 있으며, 더불어 배관의 과다압력 방지 및 누수방지 효과, 운전 소음 감소, soft start 기동으로 안정적인 제어 등의 효과를 얻을 수 있다.

2. 기동 방법에 따른 에너지 절감
전동기를 기동하는 방법에는 여러 가지 방법이 있다. 대표적인 기동 방법으로는 직입 기동, Y-△ 기동, 리액터 기동, 인버터 기동 등이 있다. 직입 기동은 전동기에 전원을 바로 투입하는 방법으로 기동 시 전류가 600~700% 발생하게 된다.



직입 기동방식은 설계가 단순하며, 저비용 장점이 있다. 반면, 기동전류가 매우 크고, 노이즈/아크 발생으로 빈번한 ON/OFF 시 전동기 수명이 짧아지며 전원설비에 무리를 주므로 전동기 보호용 추가 설비가 필요하다.
Y-△ 기동방식은 직입 기동방식에 비해서는 기동전류를 제한할 수 있지만(직입 기동에 비해 1/3), 소음이 심하며 유지보수가 빈번하다. Y-△ 기동방식은 절체시점에 과도전류가 발생하며, 주파수의 비동기 시 엄청난 돌입전류가 발생할 수 있다. 반면, 인버터를 사용하면 기동전류를 제한하여 정격전류 100% 이하의 값으로 유연하게 기동, 정지가 가능하다.
대용량의 단일 전동기를 제어할 경우, 큰 기동전류로 인하여 다수의 제너레이터 설비가 필요한 경우가 있는데, 인버터를 사용하게 되면 제너레이터의 용량을 줄일 수 있으며 기동 과정에서 발생하는 과전류로 인한 전동기 소손을 방지할 수 있고 기동 전력 또한 줄일 수 있다.


 
3. 에너지 절약 운전
인버터를 설치하여 사용하게 되면, 인버터에서 설정 변경할 수 있는 값이 있고 이를 파라미터라고 부른다. 파라미터에는 기본적인 전동기의 상숫값 입력, 운전 방법에 대한 선택, 각 종 운전상태 모니터링 외에도 다수의 추가 기능을 설정할 수 있다. 파라미터의 개수는 인버터의 기종에 따라 달라지는데 적게는 100개, 많게는 1000개가량의 파라미터가 존재한다.



인버터의 수많은 기능 중 에너지 절약 운전이 있다. 에너지 절약 운전은 인버터의 출력 전류가 설정한 전동기의 무부하 전류보다 작은 경우 출력 전압을 설정한 값만큼, 혹은 자동으로 계산하여 줄여주는 기능이다. 출력되는 동력 양은 출력 전압과 출력 전류에 직접적인 연관이 있는 만큼, 출력 전압이 감소되는 비율에 따라 에너지가 절감된다. 단, 이 기능은 가속과 감속 구간에서는 동작하지 않으며, 부하량이 적은 경우에 사용될 수 있다.





4. 역률 개선을 통한 에너지 절감
역률이란 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일을 하는가를 나타내는 백분율로서 0~1 사이의 값으로 표시된다. 교류회로에서는 전압과 전류와의 곱을 피상전력이라 하고, 이에 역률을 곱해야 비로소 전력이 된다. 이에 따른 계산식은

P=VICosθ

가 되며, Cosθ값(역률)이 1에 가까울수록 유효전력이 높다고 할 수 있다.
표준 전동기의 정격 역률은 정격 용량에 따라 다르지만, 통상적으로 0.85 근방이다. 그러나 전동기가 경부하      로 운전될 경우 역률은 더욱 낮아지게 된다.
역률이 낮아지게 되면 무효전력이 늘어나게 되어 전력을 더 많이 소모하게 되며, 발전기의 역률 설계치(보통 0.8~0.9)보다 낮게 운전될 경우 발전기 전류가 정격 전류 이상으로 운전하게 된다.
전동기에 인버터를 연결할 경우 역률 개선이 가능하다. 통상적으로 일반 인버터를 연결하게 될 경우 역률은 고조파 장해에 의해 0.7~0.8로 낮아지게 되지만, 직류 리액터(DC Reactor)가 내장되어 있는 인버터를 연결할 경우 역률은 0.94~0.96으로 높은 값을 나타내게 된다.
직류 리액터는 인덕턴스 성질을 이용하여 고조파를 낮추고 진상부하를 줄여주는 역할을 하여 무효전력을 줄여 에너지를 절감할 수 있다.



5. 회생유닛을 이용한 에너지 절감
해당 에너지 절감 방법은 회생이 있는 부하에서 가능하다. 회생은 전동기가 감속하거나 운전 방향과 반대 방향의 힘을 받을 때 발생하며 이를 회생(Generating) 상태라 부른다.
인버터가 회생 에너지를 받게 되면 인버터 내부의 DC 전압은 상승하게 되고 일정 수준을 넘어가게 되면 소자 보호를 위해 인버터 출력을 차단하거나 회생에 대한 제어가 필요하다.
기존 회생에 대한 제어 방법은 제동 유닛과 제동 저항을 연결하는 방법으로, 제동 유닛을 통하여 제동 저항의 동작을 관리하고 제동 저항을 이용하여 발생된 회생 에너지를 열로서 소모시키는 방법이다.
반면 회생 유닛을 사용하게 되면 회생된 에너지를 인버터의 1차 측으로 돌려보내 에너지를 절감할 수 있다.
회생 유닛(iRU)을 사용하면 다른 회생제어 방식(DBU)보다 더 적은 공간을 차지하게 된다.
회생 유닛 자체에 교류 리액터가 내장되어 있어서 높은 역률(약 0.94)과 저감된 고조파율(약 34%)을 나타내며, 에너지 절감 효과가 크다. 에너지 절감에 대한 비교 산출 자료는 그림 9와 같다.
그림 9의 계산식에서 에너지 절감된 양은 6.42kW/14.08kW로 55%로 나타나고 있으며, 사용 환경마다 절감 수치는 조금씩 다르게 나타나지만, 위와 근사한 값을 나타낸다.
상하 운동을 반복하는 수직부하 혹은 회생이 많이 발생하는 부하에서 회생 유닛을 사용하게 된다면 에너지 절감의 큰 효과를 기대할 수 있다.

맺음말

인버터를 이용해서 에너지를 절감하는 방법은 속도 저감 외에도 여러 가지가 있다.
역률 개선, 기동 개선, 에너지 절약 운전, 회생 유닛 사용에 대해서 위에서 알아보았으며, 전동기 자체도 고효율 전동기로 전환하면 4~10% 절감이 되지만 기존에 사용하던 전동기를 교체하지 않은 상태에서도 큰 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
일본의 경우, 이미 2003년에 인버터 관련 에너지수급 구조개혁 투자촉진 세제 제도를 마련해 인버터 사용 비율이 20%를 넘어선 것으로 알려졌으며 국내 시장도 점차 늘어나는 추세이다.
LS산전은 2011년도에 약 200,000대, 1,200MW를 판매하여 산업용 전기 사용량을 최소 120MW 절감한 것으로 추정이 된다(에너지 절감률 10% 적용).
현재 가동 중인 LS산전의 인버터(2007~2011년 5년간 판매분 기준)는 약 4,200MW로 LS산전 인버터의 시장 점유율을 고려하면 한국시장에서 인버터의 보급은 10,000MW 이상으로 에너지 절감량을 10%로 추정해도 현재 원자력 발전소 1기의 전력 생산량에 상당하는 전력량을 절감하고 있다.
전력 수급이 좋지 않은 현재 상황에 사용량 자체를 줄이기 힘든 산업용 전기 분야일수록 에너지 절감에 대한 대책이 시급하며, 인버터는 사용하는 전기요금 절감을 넘어 국가 발전에도 기여할 수 있다.