1. 인버터의 원리

인버터란 모터(유도전동기)를 원하는 속도로 운전하기 위해 주파수를 가변시킬 수 있도록 한 전원장치(전력 변환기)이다.
모터(유도전동기)의 회전 속도 N은 극수 P, 주파수 f, 모터의 슬립을 s 라 하면 아래의 수식으로 나타낼 수 있다. 주파수 F를 가변시키면 임의 의 회전속도 n을 얻을 수 있다. 이러한 원리를 응용하여 주파수를 변화 시켜 모터의 속도를 가변하는 것이 인버터이다.
실제 모터에서 토크를 확보하려면 주파수에 따라 전압도 가변해야 된 다. 모터 발생 토크는 주파수와 전압의 비에 비례한다. 따라서 인버터 는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)라고도 한다.

2.인버터의 효율성

2.1정토오크 부하에서 에너지 절감

VS모터나 2차 저항 제어에서는 속도를 감소시켜 전력이 나간 만큼 손실 되므로 전력 절감이 안되나, 인버터 제어에서는 속도 제어에
비례하여 전력이 내려가므로 속도감소분만큼 에너지가 절감된다.

<에너지 절감 계산 예 ①>

구동 전동기의 정격 속도가 1750r/min, 최대 속도 1500r/min인 VS모터 를 사용한 컴베이어가 있다. 속도 50%(750r/min)로 운전하는 경우에 VS 모터와 인버터 제어의 경우에 전력차 계산. 단, 최대 속도시의 전력은 37kW이다.
VS모터의 경우에 속도를 감속시켜도 전력은 변화하지 않으므로 50% 속 도시의 전력은 37kW가 된다. 인버터 제어에서는 속도에 비례하여 전력 이 감소되므로 50%속도시의 전력은 37 × 750/1750 = 15.9kW 따라서 전력차는 37 - 15.9 = 21.1kW가 된다.

<에너지 절감 계산 예 ②>

구동 전동기의 정격 속도가 1750r/min, 최대 속도 1500r/min인 VS모터 를 사용한 블로어가 있다. 속도 50%(750r/min)로 운전하는
경우, VS모 터와 인버터 제어의 경우에 전력차 계산 , 단. 최대 속도시의 전력은 37kW이다.
VS모터의 경우 50% 속도시의 전력은 회전수의 제곱에 비례하므로 37 × 0.5÷2 = 9.25kW 인버터 제어에서는 속도의 3제곱에 비례하므로 37 × (750/1750)÷3= 2.91kW 따라서 전력차는 9.25 - 2.91 = 6.34kW가 된다.

이상의 에너지절감 계산 예에서, 특히 정토크 부하를 VS모터나 권선형 전동기로 구동하고 있는 경우에 인버터화하면 큰 에너지절감 효과를 기 대할 수 있다는 것을 알 수 있다. 3.5 2승 저감 부하에서의 에너지 절감 2승저감 부하에서는 회전수의 제 곱으로 토오크가 감소되므로 전력은 회전수의 3제곱으로 감소된다.
VS모터에서는 회전수 감소에 의한 전력 감소분이 슬립 손실이 되므로 최종적으로 전력은 회전수의 제곱으로 감소된다.

2.2 전동기 공급 전압 최적화에 의한 에너지 절감

전동기 소실은 대부분 철손과 동손이다. 일정 전압에서 경부하시 동손 은 감소되는데 철손은 변화하지 않으므로 효율이 감소된다.
철손은 전 압의 제곱에 비례하므로 경부하시의 전압을 내리면 철손이 감소되어 효 율을 개선할 수 있다.
전동기의 운전점은 정격부하 토크 TL1과 전동기 토크 TM1의 교점이며 이때의 슬립은 S1,효율은 90%이다
부하가 가벼워져 토크가 TL1에서 TL2로 되었다면, 슬립은 TL2와 TM1의 교점으로 결정되는 S2로 변하게 된다.
이 때의 효율은 70%이다
공급전압이 일정할 때 부하가 가볍게 되면 효율이 저하된다.
부하 토크가 TL2로 감소했을 때 토크 특성이 TM2가 되도록 전동기의 공 급전압을 조정하면 슬립은 S2에서 S1으로 복귀하므로
효율도 정격시의 효율 90%로 복귀한다.
이와 같이 부하에 따라 공급 전압을 제어함으로써 전동기를 항상 최대 효율로 운전하는 것이 가능하다.
효율이 최대로 되는 슬립은 주파수에 따라 변하므로 운전 주파수에 띠 른 최적의 슬립이 되도록 전압을 조정할 필요가 있다
에너지 절감제어 인버터의 제어 블록을 들었다.외부에서의신호는 주파 수 지령 뿐이고 에너지 절감제어는 모두 인버터에서 처리된다.
1차 전류 I1과 1차 전압 V1에서 전동기의 입력전력 P를 계산하여 P와 주파수에서 전동기의 효율이 최대로 되는 슬립과 그 슬립에서의
출력전 압 Vr을 계산한다. 이 Vr과 f에 의하여 PWM화로에서 트랜지스터를 제어 하여 전동기에 주파수 f, 전압 Vr 을 제공한다.

2.3 기계적 에너지의 회생에 의한 전력 절감

전동기가 동기속도 이상이 되면 유도발전기가 된다. 동기속도를 초과하 는 예로서 인버터운전에서의 감속시나 크레인의 회생시 등이
있다. 전 동기가 발전기로 되면 에너지의 흐름이 전동기에서 인버터로 회생된다. 전원회생 기능을 가진 인버터에서는 컨버터측에도 트랜지스터를 사용하 고 있으므로 회생 에너지를 효율적으로 전원으로 되돌릴 수 있으므로 반환된 만큼의 전력을 절약할 수 있다.

<에너지 절감 계산 예>

여기서는 원심분리기를 예로 하여 전원 회생 컨버터를 적용하여 감속시 의 전력 회생에 의한 에너지절감 효과를 검토한다. 시스템 시방은 다음 과 같다.

- 기계의 GD2 : 60kgm2
- 모터의 속도 : 1750rpm
- 부하토크 : 3.5Kg.m
- 운전 패턴 : 다음 그림 참조
- 가동 시간 : 5000H
- 전력 단가 : 50원

 <절전량의 계산>

▶가속시의 소요 토크는 Tacc = 600 × 1750/375/180+3.5 =19.06kgm
▶가속시의 소요 동력은 Pacc = 19.06 × 1750/974/2 =17.1kW
▶일정한 속도중의 소요 동력은 Pcon = 3.5 × 1750/974=6.3kw
▶감속중의 토크는 Tdec= 3.5-600 × 1750/375/180= -12.1kgm
▶감속중의 회생 전력은 Pdec = -12.1 × 1750/974/2 = -10.9kW
▶회생 기능이 없는 인버터의 평균 전력은 Pacc+Pcon = (17.1＋6.3) × 180/720 = 5.85 kW

회생기능이 부가되어 있을 때에는 Pdec가 전원으로 반환되므로 Pacc + Pcon + Pdec = (17.1 ＋ 6.3 - 10.9 ) × 180/720 = 3.13kW
절전량은 5.85 - 3.12 = 2,72kW 가 된다. 여기서 연간 2.72 × 5000 = 13600kW, 13600 × 50 = 680,000원의 전기 요금을 절약할 수 있다.

3. 결론

전동기 부분의 에너지 절약은 전동기가 구동하고 있는 부하의 특성을 파악하여 특성에 적합한 제어 방식의 선택, 경제성 평가를 거친 후 진 행해야 된다. 인버터는 2승 저감부하의 감속, 모터효율에 의한 슬립제 어,최적 전압 제어, 전동기의 회생 에너지 제어 등에 매우 유용한 전기 에너지 절약 기기이다.

1.인버터의 활용화

1.1크레인 제어 시스템 부분 활용

서호전기(대표 이상호)는 지난 1981년 설립 이래 모터 드라이브(전기구 동장치 제어기)를 생산해 온 전문업체다. 사업 초 DC 드라이브를 주로 생산했으나 현재 독일 시멘스사의 AC 드라이브를 응용, 대형 항만 크레 인용 제어시스템을 공급하고 있고 자체적으로도 AC 드라이브를 개발해 납품하고 있다. 항만 하역 크레인은 중공업회사에서 제작하지만 이를 움직이게 하는 구동제어기는 서호전기가 국내시장의 대부분을 점유하고 있다. 2001년 국내에서 제작된 항만 크레인의 85% 이상이 서호전기의 제어시스템을 적용하고 있다. 서호전기는 최근 항만크레인 제어시스템 개조 부문과 벡터 인버터 부문 사업을 본격화하고 있다. 항만 철골물은 30년 이상 사용 가능하지만 제어시스템은 수명이 10~15년으로 일정기간 이 지나면 교체가 불가피해 시장 규모가 점차 커질 것으로 회사측은 기 대하고 있다. 또 국내 최초로 단일 구조물에 의한 400Kw급 대용량 인버 터를 개발한 기술력을 바탕으로 섭씨 영하 25도와 영상 40도에서 작동 하는 인버터를 개발, 철도차량의 유틸리티용으로 공급하고 있다. 서호 전기는 한국을 비롯해 중국 등 세계 각국이 물류시설 기지 확충에 적극 나서고 있어 향후 크레인의 수요가 지속적으로 증가할 것으로 내다보고 있다.

1.2세탁기 모터에 활용

LG전자 세탁기 ‘트롬’(Tromm)은 브러시를 없앤 인버터모터를 직접 드 럼에 부착시켜 작동시키는 직접구동방식 모터 시스템을 장착해 소음과 진동을 줄이고 에너지 효율을 높인 제품이다.
이 직접구동방식은 LG전자가 세계 최초로 적용한 기술로 현재 세계적으 로 단 3개 회사만이 채택하고 있는 최첨단 기능이다.
세탁용량은 7.5kg으로 최대이며 프랑스의 소비자 전문잡지 ‘끄 슈와’로 부터 베스트바이에 뽑히기도 했다. 유럽에너지 라벨 등급기존도 최고 성 능 등급인 트리플 A를 받았다.
마케팅 전략도 차별화했다. 우선 일반세탁기와 드럼세탁기의 경쟁으로 신개념 세탁기에 대한 새로운 카테고리를 만들어내고 2단계로 여타 드 럼세탁기와 ‘Tromm’의 차별화를 시도한다는 것.
이러한 마케팅 전략을 통해 회사는 수입드럼의 주요 판매채널인 백화점 에서 올1월 26%이던 시장 점유율을 5월 50%까지 높였다.
LG전자 측은 “그외 유통채널은 LG전자의 일방적인 주도로 드럼세탁기 판매가 급신장하고 있다”며 “경기회복과 맞물려 프리미엄급 고급가전,특 히 드럼세탁기를 선호하는 추세라 올해 최고 70%까지 시장점유율을 높 일 계획”이라고 밝혔다.