인버터의 기술개발 현황과 향후전망

최근 인버터(AC 드라이브)는 놀라운 제어성능의 향상과 유지보수 측면의 경제적 장점을 앞세워 적용범위를 크게 넓혀가고 있다. 또한 에너지 절약의 중요성이 대두되면서 고효율의 산업용 유도전동기에 대한 인버터 시장이 점점 확대되고 있는데, 이와 함께 가정용, 상업용 등 비제조업 분야에서의 수요도 급속히 증가하고 있다.

글_ 오승모 기자 

인버터(Inverter)의 개념은 20세기 초반에 주파수를 바꾸어 전동기 속도를 바꾼다는 개념에서 시작되었으며 당시에는 단지 주파수를 전기기계로 바꾸거나 수은을 이용한 진공관 형태를 이용해 바꾸는 방식을 주로 사용했다.

현재 주로 사용하고 있는 직류(DC)전류를 교류(AC)전류로 변환하여 전동기의 속도를 제어한다는 근대적인 개념의 인버터는 1960년대 미국의 GE에서 사이리스터를 이용한 인버터를 개발함으로써 시작되었다고 볼 수 있다. 이후 1980년대 들어서면서 일본업체들이 절연형 파워 트랜지스터를 개발하고 이를 인버터에 응용한 제품을 보급하기 시작했다. 이때에는 아날로그 제어 방식으로 8비트의 마이크로프로세서가 활용되는 등 단순한 기능만을 보유하고 있었다.

최근 들어 국내 산업이 고도화되고 자동화되어 감에 따라 인버터에 대한 수요가 크게 늘어나고 있으며 인버터 자체도 기술의 진보에 따라 점차 고성능 고정밀화 되어 기존 DC 드라이브 모터 시장을 대체하는 등 신규분야에대한적용이 확대되고 있다. 또한 에너지 절감 및 쾌적한 환경조성을 위한 빌딩자동화 분야에서의  사용도 증가하고 있다.

국내외 기술 개발 동향

지금까지 인버터 기술 개발의 기본 방향은 고객의 큰 불만 사항이었던 저속에서의 토크 부족과 기계반의 소형화를 위한 인버터 크기의 축소, 인버터 운전시 발생하는 전자소음의 감소 등이었다.

인버터 업계의 지속적인 노력에 의해 어느 면에서는 고객이 요구하는 수준 이상까지 도달하여 이제 새로운 방향으로의 기술 개발을 추구하고 있다.

소형, 저가격화 실현

인버터에서 급속히 발전된 부분중의 하나가 바로 소형화 분야이다. 일본의 경우를 보면 오늘날 인버터는 범용 인버터가 처음 나온 81년에 비해 약 1/11로 소형화 되었다.

이 초소형화 기술은 생산업체에 따라 다음 두 가지로 구분될 수 있다.하나는 반도체 제조기술을 응용하여 복합금속기판에 파워회로와 제어회로를 동시에 탑재하는 방식이며, 다른 하나는 제어회로는 종래의 PCB를 그대로 사용하고 파워회로는 제어부분을 포함한 ASIPM(Application Specific Intelligent Power Module ; 고객전용 복합 파워 소자)화에 의한 초소형화를 강력하게 실현하는 방식으로 발전되었다.

이러한 기술에 의해 부품수의 감소를 이룰 수 있게 되었으며, 자동화의 확대가 가능해져 생산 가격의 절감과 함께 제품 신뢰성을 확보하기에 이르렀다.

그러나 인버터 내부의 집적화는 지속적으로 추구되고 있으나, 너무 소형화 될 경우 배선이나 보수가 어려워져 오히려 사용하기가 불편해 질 수도 있다는 우려 때문에 당분간 더 이상의 크기 축소는 추진되지 않을 것으로 전망된다.

제어 성능의 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 확대되고 있다.

지금은 기계장치의 차별화를 요구하는 고객들이 늘고 있어 향후에는 특정 고객 전용의 S/W 또는 H/W를 갖는 전용기능의 개발이 큰 폭으로 증대될 것으로 보인다.

사용 편이성의 확대

범용 인버터가 워낙 광범위한 분야에서 사용되고 있는 데다 장비를 활용하는 고객의 기술수준도 다양해지면서 인버터의 올바른 사용에 대해 혼란스러워하는 고객들이 늘고 있다. 이에 대응하기 위해인버터 생산업체들은  Loader의 사용법, 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 대응할수 있도록 RS-422/485 통신 기능(MEMOBUS/Modbus 프로토콜)을 표준으로 채택한 제품이 일반화되고 있으며, 개방형 네트워크인 DeviceNet, Profibus DP 인터페이스 보드에 대한 개발지원도 활발하게 이루어지고 있다. 또한 PC에서 인버터를 운전하고 파라미터를 설정할 수 있는 번들용 통신 프로그램의 제공이 일반화되고 있으며, 엘리베이터 응용 프로그램과 같은 특정 응용 분야만을 위한 전용 프로그램 개발 지원도 늘어나고 있다.

에너지 절약 기능의 확대

근래 들어 환경 문제와 더불어 에너지 절약에 대한 관심이 늘어나면서으로 에너지 사용량이 많은 대표적 기기인 전동기의 에너지 사용량을 줄이기 위해서 인버터의 보급이 확대되고 있다. 특히정부의 정책 자금을 지원받아 수행하는 에너지 절약 전문기업(ESCO:Energy Service Company)사업이 활성화 되고 한전의 인버터‘고’마크 제도가 시행됨에 따라 인버터가 대표적인 에너지 절약기기로 자리잡게 되었다.

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 활성화될 전망이다.

노이즈 저감

과거에는 인버터를 사용하여 전동기를 운전할 경우 전동기에서 발생하는 전자 소음을 줄이기 위해 사람이 들을 수 없는 고주파로 스위칭을 하는 고주파 캐리어 PWM(펄스폭변조) 제어 방식을 적용하여 왔으나 이러한 방식은 오히려 인버터가 주요 노이즈의 발생원인이 된다는 부작용을 가져왔다. 최근에는 이러한 부작용을 해소하기 위해 스위칭 주파수를 저Hz까지 낮추거나, 새로운 Soft PWM 제어방식을 적용하는 방안을 추구하고 있다.

일반적으로 범용 인버터에 발생하는 노이즈에는 고주파 노이즈 즉 전파 노이즈와 전원 주파수보다 40배 정도까지 낮은 저주파 노이즈 즉 전원고조파가 있다.

전파노이즈는 범용 인버터의 핵심 소자인 전력용 반도체인 IGBT가 초당 수∼수십kHz로 동작하여 발생된다. 일반적으로 전자파 차단 재료를 실장하거나 필터를 사용하여 배선으로 전달되는 전도성 노이즈를 줄여 왔는데있으며, 이미 최근에는 이를 줄이기 위해 다양한 PWM 제어 방식이 연구되고 일부는 제품에 탑재되고 있다.

고조파 해결을 위해서는 인버터 내부의 컨버터 전후에 교류 리엑터를 삽입하거나 인버터용 PWM 컨버터를 사용하는 방법을 활용하고 있는데 가격이 비싸다는 단점이 있다.

안전규격

인버터가 장착되는 각종 기계가 이제는 국내뿐 아니라 전세계로 수출되고 있으므로 세계 각국에서 요구하는 다양한 규격의 취득이 필수적이다.

이들 안전규격은 전반적으로 연기발생, 발화 방지용 재료 사용과 감전 방지를 위한 절연 및 구조를 요구하고 있다.

유럽에서는 CE마크, 북미에서는 UL마크가 요구데 UL의 예를 보면 부품의 연소방지 재질 채용, 절단면, 절연고리, 장치의 틈, 내부 컨덴서의 자연방전 시간 등을 규정하고 있다. 

그러나 이에 전부 대응하기 위해서는 별도의 비용이 추가되기 때문에 국내 인버터 업체들은 일반 규격제품과 이들 규격 대응 제품을 별도 모델로 생산하고 있어 규격 취득제품 구입시 제조사에 별도의 확인이 요구된다.

향후 전망

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/W면에서도 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 가변속기기가 단순 가변속 분야로 적용 범위를 넓히기 위한 저가격화 추진도 빠르게 진행될 것이다.

이에 따라 현재 선진국에 비해 매우 낮은 수준인 국내 전동기 시장에서의 인버터 장착이 점차 증대되어 갈 것으로 기대된다. 국내 인버터 시장에 참여하고 있는 주요업체로는 LG산전, 현대중공업을 비롯하여 미쯔비시 전기, 씨멘스(SIEMENS),야스가와전기, 로크웰 삼성 오토메이션(RSA), ABB, 슈나이더 일렉트릭 등이 적극적인 시장공략에 나서고 있다.

2004년 기사 작성