인버터와 모터의 만남

펌프와 컴프레서에서 변환기를 사용하는 것이 확산되고 있다. 모터 회전수를 전기적으로 제어하는 것이 에너지 절감에 도움이 되기 때문이며, 이를 위해 인버터와 모터를 상호 조율하여 조합한다.

군터 크라이(Gunther Krei), 엘마 로캄프(Elmar Lohkampff), 베른트 비타야(Bernd Wittayer): Yaskawa Europe GmbH 구동 기술 전문가

인버터는 전기적으로 비동기 모터와 영구 자석 모터를 제어한다. 이로 인해 주 전원에서 바로 구동되는 모터와 달리 토크 서지와 부하 서지가 방지되고, 오히려 모터가 부드럽고 단계 구분 없이 시동, 정지된다. 이런 효과는 최신 엘리베이터의 주행 거동에 비견할 수 있다. 엘리베이터도 일반적으로 인버터로 구동되어 매우 부드럽고 편안하게 가속하고 제동된다.

펌프와 컴프레서에 미치는 효과는 크다. 모터, 펌프 그리고 파이프 라인 시스템을 포함하는 전체 파워 트레인이 보호되어 회전수 제어장치가 재료 마모를 확실히 줄일 수 있으며, 시스템 수명은 길어지고, 수리와 정비 비용은 줄어든다. 또한 변환기가 없는 종래의 드라이브 솔루션에 비해 에너지 수요도 확실히 낮아진다. 종래 인버터의 효율은 평균적으로 대략 97%인데 이는 인버터가 자체 가동을 위해 이론상 절감되는 에너지의 약 3% 정도만 소비한다는 의미이다. 적어도 작동 포인트가 펌프의 회전수 제어를 통해 각 시스템의 필요에 맞추어 정확하게 조정된다.

상호 조율된 모터와 인버터의 조합은 최저 관리비를 보장한다.

부하가 변하는 응용 사례에서 효율 잠재성이 크다

인버터는 가변적인 부하로 가동되는 펌프와 컴프레서에서도 큰 효율 잠재성을 갖는다. 일인 가정이나 단일 목적 건물의 에너지 절감형 난방 시스템을 위한 고효율 냉각 컴프레서가 한 예다. 켜고 끄기만 가능한 종래의 냉각 컴프레서에 비해, 인버터를 채용한 최신 열 펌프는 필요에 따라 제어가 가능하다. 계단식 펌프 시스템도 가변적인 요건에 매우 적합한데 다수의 소형 펌프가 모아 필요한 공급량을 최대한 커버할 수 있다. 많이 필요하지 않은 경우 하나의 펌프만 작동하며, 나머지 펌프들은 대기한다. 필요한 양이 증가함에 따라 대기 펌프들이 활성화되고 제어된다. 필요가 적어지면 펌프들이 다시 대기모드로 들어간다. 변환기가 있는 경우, 없는 경우에 비해 훨씬 효율적으로 자원을 아낄 수 있다. 부분적으로 매우 빠른 부하 변동에 직면하는 주파수 제어식 진공 펌프의 경우도 마찬가지이다. 에너지 절감의 측면에서 유럽 ErP (Energy related Products) 가이드라인 2005/32/EC, 2009/125/EC는 인버터 사용 문제를 논의한다. 2005년 유럽 위원회는 이 문제를 에너지 소비 관련 제품을 EU 차원에서 친환경적으로 디자인하도록 규제하기 위해 의결하였다. 지금까지 두 번의 결정적인 연구 단계가 완료되었다. 2015년 초에 세 번째 연구 단계가 시작되었다.

처음 두 연구 단계에서는 우선적으로 개별 제품의 효율에 대한 요건을 정의하였다. 예를 들자면 ErP 가이드라인에 근거한 명령으로, 2011년부터 „효율 등급 IE2 또는 그 이상“의 모터만 유통할 수 있게 되었다. 2015년 초부터는 공칭 출력 7.5 ~ 375kW의 모터는 더 엄격한 효율 등급인 IE3을 충족하거나 인버터를 탑재하여 구동해야 한다. PM 모터(영구 자석 모터)는 현재 IE3 (Premium Efficiency Class)와 IE4 (Super Premium Efficiency Class)의 요건을 충족한다. 이렇게 영구 자석 모터는 펌프의 에너지 최적화를 위한 가능성을 더욱 촉진한다.

인버터를 이용하여 펌프와 컴프레서를 필요에 의해 제어할 수 있다.

부분 부하 영역에 효율적인 영구 자석 모터

그 동안 위의 규격에서 언급한 최소 효율 등급 IE4의 요건을 달성하거나 심지어는 능가하는 고효율 PM 모터들이 출시되었다. 이런 상황에서 구동 기술 영역의 몇몇 공급자들은 IE5 모터를 언급하며 혼동을 초래하나, 아직까지 해당 규격과 가이드라인에서 그러한 등급은 정의되어 있지 않다. 효율성 등급 정보는 언제나 모터의 공칭 동작점을 기준으로 한다. 공칭 동작점 이하, 부분 부하 영역에서는 모터의 효율이 항상 낮다. 효율이 얼마나 감소하느냐는 모터의 구성과 토폴로지에 결정적으로 좌우된다. 비동기 모터에 비해 우수

한 PM 모터는 부분 부하 영역에서도 효율성이 확실히 뛰어나다.

PM 모터와 인버터 조합의 특징은 변환기를 통해 모터를 공정에 최대한 알맞게 제어하고, 그로부터 에너지가 절감된다는 점이다. 이때 3상 비동기 모터에 비해 PM 모터의 이점은 전체 제어 영역에서, 특히 부분 부하 영역에서 드러난다. 종래의 비동기 모터는 IE3 사양은 되어야 공칭 작동점에서 최고 효율을 보이는 반면, PM 모터는 훨씬 더 넓은 부하 범위에서 보다 높은 효율로 작동한다. 펌프 구동장치는 대부분 부분 부하 범위에서 구동되므로, 구입 비용이 다소 비싸더라도 대부분 1 ~ 2년 안에 투자비가 회수된다.

IE4 모터와 그에 맞게 조정된 변환기가 이루는 고효율 조합은 최저 관리비를 보장한다. 다음 예시는 IE4 모터의 구체적인 이점을 보여준다. 어느 한 펌프가 24시간 작동된다고 하고 효율이 대략 90.7%이고, 인버터로 제어되는 30kW IE2 모터를, 역시 인버터로 제어되고, 효율은 약 93.6%이며 효율 등급이 보다 높은 IE4의 유사한 모터로 교체한다면, 연간 7621kWh의 에너지 절감 효과가 생긴다. IE4 모터로 교체하고, 그로 인해 효율이 2.9% 개선되면 킬로와트 아워당 12 센트로 비용을 가정했을 때에 일년에 약 900 유로(한국과는 기준이 다르지만 절약된다는 공통점이 있음))를 아낄 수 있다. 그러나 전문가들에게는 모터의 공칭 작동점을 기준으로 하는 이러한 계산만으로는 충분하지 않다. 공정 제어되는 시스템들이 이제는 대부분 회전수 가변적으로 제어되기 때문이다. 또한 모터들이 공칭 작동점이 아닌 경우에도 다양한 효율을 보인다. 따라서 공칭 작동점 이외에는 상대적으로 효율이 좋지 않다 하더라도 해당 세그먼트에서 최상으로 보이도록 공칭 작동점에서 모터를 최적화하는 것이 가능하다. 지금까지는 이런 점을 소비자들이 사전에 알기가 어려웠고 전기료 납부고지서를 받은 후에 알 수 있었다.

이에 2014년 가을에 허가 공표된 유럽 규격 EN 50598는 모터 제조사가 앞으로 손실을 제시해야 하는 작동 포인트 총 8개를 지적하였다 (그림 4). 이를 이용하여 소비자들은 공칭 작동점 이외에서도 모터의 효율을 투명하게 비교할 수 있다. 펌프 제조사들은 이 규격 덕분에 적합한 데이터를 이용하여 자신들의 펌프 효율을 각각 임의의 작동점에서 추적 가능한 방법으로 계산하고 시스템을 최적화할 수 있다.

전체 시스템 효율이 갈수록 중요하다

2015년에 시작된 세 번째 ErP 가이드라인 단계로, 가이드라인 안에서 사용하는 개념인 „확장된 생산물 접근법“을 보면 이제는 개별 콤포넌트의 효율이 중요한 것이 아니라 점차 전체 시스템의 효율이 중요하다는 것을 의미한다. EN 50598도 이런 방향으로 나아간다. 이 규격도 이러한 확장된 생산물 접근법을 추구하고, 전기 구동 시스템의 효율 등급을 정의한다.

Europump(유럽 펌프 제조 협회)는 전체 시스템을 고려하여 개별 콤포넌트를 별도로 평가했을 때보다 10배 이상의 에너지를 절감할 수 있다고 전제한다. 구체적으로 콤포넌트만을 볼 경우 5TWh인 에너지 절감량에 비해 시스템을 고려하는 경우 에너지 절감량은 59TWh이다. 전체 시스템을 생각한다면, 개별 콤포넌트 공급자와 제조사들이 특정 데이터 제공에 동의해야 한다. 이는 유럽 규격이나 국제 규격과 같은 규정을 통해 성사된다. 이러한 규격들은 효율 등급과 손실 계산을 위한 수학적 방법과 측정 방법을 정의한다. 여기에서도 효율 등급을 설명하는 EN 50598이 적용된다.

국제 규격 IEC 60034-30 (회전하는 전기 기계 – 파트 30)은 비동기 모터의 효율 등급을 정의했었다. 그러나 3상 전류 모터가 점차 확대되면서 이 규격을 개정해야 했다. 이 규격은 곧 주 전원에서 직접 구동되는 모터에 대한 규격 IEC 60034-30-1와 인버터로 구동되는 모터에 대한 IEC 60034-30-2로 교체될 것이다. IEC 60034-30-2는 2016년에 발행될 예정이다.

새 규격은 한계 값 계산 방법을 설명한다

EN 50598-2에 의해 정의된 효율 등급에 대한 부분 부하와 기준점

EN 50598을 바탕으로, 그리고 확장된 생산물 접근법의 의미에서 제어 유닛과 모터로 이루어지는 구동 시스템에 대한 손실 또는 손실 등급을 더욱 깊이 있게 정의할 규격들을 계획하고 있다. 이 규격들은 단지 한계 값을 지정하는 것이 아니다. 이 규격들은 해당 값을 어떻게 측정하는지 또는 계산할 수 있는지를 설명한다. 이로써 전세계적으로 통일된 기술적 이해를 마련하고 제조사 정보를 비교하고 검토할 수 있다. 펌프와 컴프레서에 인버터를 사용하면 다양한 이점이 생긴다. 특히 에너지 효율 면에서 그러하다. 유럽 ErP 가이드라인도 규정을 통해 이에 대응하는 것이다. 인버터와 모터를 서로 정확하게 맞추어 조합한다면 최적의 결과를 산출할 수 있다.