[기고]고효율 인버터와 인버터에 의한 에너지 절감(2) 조신현 (주)ABB 코리아 Motion Division, 드라이브 사업부 이사 shin-hyun.cho@kr.abb.com
최교식 2019-09-08 11:37:17

인버터 적용 시 이점

자승 저감 부하인 펌프나 팬 뿐 만 아니라 대부분의 일반 부하에도 인버터를 적용하면 에너지 절감 외에 제품의 품질 향상, 생산성 향상, 부드러운 기동으로 유지보수 비용의 절감 등의 많은 부수 이익, 이점을 얻을 수 있는데 요약하면 다음과 같다.


ㆍ소프트한 기동이 가능하다.
ㆍ기동토크는 크고, 기동 전류는 0~100%로 소프트하다.
ㆍ가속/감속시간을 조절할 수 있다.
ㆍ전동기의 기계적인 스트레스를 최소화 한다.
ㆍ팬이나 펌프, 배관계통에 기계적 충격을 완화 한다: 유지보수 비가  절감된다.
ㆍ공진 주파수 운전을 피할 수 있다.
ㆍ직입 기동 시 발생되는 돌입 전류가 없으므로 전원 라인에 전혀 영향을 주지 않는다.
ㆍ가변속으로 온도/유량/ 압력 제어 가능하므로 고응답성 및 제어가 단순해진다.
ㆍ인버터 사용으로 시스템 전체 효율이 높아진다.
ㆍ역율이 매우 좋으므로 역율 보상용 콘덴서가 필요치 않다.
ㆍ전동기의 용량 감소가 없다.
ㆍ에너지 절감 효과 : 전력이 절감된다.
ㆍ설비의 개선이 쉽고 자동운전이 가능하다.

 

팬 & 펌프용 인버터 선정 시 고려 사항

근래의 인버터들은 빠른 전력/전자 소자 기술 발달 덕분으로 소형화, 고기능화를 이루어 왔으며 아직도 변신 중이다. 또한, 대부분의 인버터가 동일한 기능도 있지만 각 회사별로 독특한 기능들을 보유하고 있어 인버터 선정에 고심하는 경우가 많다. 팬 또는 펌프용의 인버터는 부하의 특성상 쉽게 생각할 수 있으나, 공정상의 중요성을 생각하면 고 신뢰성이 요구되는 인버터를 고려하여야 한다. 고 신뢰성 외에 인버터 선정 시 고려 사항을 요약하면 다음과 같다.


ㆍ 자동 재기동 기능
순시 정전, 순간과부하등으로 인한 인버터 고장 발생 시, 인버터 스스로 고장을 자동으로 해제한 후 즉시 재 기동하여 설비 가동 시간을 극대화하여야 한다. 일부 인버터들은 자동 재기동 기능은 있으나 정상 운전 복귀 시까지의 시간이 상당히 소요되니 주의할 필요가 있다.


ㆍ 순간 정전 시 운전계속(Power Loss Ride Through)
운전 중에 순간 정전이 되면 일반적으로 인버터는 TRIP되어 정지한다. 순시 정전이 되더라도 TRIP 없이 설비의 가동을 극대화하여야 하므로 순간정전이 되더라도 운전을 계속할 수 있는 인버터를 채용하여야 한다. ABB 인버터는 순간 정전 시 전동기의 기계적인 관성에너지를 전기적인 에너지로 바꾸어 인버터로 흡수하여 운전을 계속할 수 있는 기능이 내장되어 있어 불필요한 TRIP을 방지할 수 있다. 이 과정에서는, Trip이 아닌, 전동기를 인버터가 제어하고 있는 상태이기 때문에 총 과도시간은 수십mS 정도인 순시정전 시간 정도로 매우 짧게 되며 예기치 못한 공정의 Down 시간을 최소화한다.


일부 인버터에서는 순간정전 시 운전계속 기능은 순간정전 시 출력을 끊고 복전이 되면 전동기를 재가동하는 방식을 채택하고 있는데, 이럴 경우 정상 가동까지의 과도 시간은 최소한 수초(5초) 이상이 소요됨으로 주의할 필요가 있다.


ㆍ REACTOR 내장 

AC or DC 리액터는 인버터 입력전류의 파형을 개선하여 고조파 발생을 억제 및 역률을 개선하는 효과가 있다. 또한 리액터는 인버터 내부에 있는 콘덴서 리플 전류를 줄여주기 때문에 콘덴서의 수명이 길어지며, 전원 라인의 과도 순간 전압으로부터 전력 반도체들을 보호할 수 있다. 또한, 리액터는 전자파 방사를 억제하며, 전원용량을 최소화할 수 있고 동일 라인에 연결된 다른 장치에 대한 영향을 최소화 한다.


ㆍ 회전 중 기동 (동기기동) 
특히 팬의 경우 기동전에 팬이 회전중인 경우가 많은데, 이 경우 통상적인 인버터 기동을 할 경우 회전 중인 전동기에서 발생되는 역기전력 때문에 과전압, 과전류로 인하여 트립될 수 있다. 이를 방지하기위해 회전 중 기동(동기기동) 기능이 내장된 인버터를 채용하여야 한다. 회전 중 기동 기능은  회전중인 전동기의 회전속도를 탐색하여 그 회전 속도와 동기를 시킨 다음 기동하는 방법이며 탐색시간이 짧은 인버터를 채용하여야 면 절체 시간을 극소화 할 수 있다. 어떤 인버터의 경우, 전동기에 잔류 자속이 남아 있는 경우나 역방향으로 회전하는 경우에는 회전속도 탐색이 안되는 경우가 있으므로 주의할 필요가 있다.


ㆍ PI 컨트롤러 기능 
PI 컨트롤러 기능을 내장한 인버터를 채용하는 경우, 압력/유량/온도 검출 장치만 인버터에 연결하고 원하는 Set-Point를 인버터에 기준값으로 입력하면 자동으로 Set-Point 지령치로 유지되도록 인버터가 자동으로 운전을 하므로 별도의 공정 제어 장치의 추가 없이 쉽게 폐루프 제어 시스템을 구성할 수 있다.


ㆍ 공진 주파수 운전 금지 
전동기의 운전 주파수와 기계측 배관계를 포함한 기계계의 고유 진동주파수와 일치하는 경우 공진 현상이 발생되며, 이로 인하여 인버터가 트립될 수 있으므로 이 구간을 피하여 운전할 수 있는 기능을 가져야 한다.


ㆍ복수대 팬/펌프 제어(PFC Macro) 
복수대의 팬/펌프가 하나의 관로에 연결되어 (연동)운전을 하여야 하는 경우 PFC Macro 기능이 매우 유용하다. 만일 4대의 팬/펌프가 있는 경우 이중 1대를 인버터로 가변속 운전하고 나머지 3대는 인버터에서 운전상황에 따라 직입기동하는 명령을 인버터에서 판단하여 제어하는 원리이다. PFC Macro는 PI 컨트롤 기능과 직입기동에 필요한 일부 Sequence를 합쳐서 만든 ABB 인버터에만 있는 아주 유용한 기능이다. ABB 인버터의 PFC Macro는 한대의 인버터로 총 4대의 팬/펌프를 자동으로 제어한다.


ㆍ EMC Filer (노이즈 필터)
드라이브는  에너지 절감들 많은 이익을 갖고 있으나, 전원 측으로 보았을 때  정류회로를 포함하고 있으며, 전력 반도체 소자로 스위칭을 함으로 노이즈원이 될 수 있다. 이로 인한 타 기기 장치들에 대한 노이즈 예방 및 타 장치로부터 드라이브 자체의 운전을 보호하기 위한 EMC 필터를 갖추어야 한다.


ㆍ 디지털화
모든 제품은 진화한다. 현재의 기술 트렌드에 부합이 되고 앞으로 미래의 기술에 대하여 대비되어진 디지털화가 되어있어야 한다. 제품의 스마트 기기와 연계 및 예방정비를 위한 AI 기술과  리모트 지원 기술이 적용이 되어 있어야 한다.

 

에너지 절감량 계산

Energy Save Calculator는 기존에 사용하고 있는 Motor 및 설비를 새로운 설비로 대체할 때의 에너지 절감효과 및 온실가스절감효과를 분석하는데 유용하게 사용할 수 있다. 특히 Revamping project를 수행하는데 있어서  손쉽게 에너지 절감량을 산출할 수 있다. 이는 인터넷 또는 스마트폰 앱으로 가능하다.


이는 인터넷에서 http://energysave.abb-drives.com에서 바로 계산이 가능하며 계산 후 메일로 결과를 바로 보낼 수 있다.  이는 현재 고효율 인버터 효율향상화 제도에서 지원대상 인버터 적용 부하로 규정하고 있는 이승저감부하(팬, 펌프, 컴프레셔)의 에너지절감 분석Tool로써 사용이 가능하다.

 

이들 프로그램은 기존에 사용하던 방식, 예로 FAN부하의 경우 Damper/Vane/Pitch 제어 혹은 Pump의 경우, 밸브제어를 통해 유량이나 풍량 또는 압력 등을 제어하던 방식을 인버터를 적용한 회전수 제어로 전환할 경우, 기존 각각의 방식과 비교하여 에너지 절감량과 그에 상응하는 온실가스 절감량 등을 그래프와 함께 손쉽게 시뮬레이션 해볼 수 있는 프로그램이다.

 


 

고성능의 다양한 ABB 드라이브(인버터)

ABB는 세계 최대 드라이브 제조자로서 다양한 기종의 드라이브를 생산 판매하고 있다. 국내에서도 다양한 분야에 최고의 성능의 제품을 공급함으로 고객으로부터 인정받고 있다.  ABB에서는 200W의 초소형 드라이브에서부터 100MW까지의 폭넓은 제품군을 갖고 있으며 저압드라이브로는 0.2kW에서 5600kW까지 제품을 라인업하고 있다. ABB는 핀란드 및 세계 여러 곳에 드라이브 R&D 조직을 운영하여 최신 기술을 적용한 드라이브를 신규 개발하여 발표를 하고 있는 최대 드라이브 회사이다. 또한 ABB는 세계 최대의 모터 제조회사로서 130년의 모터 기술을 바탕으로 한 모터 제어 기술을 접목하여 드라이브를 개발하고 있다. 드라이브는 모터를 제어하는 장치로 기본적으로 모터에 대한 보호 및 제어 기술이 필요하며, 모터를 잘 알고 있는 ABB로서는 상당한 장점이라고 할 수 있다. ABB는 90년대 초 드라이브의 혁명이라 할 수 있는 DTC 기술을 접목한 드라이브를 개발하여 드라이브 시장의 변혁을 이끌어 내었으며, 이제 여기에 진보된 DTC 기술, SynRM 모터, PM 모터 제어기술 그리고 인더스트리얼 4.0을 선도하는 스마트 기술이 적용한 드라이브로 드라이브 시장을 선도하고 있다.

 


ABB 드라이브는 용도에 따라 일반용, 산업용, 특수용으로 3가지의 제품군으로 구분하고 있으며, 전통적인 유지보수 방식에서 ABB Ability를 기반으로 하는 미래예상을 디지털화를 추구하고 있다. 일반용 저압 드라이브는 ACS55, ACS150, ACS380, ACS480, ACS580 시리즈에 해당되고, ACS880 시리즈는 고성능 산업용 드라이브이다. 여기서 ACS580 시리즈는 사용용도에 대하여 최적화된 Software를 장착한 모델이 특화되어 있는데 공조 및 HVAC용으로 ACH580 시리즈, 수처리용으로 ACQ580 시리즈 등이 있다. 그리고 특수목적의 드라이브는 HES880과 같이 전기 버스, 건설기계 등과  같은 곳에 적용이 가능한  수냉식의 IP66 제품이다. ABB 저압드라이브는 일반 유도전동기, SynRM 전동기, PM전동기등을 동일한 인버터로 별도의 모터 설정만으로 운전이 가능하다. 그리고 고압드라이브로는 일반용 드라이브로 ACS580MV, 산업용드라이브로 ACS1000, ACS2000, ACS5000 그리고 특수용으로 철강 및 선박에 많이 사용하는 Mega Drive LCI, ACS6080시리즈와 전철 및 고속전철에 사용하는 Traction Converter가 있다.

 

사용자 친화적인 ACS580 범용 드라이브
ACS580 범용 드라이브는 0.75 ~ 500kW까지의 용량을 제공하며, 일반 산업 현장의 프로세스 제어를 비롯한 팬, 펌프, 컨베이어, 믹서 등의 다양한 응용 분야에서 정확한 토크 제어 성능을 보장한다. 특히 대부분의 기능들을 하나의 모듈 안에 모두 내장하여 주문에서부터 설치, 시운전까지 쉽고 빠르게 사용자 환경에서 사용할 수 있다. ACS580 드라이브는 높은 품질로 강인하게 설계되어 신뢰성이 우수하다.

 

주요 특징은 먼지, 수분 및 그 외 열악한 환경에서 쉽게 적응할 수 있도록 모든 제어 보드는 코팅되어 있고 보호등급은 표준 IP21로 제작되어 있다. 그리고 모든 용량에 대해서 제품의 폭과 높이를 증가시키지 않고 IP55(옵션)를 실현하여 신뢰성이 높은 제품이다. 추가적으로 최대 온도 조건에서 정격 부하로 모든 성능 및 보호 기능 시험을 거쳤다. ACS580 드라이브는 사용자가 설정 및 시운전 시간을 단축할 수 있도록 제어에 필요한 모든 기능들을 기본적으로 탑재하고 있다. 제어 패널은 그래픽 LCD로 되어 있어 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 도울 것이다. 여기에 스마트폰으로 간편하게 시운전을 수행하고 각종 운전 정보를 모니터링할 수 있는 블루투스 기능(옵션)을 제공한다. 제어 프로그램에서는 사용자가 자신의 설비에 맞추어 빠르게 사용할 수 있도록 다양한 매크로 기능을 기본 제공하며, 무엇보다 콤팩트하게 설계되어 제품의 사용이 더욱 용이하다. ACS580 범용 드라이브는 심플함을 원칙으로 모든 기능을 빌트 인하여 효율성을 높이고 시운전 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 Ready-To-Use 패키지로 설계되었다.

 

일반적으로 드라이브는 에너지 소비를 낮추고 공정에서 생산성을 높이므로 비용 회수기간이 짧고 높은 투자가치를 지닌 설비이다. ABB 드라이브를 선택하는 것은 단순히 드라이브 제품을 구매하는 의미 이상으로 다양한 분야에서 수십 년 간 축적해온 ABB의 경험, 비즈니스를 지원하는 여러 제품 및 서비스를 제공받는 것으로 ABB의 현지 사무소는 전 세계 90개국 이상에 위치해 있으며 이러한 글로벌 네트워크를 통해 현장에서 사용자를 직접 지원할 것이다. ABB 드라이브를 사용하면 모터의 에너지 소비 뿐만 아니라 전체 공정의 에너지 소비를 최적화 할 수 있다.

 


드라이브는 모터 자체를 구동하는데 필요한 만큼의 에너지만 사용하도록 도와준다. 에너지 최적화 기능을 사용하면 단위 전류당 최대 토크를 보장하여 에너지 소비를 줄여준다. 드라이브는 최고 IE2 드라이브(EN 50598-2) 에너지 효율 등급을 충족시키며, 고효율 IE4 모터와 호환되어 총 수명 주기 비용을 더욱 절감한다. 또한 내장 에너지 효율 계산기가 공정을 분석하여 에너지 최적화를 도와주며, 이러한 기능의 도움으로 드라이브의 전체수명주기 동안 공정을 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있도록 한다.

 

ACS580은 벽걸이형, 모듈형 판넬형으로 제공이 가능하고, 어떤 용량이나 전압에서도 ACS580은 편안한 사용감과 확장성, 뛰어난 품질을 제공한다. ACS580 제품군은 표준으로 ABB의 특허기술이 접목된 초크(리액터) 및 EMC 필터를 내장하고 있어 표준규격 EN51000-3-12 규격을 만족하도록 설계되어 있다. 공정 제어를 위한 스칼라와 벡터제어 모드를 선택할 수 있으며, 벡터제어는 정확성, 에너지 효율, 속도, 토크 컨트롤이 가능하게 해준다. 또한 유도전동기, PM 전동기 및 SynRM 전동기운전을 지원한다. 제어 판넬은 한글을 비롯한 16개 언어를 지원하며, USB를 통한 PC 툴 지원 및 블루투스 패널은 Drivetune 스마트폰 앱과 연동이 가능하며, Drivetune은 애플 앱스토어 또는 구글 플레이스토어에서 다운받을 수 있다.

 

문제해결을 위한 Help 기능이 내장되어 있어 매뉴얼 없이도 상황에 따른 안내와 문제 해결 지침을 제공하므로 신속하게 고장 또는 경고를 해결할 수 있도록 한다. ACS580은 기존의 산업용 드라이브에서 지원이 되던 PLC 프로그램 기능을 내장하고 있어 사용이 쉽고 직관적인 적응형 프로그램 기능을 갖추고 있어 적응형 프로그래밍을 통하여 프로세스 미세 조정을 위한 논리 함수와 상태정보를 추가할 수 있다.


ABB는 상기 ACS580 표준 범용드라이브를 특화된 분야에 최적의 소프트웨어를 적용한 제품으로 고효율 인버터 인증 제품인 ACH 580 시리즈 및 ACQ580 시리즈가 있으며, ACH580 드라이브는 병원, 데이터센터, 쇼핑센터, 터널환기장치, 공장, 사무용 빌딩 등에서 사용되는 HVAC 공조팬, 펌프, 컴프레셔, 공기조화기 및 냉동기 제어에 최적화되어 있다. 또한 병원 및 데이터 센터와 같은 하모닉에 민감한 장소에 ACH580-31 초저하모닉(ULH) 드라이브로 전력 네트워크를 깨끗하게 유지시켜 줄 수 있도록 하여 고조파에 대한 두려움에서 해방 시켰다.

 

이는 별도의 추가적인 패시브 필터 또는 다중 펄스 변압기와 같은 하드웨어 장착 및 추가 냉각장치를 달지 않고 5% 미만의 고조파율 유지는 물론, 역율 1을 유지하게 제어하므로 역율 보상장치가 필요치 않다.


<다음호에 계속>

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