인버터 제어

왜 배우는가: 인버터 제어는 유도전동기로 구동되는 펌프와 송풍기의 에너지를 줄이는 대표 수단이며, 가변속 펌프 시스템의 구동장치를 이해하는 출발점이다. 시험에서는 원리와 장점을 묻는 1교시 문제와 인버터의 종류·구성·제동을 묻는 4교시 논술로 반복 출제되므로 두 흐름을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 9번, 제126회 4교시 1번, 제119회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인버터 제어는 인버터가 전동기에 공급하는 전압과 주파수를 함께 바꿔 회전수를 연속적으로 가변하는 제어 방식이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 인버터: 직류를 전압과 주파수가 가변인 교류로 변환하는 전력변환장치이다.
• 가변전압 가변주파수(VVVF): 전압과 주파수를 동시에 바꿔 전동기의 자속과 회전수를 함께 제어하는 방식이다.
• 컨버터부와 평활부: 상용 교류를 직류로 정류하고 맥동을 줄여 안정된 직류 전압을 만드는 부분이다.
• 펄스폭 변조(PWM): 출력 펄스의 폭을 바꿔 평균 전압과 기본파의 크기를 조절하는 방식이다.
• 슬립: 동기속도에 대한 회전자 속도 차이의 비율로, 유도전동기 회전수 식에 쓰인다.
• 회생제동: 감속할 때 전동기가 발전기로 작동하여 운동에너지를 전기에너지로 되돌리는 제동이다.

2. 개념 풀이

인버터 제어는 상용 교류를 직류로 변환한 뒤 원하는 주파수와 전압을 갖는 교류로 다시 바꿔 유도전동기에 공급하는 제어 방식이다. 상용 전원의 주파수는 일정하므로 직입 기동한 유도전동기는 거의 정격 회전수로만 돌아가지만, 인버터를 거치면 출력 주파수를 임의로 정해 회전수를 연속적으로 조절할 수 있다. 정의의 핵심은 전원의 주파수를 그대로 쓰지 않고, 변환 장치가 전동기가 받는 주파수와 전압을 새로 만든다는 점이다.

원리는 유도전동기의 회전수 식에서 출발한다. 유도전동기의 회전수는 공급 주파수에 비례하고 극수에 반비례한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$N = 120f(1-s)/p$

N은 회전수(rpm), f는 공급 주파수(Hz), s는 슬립, p는 극수이다. 극수는 권선 구조로 정해지고 슬립은 부하에 따라 조금 변하므로, 연속적으로 바꿀 수 있는 변수는 f뿐이다. 따라서 인버터는 f를 바꿔 N을 제어한다. 다만 f만 낮추고 전압을 그대로 두면 공극 자속이 증가해 철심이 포화되므로, 인가 전압을 주파수에 비례하도록 함께 낮춰야 한다. 이를 V/f 제어라 하며, 자속을 일정하게 유지하는 것이 목적이다.

이 전압과 주파수의 동시 조절은 PWM 방식이 맡는다. 펄스의 폭을 바꿔 출력 전압의 크기를 조절하므로 일정 V/f 제어에 적합하다. 전압형 PWM 인버터에서는 컨버터부가 정류한 직류 전압을 인버터부가 전압과 주파수를 함께 만들어 낸다. 컨버터는 교류를 직류로 바꾸는 순변환기이고, 인버터부는 직류를 가변 교류로 바꾸는 역변환기이다. 두 부분 사이의 직류 링크는 평활 콘덴서로 맥동을 줄인다.

회전수를 바꾸는 방법은 극수 변환, 슬립 제어, 주파수 제어의 세 가지이다. 극수 변환은 단계적으로만 속도를 바꿀 수 있고, 슬립 제어는 부하의 관계로 속도가 결정되며 용량에 제한이 있다. 주파수 제어만이 회전수를 연속적으로 가변할 수 있다.

회전수 제어의 이득은 부하 특성에서 나온다. 팬과 펌프는 유량이 회전수에 비례하고 소요동력이 회전수의 세제곱에 비례하는 상사법칙을 따른다. 따라서 회전수를 80%로 낮추면 동력은 0.8³ ≈ 0.51, 즉 약 50% 수준이 되고, 속도 63%에서는 동력이 약 25%가 된다. 동력은 회전수의 세제곱에 비례 이 관계 때문에 유량을 조금만 줄여도 동력이 크게 줄어든다.

정리하면 인버터 제어는 주파수로 회전수를 바꾸고, 전압을 주파수에 비례해 함께 조절해 자속을 일정하게 유지하는 제어이다.

3. 등장 배경과 필요성

팬과 펌프는 과거에 정속 전동기로 구동하고 유량을 댐퍼나 조절밸브로 줄이는 방식이 일반적이었다. 이 방식은 전동기가 항상 같은 회전수로 돌므로 줄어든 유량만큼 에너지가 절감되지 않고, 밸브와 댐퍼에서 생기는 압력 손실로 에너지가 버려진다는 한계가 있다. 이 때문에 유량 조절을 회전수 조절로 바꾸면 불필요한 손실을 근본적으로 줄일 수 있다는 인식이 자리 잡았다.

회전수 제어가 특히 효과적인 것은 변토크 부하의 특성 때문이다. 앞서 본 것처럼 유량이 회전수에 비례하고 동력이 회전수의 세제곱에 비례하므로, 유량을 조금 줄이는 것만으로도 동력은 크게 줄어든다. 펌프와 송풍기 같은 설비에서 인버터 도입 효과가 가장 크게 나타나는 이유가 여기에 있다. 감속할 때 회생 에너지를 회수하는 기능도 인버터 도입의 부수적 이점이다.

또한 직입 기동은 기동 순간에 정격에 가까운 전류가 흐르고 기계에 큰 충격을 준다. 인버터는 출력 주파수와 전압을 낮은 값에서 시작해 점차 올리므로 기동 전류를 억제하고, 축과 배관에 가해지는 기계적 충격을 완화한다. 자동화 공정에서 유량과 압력을 공정 조건에 맞춰 세밀하게 조절해야 하는 요구가 늘어난 점도 인버터 도입을 촉진했다.