인버터 에너지 절감

개요

현대사회에서 에너지 소비와 에너지 공급의 증가는 우리가 해결해야 할 가장 중요한 문제 중의 하나이다. 여기에는 단순히 자원의 문제뿐만 아니라 에너지의 소비로 인한 환경 문제도 포함된다. 가장 심각한 환경 문제는 화석 연료를 태움으로써 야기되며, 많은 종류의 해결책들이 에너지의 공급과 수요 측면에서 깊이 연구되고 있고 개발되고 있다. 미세먼지와 온실가스 등의 환경에 관한 문제가 국제적으로 커다란 관심거리가 되었고 결과적으로는 국가 간의 이해관계가 대두되는 지국온실가스의 제한이라는 결과를 초래하게 되었다. 우리가 직면한 현실 즉 에너지의 사용에 대한 관심을 갖지 않으면 안 되는 상황이다. 우리나라는 그 동안 정부나 공공기관차원에서 이 에너지 절감을 위해 많은 정책과 프로그램을 개발하여 시행하고 있다.
고효율 기자재 개발 및 보급, ESCO사업 및 GEF(녹색에너지가족) 운동 등 다양한 정책이 발표되어 시행되고 있으며, 지속적으로 새로운 프로그램들이 시행될 것으로 전망된다.
국내 전력 수요관리를 위한 전력효율향상사업 중 하나인 고효율 기자재 보급 사업은 고효율 기기의 보급을 촉진하여 전력수요 및 사용량을 절감하고 최대 전력수요의 분산 및 제어를 통해 전력수급을 안정화 시키고자 하는 사업이다. 이에 해당하는 주요 기기들은 고효율 인버터, 전동기, 펌프, 송풍기 등이 있으며, 그에 따른 보급 성과도 상당한 효과를 거두고 있다. 이들 정책의 궁극적인 목표는 국가 전반에 걸쳐 누수 되는 에너지를 줄이고 첨두부하를 줄임으로써 일련의 에너지 절감 목표를 달성할 뿐만 아니라, 지속적으로 늘어나는 에너지 사용의 공급을 위한 국가기간산업의 과투자를 줄이는데도 그 의미가 있다고 본다.
국내의 생산 전기의 많은 부분이 산업 현장에서 사용되고 여기서 동력을 만드는 모터에 의하여 소모되는 전력이 거의 75%에 달한다. 특히, 이 모터는 펌프, 팬, 컴프레서 등을 구동하는데 많은 에너지를 소모하고 있다. 이러한 부하의 모터에 인버터를 장착하게 되면 10-70%까지의 에너지를 절감할 수 있게 된다.
한국전력공사는 2001년도부터 고효율 인버터 보급사업을 시행하고 있으며, 그동안 에너지관리공단에서 수행하던 업무를 금년도부터 한국전력공사에서 직접 이 프로그램을 수행한다.
본고에서는 고효율 인버터 제도에 대하여 알아보고, 인버터[AC 드라이브]를 적용하여 에너지 절감효과가 큰 부하 즉 2승 저감 토크부하(FAN, PUMP)의 특성과 인버터 적용 시의 이점, 인버터 선정 시 고려 사항 및 ABB 인버터 제품군에 대해 간략한 설명을 덧붙이고자 한다.
고효율 인버터 및 지원제도
고효율은 일반기기에 비하여 효율이 향상된 기기의 통칭하는 용어이다. 마찬가지로 고효율 인버터란 일반 인버터에 비해 특별히 효율이 높은 인버터라 하겠으나, 여기서 언급하는 고효율 인버터는 ‘부하에 적합하도록 주파수 및 전압을 변화시켜 유도전동기의 회전속도를 조정함으로써 소요전력 및 전기사용량을 절감할 수 있는 인버터’ 중에서 에너지관리공단에서 지정한 공인 시험기관에서 성능 시험 및 공장 심사에 통과한 제품을 대상으로 발급한 한국에너지공단 등록제품 중 3.7㎾∼220㎾ 고효율 인버터를 부착한 인버터를 말한다
지원은 부하기기(팬, 펌프, 블로어, 콤프레샤, 유압식 사출기)에 고효율 인버터를 설치하여 절감전력의 합계가 1㎾이상이 되는 한전고객이며, 인버터 사용에 따른 고조파 및 전자파 장애현상 예방을 위해 리액터, 노이즈필터를 설치 및 판넬형식으로 구성한 경우에만 지원이 가능하다. 당연히 사업 신청 및 설치 후 현장 확인 시점에 상기 고효율 기자재 인증서가 있어야 한다. 한전의 지원 금액은 상기 표와 같으며 상세 사항은 한전 한전사이버지점 수요관리 고객지원(http://www.kepco.co.kr/dsm) 에서 확인 할 수 있다.
고효율 인버터 인증 업체는 ABB를 비롯하여 국내 LS산전, ADT 및 일부 외국계 업체가 인증을 받아 있다.

인버터에 의한 에너지 절감

에너지 수요 측면에서는 에너지의 효율적인 사용이 가장 중요한 개발 요소 중의 하나이다. 전기 에너지를 그 중 좋은 예로 들 수 있는데, 전기 에너지의 발전과 송전의 평균 효율은 30% 이하이고 실수요자의 현장 대부분 분야에서의 효율 또한 30% 미만이다. 이것은 전기 에너지의 전체 효율이 10% 이하가 된다는 것을 의미한다.
산업분야나 공공분야에서 사용되어지는 여러 종류의 펌프, 팬, 콤프레셔들은 전기 에너지의 가장 큰 소비원이며 낮은 효율을 가지고 있다. 이러한 펌프, 팬, 콤프레셔들은 액체나 공기의 흐름을 제어하기 위해 사용이 필수적이나 밸브나 댐퍼 등과 같은 저 효율의 기계 장치를 사용하고 있으며, 이것을 가변속 AC 드라이브(인버터)로 대체하면 두 배 가까운 효율을 얻을 수 있다. 이것은 전체의 효율도 역시 두 배가 되고 에너지 소비측면에서는 50%의 절감 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
드라이브는 기동을 부드럽게 하여 전기적 혹은 기계적인 충격 없이 부드럽게 기계 장치를 구동시킴으로써 시스템의 유지보수 비용을 절감하며, 모터의 속도를 정격 이상으로 높일 수도 있어 생산 능력을 증대 시킬 수도 있고 최고 속도로 높은 생산성을 달성 할 수 있다. 공정의 정밀한 제어를 통하여 최종 생산되는 제품의 고품질의 제품을 생산이 가능하도록 한다.
펌프와 팬의 특성
산업과 공공분야 전반에서, 지구상에서 생산되는 전기 에너지의 약 50% 정도가 펌프와 팬에 의해 소비된다. 대부분의 이러한 펌프나 팬은 비효율적인 트로틀링이나 ON-OFF 제어(Cyclic Control)와 같은 방법으로 구동 된다.
아래 그림은 펌프를 구동하는 여러 가지 제어 방법과 그에 필요한 전력 소비량을 나타낸다.
그림2. 여러 가지 제어 방법에 따라 소모되는 펌프 동력 비교
먼저 펌프 자체에서 필요한 동력곡선을 살펴보면 100% 출력에 필요한 동력은 100%이고, 80% 출력에 필요한 동력은 약 50%이다. 재순환(Recirculation) 제어시의 필요 동력을 살펴보면 유량과 관계없이 전체적으로 항상 100%의 동력이 필요하다. 트로틀링 밸브 제어 시에도 역시 많은 양의 동력을 필요로 한다. ON-OFF 제어 시에는 유량과 비례하여 기울기가 일정한 동력이 소모된다. 이 그림에서 가장 적은 동력을 필요로 하고 가장 높은 효율을 가진 제어 방법은 가변속 AC Drive (인버터) 제어임을 알 수 있다.
어떤 시스템에서 인버터의 적용 여부는 그 시스템의 유량의 변화 추이에 따라 결정할 수 있다.
그림3은 평균 유량은 약70%로 동일하나 유량 변동의 크기가 다른 두개의 시스템을 보여 준다.

그림3. 두개의 다른 시스템에서의 유랑 변화 예

70% 유량에서 80% 운전하는 시스템(1번 예)은 트로틀링이나 인버터 제어나 모두 적당하지 않고, 가장 좋은 제어 방식은 70%~80%의 정격 유량을 갖는 펌프를 사용하는 것이다. 70% 유량에서 23% 운전하는 시스템(2번 예)은 광범위한 유량 변동이 필요함으로 이때 가장 적절한 제어 방식은 인버터 제어 방식이며, 괄목할 만한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
인버터를 적용 했을 때의 에너지 절감 효과를 다음 그림에서 알 수 있다.

그림4. 트로틀링 제어를 적용한 펌프 시스템에서의 손실 예

AC Drive 적용한 펌프 시스템에서의 손실과 에너지 절감 예

그림4에서는 트로틀링으로 유량을 줄였을 때 펌프와 밸브의 동력 손실은 점점 증가 되는 것을 알 수 있고 펌프 모터의 손실은 유량에 상관없이 거의 일정하다는 것을 알 수 있다.

그림5에서는 펌프의 가변속 제어에 의해 유량제어를 할 경우 모터와 펌프의 손실을 포함한 총 AC Drive손실은 감소함을 알 수 있다. 이것은 특히 펌프가 넓은 범위의 유량 변화를 가지는 시스템에서 에너지 절감 효과가 크게 됨을 알 수 있다.

펌프와 팬의 주요 법칙
Q/Q'=(n/n')(D/D')3 유량/풍량은 속도에 비례
H/H'=(n/n')2(D/D')2 양정/압력은 속도의 제곱에 비례
T/T'=(n/n')2(D/D')2(ρ/ρ') 구동 토오크는 속도의 제곱에 비례
P/P'=(n/n')3(D/D')5(ρ/ρ') 소요동력은 속도의 3승에 비례
( n : 속도, D : 임펠라의 직경, ρ : 유체의 밀도 )

펌프와 팬의 정속도 운전 특성
정속도로 운전시의 운전특성은 흡입유량에 따른 양정, 동력, 효율 등으로 표시되며, 보통 양정은 유량이 증가함에 따라 감소하고 소요동력은 다소 증가한다.
따라서, 운전 중 구동 전동기가 과부하 상태로 될 수 있는 경우가 매우 드물고 과부하가 걸리는 경우에도 이를 해소하기가 용이하다. 통상 유량을 줄이면(밸브 또는 댐퍼를 조절) 소요 동력은 감소한다.
또한 기동 시에 필요한 토오크도 다른 일반부하에 비해 작다. 그 이유는 위의 식에서 알 수있는 바와 같이 토오크가 속도의 제곱에 비례하기 때문에 기동 시 저속 영역에서는 요구되는 부하 토오크가 작고, 따라서 구동 전동기의 토오크의 대부분이 가속용 토오크로 이용될 수 있기 때문이다.
다만, 대형의 원심팬은 임펠라의 관성질량이 크기 때문에 기동에 긴 시간이 소요되는 것이 보통이다. 특히 유도전동기의 기동전류를 제한하기 위해 감압기동(리액터, 기동보상기, Y/△) 방법을 사용시는 전동기의 토오크가 단자전압의 제곱에 비례하여 감소하기 때문에 기동시간은 그만큼 연장된다.
그러나 인버터 등을 사용하여 기동전류를 제한할 필요 없이 주파수를 제어하여 기동 시는 정격 토오크 이상을 낼 수 있으므로 기동시간은 상당히 단축할 수 있다.
이상과 같은 이유로 자승 저감 부하인 펌프나 팬용 인버터의 과부하 내량은 통상 과부하 내량이 필요치 않거나 또는 110% 1분이 표준이다.