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주요한 범용모터를 가변속 구동하는 범용 인버터는 1980년대 처음으로 보급이 시작돼 현재 20년이 넘었다. 그 사이 가속도를 띄며 보급이 확대돼 모든 산업분야에서 적용되고 있다. 이 글에서는 인버터 운전할 때의 장점과 인버터의 성능·용도에 따른 기종선택에 대해 소개하고, 인버터의 보수점검 방법에 관해 서술한다.<편집부 역>인버터 운전의 장점1. 에너지 절감인버터 수요를 최초로 확대해 현재에도 가장 수요가 많은 것은 팬, 펌프, 블로워(blower) 등의 2배 토크 부하를 가변속하는 것에 의한 에너지절감 운전이다. 상용 운전되는 팬이나 펌프에서의 모터는 거의 일정속도로 운전해 댐퍼나 밸브에서 유량조정을 하고 있다. 이 경우에 유량의 감소에 따라 소요동력도 약간 감소하지만, 완전한 멈춤 상태에서도 50% 이상의 소비전력을 소비하는 경우도 많다. 조정용 댐퍼나 밸브를 완전히 열어서(설비계획단계에서는 제거) 인버터에 의한 가변속 운전에서 유량조사를 행하면 대폭으로 소요동력이 저하한다. 그 차가 에너지 절감 효과이다. 2. 자동화·에너지 절감화기계나 설비의 자동화에 해당하는 구동장치는 기본적으로 ① 전기신호에서 용이하게 고속응답의 가변속 운전이 가능할 것 ② 장치는 가능한 한 소형일 것 ③ 수명부분이 짧지 않고 신속성이 높을 것 ④ 경제적일 것 등이 요구되고 있다. 3. 부드럽게 출발, 부드럽게 멈춤가령 낮은 면적으로 높게 쌓는 방법의 큰 화물을 콘베이어에서 운송하는 경우에 급격한 시동이나 정지할 때 화물이 쓰러질 위험성이 있기 때문에 인버터에서는 속도(종축)의 변화에 시간(횡축)에 대해서 직선적으로 변화되는 방법이 일반적으로 행해지고 있다.4. 초고속 운전유도전동기의 파극 수를 p, 공급하는 주파수를 f(Hz), 모터가 미끌어 지는 것을 s로 하면, 회전속도는 다음 식으로 나타낼 수 있다.실용적인 운전에 있어서 미끌어짐은 1로 비교해서 충분히 적은 값이기 때문에 상용전원에서 모터를 고속 운전한 경우는 파극 수가 최소의 2극 모터를 사용하는 것으로 되지만, 60Hz 지구에서도 3600r/min이 최대이다.이에 대해서 프린트 판에 구멍 뚫는 기구인 드릴, 반도체의 칩을 자르는 다이서, 소형 베어링의 내면 연소반, 고진공 펌프 등의 기계에서는 수만 r/min 급의 초고속 회전이 요구되고 있다. 따라서 이들의 용도에서는 고주파 출력이 가능한 인버터가 꼭 필요한 조건이다.일반적인 범용 인버터에서도 최고 출력 주파수를 400Hz로 해두고, 거기에 높은 주파수를 출력하는 인버터도 시리즈화 되고 있다.또 모터는 권선의 전기적인 사양이 특수한 설계가 될 뿐만 아니라 베어링이나 냉각방식을 포함해서 특수한 설계에 이용된다. 5. 중관성 부하의 시동중관성 부하를 구동하는 모터를 상용전원에서 시동할 때, 두개의 문제가 있다. 하나는 효율이 나쁜 시동이기 때문에 모터의 온도가 허용치를 초과할 가능성 문제가 있고, 다른 하나는 큰 시동전류에 의해 전원전압이 저하되어 다른 부하에 영향을 끼치는 문제이다.관성움직임이 J1(㎏·㎡)에서 부하토크가 0의 기계를 속도 N1(r/min)까지 사용전원에서 가속할 때, 모터의 회전자에 발생하는 손실은 관성체로 축적된 운동에너지와 동일하고이 된다. 일차 권선을 포함한 모터전체의 손실은 2.3∼2.5배정도 되고 관성움직임이 큰 경우는 이 손실에 따른 온도상승이 문제이기 때문에 상용운전의 모터에서는 구동가능한 부하의 관성움직임이 각별하게 제한되고 있다. (예를 들어 60Hz, 4극, 11kW의 모터의 허용치는 13㎏·㎡이다.)인버터 성능·용도에 따른 기종 선택1. 각 제어 방식에 관해서(1) V/F 일정제어유도전동기의 회전속도 N은 (120*주파수) / 극수에서 나타난다. 식에서 주파수만으로 유도전동기를 연속적으로 가변속할 수 있지만, 실제로는 자속을 일정하게 유지하기 위해 이 전압(V)과 주파수(F)의 비율을 일정하게 제어하고 있다.이 제어방식은 인버터의 구성이 간단하고 저렴한 가격으로 출하되는 장점인 동시에 저속에서의 토크가 부족하더라도 부하변동에 따른 속도변동이 크다는 단점도 있다. (2) 벡터제어V/F 일정제어의 단점을 개선해 제어성이 가장 좋다고 생각되는 직류전동기의 전자기 제어방식과 동등이상의 성능(고응답, 고정밀도 등)을 유도전동기에서 실현시킨 제어방식으로 벡터제어가 제안됐다. 또, 직류 벡터제어는 토크 제어도 가능하다.(3) 센서리스 벡터제어센서리스 벡터제어는 속도검출기(인코더, 리졸버 등)를 사용하지 않고 전류에서 연산에 따라 회전속도를 구해 벡터제어를 한다.종래 상용되는 유도전동기를 그 대로 사용하는 것이 가능하고 종래의 V/F 일정제어에서는 얻을 수 없었던 고성능이 쉽게 실현되는 방법으로 개발됐다.2. 용도에 따른 선정인버터는 각 제어방식과 조합한 전동기에 의해 속도제어범위, 응답성, 속도제어정밀도, 시동토크, 토크제어의 가부, 위치제어의 가부가 다르다.실제 선정에 관해서는 필요한 성능, 기능, 가격을 고려해 요구 내용을 만족하는 기종을 선정하는 것이 중요하다. 다음에 대표적인 부하 선정 예를 서술한다.(1) 팬·펌프팬·펌프 부하특성은 일반적으로 2배 저감 토크 특성 때문에 인버터로 가변속하면 에너지절감 효과가 높아 인버터 채용을 보급하고 있는 용도이다. 시동토크도 일반적으로는 30%이하이고, V/F 일정제어에서 적용될 수 있다.(2) 호이스트·자동창고·반송기반송기계는 일반적으로 토크가 속도에 대해 거의 일정하게 정해진 토크부하이다.상승은 감아올릴 때 하중이 가해지기 때문에 큰 시동토크가 필요하고, 시동토크가 부족하면 속도가 떨어질 위험이 있다. 필요한 시동토크는 150%이상이 일반적이다. 속도제어범위와 속도부터 중속도용은 센서리스 벡터제어, 고속에서 고정밀도용은 센서부착 벡터제어를 적용한다.(3) 업무용 세탁기세탁(2∼8Hz), 헹굼(10Hz 전후) 밸런스(15Hz 전후), 중간탈수(70∼100Hz), 고속탈수(150∼200Hz)로 속도제어 범위가 넓고 또 시통토크도 크다. 부하변동에 의한 속도차를 작지 않게 하기 위해서도 센서리스 벡터제어를 적용한다.(4) 와인더·언와인더주속 일정의 속도제어와 장력 일정의 토크제어로 사용되는 경우가 있다. 속도제어범위도 넓고 정밀도가 요구되기 때문에 센서리스 벡터제어 및 센서부착 벡터제어를 적용한다. (5) 사출성형기·유압기계종래의 유압펌프 전동화는 시동토크가 크고 또 응답성이 필요한 것부터 센서부착 벡터제어를 적용한다.각 부품의 수명과 영향요인1. 알루미늄 전해콘덴서알루미늄 전해콘덴서 수명은 앞에서 설명한 아레니우스의 법칙에 따라 10℃온도가 내려가면 수명이 2배로 된다.이 때문에 제조회사에서 수명에 대한 설계방법이 달라지는 경우도 있지만, 인버터 사용조건에서 따라 그 수명은 크게 달라진다. 콘덴서 온도를 좌우하는 조건으로는 인버터 주변온도 및 부하율을 들 수 있다.인버터 주변온도가 높고 부하량이 크다면 인버터에 가하는 가혹한 사용조건이 되고 콘덴서의 수명도 짧아진다.2. 냉각팬볼베어링의 그리스 건조정도가 수명에 크게 영향을 끼친다. 따라서 팬 수명에도 사용온도가 수명에 영향을 줘, 알루미늄 전해콘덴서와 같이 온도가 높을수록 수명이 짧아진다.3. 릴레이릴레이 수명을 결정하는 것은 동작 시 가동부분에 가하는 물리적 스트레스로 결정되는 기계적 수명과 접점에 흐르는 전류, 전압의 차단에 의한 전기적 수명으로 나뉘는데, 일반적으로는 전기적 수명으로 그 수명이 결정되는 경우가 많다.전기적 수명을 좌우하는 것은 사용전압 및 전류이다. 이들의 정격보다 저감시켜 사용함으로써 장수명화를 기대할 수 있다. 콘트롤러 기판에서 인버터 동작상태를 검출하는 경우는 계전기보다도 오랜 수명을 기대할 수 있는 포토커플러(photo-coupler)출력을 이용하는 편이 유리하다.4. 트랜지스터, 퓨즈주회로 부품으로 이용되고 있는 트랜지스터나 퓨즈에서도 수명은 존재한다. 이들의 수명을 결정하는 요인은 온도 사이클이다.급가감속을 빈번하게 반복하는 운전이나 부하가 지속적으로 인가된 용도에 사용되는 경우, 부품은 온도상승과 하강을 반복하게 된다. 이 온도의 상·하강이 부품을 구성하고 있는 재료의 열팽창률의 차이에 따른 뒤틀림이 발생해 물리적 열화를 부르는 것이다.최근에는 이 온도 사이클에 대한 수명도 검사하고 있기 때문에 제조회사에서의 문의해 기대하는 수명을 확보할 수 있는 인버터를 선정할 필요가 있다. 5. 그 외 부품CPU를 시작하면 IC, 케이스를 구성하는 플라스틱케이스 및 판금부품에도 수명은 존재한다. 전자는 알루미늄 마이그레이션(migration)으로 대표되고 후자는 사용 환경이나 진동 등이 영향을 미친다. 어느 쪽이든 사용온도나 환경에 유의하는 것으로 장수명화가 가능하다.예방보전과 그 내용초기고장은 제작 후의 검사와 디버깅(debugging)에 따라 제조회사에서 출하되기 전에 제거되는 것이 일반적이다. 따라서 보전을 검사하기 위해서는 우발고장기간 이후를 검사하면 좋다.우발고장은 고장이 돌발적으로 발생하기 때문에 앞서 대책을 세우는 것은 일반적으로 어렵다. 그 때문에 FMEA(Failure mode and effects analysis)등을 비롯해 고장해석방법을 이용해 사전에 그 대책을 세우는 것으로 성과를 올릴 수 있다. 또 고장률은 부품의 평균고장간격(MTBF)등 총 합량에 의해 보수부품의 상비화와 고장 시 바이패스회로를 설계하는 등 꼼꼼한 대책을 세우는 것도 유효한 대책이 된다. 마모고장은 내용수명 후에 발생하고 고장의 발생이 시간의 경과와 함께 증가한다. 또 마모고장기 전에 해당부품의 신품으로 교환 등을 하는 것으로 생산의 유지 및 설비의 장수명화가 실현할 수 있게 된다.
<Energy News>
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