인버터에 의한 모터제어주로 범용 모터를 가변속 구동하는 범용 인버터는 1980년대 처음으로 보급하기 시작해서 벌써 25년이 경과했다. 그 사이에 가속도적으로 보급이 확대되어 많은 산업분야에서 적용하고 있다. 최근 일본 전기공업회의 통계에 의하면 1년간 170만대 정도가 출하되고 있는 상황이다.여기서는 이제까지 채용된 이유, 즉 인버터를 운전함으로써의 장점을 정리하고자 한다. 주된 장점으로는 에너지 절약과 자동화·비용절감이라고 말할 수 있는데 그 외의 분야에 관해서도 대표적인 것을 소개한다.인버터 운전의 장점1. 에너지 절약인버터의 수요를 최초로 확대했으며 현재에도 가장 수요가 많은 것이 팬, 펌프, 송풍기 등 2승 회전력 부하를 가변속함으로 인한 에너지 절약운전이다. 여기서는 에너지 절약의 원리와 효과의 크기 등에 관해서 설명한다.상용 운전된 팬이나 펌프에서는 모터는 거의 일정속도로 운전해 제진기나 밸브로 유량조절을 하고 있다. 이 경우에 유량의 감소와 함께 소요 동력도 훨씬 감소하지만 완전하게 닫힌 상태로 두어도 50%이상의 소비전력이 되어 있는 일이 많다. 조정용 제진기나 밸브를 전개(설비 계획단계에서는 제거)하고 인버터에 의한 가변속 운전으로 유량을 조정하면 소요전력이 대폭 저하된다. 그 차이가 에너지 절약효과이다.<그림1>은 펌프의 유량-압력곡선(약어로 Q-H곡선)의 한 예다. 최상부의 실선이 상용운전인 경우이며, 그 하측에 동일한 형태로 내려간 파선은 주파수를 10% 단계로 내린 경우의 특성곡선이다. 이들은 상용운전 곡선에서 이론적으로 제도한 것으로 세로축에 나타내는 압력은 속도의 2승에 비례해 변화되며 가로축에 나타낸 유량은 속도에 비례해 변화되고 있다.하측의 점선은 밸브를 전개한 채 속도제어에 따라 유량을 조정한 경우의 압력곡선을 나타내고 있다. 가로축에 나타낸 유량이 0인 경우의 압력이 실 양정분이고 유량의 2승에 비례해 확대하고 있는 성분은 관로의 압력손실분이다.상용운전인 경우의 압력(실선)과 속도제어인 경우의 압력(점선)의 차이는 조정밸브의 압력손실이다. 에너지 절약 효과는 축 동력으로 나타내는 편이 이해하기 쉽기 때문에 <그림1>의 각 곡선에 대응한 모터의 축 동력을 나타내면 <그림2>와 같다. 이것을 유량-파워 곡선(약어로 Q-P곡선)이라 한다. 세로축 방향의 파워는 회전속도(여기서는 주파수)의 3승에 비례해 변화되고 있다.최상부의 실선으로 나타내는 상용운전시의 곡선과 하측의 점선으로 나타내는 속도제어시의 곡선의 차이가 그대로 에너지 절약효과이다. 여기서는 모터의 축 동력으로 나타내고 있지만 실제 소비전력은 인버터 압력 측의 파워이기 때문에 모터와 인버터의 효율이 영향(모터의 손실분은 플러스로 평가하고 인버터의 손실분은 마이너스로 평가)을 미처 에너지 절약은 5%정도 높아진다고 생각해도 좋다.또한 일반적으로 팬이나 송풍기의 경우는 실 양정에 상당하는 성분이 없기 때문에 에너지 절약효과는 한층 높아지는 특성이다.2. 자동화·비용절감화기계나 설비의 자동화에 적합한 구동장치는 기본적으로,① 전기신호에서 용이하게 고속응답의 가변속 운전이 가능할 것.② 장치는 가능한 한 소형일 것.③ 수명부품이 적고 신뢰성이 높을 것.④ 경제적일 것.등이 요구되고 있다. 다른 가변속 장치와 비교해서 인버터가 가장 이들의 요구에 맞출 수 있다고 평가되며 특히 소용량 인버터의 수요가 대폭으로 증대해 온 역사가 있다.산업계의 요구는 광범위해서 PG(Pulse Generator)를 사용한 벡터제어로 고정도에서 고속응답의 속도제어와 회전력 제어도 실시하고 있다. 상위의 제어장치로서 컴퓨터와 PLC(산업용 로봇)가 많이 사용되는 시대가 되어 고속 시리얼 신호로 인버터의 제어와 운전상태를 감시하는 일도 증가하고 있다.(<그림3>참조)이와 같은 경우에서는 제어회로 배선을 끌고 다니는 일이 큰 폭으로 간략해지는 장점이 있다. 제어내용을 변경할 경우에도 소프트만 변경해도 된다는 특징이 있다.또한 복수의 축이 운동하는 기계의 개별 축을 인버터로 구동해 같은 시기에 운전하는 일도 일반적으로 행해지고 있어 기계구조의 간략화와 소형화에 공헌하고 있다.3. 부드럽게 시작, 부드럽게 정지가령 낮은 면적에 비해 치수가 높은 화물을 컨베어로 반송할 경우 급격하게 시동하거나 정지하면 화물이 쓰러질 위험성이 있기 때문에 인버터에서는 <그림4>에 실선으로 나타냈듯이 속도(세로축)의 변화를 시간(가로축)에 비해 직선적으로 변화시키는 방법이 일반적으로 행해지고 있다.이와 같은 직선 가감속은 가속도를 일정하게 한 제어이지만 반송되는 것이 액체가 들어간 병인 경우는 액체가 일시적으로 기울어져 불안정하게 되는 문제가 있으며 또 사람을 태운 엘리베이터인 경우는 승차시 불안하다는 문제가 있다.이 문제를 해결하기 위해서는 가속 동작인 경우는 시동부근과 가속완료 부근의 가속도 변화를 완화할 필요가 있다고 한다. 감속의 경우도 포함하면 구체적으로는 같은 그림에 파선으로 나타낸 곡선모양의 가감속을 하면 된다. 인버터에서는 속도지령이나 주파수의 변화를 곡선모양으로 하는 일은 극히 용이하며 일반적으로‘S자 가감속’이라 부른다.4. 초고속 운전유도전동기의 자극 수를 p, 공급하는 주파수를 f(Hz), 모터의 미끄러짐을 s로 놓으면 회전속도는 다음과 같은 식으로 나타낸다. 실용적인 운전에서의 미끄러짐은 1에 비교해서 충분히 작은 값이므로 상용전원에서 모터를 고속 운전할 경우는 자극 수가 최소인 2극 모터를 사용하게 되는데 60Hz지구라도 3600r/min이 최대이다.이에 비해 프린트 판의 구멍 뚫는 드릴, 반도체의 칩을 자르는 다이서, 소형 베어링의 내면 연삭반, 고 진공 펌프 등의 기계에서는 수만 r/min클래스의 초고속 회전이 요구되고 있다. 따라서 이들 용도에서는 고주파 출력이 가능한 인버터가 필수조건이다.일반적인 범용 인버터에서도 최고 출력주파수를 400Hz로 하고 있으며 그 위에 높은 주파수를 출력하는 인버터도 시리즈화 되고 있다.또한 모터는 코일의 전기적인 사양이 특수한 설계로 되어 있을 뿐 아니라 베어링이나 냉각 방식도 포함해 특수 설계된 것을 사용한다.5. 무게 관성 부하의 시동무게 관성 부하를 구동하는 모터를 상용전원으로 시동할 때 두 가지 문제가 있다. 하나는 효율이 좋지 않은 시동이기 때문에 모터의 온도가 허용치를 초과할 가능성이 있는 문제이고 다른 하나는 큰 시동정원에 따라 전원전압을 저하시켜 다른 부하에 영향을 주는 문제이다.관성 양이 J1(kg·㎡)이고 부하 회전력이 0인 기계를 속도 N1(r/min)까지 상용전원으로 가공할 때 모터의 회전자로 발생하는 손실은 관성 체에 축적되는 운동 에너지와 같이가 된다. 1차 코일을 포함한 모터 전체의 손실은 2.3~2.5배나 되며 관성 회전력이 큰 경우는 이 손실에 따른 온도 상승이 문제가 되므로 상용운전 모터로는 구동가능한 부하의 관성 양이 개별적으로 제한되고 있다. (예를 들면 60Hz, 4극, 11kW인 모터의 허용치는 13kg·㎡이다.)인버터로 가속 운전할 경우는 모터의 발생손실이 1/10 이하가 되므로 실용적으로는 관성 양의 제한이 제거됐다고 생각할 수 있다.또한 가속시 전류는 <그림5>에 나타낸 대로이다. 가로축이 속도이고 세로축은 입력전류와 출력 회전력을 pu값(정격치를 1로 표현)으로 나타내고 있다. 상용 운전시 시동전류 Ics는 약 6배에서 서서히 저하되고 있지만 시동이 완료되기 까지 커다란 전류가 계속 흐르는 문제가 있다.인버터 운전인 경우는 인버터의 출력 측에서는 150%의 전류를 흘려서 150%의 회전력을 발생하고 있지만 그림에 나타내는 입력전류(상용전원에서 흘러 들어오는 전류) IINV는 거의 0인 상태에서 출발해 아무리 커도 150%의 전류가 되기 때문에 다른 부하에 주는 전압저하의 문제도 해결된다는 장점이 있다.6. 정출력 특성의 부하 구동인버터로 모터를 가동해 속도 조정할 경우 속도의 범위에 따라 요구 회전력이 다른 것이 있다. 예를 들면 금속공작기계나 목재의 공작기계에 있어서는 저속운전 범위에서는 큰 재료의 가공이나 거칠게 깎고자 할 때 큰 회전력을 필요로 하고 고속운전범위에서는 작은 재료의 가공이나 마무리 가공할 때 작은 회전력이 좋다는 요구이다. 예전에는 많은 단계로 전환하는 기어변속기로 이에 대응했는데 변속에 시간이 걸리는 문제가 있다.또한 <그림6>과 같이 종이나 필름 모양의 제품을 감아서 뺄 경우에는 일반적으로 라인 속도와 장력을 거의 일정하게 해서 감아 뺀다.라인 속도V(m/min), 장력F(N)를 일정하게 해 굵게 감는 도중의 반경을 r(m)로 놓으면 구동하는 축에서는(회전력) 이 된다.처음 감기 시작할 때는 반경이 작기 때문에 회전력은 작아도 상관없지만 단시간 내에 고속회전에 도달하는 게 필요하다. 또 굵게 감을 때에 맞춰서 연속적으로 회전 속도를 낮추는 제어가 필요해 회전력은 서서히 커지는 특성의 부하이다.어느 경우든 속도의 변화에 대해 축 동력이 일정해지는 특성이 있기 때문에 이를 정출력 특성이라 한다. 감기 시작할 때의 반경과 감기가 끝났을 때의 반경의 비례가 큰 경우는 넓은 범위의 정출력 특성이 필요하다. <그림7>은 1:4 범위에서 출력 파워가 일정한 운전의 모터 예이다. 가로 축은 주파수, 세로축은 회전력과 전압을 %값으로 나타내고 있다.최고 속도의 200Hz에서 필요한 전압을 공급하기 위해 베이스 주파수(50Hz)에서의 전압 정격은 낮게 설계했다.문제점과 대책이제까지는 장점에 관해서만 설명했는데 인버터 채용으로 인한 문제점과 대책에 관해서도 약간 언급해 두고자 한다. 필요한 대책을 계획 단계에서 세워 두는 것이 장점을 활용하기 위해서도 중요한 일이다.1. 고주파 노이즈와 대책인버터에서는 고효율 운전과 모터로부터의 소음을 저감하기 위해 고주파 스위치를 누르기 때문에 전기적인 노이즈를 발생한다는 문제가 있다. 노이즈에 대한 가장 기본적인 대책은 인버터와 모터를 비교적 근거리(30m 이하)에 배치한다. 철저한 대책은 EC제국의 EMC지령(*1) 대응과 동등한 대책을 하면 좋다.구체적으로는 <그림8>에 나타냈듯이 인버터와 모터 간의 주회로 배선을 실드 케이블로 하고 인버터의 입력회로 부에 필터를 설치하는 방법이다. 접지단자의 상호 접속은 주회로 배선에 따라 짧은 전선(30cm)으로 접속하고 고주파의 노이즈 전류를 EMC 필터에서 모터까지의 좁은 범위에 가두어 두는 것이다.또 같은 환경에서 사용하는 제어기 기류는 노이즈 내량이 높은 것을 사용하는 것도 중요한 대책이다.(*1)공통된 환경에서 사용되는 전기·전자기기에 비해 노이즈의 발생수치와 노이즈에 대한 강도 수치의 양방을 규제하고 노이즈 트러블 발생을 방지하는 것이다. 그 규제 수치로는 낮은 노이즈 수치로 억제해 노이즈 내량이 낮은 기기도 사용가능한 ‘주택·상업 환경’과 노이즈 발생 수치를 높게 허용해 노이즈 내량이 강한 기기만을 사용하는 ‘공업환경’으로 구분한다.2. 고주파 문제와 대책일반적인 인버터는 내부에서 상용전원을 정류해 일단 직류로 하고 그 다음으로 가변전압, 가변 주파수의 출력으로 변환해서 모터의 가변속 운전하는 것이다. 그 정류를 시행하는 부분에서 고주파 전류가 발생해 전원계통으로 유출한다.일본에서는 고주파 전류를 규제할 2종류의 가이드라인이 발령되어 있으며 입력전압과 전류의 정격에 따라 적용되는 가이드라인이 다르기 때문에 주의가 필요하다.입력전압이 300V이하이고 입력전류가 20A/상 이하의 입력정격 인버터는 ‘가전·범용품의 고주파 억제대책 가이드라인’의 적용대상으로 1대마다 발생량이 규제된다.개별적으로는 업체에서 안내하고 있었지만 2003년말부터 ‘DC반응 장치’의 접속으로 저감수치가 허용됐다.그 이외의 기종은 ‘고압 혹은 특별고압에서 수전하는 수요가의 고주파 억제대책 가이드라인’의 적용대상으로 수요가 마다 총 발생량을 계산하고 계약전력에 비례한 규제치와 비교하는 방법이다. 규제치를 초과할 경우는 얼마간의 저감대책이 필요하다. 계산방법과 대책 수법의 상세한 부분에 관해서는 일본전기협회발행 ‘고주파 억제대책 기술지침’(JEAG9702-1995)를 참조.마치며모터 구동의 최근의 흐름으로서 같은 시기의 모터구동이 있다. 종래부터 유도전동기와 비교되어 특히 소용량 범위에 있어서 모터가 소형이고 고효율이 되는 특징이 있다. 제어가 약간 복잡해진다는 것과 모터에 사용하는 영구자석의 비용이 과제인데 양산효과나 고속회전 사양으로 하는 등의 대책으로 해결해 갈 것으로 기대하고 있다.인버터는 기능적이고 경제성에 뛰어나며 고효율의 가변속 장치로서 앞으로도 새로운 요구에 대응하면서 발전해 갈 것으로 본다. 보급 초기단계에서는 노이즈 문제나 신뢰성 문제도 있었지만 지금은 현격한 진보를 하고 있다. 에너지 절약과 자동화·비용절감화를 더욱 추진하고 생산효율을 향상시키기 위해 새로운 분야로 적용확대를 기대한다.