[특집]인버터의 변천

[산업일보]
새로 쓰여지는 인버터의 역사

어떠한 제품이든 모두가 마찬가지지만, 특히 산업분야에서 제품의 추이가 고객의 요청을 얼마나 수렴하느냐에 따라서 호, 불호가 결정된다고 말할 수 있다. 이러한 차원에서 본다면 모든 산업 기기도 언어 등과 마찬가지로 사회성 및 시대의 흐름을 반영하여 살아서 움직이는 생물들의 진화과정을 동일하게 겪어 간다고 해도 그리 무리가 되지 않을 것이다.
독자들이 주지하는 바와 같이 인버터의 태생은 AC motor를 이용하여 DC drive의 특성을 맞추도록 개발이 되었다. 이 때의 약점은 전력 변환기기를 이중으로 사용을 하여야 하며, 0 Speed에서의 토오크 특성 등이 DC drive에 미치지 못하는 점들 때문에 이 시장의 확장 속도는 느리게 진행이 되었다. 그 후에 인버터는 전력 소자의 개발, 기술적인 혁신 등을 통하여 엄청난 시장의 팽창을 가져오게 되며, 이를 바탕으로 소비자의 욕구가 제품에 반영되는 속도도 점점 탄력을 붙여나갔다.
이는 Customized 인버터를 탄생시키며, 또한 각종 특수한 분야에 맞도록 인버터가 제작되는 계기를 만들었다.
예를 들면, 현재 각 인버터 공급사의 대부분은 HVAC, Pump 및 Fan 등에 특성을 맞춘 제품을 시장에 공급하고 있는데, HVAC 등에 적합한 제품은 저 기동 토오크를 갖고도 Application의 특성에 부합할 수가 있으며 이의 특화를 통하여 전력절감 등에 있어서도 뛰어난 효과를 거둘 수 있다. 특히 이러한 제품의 경우에는 현재 계속 치솟는 유가에 대해서도, 에너지 절감을 통하여 충분히 가치 있게 사용할 수 있다. 이는 당사의 경우도 예외는 아니며 ATV 38이라는 제품을 시장에 선보이고 있다. 이 외에도 Elevator 등에 적합한 Lift 전용 인버터 등도 개발 후 공급이 되고 있으며, 이에 그치지 않고 시장의 규모와 사용자의 요구가 있다면 향후에도 얼마든지 특화된 전용 인버터의 등장이 있으리라는 사실은 쉽게 짐작할 수 있다.

물론 인버터 공급사의 측면에서는 시장이 없다면 전용 인버터의 개발은 엄두도 내지 못할 일이다. 그러나 인버터 시장은 현재 급격한 팽창이 이루어 지고 있으며, 이는 향후에도 당분간은 지속될 것으로 판단이 된다. 이에 대해서 <그림 1>은 Pump 및 Fan 시장을 예를 들어 시장의 규모 및 성장성을 추정할 수 있는 자료이다.
<그림 1>은 전체 Pump 및 Fan의 사용처를 100%로 볼 때 그 중에서 인버터 또는 소프트 스타터 등의 드라이버를 사용하는 경우가 단지 5%에 지나지 않는다는 것을 나타내고 있다.이는 유럽의 경우를 기준으로 한 사항이므로 국내의 경우에는 이 Data와 차이는 있을 수 있으나, 대동소이하리라 생각된다. 이는 하나의 예에 지나지 않으나, 현재 Field에서 Motor가 구동되는 경우에 단순한 운전을 제외한 대부분의 경우는 인버터를 이용하면 효율적인 측면이나, Energy saving 측면에서도 상당한 기여가 예상된다. 이에 인버터의 시장은 각 산업 분야에서 점점 더 파이를 키워가리라 생각한다.
이상과 같이 현재 인버터는 전용과 범용 인버터로 구분이 되어질 수 있는데, 일단 이번에는 범용에 초점을 맞추어서 서술을 해 나가는 것으로 제한한다.
현재 시장의 욕구는 크게 몇 가지로 나누어 질 수 있는데, 이는 다음과 같이 분류된다.

(1) 기술적인 측면
(2) 사용의 편리성
(3) 기타 기기와의 인터페이스
(4) 복합기로서의 기능
(5) 환경 측면

위에 열거한 내용을 기준으로 인버터의 과거와 현재 그리고 미래에 대하여 간단히 서술해 보도록 하겠다.

(1) 기술적인 측면

과거에도 그랬으며 미래에도 마찬가지지만 이는 기초 산업의 발전을 염두에 두지 않고서는 이야기를 할 수 없다. 과거에는 인버터가 DC drive의 성능을 따라가는데 노력을 경주하였다고 한다면 이제는 그를 바탕으로 좀더 특화된 인버터의 기술 등을 고려하여 스스로 색깔을 찾아가는 시점이라 할 수 있다.인버터는 초기에 주파수를 변환하여 AC motor의 속도를 제어한다는 기본 개념을 바탕으로 전력 변환 소자의 발전에 따라 인버터가 획기적인 발전을 하는 동인이 되었다. (DC - Thyristor => AC - IGBT & Transistor) 또한 IGBT 소자의 채용은 좀더 빠른 Switching이 가능하도록 하였으며, 이를 통하여 인버터는 좀더 정밀해 졌다고 할 수 있겠다. 그러나 이로 인한 Switching Noise 등의 증가는 또 하나의 숙제로 남아 있다.

이러한 지속적인 연구 개발은 인버터의 성능 뿐 아니라 외관을 비롯한 주변 장치의 설계에 있어서 각종 시뮬레이션을 통하여 사전에 문제를 확인하고 사고를 미연에 방지하는 시스템을 구축하고 있다. 하나의 예를 들면 과거의 인버터는 발열을 고려하여 상당히 부담스러운 방열판 설계가 이루어졌으나 이제는 방열판이 거의 기계 가공에 의해서 제작되는 듯한 느낌이 들 정도로 상당히 미려하다. 또한 방열 효과도 뛰어나도록 시뮬레이션을 거친 후에 실지 설계가 이루어진다.<그림 2>
최근에 각 사별로 출시되는 차세대 인버터는 통상 200V-240V 및 380V-480V의 저 전압 범위에서 다양한 용량으로 비동기 전동기의 제어를 주 목적으로 준비되고 있다. Open loop 및 Close loop에 대한 뛰어난 특성은 고 용량/고 성능이 요구되는 기기들에 있어서 요구되는 각종 운전 특성에 대하여 이상적인 해법을 제공하도록 준비된다. (각종 물류 처리 설비류/Hoisting 기기류/제철 및 제지기기류/Process 기기류/섬유 및 포장 기기류/기타 등)
설비의 운전 시에 요구되는 신뢰도 및 강한 운전 특성 등의 요구 사항에 대해서도 최근의 인버터는 지속적으로 제공이 가능 함을 보장하고 있다. 이러한 제품 중에는 -50%까지의 순간 전압 Drop에도 운전이 가능하며, 50℃까지의 주변온도에서도 전류에 대한 보정이 없이 운전된다. 기본 지원되는 RFI 필터 및 150% 이상 170% 1분 정격의 Over-Torque 특성 등을 통하여 열악한 운전 환경에서도 충분한 성능이 발휘된다.
열악한 사용환경에서 요구되는 인버터의 운전은 제품 공급자에게 다양한 사양을 구비하게 만들었으나 습도 분진 환경에서의 운전은 사용자 및 공급자에게 최악의 조건이 아닐 수 없었다. 그러나 인버터가 디지털화 되어 짐에 따라서 인버터는 PCB 내에 거의 모든 기능이 수렴되었으며 이를 통하여 제어가 이루어진다. 이에 기판의 코팅을 함에 의해서 운전 환경에 대한 어려움도 상당히 극복을 할 수 있도록 되었다.
또한 인버터의 발전은 사용자의 안전도 충분히 고려하고 있으며, 이에 따라 수많은 보호 기능을이용하여 인버터, 전동기 및 운전 기기 등에 대한 안전을 완벽하게 고려하고 있다. 예를 들어, 당사의 제품에 포함된 ‘Power Removal’ 안전 기능은 전동기의 비 정상적인 기동을 막을 수 있으며, 이는 바로 운전자 또는 보전 기술자에 대한 안전을 확보하는 기능이다.(IEC/EN 61508 SIL2 전기 설치에 대한 기준 및 EN954-1 category 3 기기 안전 기준에 준함.)

(2) 사용의 편리성

이는 점점 커지는 인버터 시장의 규모와도 관계가 있으며, 이를 기준으로 각 인버터 공급업체도 마케팅 전략을 새로 수립하지 않으면 안 되는 형편에 놓여 있다. 왜냐하면 시장의 확대는 곧바로 고객 요구의 수렴이라는 등식이 만들어 지게 되며, 따라서 고객의 요구를 누가 먼저 수렴하느냐에 시장의 판도를 바꿀 수 있는 계기를 제공하기 때문이다.
가령 과거에 국내 대기업들이 각종 설비를 외국에서 들여온 후 현장 욕구에 의해서 MMI(Man Machine Interface) 는 한글화 작업을 요구하는 추세가 있었다. 이는 외국 기업들이 국내의 SI (System Integrator)들과 손을 잡고 일을 하여야 하는 단초가 되었다. 이를 바탕으로 국내의 많은 SI들은 기술을 향상 시키는 기회를 얻게 되었다. 이처럼 국내 고객의 요구는 공급자의 측면이 아니라 이제는 모든 것을 소비자의 관점에서 다시 출발해야 하는 시점에 놓여 있는 것이다.
최근에 인버터 공급사들 중에서는 사용자의 편리를 도모하고자 Display unit를 대형화 하고있는 추세이며, 또한 이를 한글로 지원이 되도록 준비 하고 있다. 이를 통하여 국내의 사용자는 점점 더 편리한 환경에서 좋은 제품을 접할 수 있는 계기가 마련되었다.

근년에 출시되는 인버터의 가장 큰 특성 중의 하나는 간편한 운전이라고 정의할 수 있다. 이를 지원하도록 전면에 설치되어있는 그래픽 터미널이 있는데, 간단하고 향상된 MMI(Man Machine Interface) 기기들은 인버터의 모든 필요한 기능을 제어할 수 있도록 설계되어졌다. (쉽게 이해가 되는 알림 및 그래픽 기능, 네비게이션 버튼, 경로를 단축시킨 각종 기능키, 온 라인 도움 기능 등) 파라메타 표시창, 모니터링 바 등에 있어서 사용자 취향에 의하여 설정이 가능한 다양한 기능들은 언제나 사용자를 위하여 개방되어져 있다.
또한 사용자에 의해 만들어 질수 있는 사용자 메뉴 등도 직접 사용할 수 있다. 각 Application 별로 구성된 매크로 구성은 인버터의 프로그램을 사용자가 더욱더 쉽게 접근하도록 인도한다. 각 사별로 파라메타 입력이 용이하도록 하고, 시운전 및 정비 시에 활용이 가능한 소프트 웨어도 제공을 하고 있다. 이러한 소프트 웨어도 사용자의 편의에 초점을 맞추어 다양한 기능을 내장하고 있다. 예를 들면 스코프 기능을 들 수 있다. 현장에서는 실지 다양한 테스트를 하는 과정에 인버터의 특성 (전류, 정압, 주파수 등) 들에 대하여 감시하고, 기록을 하는 것이 필요했으며 이를 위해서 오실로스코프를 확보해야 하는 어려움이 있었다. 이러한 어려움에 대하여 인버터 공급사들은 파라메타 입력 프로그램에 스코프 기능을 추가하여 PC를 이용한 데이터의 감시 및 저장이 용이해졌다는 점이다. 이러한 파라메타 입력 소프트웨어는 Notebook PC 뿐 아니라 PDA 등에서도 사용이 가능해 졌으며, 통신 기능의 발전과 궤를 같이하여 Bluetooth를 통한 무선 연결도 가능해졌다.

(3) 기타 기기와 인터페이스

이제는 주변의 모든 기기가 통신으로 구성이 되면서, 최근의 화두가 되고 있는 유비쿼터스이다. 모든 산업용 기기 또한 사용자 들은 점점 더 통신에 초점을 맞추어서 전체의 System을 엮으려 하고 있다. 인버터의 경우도 이제는 자신의 고유한 통신 방법만을 지원해서는 안되며, 각종 Open Protocol에 대하여 대응이 되도록 다양한 Option을 준비하고 있다.
또한 이제는 인버터가 그 자체의 역할 뿐 아니라 System을 구성함으로 여러 가지의 Device를 거느린 Master-Slave 운전도 지원을 해 나가고 있다. 이는 인버터가 지속적으로 지능화되고 있으며, 향후에도 점점 고도화 되어 짐을 의미한다.

1) 통신
지금은 거의 대부분의 업체가 RS-485 통신을 이용하여 원방 운전을 지원하고 있다.이는 동일 회사 제품에서 제어는 물론이거니와 다른 회사 제품들 간에도 프로토콜을 맞춤에 의해서 원활한 제어가 가능하게 되어 사실상 통신 방식에 의한 제한은 거의 없어졌다고 해도 과언이 아니다. 그리고 하나의 프로토콜은 기본이며 2개 이상의 통신 방식을 기본으로 지원하는 인버터들의 등장도 늘어나는 추세이다. (예: Mod-bus & CANopen)

2) 속도 센서
인버터는 통상 범용 인버터와 Flux 벡타 인버터로 구분할 수 있으며, 벡타 인버터의 경우에 속도 및 토오트의 정도 등에 따라서 다시 속도 Feed-back이 있는 Close-loop 및 Feed-back이 없는 Open-loop로 나눌 수 있다. Close 및 Open-loop의 차이는 정도의 측면에서 10배 이상이 되며 특히 0(Zero)속에서의 Torque를 유지하여야 하는 권상 운전에서는 반드시 Encoder를 사용하여야 한다. Close-loop 운전은 인버터에 Encoder Feed-back이 반드시 요구된다. 이때 Encoder는 여러 가지의 타입으로 공급되어 질 수 있으며, 통상 RS-422, 푸쉬-풀, 오픈 콜렉터 형식으로 제공된다. 그러므로 인버터는 이들 Encoder를 받을 수 있도록 다양한 준비가 되어야 함을 사용자는 즉시해야 한다.

3) 프로그램
현재 각 인버터 공급사 별로 일부 차이는 있지만, 여러 공급사 들이 프로그램이 가능한 인버터를 등장 시키므로 많은 부분들에 있어서 사용자의 의도대로 운전이 가능해졌다. 이는 각 사별로 아래와 같이 약간의 차이가 있다.<그림 4>

- 전용 Controller의 내장: 이는 내장 PLC라는 개념 보다는 내부 로직의 재 구성이 가능한 기기.

- 완전한 Programmable Controller의 내장: 이는 별개의 PLC 기능을 인버터에 접목한 경우로 볼 수가 있으며 이를 이용하면 각종 주변 기기를 거느리고 Master 운전이 가능하며, 규모가 크지 않은 시스템의 경우에는 별도의 PLC를 보유하지 않더라도 전체 자동화 시스템 구성이 가능하다.

(4) 복합기로서의 기능

과거에는 인버터의 운전은 비동기 전동기 만을 제어하며, 이에 대한 특성 만을 받아들였다. 그렇지만 현재의 추세는 점차 인버터가 비동기 전동기 뿐만 아니라 동기 전동기의 영역에서도 제어를 행할 수 있도록 기능이 향상되어 건다는 것은 흥미로운 사실이다.이를 통하여 사용자는 동일한 용량의 출력이 필요하더라도 소형의 경량 동기 전동기를 이용하여 고효율 및 고역율의 운전을 구현할 수가 있을 것이다.


또한 각종 Appli cation에 있어서 점차 제어부분이 강화가 되어 간다는 점은 우리에게 시사하는 바가 크다. 이미 위에서 언급한 바와 같이 여러 업체에서 인버터에 Contro ller가 내장이 될 수 있도록 지원을 하고 있으며, Controller의 경우에도 점차 요량 및 능력의 증대가 이루어지고 있다.이로서 인버터는 인버터가 아니라 자동화 System 등에 접근이 가능한 아주 매력적인 기기로의 탈바꿈이 이루어지고 있는 추세라 볼 수 있다.<그림 5>

(5) 환경 측면

이제 지구촌 모두는 환경을 우려해야만 하는 시점에 놓여 있다. 물론 이는 다른 사람이 아닌 바로 우리 자신과 우리의 후손을 위하여 더 이상 미룰 수 없는 위치에 이르렀다는 것이다. 이에 EU는 각종 산업 제품에 대하여 새로운 환경기준을 요구하기 시작하였으며, 이는 향후에(2006년 중반기 이후에 점진적 강제 규정으로 발전) 유럽으로 공급되는 모든 제품은 반드시 지켜야 하는 ROHS 기준 및 친환경 설계기준인 Eco-Design에 대한 준비를 해야한다. 그럼 이러한 조항에 대한 규정이 정확하게 무엇인지를 먼저 살펴 보도록 하자.

1) WEEE : 이는 이미 2005. 8월에 기 발효되었으며, 2007년부터는 재활용에 대한 의무 규정으로 강제된다. WEEE는 Waste Electrical & Electronic Equipment를 의미하는 것이며 이는 에너지의 회수 (소각 등에 의하여) 또는 부품의 재생 (재활용 및 재생산)을 요구하는 기준이다. 이에 따르면 재활용의 기준은 70% 이상이 되어야 함을 요구한다.

2) Eco-Design : 여기에서 언급된 Eco는 Ecological을 줄인 말이며, 이는 WEEE와 무관하게 사용되는 것은 아니다. WEEE를 충족시키기 위해서는 결국 Eco-Design을 따라야만 하며, 최종적으로 EU에서 유통되는 전기, 전자 제품은 Eco-Design 수행 방법에 따라 제품을 개발하고 친환경 적합성 평가를 득한 후에 비로서 시장에 출시 가능하도록 하는 규정이다. 이를 위해 에너지를 사용하는 제품의 Eco-Design 요구사항 충족을 위한 지침 (EuP : Energy using Products)이 공포될 것으로 추정된다. 또한 향후에 이에 대한 적합성 여부를 CE mark획득에 의해 대체할 것으로 알고 있으며, 이는 Eco-Design은 모든 제품에 있어서 필수사항이 된다는 것을 의미한다.<그림 6>

3) ROHS : Restriction Of Hazardous Substances를 줄인 약어로서 우리 말로는 유해 물질 사용 제한 지침이라고 한다. 이는 납, 수은, 카드뮴, 6가크롬, 브롬계 난연제는 시장에서 판매할 수 없다는 규정이며, 2007년 6월부터 공식적으로 발효된다. 사실 이러한 규제는 각종 기판 등이 들어가는 전기, 전자 업종에 있어서 아주 치명적이라 할 수 있지만 환경 보호에 대한 국제 규약은 이제 아무도 피해갈 수 없으나 반드시 넘어야 할 산이 되어 버렸다.
이상의 조항은 유럽에서 시작은 되었으나, 국제적으로는 바젤 협약 및 일본의 경우 리싸이클 법 등에서 보는 것처럼 환경에 대한 규제는 점차 심화될 것이고, 이를 어떻게 피해나가느냐는 것은 우리 모두의 공통 과제로 대두되었다. 그러나 대응하는 인버터 업체들은 상당히 빠르게 움직이고 있으며, 이미 상당 부분은 대책이 마련된 상태이다. 예를 들어 슈나이더는 금번 출시한 고기능 인버터 인 ATV 71의 경우에는 1997년 ISO 14001을 취득한 이래로 2002년 Eco-Design에 따른 기준을 적용하였으며, ROHS 등의 모든 사항에 대비하여 탄생된 제품이다.

맺음말

본문에서 서술한 바는 각 인버터 공급사가 시대의 흐름과 고객의 요구를 충실하게 반영하고 실지로 시장의 요구가 무엇인지를 파악하여, 인버터가 단순한 하나의 기계로서가 아닌 살아 움직이는 생물처럼 진화시켜 나갈 것으로 생각한다.
우리나라의 경우, 수출에 경제의 많은 부분이 의존되어 있다. 이상과 같은 제품의 Trend를 정확히 파악하지 못한다면 우리 기업에 있어서 전반적으로 경쟁력을 상실할 것이다. 이에 슈나이더도, 우리 수출에 문제가 되지 않도록 제품 개발 및 환경 기준 등에 최대한 투자를 하여, 자체 Network를 이용하며 최상의 제품 공급 및 Global Service를 수행함으로 한국화 되어진 또는 한국을 이해하고 지원하는 슈나이더로서의 역할을 해 나갈 것이다.

문의 : (02)2630-9815 안 권, 이 호 용 / 슈나이더 일렉트릭 코리아www.schneider-electric.co.kr

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