출처. LS산전. 지멘스
지난 1950년대 미국의 GE사에서 사이리스터 방식으로 처음 개발돼 시장에 등장한 인버터는 공장자동화 분야를 중심으로 수요가 급속히 늘어나며, 이제는 가장 널리 사용되는 전동기 가변속기기가 됐다.
인버터 기술과 관련된 주요 제품군으로는 충전기, 무정전 전원공급장치, 비상전원설비 등으로, 특히 주전원에 이상이 생겼을 때를 대비해 항상 안정된 전원을 공급할 수 있는 무정전 전원장치 등에 폭넓게 사용되고 있다. 최근에는 휴대 충전기부터 각종 전원공급장치로 응용범위가 급속히 확대됐다.
기술개발 방향으로는 소형, 저비용화 기술, 제어 성능의 향상 기술, 사용의 용이성과 에너지 절약 기능의 확대, 노이즈 감소 등으로 전개되고 있으며, TFT-LCD용 인버터의 개발 방향은 저전력화, 고효율화, 소형화로 나아가고 있다. 게다가 최근에는 태양광 발전의 활성화에 따라 인버터의 수요가 확대되고 있으며, 향후에도 응용범위가 지속적으로 확대될 것으로 전망된다.
취재 이명규 기자(press6@engnews.co.kr)
1. 인버터 산업의 개요
(1) 인버터란?
인버터란 모터(3상 유도 전동기)의 속도를 변화시키는 장치로 에너지 절약, 공장자동화 합리화에 필수불가결한 제품으로 평가된다.
기술집약적인 제품인 인버터는 기술의 라이프사이클이 20년 이상으로 길고, 산업의 전후방 효과가 매우 크다. 또한, 다품종 소량생산구조를 취하고 있으며, 경기변동의 영향을 많이 받는다는 특징이 있다.
인버터는 지난 1950년대 미국의 GE사에서 사이리스터 방식으로 처음 개발돼 시장에 등장했다. 처음에는 공장자동화 분야를 중심으로 수요가 급속히 늘어났고, 이제는 가장 널리 사용되는 전동기 가변속기기로 평가받고 있다.
한편 국내에서는 1980년대 초반, 생산성 및 품질 향상을 목적으로 공장자동화기기를 대상으로 사용되다가 점차적으로 에너지 절약의 중요성이 부각되면서 생산성 및 품질향상 외에도 에너지 절약을 목적으로 사용되고 있다.
(2) 인버터의 분류
대부분 사용용도에 따라 전용 인버터와 범용 인버터로 분류되는 인버터를 적용하기 위해서는 사용자가 사용자 특성에 맞는 인버터를 선정하는 것이 상당히 중요한 과제라 할 수 있다.
전용 인버터의 경우에는 무정전전원장치, 유도가열장치, 용접기의 응용 등 산업구분 용도에 따라 제작되기 때문에 적용되는 산업의 특성에 적합하다는 특징이 있다. 불특정 사용자 다수를 위해 제작되거나 필요 산업에서 용도에 맞게 제작해 사용자에 의해 공급자의 조정이 필요한 인버터(벡터제어형 인버터 등), 사용자로서는 취급을 할 수 없는 정도로 대용량인 인버터(전압형 GOT 인버터, 용량이 400㎾ 이상인 인버터) 등 용도별, 부하 특성별, 운전형태, 시스템 형태에 알맞게 설계·적용돼는 것을 전용인버터로 분류하고 있다.
그에 반해 범용 인버터의 경우에는 산업플랜트 등의 공장설비에서부터 공작기계, 가정용에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있으며, 그 종류도 상당히 많은 편이다.
한편, 인버터는 사용전원의 일정 전압과 일정 주파수를 입력해 시스템 자체에서 교류를 직류로 변환하고, 이를 다시 직류를 교류로 전압과 주파수를 가변해 교류전동기의 가변 속도 제어 및 전력을 가변속 할 수 있기 때문에 광범위한 산업 분야에서 각광받고 있다.
(3) 주요 핵심기술
① 센서리스 벡터 제어 관련 기술
- 변수 추정 기술
변수 추정 기술은 Off-line Tuning과 On-line Tuning으로 나눠지는데, 이는 모두 유도전동기의 내부 변수들인 고정자 저항, 회전자 저항, 상호인덕턴스, 누설인덕턴스, 자기포화양 등을 계산하는 과정이다.
이 과정이 정확하게 이뤄져야만 속도 추정 성능이 구현 가능한데, 과거에는 이러한 계산을 위한 별도의 운전과정 즉, Autotuning 운전을 통해 계산한 후에 모터의 실제 응용운전에 사용했다.
- 속도 추정 기술
속도 추정 기술은 인버터의 전압과 전류만으로 모터의 운전속도를 계산하는 방법이다. 이는 기존의 속도센서를 대체하기 위한 필수적 기술로 속도제어범위, 토크내량, 속도오차량, 속도제어기대대역포 등 4개의 항목에 의해 성능이 평가된다.
② 전력변환 기술
- 전력스위칭 소자
전력스위칭 소자는 인버터 기술의 또 다른 중요한 핵심으로 인버터 산업의 발전은 전력스위칭 소자의 발전에 힘입은 바가 매우 크다.
현재 스위칭 소자는 일부 대용량을 제외한 거의 대부분의 인버터에서 IGBT가 사용되고 있다. IGBT를 내장한 IPM은 기존의 Gate Driver 기능과 보호기능 외에 전류센서 등의 주변기능을 함께 포괄하는 형태로 발전해가고 있다.
- 펄스폭변조(PWM) 변조기업
마이크로프로세서의 응용은 과거 아날로그 PWM 방식에서 쓰이던 단순 비동기 Sine-삼각파 PWM 방식을 지양하고, 매우 발전된 방식을 채용하고 있다. SPACE 벡터 변조의 경우에는 기존 방식보다 전압이용률이 높고 고조파 함유율이 작다는 이점을 가지며, 불연속 변조기법을 도입한 인버터도 늘어나고 있는 추세다.
불연속 변조기법에서는 전류의 크기에 따라 스위칭 하지 않는 구간을 선택하는 방법에 의해 더욱 더 열손실을 줄일 수 있으며, 이러한 변조기술 또한 인버터의 소형화를 위해 필수적이라 할 수 있다. 대표적인 PWM 변조기법에는 대용량 및 고속모터를 중심으로 한 3-레벨 인버터가 있다.
③ 전원회생 및 고조파/역률 관련 기술
기존 인버터의 전원측은 대부분 다이오드 정류방식에 의한 것인데, 고조파 왜곡이 많다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 이러한 왜곡에 의한 국내외적인 규제 및 실제 현장에서의 트러블 발생에 따라 인버터의 노이즈 및 고조파 억제가 중요한 사안이 되고 있다.
최근에는 이러한 고조파 억제를 위해 DC Link Reactor를 장착해 역률을 개선하는 인버터가 선보여지고 있다. 이 제품은 입력 고조파 억제 이외에도 주정류 Capacitor의 리플 전류를 줄임으로 인버터의 수명 향상에 기여하고 있다.
④ 인터페이스(Interface) 기술
최근 산업전자제품 네트워크화의 급속한 진전에 따라 인버터도 이에 대응하는 제품들이 꾸준히 출시되고 있다. 기존의 단자대, 입출력 모듈, 릴레이접점 등이 모두 직렬 통신에 의해 대체되고 있는 추세에 부응하는 제품이라 할 수 있다.
CPU의 성능 향상으로 정보의 전송속도도 빨라지고 온라인으로 정보 교류가 가능해짐에 따라 인버터 내부의 상태 및 지령 전달 등을 상위제어기에서 시행함으로써 종합적인 운전이 가능토록 네트워크 카드 등이 장착된 인버터가 늘어나고 있다.
2. 인버터 산업의 현주소는?
(1) 해외 시장 동향
최근 인버터 시장은 기타 PV 제품의 시장과 함께 급속도로 발전하고 있다.
PV 시스템 시장은 IEA PVPS 국가들에서 2003년 44%에 이어 2004년 55%의 연간 매출 증가를 기록했다. 지난 2004년 1,770㎿가 넘는 용량이 설치됐지만 증가된 용량의 94%는 독일, 일본 그리고 미국의 단지 3국가에만 국한된 것이었다. 특히, 독일은 137%라는 놀라운 성장률을 기록했으며 PV의 설치 용량면에서는 매년 약 22%의 시장 성장률을 보이고 있는 일본을 빠른 속도로 따라잡았다. 이러한 시장은 계통연계형 시스템에 주력하는 시장 지원 메카니즘에 의해 힘을 얻고 있다.
IEA(국제에너지기구)에 따르면 태양광발전은 지난 2006년 150억 달러의 시장규모를 이뤘고 급속한 성장을 거듭했으며, 2010년에는 메모리 반도체 시장 규모와 맞먹는 350억 달러에 달했다. 비록 원자재 수급 , 업체별 증설계획 , 정부의 보조금 제도 등 다양한 변수로 인해 조사기관마다 시장규모에 대한 전망이 차이를 보이고는 있으나 급속한 성장세는 계속될 것으로 판단된다.
태양광발전규모는 성장세를 유지하며 2005년 1,397㎿에서 2010년에는 5,550㎿로 늘어난 것으로 추정되며, 또한 업계에서는 금액 시장이 아닌 태양광발전에 의한 전력 생산에 대해 향후 시장 증가세가 주춤하지 않고 소폭의 증가세를 유지할 것으로 내다보고 있다.
한편, 시장조사 전문기관인 Frost & Sullivan의 보고서에 따르면, 매년 건설되는 인버터를 사용하는 PV 시스템은 2009년의 약 4.9GW에서 2015년에는 약 20GW에 이를 것으로 전망했다. 이 기간 동안의 성장률은 25~35% 사이의 높은 성장률을 나타낸 것으로 추정했다.
지역별 PV 시스템에 적용되는 인버터 시장 전망을 살펴보면, 유럽이 가장 큰 시장을 형성하고 그 다음이 아·태 지역이다. 유럽의 인버터 시장규모는 2009년의 20억 달러 규모에서 2015년에는 54억 달러에 이를 것으로 추정됐다.
북미 지역은 2009년의 3.5억 달러에서 2015년에는 17억 달러에 이를 것으로 예상됐으며, 아·태 지역은 2009년의 약 7억 달러에서 2015년에는 약 30억 달러에 이를 것으로 내다봤다. 이 기간 동안의 성장률(CAGR)은 유럽이 18.4%, 아·태지역이 27.3%, 북미 지역이 30.1%에 이를 것으로 추산된다.
① 유럽과 미국
가장 큰 시장을 형성하고 있는 독일은 계통연계형의 건물 통합형 인버터로 보통 5㎾p 이하의 제품이 오랫동안 우위를 점해왔다. 재생가능에너지법(EEG)에 의해 전력계통으로 수출되는 PV 전력에는 유리한 기준가격(Feed-In Tariff) 적용이 보장돼 ‘10만 옥상 태양열 전기 프로그램‘의 일환으로 주택 건물에 많은 시스템이 설치됐다. 그러나 2004년 EEG가 개정돼 이제는 ㎿급 시스템에 적정한수준의 기준가격(FIT)을 제공하므로 독일 시장은 지상형 PV 발전소로 옮겨가는 추세다.
지상형 시장은 독일에서 가장 빠른 성장세를 보이는 시장 분야로 최근 20~29%의 매출을 차지했다. 그리고 그 동안에 새로운 발전소가 건설된 것을 감안하면 이 비율이 상당히 증가했을 것으로 예상된다. 옥상형 PV설비는 여전히 70%의 시장 점유율을 차지했으며, 건물의 입면(Facades)에 통합시킨 PV 시스템의 설치는 단지 1%에 머물렀다.
지상형 설비는 재생가능에너지원에 대한 스페인의 지원제도에 의해서도 장려되고 있다. 2004년 3월부터 효력이 발휘된 왕실 칙령(Royal Decree 426/2004)은 이전의 칙령을 대체해 스페인 에너지 분야에서 재생가능에너지원을 장려하고 있다. 이 새로운 칙령에는 100㎾p 이상의 대형 발전소가 포함되고 100㎾p 이하 및 이상의 발전소에 대한 기준가격(FIT)을 각각 다르게 규정하고 있다.
현재 출시되고 있는 인버터는 대부분 주거용 PV 시장용으로 일반적으로 2㎾에서 10㎾까지의 용량으로 출시되고 있다. 그러나 메가와트급 시스템 설치의 증가에 따라 몇몇 제조기업에서 대형 지상형 설비를 목표로 하는 새로운 인버터를 출시했으며, 이 인버터에는 SMA의 신제품 Sunny Central, Solectia Renewables의 90㎾ 인버터(90㎾~1㎿급의 PV 설비에 장착 가능), 그리고 Xantrex의 100㎾와 500㎾ 인버터가 있다. Xantrex의 500㎾ 제품은 절연기능이 내장된 독립 트랜스포머와 함께 작동하고, 반면 100㎾ 제품은 자체 내장된 트랜스포머를 갖추고 있다.
유럽시장에서 인버터 판매는 주로 독일과 스페인에서 이뤄지지만 여러 가지 기술 규정과 서로 다른 기후로 인해 작동 조건은 상이하다. 스페인 시장을 목표로 고온의 작동 온도에서 고온 효율 유지에 중점을 두고 있는 기업들이 있는 반면, 기온이 좀 더 낮은 독일시장을 목표로 하는 기업들에게 온도는 큰 문제가 되지 않는다. 트랜스포머 Less 타입의 인버터는 독일 시장에서 허용되는 반면, 스페인, 영국, 그리고 미국에서는 승인되지 않는다. 이것은 독일 시장을 겨냥하고 있는 대다수의 새로운 인버터가 효율을 향상하고 무게와 비용을 줄인 트랜스포머 타입이라는 점에서 중요한 문제라 할 수 있다.
② 중국
중국의 인버터 시장 현황을 살펴보면, 중국 경제가 발전하면서 유색 금속·야금·기계 등 산업에서 인버터에 대한 수요가 증가했으며, 중국의 시장도 끊임없이 커지고 있다. 과거 몇 년간 중국 인버터 시장은 12~15% 성장속도를 유지했고 향후 5년간 지속적으로 10% 이상의 증가율을 유지할 것으로 예측되고 있다.
후이총(慧聰)업종연구소에 따르면, 지난 2006년의 중국 중저압 인버터시장 판매액은 약 76억 위안에 달해 중국 전체 인버터 판매액의 80%를 차지할 정도였다.
아직까지 중국의 인버터 시장은 외국제품이 대체로 시장을 점유하고 있다. 중국 로컬 제품의 시장점유율이 2005년 15%에서 2006년 20%까지 확대됐으나 여전히 외국제품의 의존도가 높은 실정이다.
국가별로는 일본 제품이 시장의 30%를 점유, 유럽·미국제품이 40%, 대만·한국 제품이 약 10%를 차지하고 있는 것으로 파악되고 있다. 잉웨이텅(英威藤), 썬란(森蘭), 후이촨(匯川) 등 중국 로컬제품이 급성장하고 있으나, 선진 외국제품과 비교하면 기술수준·자금력·생산관리 등에서 여전히 큰 격차가 있다. 중국에 진출한 외국 기업은 약 40개사 정도이며, 그 중 90% 이상이 중저압 위주다.
일본제품은 중국 시장에 가장 먼저 진출, 중국시장을 거의 점유한 적도 있었으나 지금은 유럽·미국 브랜드 등에 밀려 시장점유율이 30%로 떨어졌다. 후지, Toshiba, Mitsubishi, Yaskawa Sanken, Hitachi, National, Panasonic, meiden, Omron, Kasuga 등이 대표적인 기업이다.
유럽·미국 기업들의 시장점유율도 40%에 달하며, 특히 ABB, Siemens의 시장점유율이 현저히 높은 편이다.
한국 제품은 중국시장에서 지명도가 있는 브랜드가 많지 않지만, 한국 브랜드 중 유일하게 LS가 공업용 세탁기 전용 인버터 시장에서 시장점유율 40%에 달하고 있는 것으로 추정된다. 중국 공업용 세탁기 전용 인버터 시장은 연간 약 600만 달러 규모로, 그 중 LS는 이 분야의 규모에서 연 250만~300만 달러의 매출을 이룩했다.
③ 일본
일본의 범용 인버터 시장을 살펴보면, 자동차 산업이나 액정, 반도체장치용은 약세를 보였지만, 팬펌프를 비롯해 호이스트 크레인용 등의 신규 수요가 발생했다. 해외도 공조 팬펌프, 빌딩용 엘리베이터 등 중대형 기종을 중심으로 확대됐다.
최근 일본의 설비투자는 급속히 냉각됐으며, 해외시장도 중국 수요의 둔화, 금융위기를 계기로 하는 세계적인 경기 후퇴에 의해 부진을 보이기 시작했다. 다만, 안정된 국내 수요와 신흥국에서의 수요 확대로 인해 향후 시장은 확대될 것으로 전망되고 있다.
(2) 국내 시장 동향
세계적으로 전기에너지에 대한 수요와 공급의 불균형에 따른 에너지 절약의 일환으로 인버터에 대한 수요가 급증하기 시작했다. 특히 1973년 제1차 에너지 파동과 1979년 석유파동(제2차 에너지 파동)을 계기로 산업기계나 설비 구동원으로 에너지 절약 효과를 높이기 위한 개발이 가속화됐던 것이다.
그에 따라 국내에서도 인버터를 이용한 에너지 절감효과가 크다는 인식이 확산돼 정부 및 관련기관에서도 에너지 절약설비 중 가장 효과적인 것으로 인버터를 선정하며 인버터 확산 사업을 추진했다.
1990년대 정부에서는 국내 인버터 기술력이 세계 수준에 미치지 못하는 상황에서 국내 기업 및 시장을 보호하고자 정부에서 수입선다변화제도를 시행했다. 이 제도에 의해 인버터의 경우 해외 기업에서 직접적인 판매를 할 수 없었고, 결국 당시 국내 인버터 제조기업이었던 LG산전, 현대중공업, 삼성항공 등에서 외국 기업와의 기술제휴를 통해 생산판매를 진행했다. 그 후 2000년대 들어서 외국 기업들의 직접 판매가 가능하게 되면서 국내 시장에서도 외국 기업들의 진출이 활발하게 이뤄지게 됐다.
한편, 인버터는 기술적인 부분에 있어서도 과거 트랜지스터를 사용하던 것에서 IGBT라는 신소자로 대체됐다. 제어 자체도 고정밀 고기능으로 변화해 단순히 모터를 구동하는 것이 아닌 기계 특성에 맞게 아주 세밀한 제어가 가능하게 됐다.
국내 인버터 시장은 처음 도입된 80년대 이후 90년대 이르기까지는 매년 20~30%의 꾸준한 성장을 보여왔으나, 최근 몇 년 동안은 성장세가 미미한 수준으로 주춤한 모습을 보이고 있다.
현재 국내 인버터 시장은 30~40% 이상의 점유율을 보이며 가장 큰 시장을 차지하고 있는 LS산전을 비롯한 국내 제조업체들과 야스카와, 지멘스, 로크웰, ABB, 댄포스, 미쓰비시 등의 외국 기업들이 경쟁하고 있는 추세로, 향후 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망된다.
3. 인버터 산업의 기술전망, 어떠한 특징을 갖나?
인버터의 발전은 전력용 반도체, 마이크로프로세서로 대표되는 H/W 및 PWM 파형 합성, 전동기의 운전 등의 제어기술로 분류해 짚어 볼 수 있다. H/W의 발전은 이미 급속도로 진행됐기 때문에 사이즈 등에서 당분간 획기적인 신기술이 개발되어 적용되는 것보다 다소 개선, 보완하는 수준의 발전이 예상된다.
주요 이슈로는 진동억제, 관성체의 고 응답 제어, 토크 리플 경감 등이 있으며, 고객의 요구가 분야별로 다양해지고 있으므로 각 부하나 고객상황에 맞는 전용인버터 개발 공급이 보다 활성화돼 이에 대해 쉽게 대응이 가능한 구조를 가진 제품이 준비될 것으로 전망된다.
(1) 소형, 저비용화 기술
인버터가 급속히 발전된 부분 중의 하나가 바로 이 소형화 분야이다. 일본의 경우를 보면 범용 인버터가 처음 나온 1981년에 비해 현재 약 1/11로 소형화됐다. 이 초소형화 기술의 배경은 생산기업에 따라 다음 두 가지로 구분될 수 있다.
첫째는 반도체 제조기술을 응용해 복합금속기판에 파워회로와 제어회로를 동시에 탑재하는 방식이며, 다음은 제어회로는 종래의 PCB를 그대로 사용하고 파워회로는 제어부분을 포함한 ASIPM(Application Specific Intelligent Power Module)화에 의한 초소형화를 실현하는 방식이다. 이러한 기술에 의해 인버터는 부품수의 저감을 이룰 수 있게 되었으며, 자동화의 확대가 가능해져 생산 코스트 절감과 함께 제품 신뢰성을 향상시키게 됐다.
단, 지속적으로 인버터 내부의 집적화는 추구되고 있으나, 너무 소형화될 경우 오히려 배선이나 보수가 어려워져 고객이 사용하기 어렵게 될 것을 우려해 당분간 더 이상의 크기 축소는 추진하지 않을 것으로 보인다.
(2) 제어 성능의 향상
범용 인버터의 적용 분야가 확대됨에 따라 제어의 고성능화를 요구하는 니즈가 증대됐고, 특히 반송기계나 공작기계를 비롯한 FA기기 분야에서 토크 제어 특성 등의 제어성능 향상이 요구돼왔다.
지금까지 적용돼 온 V/F제어(전압/주파수 제어)에서는 저속회전시의 토크 부족이나 급 가·감속시의 과전류 트립 등의 문제가 크게 대두됐는데, 자속 벡터 제어 등 센서리스 벡타 제어방식을 도입해 범용 인버터도 저속에서 150% 이상의 토크를 보증하는 시대가 됐다. 또한 저속에서의 운전도 맥동 없이 매끄러운 운전이 가능해 안정된 저속운전을 실현한다. 이 수준 이상의 토크나 저속 운전을 필요로 할 경우에는 전동기의 속도나 위치를 검출하는 엔코더가 부착돼 있는 전용 벡터 제어 인버터가 사용되기 때문에 범용 인버터가 이제는 일반 기계제어에서는 어느 정도 충분한 성능을 가지게 됐다고 봐도 무방하다. 이에 따라 범용 인버터에서는 저속 토크의 개선뿐만 아니라 사용의 용이성, 각 부하에 맞는 전용기능 등의 개발에도 중점을 두고 있다. 특히 기계장치의 차별화를 요구하는 고객들이 늘고 있어 특정 고객 전용의 S/W 또는 H/W를 갖는 전용기능의 개발이 큰 폭으로 증대될 것으로 예상된다.
(3) 사용 용이성의 확대
범용 인버터가 광범위한 분야에서 사용되고 있는 만큼 사용하고 있는 고객의 기술수준도 다양해 사용에 어려움을 느끼는 고객들도 많이 있다. 이에 대응하기 위해 Loader의 사용법 개선뿐만 아니라 문제를 해결한 것이다. 각종 트러블 발생의 예방을 위해 인버터가 스스로 최적제어를 할 수 있게 자동 설정해주는 기능을 채용하고 있다.
가·감속 운전 패턴을 수동으로 설정할 경우, 가·감속시 과전류 및 과전압이 발생해 운전이 정지되는 것을 방지하기 위해 스스로 최적의 가·감속 패턴을 설정하는 것이나, 전동기 상수를 모르거나 운전 방법에 대한 정확한 이해 부족으로 저속에서 토크가 부족해지는 것을 막기 위한 Auto-Tuning 기능 등을 예로 들 수 있다.
또한, 최근에 PC가 널리 보급되어 PC를 능숙하게 사용할 수 있는 사용자가 급격히 늘어남에 따라 PC를 사용해 원격에서 전동기를 구동하면서 전동기를 감시, 운용, 보수할 수 있도록 PC를 비롯한 각종 정보기기와 인터페이스 연결 등 각종 통신에 대한 요구사양도 다양화되고 있다. 이의 해결을 위해 RS485 Port나 Option으로 PLC통신, 세계적으로 사용되고 있는 Open Network의 하나인 Device-Net, Profibus 인터페이스 카드 등을 개발해 보급하고 있으며, 프로그램 작성을 PC상에서 쉽게 할 수 있도록 프로그램 작성용 PC S/W를 개발 보급중이다.
(4) 에너지 절약 기능의 확대
근래 들어 환경 문제와 더불어 에너지 절약 분위기 확대에 따라 대표적으로 에너지 사용량이 많은 전동기의 에너지 사용량을 줄이기 위해 인버터의 보급이 확대되고 있다. 특히 최근에는 정부의 정책 자금을 지원 받아 수행하는 ESCO사업이 활성화되고, 한전의 인버터 [고]마크 제도가 시행됨에 따라 대표적인 에너지 절약기기로 부상했다. 인버터는 정속 운전 중에 부하조건에 따라 자동적으로 출력전압을 조정해 FAN, 공조기기 등 일정속도로 장시간에 걸쳐 운전하는 기계에 큰 에너지 절감 효과를 보이고 있기 때문이다.
최근에는 인버터의 자체 효율이 95%를 넘어서고 있기 때문에 인버터 자체의 에너지 절감보다는 인버터에서 전체 기계에 얼마나 효율적으로 에너지가 절약될 수 있을 것인가에 대해 연구되고 있으며, 또한 전동기가 발생하는 자체의 여자전류를 없애기 위해 자계 발생용 영구자석이 들어 있는 직류 브러시 Less 전동기를 이용하려는 움직임도 점차 활성화되어 갈 것으로 예상된다.
(5) 노이즈
과거에는 인버터를 사용해 전동기를 운전할 경우 전동기에서 발생하는 전자 소음을 줄이기 위해 사람이 들을 수 없는 고주파로 스위칭을 하는 고주파캐리어 PWM 제어 방식을 적용해왔으나, 이의 역 작용으로 인버터가 주요 노이즈 발생원이 되기도 했다. 이 부분의 해소를 위해, 최근에는 스위칭 주파수를 저Hz까지 영역을 낮출 수 있게 하거나, 새로운 Soft PWM 제어방식을 적용되고 있다.
일반적으로 범용 인버터가 발생하고 있는 노이즈에는 고주파 노이즈 즉 전파 노이즈와 전원주파수의 40배 정도까지 낮은 저주파 노이즈 즉 전원고조파가 있다. 전파노이즈는 범용 인버터의 핵심 소자인 전력용반도체 IGBT가 초당 수~수십 kHz로 동작하여 발생하기 쉽다. 일반적으로 전자파 차단의 재료를 실장하거나 배선으로 전달되는 전도성 노이즈에 대해서는 Filter를 사용하고 있으나, 이를 줄이기 위해 다양한 PWM 제어 방식이 연구됐으며, 일부는 제품에 탑재되고 있다. 고조파 해결을 위해서는 인버터 내부의 컨버터 전후에 교류 리액터를 삽입하거나 인버터용 PWM 컨버터를 사용하고 있으나, 높은 가격이 요구되는 단점이 있다.
(6) 안전규격
인버터가 장착되는 각종 기계들은 이제 국내뿐 아니라 전 세계로 수출되고 있어 국내에서 판매된 인버터의 사용 장소가 전 세계로 넓어지고 있다. 이에 따라 이제는 세계 각국에서 요구되는 규격의 취득이 요구되고 있다.
안전규격은 주로 연기발생, 발화 방지를 위한 재료 사용과 감전 방지를 위한 절연 및 구조를 요구하고 있다. 유럽에서는 CE마크, 북미에서는 UL마크가 요구되고 있는데 UL은 부품의 연소방지 재질 채용, 절단면, 절연 고리, 장치의 틈, 내부 콘덴서의 자연방전 시간 등을 규정하고 있다. 그러나 이에 전부 대응하기 위해서는 별도의 비용이 추가되기 때문에 국내 인버터 기업들은 일반 규격제품과 이들 규격 대응 제품을 별도로 생산하고 있어 규격 취득제품 구입시 제조사에 별도의 문의가 필요하다.
4. 국내 인버터 산업이 발전하기 위한 방안
인버터는 모터가 쓰이는 산업에 있어서는 거의 다 사용되고 있을 정도로 산업 전반에 큰 영향을 미쳐왔다. 산업과 밀접한 연관을 갖는 인버터 산업이 계속 활성화되기 위해서는 현재의 경기침체가 해소돼 생산을 위한 기계 설비투자가 이뤄져야 한다.
그러나 현재 국내 인버터 산업은 국내 시장이 이미 포화상태여서 기업간 경쟁이 심화된 가운데 세계적인 경기 불황으로 인한 기업의 설비 투자가 감소한 실정이다. 여기에 기업들의 가격덤핑으로 인해 수량이 늘어도 금액적인 시장 증가가 이뤄지지 않는다는 문제가 발생하고 있다. 즉, 국내 인버터 시장은 특히 고효율 인버터가 지나치게 저렴한 가격으로 판매돼 고효율 인버터의 수량이 매년 꾸준히 증가하고 있음에도 불구하고 현실적으로 금액적인 수치가 늘어나지 않는 상황인 것이다.
또한, 기술적으로 국내 기업이 범용 인버터에 있어서는 수입제품과 비교해 뒤처지지 않을 만큼의 경쟁력을 갖추고 있으나, 여전히 수입제품에 비해 어플리케이션의 제한이 크다는 것도 장애요소로 작용하고 있다. 그에 따라 전체적인 국내 인버터 시장 점유는 국내 기업이 절반 이상의 많은 부분을 차지하는 반면, 특수 인버터 시장에 한해서는 대부분 수입 기업이 차지하는 실정이다.
국내 인버터 시장이 활성화되기 위해서는 우선 전반적인 산업 활성화가 가장 우선되어야 하지만, 국내 기업 스스로 어려움을 타개하기 위해 포화상태인 국내 내수시장에서 벗어나 새로운 시장 개척을 모색해야 할 것으로 판단된다. 포화된 국내 시장에서 벗어나 새로운 수요창출을 위해서는 세계시장으로의 진출을 보다 적극적으로 모색해야 한다. 세계시장 진출은 새로운 시장 개척 외에도 해외 기업들과의 경쟁을 통해 기술발전을 이룰 수 있는 계기로 작용할 것으로 판단된다.
또한, 인버터 산업은 에너지 절감 부분에 있어 고효율 인버터 시장에서 정부의 정책 지원이 절대적이라 할 수 있다. 이처럼 정부의 지원책이 산업 활성화에큰 역할을 하는 만큼 기업의 투자 확대가 일어나도록 정부의 지원이 지속적으로 이뤄져야 할 것으로 사료된다. 특히 정부에서는 태양광 등 친환경 관련 에너지 절감에 대한 인버터 관련 투자를 많이 하고는 있으나, 이는 저압인버터에 한해서만 적용되므로 실질적으로 고압인버터, 대형인버터 등에 대한 지원도 필요하다는 점을 인지해야 할 것이다.
출처. LS산전
5. 마무리
인버터는 과거에 주로 산업계, 특히 공장의 자동화가 주요 대상 시장이었으나, 1990대에 들어서면서 점차 에너지 절약의 요구가 증대되어 빌딩의 공조시설이나 펌프 등의 유체 이송으로 영역이 점차 확대되어 왔다.
2000년대 들어서는 건강기기, 유희용 설비 등 비산업용으로의 수요가 증가되는 등 사용영역이 인버터 메이커들도 전부 다 파악하기 어려울 정도로 넓어져 모터에의 인버터 장착율이 수년 전 3%대에서 6~7% 이상으로 확대된 것으로 추정되고 있다.
현재 국내에서도 LS산전을 비롯한 11개의 생산, 공급 기업을 포함해 20여개사가 넘는 국내외 인버터 공급기업이 경쟁을 하는 등 시장규모에 비해 과다한 기업이 참여하고 있어 치열한 경쟁이 전개되고 있는데, 앞으로도 당분간은 이러한 추세가 지속될 것으로 예상된다.
최근에는 환경문제와 결부돼 에너지를 절약하기 위한 각종 정부 정책 및 기업들의 움직임이 점차 가시화됨에 따라 대표적인 에너지 절약기기로서의 중요성이 더욱 커지고 있는 인버터.
과거 가격적인 부분으로 인해 기계식 가변속기를, 성능적인 부분 때문에 DC전동기 시장을 대체하지 못했지만, 최근 인버터의 급속한 기술 발전이 이뤄져 이들 시장을 빠른 속도로 대체하고 있으므로 앞으로는 가정용, 상업용 등 비산업용의 수요도 확대될 것으로 기대된다.
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 대표적인 에너지 절약기기, ‘인버터’ 저전력화, 고효율화, 소형화로 거듭나야 한다!
