압축기 전력 절감 솔루션, 인버터 제어가 최선인가?

압축기 전력 절감 솔루션, 인버터 제어가 최선인가?

압축 공기를 사용하기 위하여 지불되어야 하는 비용에는 여러가지가 있다.
그중 대표적인 것으로 시스템 도입을 위한 기계 장치 구매 비용이 있을 수 있고, 장치 설치 및 배관 비용, 압축기 및 부대 설비 운용을 위해 필수적인 소모품 비용과 함께 공기 압축기와 부대 설비가 소모하는 전력 비용이 있을 수 있다.

그럼 압축 공기 사용을 위해 지불되는 비용 중  가장 큰 비중을 차지하는 것은 어떤 비용일까?

통계에 따르면 10년간 압축 공기 시스템을 운용하면서 지불되는 비용은 다음과 같으며 그중 전력 비용이 가장 큰 것을 알 수 있다.

지불되는 비용 구성을 보면 압축 공기 사용을 위해 지불되는 비용 절감의 목표는 곧 전력 비용 절감이라는 것을 알 수 있다.

이러한 관점에서 최근의 압축 공기 시스템 운용에 필요한 비용의 절감은 높은 전력 효율을 갖는 설비의 도입 및 압축 공기 생산에 소요되는 전력 비용을 절감하는데 집중되고 있다.
인버터를 채용한 공기 압축기의 사용 및 효율이 우수한 PM Motor 사용이 확대되고 있는 것도 이러한 맥락으로 이해 할 수 있다.

본격적인 논의에 앞서 일반 제어 방식 압축기와 인버터 제어 방식 압축기의 운전 패턴에 대해서 알아보자.

공기 압축기는 기동을 시작하면 Operator가 정지 시키지 않는 한 계속 운전 상태에 놓이게 된다.(시퀀스 조건에 따라 자동 정지 되는 경우도 있지만 이 경우는 예외로 한다) 다시 말해 공기 압축기의 Motor는 기동 시작부터 정지 하기 까지 연속적으로 가동 된다.
그런데 압축 공기의 생산은 압축 공기 사용량에 따라 달라질 수 있다. 압축 공기 사용량이 증가하면 생산량은 증가 하고 사용량이 감소하면 생산량 역시 감소하며 설정된 압력 이하가 되면 생산을 중단하기도 한다.

다시 정리하면 공기 압축기의 Motor는 지속적으로 운전 되는데 반하여 압축 공기 생산은 그렇지 않다는 뜻이다. 압축 공기 사용 조건에 따라 압축 공기 생산이 중단되는 때가 생기는데 통상 이런 조건을 무 부하 운전이라고 한다. 공기 압축기의 Motor는 공기 압축기가 무 부하 운전을 할 때조차 지속적으로 운전 되며 이 때 불 필요한 전력을 소비하게 된다.

무 부하 운전 시 소비되는 전력량은 여러가지 조건에 따라 다르지만 대략 부하 운전 소비 전력의 50 ~ 70 % 정도로서 낭비되는 전력량이 꽤 많은 것을 알 수 있다.(전력 소비 그래프 참조)

그림에서 보면 공기 압축기의 Motor는 부하 운전과 무 부하 운전에 관계 없이 1700rpm(4Pole 기준)으로 계속 회전한다. 그러나 전력 소비는 Load 운전 조건에서는 정격 전력이 소비 되면서 압축 공기를 생산 하지만 Unload 조건에서는 정격 전력의 50 ~ 70%를 소비하지만 압축 공기는 생산하지 않아 불 필요한 전력을 소비하는 것을 알 수 있다.

정리하면 공기 압축기가 가동되는 총 운전 시간(t) 중 소비되는 전력량은 “L1 + L2 + L3 + U1 + U2 + U3″가 되지만 압축 공기 생산에 사용되는 전력은 “L1 + L2 + L3” 뿐이고 “U1 + U2 + U3″는 불 필요한 전력이 된다는 뜻이다.

인버터 제어의 목표는 “U1 + U2 + U3″를 없애는 것으로 전체 가동 시간(t) 중 압축 공기 사용량에 따라 Motor의 회전수를 조정한다면 “L1 + L2 + L3″의 동력 만으로 동일한 양의 압축 공기를 생산할 수 있다는 것으로 사용자는 목표 압력만 설정하면 인버터가 알아서 Motor의 회전수를 제어하게 된다.

위에서 알아본 것처럼 인버터를 채용한 압축기의 전력 절감 원리는 압축 공기를 생산하지 않으면서도 Motor가 운전 하며 소비하는 전력을 줄이는 것임을 알았다.

이를 실 생활에서 접할 수 있는 자동차를 비교해 보면 보다 쉽게 이해 할 수 있다.
일반 자동차(스틱 또는 Auto)와 쿠르즈 제어가 가능한 자동차를 비교 해 보자. 일반 자동차는 운전자가 액셀과 변속기를 조작하여 주행하지만 쿠르즈 제어를 선택 하면 주어진 조건(속도)에 따라 변속 및 액셀 조작을 자동차의 제어 프로그램이 자동으로 조작, 주행 한다.
운전 편의성 부분과는 별개로 고속도로 등 장거리 운전의 경우 연비는 일반 주행의 경우보다 쿠르즈 주행이 월등히 좋은 것을 경험적으로 알 수 있다. 정확하게 일치하지는 않지만 인버터 제어 방식이 쿠르즈 주행과 같다고 볼 수 있다.

그런데 쿠르즈 주행 모드로 운행하게 되면 어떤 경우라도 일반 주행에 비하여 연비가 뛰어난 것인가?
다음의 도로 조건을 보면 답을 쉽게 알 수 있다.

왼쪽의 하행선을 주행하는 쿠르즈 주행 차량과 오른쪽의 상행선을 주행하는 쿠르즈 주행 차량 중 어떤 경우에서 연비가 우수 할까?
이 물음에 대한 답은 굳이 다른 설명을 하지 않아도 경험적으로 쉽게 알 수 있다.
더구나 오른쪽 상행선 주행 차량의 경우에는 굳이 쿠르즈 주행은 필요하지도 않을 수 있다.
이 경우는 비록 극단적인 비교이긴 하지만 쿠르즈 주행을 할 때 어느 조건이 되어야 우수한 연비를 기대할 수 있는지 쉽게 알 수 있다.

공기 압축기의 경우도 마찬가지다. 인버터 제어 압축기라 할지라도 에너지 절감 효과를 기대 하기 위해서는 오른쪽의 상행선 보다는 왼쪽의 하행선일 필요가 있다.
그러나 이런 조건은 단순한 비교 일 뿐 실제 에너지 절감 효과를 기대하기 위해서는 여러가지 조건을 고려하여야 한다.
분명한 것은 인버터 제어 압축기를 사용하는 것 만으로 에너지 절감을 기대할 수 있는 것은 아니라는 것이다.

공기 압축기의 에너지 절감을 위한 방법은 인버터 제어 이외에 다양한 방법이 있으며 압축 공기 시스템과 압축 공기 사용량, 압축 공기 사용 패턴 등을 종합적으로 고려하여 적절한 방법을 선택 해야 한다.