인버터 Compressor 의 에너지 절감

1. 인버터 Compressor의 에너지 절감 대 양 코 퍼 레 숀 현대중공업 DRIVE 시스템 대리점 1688-4393

2. 인버터 컴프레서의 개발 배경 • 인버터 제어 기술 : 1980년대 부터 모터의 속도 변환을 위해 기계장치에 광범위하게 적용되어 왔음 • 인버터의 모터 제어 원리 : Variable Voltage Variable Frequency 1) 삼상 인덕션 모터의 회전수 : 입력 전원의 주파수에 비례 2) 모터로 공급되는 전원의 전압과 주파수를 변환하여 공급함으로써 회전수를 변화시킴 3) 60Hz 삼상전원 -> 인버터에서 직류로 변환 -> PWM 교조파 형태로 주파수 변환 출력 • 1990년대 중반 유럽의 선진메이커에서 인버터 컴프레서 최초 출시, 2000년대 급속히 보급이 확산되어 선진시장의 경우 전체 스크루컴프레서의 20~30%가 인버터형이 보급됨 (선진시장의 상대적으로 높은 전력비가 보급을 촉진시킴 : EU 약 110원/KWH) • 한국시장 1) 2000년 A/Copco에 의해 국내에 최초로 판매가 시작됨 2) 고효율 기자재 보급시책 및 원유가 폭등으로 인한 에너지 비용의 상승을 배경으로 2002년 이후높은 성장세를 유지, 2005년~2008년 사이에 전력비 단계적 상승 확정 3) 컴프레서의 경우 에너지원의 일종 → 설비 구매 비용을 포함 전체 운용비용을 절감하고자 하는 관리 포인트의 변화 → 전체 비용의 80%를 차지하는 전력비 절감의 중요성 증대

3. 인버터 컴프레서의 제어 시스템 구성 Micos-Ⅱ 전용 콘트롤러 User Interface LCD (Display) Operate & Status LED (Switch 8EA & LED 7EA) 내부 연산 CPU (VSD & Sequence Control) 주변 System Control& Sensing Interface (Input 16 & Output 12)

4. 공장의 압축공기 사용 패턴 비교 공기수요량 변동 작음 공기수요량 변동 매우 큼

5. 구 분 구 조 특 징 제어 방식 L/UL 방식 .전자밸브로 로딩/언로딩 제어 .무부하 시 흡입밸브를 완전히 닫고 오리피스를 통하여 최소량의 공기만을 흡입 압축하는 방식 .무부하 : 압축공기 생산하지않음 .부하/무부하 절환 시의 기계적 충격 발생 .무부하 동력 : 35~40% .기동방식 : Y-△ 모듈레이션 방식 .기본 구조는 L/UL 방식과 동일함 .별도의 모듈레이션 제어 밸브를 사용하여 흡입 공기량을 제어하는 방식 .무부하 : 최소량의 압축공기를 생산함 .부하/무부하 절환을 최소화 할수 있어 기계적 충격이 작음 .공장의 실제 사용량이 정격의 70% 이상일 경우 L/UL방식 보다 동력비 절감, 가동률이 70% 이하일 경우 전력비가 상승됨 가변속제어 방식 (인버터) . 인버터를 이용하여 실제 공장의 사용 공기량을 모터의 회전수를 조정하여 가변하는 방식 .소프트 기동/정지로 충격 최소화 -> 기계적 수명 연장 .무부하 전력 최소화 가능 (최대 30% 절감 가능) 컴프레서 제어 방법에 따른 특징

6. 컴프레서 제어 방법에 따른 에너지 소비 패턴 • 컴프레서 기동 방식 (1) 부하/무부하 기동 (2) 모듈레이션 기동 (3) 가변속도 제어방식 ( 인버터 ) • 컴프레서의 가동률 60% 이상일 경우 모듈레이션 기동방식이 유리함 • 컴프레서 가동률이 낮을 경우 모듈레이션 방식이 더욱 높은 전력비를 소모함 • 좌표에서 나타나듯 인버터 방식이 에너지 절감율 높음

7. 13 2.5 2.4 12 2.3 2.2 11 2.1 10 2.0 1.9 Shaft Power (kW) 9 1.8 1.7 8 1.6 7 1.5 1.4 6 1.3 5 1.2 Capacity (m3/min) 1.1 4 1.0 0.9 3 0.8 2 0.7 0.6 1 0.5 0 0.4 2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500 Male Rotor Speed (RPM) 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 1. 스크루 컴프레서의 속도 특성 : 속도와 공기량 & 동력의 선형성

8. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 2. 무부하 가동 전력의 절감 공기량 부하 전력 무부하 전력 라인 압력 공기량 전력량 라인압력

9. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 3. 기동시 피크 전력의 절감 • 직입 기동 : 정격전류의 700~800% • Y-△ 기동 : 정격 전류의 250~300% • 인버터 기동 : No Peak • 장점 (1) 기동 피크 전력 절감 (2) 공장의 피크 관리에 유리 -> 수전설비 용량 감소

10. Load / Unload +1.0 bar Energy Saving 인버터 +0.2 bar 실사용 평균 요구 압력 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 4. 라인 압력의 저감에 의한 전력 절감 • 부하/무부하, 모듈레이션 제어방식 대비 사용압력을 0.8~1 bar 낮게 사용함 • 낮은 토출압력으로 인한 전력비 절감 (1) 1bar 저하 시 5~7% 절감 (2) 75KW 기준 -> 약 5KW 절감 가능

11. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 5. 병렬 제어 시의 토출압력 제어 범위 Top Load 컴프레서 Base Load 컴프레서 일반형 컴프레서의 연동 제어 범위 인버터컴프레서의 연동 제어 범위 • 일반형 컴프레서의 병렬 운전 압력 제어 범위 (최소압력 7bar) . 병렬운전 압력 제어 범위 : 7.0 ~ 8.5 bar (△P = 1.5 bar) • 인버터형 컴프레서의 병렬 운전 압력 제어 범위 (최소압력 7bar) . 병렬운전 압력 제어 범위 : 7.0 ~ 7.5 bar (△P = 0.5 bar)

12. 450 마력 300 마력 150 마력 일 월 화 수 목 금 공기 수요량 분석 예 • Max. Air Demand • Min. Air Demand • Average Air Demand • Variation of Air Demand VSD Compressor Model

13. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 6. 인버터 적용에 의한 실 절감 사례 (로딩 / 언로딩時 전류 및 소요전력)

14. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 6. 인버터 적용에 의한 실 절감 사례 (인버터 적용時 전류 및 소요전력)

15. 인버터 컴프레서의 에너지 절감 원리 6. 인버터 적용에 의한 실 절감 사례 (인버터 적용時 소요전력 절감) • 직입 운전 時 : 시간당 평균전력 ------ 99.73KWh • 가동 시간 : 24hour • 월 평균 가동일 : 30日 (1) 월 전기료 : 99.73KWh x 24 h x 30日x 75원/1kwh = 5,385,420원 • 인버터 운전時 : 시간당 평균전력 --- 61.91KWh • 가동시간 : 24hour • 월 평균 가동일 : 30日 (1) 월 전기료 : 61.91KWh x 24 h x 30日x 75원/1kwh = 3,343,140원 * 월간절감액 : 5,385,420원-3,343,140원 = 2,042,280원 (38%절감) 12개월 x 2,042,280원 = 24,507,360원

16. 결 론 • 인버터 컴프레서의 장점 (1) 전력비 절감 : 가동률 70%기준 전체 전력비의 20~25% 절감 (2) 유연한 사용 압력 설정 : 5~12 bar -> 사용압력에 따라 최대 RPM 및 토출량이 변동됨 (3) 피크 전류의 현저한 감소 -> 공장 수전설비의 여유 확보 (4) 과도한 설비 보유를 방지하고 추후 확장성에 유리 (5) Soft Start & Stop : 무부/무부하 전환으로 인한 충격 방지 -> 장비 수명 연장 • 장비 내용 년수 전체 운용비의 20% 절감 가능 • 과도한 설비 투자를 방지함 (1) 공장의 압축공기 사용 현황에 대한 정확한 분석 (2) 현재 사용량 및 향후 증설을 감안한 장비 여유율 분석 (3) 현 보유 설비에 의한 전력비 절감 및 향후 증설을 고려한 전력비 절감액 시뮬레이션 가능