국내 인버터 산업 현황 및 전망은?
글 / 임향묵 기자 mwpkorea@yahoo.co.kr |
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1. 인버터란 인버터란 모터(3상 유도 전동기)의 속도를 변화시키는 장치로 에너지 절약, 공장자동화 합리화에 필수불가결한 장치를 말한다. 인버터의 특징으로는 주파수와 전압을 가변하여 모터의 속도를 제어하는 방식으로 0.5ZH에서 40HZ까지 다양하게 변화시킬 수 있으며, 에너지 절약 분야, 전기자동차, 엘리베이터, 전철 등의 민생분야, 섬유기계, 공작기계, 반송기계, 공장프로세스라인 등의 공장자동화 분야 등에 쓰이고 있다. 이러한 인버터는 지난 1950년대 미국의 GE에서 사이리스터 방식으로 처음 개발되어 시장에 등장하였는데, 처음 공장자동화 분야를 중심으로 수요가 급속히 늘어나면서 이제는 가장 널리 사용되는 전동기 가변속기기가 됐다. 국내에는 80년대 초반 생산성 및 품질 향상을 목적으로 공장자동화 기기를 대상으로 사용되다가 점차적으로 에너지 절약의 중요성이 부각되면서 생산성 및 품질향상 외에도 에너지 절약을 목적으로 사용되고 있다. 인버터는 사용용도에 따라 전용인버터와 범용인버터로 나눠지는 경우가 대부분이며, 전용인버터의 경우 무정전전원장치, 유도가열장치, 용접기의 응용 등 산업구분 용도에 따라 제작되어 그 산업의 특성에 맞는 전용인버터를 제작, 사용하게 된다. 이에 반해 범용인버터의 경우 산업플랜트 등의 공장설비에서부터 공작기계, 가정용에 이르기까지 광범위하게 활용되고 그 종류도 상당히 많다. 인버터를 적용하기 위해서는 사용자가 사용자 특성에 맞는 인버터를 선정하는 것이 상당히 중요한 과제다. 전용인버터는 특정한 특성을 위해 제작된 인버터로서 불특정 사용자 다수를 위해 제작되거나 필요산업에서 용도에 맞게 제작, 사용자에 의해 공급자가 조정이 필요한 인버터(벡터제어형인버터 등), 사용자로서는 취급을 할 수 없는 정도의 대용량인 인버터(전압형GOT인버터, 용량이 400Kw 이상인 인버터) 등 용도별, 부하 특성별, 운전형태, 시스템 형태에 알맞게 설계?적용되어지는 것을 전용인버터로 분류하고 있다. 인버터는 사용전원의 일정전압과 일정주파수를 입력으로 시스템자체서 교류를 직류로 변환하여 다시 직류를 교류로 전압과 주파수를 가변하여 교류전동기의 가변속도 제어 및 전력을 가변속 할 수 있어 광범위한 산업분야에서 각광받고 있다.
2. 주요 핵심기술 (1) 센서리스 벡터제어관련 기술 센서리스 벡터제어 기술은 수 년간 인버터관련 핵심기술로서 부각되어 왔으나, 기존에는 Encoder 가격, 배선의 번거로움 및 노이즈 문제 등으로 고성능이 필요한 분야에 한정되어 사용됐다. 그러나 최근의 제어알고리즘과 마이크로 프로세서 기술의 발전은 센서리스 벡터제어기술의 진보를 가져왔다. 센서리스 벡터제어기술은 다음과 같이 나눌 수 있다.
① 변수 추정 기술 변수 추정 기술은 Off-line tuning과 On-line tuning으로 나눠지는데, 이는 모두 유도전동기의 내부 변수들인 고정자 저항, 회전자 저항, 상호 인덕턴스, 누설인덕턴스, 자기포화양 등을 계산하는 과정이다. 이 과정이 정확하게 이뤄져야만 속도 추정 성능이 구현 가능한 것으로, 과거에는 이러한 계산을 위한 별도의 운전과정 즉, Autotuning운전을 통해 계산 한 후 모터의 실제응용운전에 사용했다.
② 속도 추정 기술 속도 추정 기술은 인버터의 전압과 전류만으로 모터의 운전속도를 계산하는 방법으로서 기존의 속도센서를 대체하기 위한 필수적 기술로 속도제어범위, 토크내량, 속도오차량, 속도제어기대대역포 등 4개의 항목의 의해 성능이 평가된다.
(2) 전력변환 기술 ① 전력스위칭 소자 전력스위칭 소자는 인버터 기술의 또 다른 중요한 핵심으로서 오늘날과 같은 인버터산업의 발전은 전력스위칭 소자의 발전에 힘입은 바가 매우 크다고 할 수 있다. 현재 스위칭 소자는 IGBT가 일부 대용량을 제외하면 거의 대부분의 인버터에서 사용되고 있다. IGBT를 내장한 IPM은 기존의 Gate driver기능과 보호기능 외에 전류센서 등의 주변기능을 함께 포괄하는 형태로 발전해 나가고 있다.
② 펄스폭변조(PWM) 변조기법 마이크로 프로세서의 응용은 과거 아날로그 PWM방식에서 쓰이던 단순 비동기 sine-삼각파 PWM방식을 지양하고 매우 발전된 방식을 채용하고 있다. SPACE 벡터 변조의 경우 기존 방식보다 전압이용률이 높고 고조파 함유율이 작다는 이점을 가지며, 불연속 변조기법을 도입한 인버터도 늘어나고 있는 추세다. 불연속 변조기법에서는 전류의 크기에 따라 스위칭 안하는 구간을 선택하는 방법에 의해 더욱 더 열손실을 줄일 수 있으며 이러한 변조기술 또한 인버터의 소형화를 위해 필수적이다. PWM변조기법 중 대용량 및 고속모터를 중심으로 한 3-레벨 인버터를 들 수 있다.
(3) 전원회생 및 고조파/역률 관련 기술 기존 인버터의 전원측은 대부분 다이오드 정류방식에 의한 것인데 고조파 왜곡이 많다는 문제점을 갖고 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 장착하여 역률을 개선하는 인버터가 선보이고 있다. 이 제품은 입력 고조파 억제 이외에도 주정류 Capacitor의 리플 전류를 줄임으로서 인버터의 수명 향상에 기여하고 있다.
(4) 인터페이스(Interface) 기술 최근 산업전자제품의 네트워크화의 급속한 진전에 따라 인버터도 이에 대응하는 제품들이 꾸준히 출시되고 있다. 기존의 단자대, 입출력 모듈, 릴레이 접점 등이 모두 직렬(serial) 통신에 의해 대체되고 있는 추세에 부응하기 위한 것이라 할 수 있다. CPU의 성능향상으로 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.
3. 국내 인버터 산업 현황 세계적으로 전기에너지에 대한 수요와 공급의 불균형으로 에너지 절약의 일환으로 인버터에 대한 수요가 급증하기 시작했다. 특히 1973년 제1차 에너지 파동과 1979년 석유파동(제 2차 에너지 파동)을 계기로 산업기계나 설비 구동원으로서 에너지 절약 효과를 높이기 위한 개발이 가속화됐다. 즉, 인버터를 이용한 에너지 절감효과가 크다는 인식이 확산되어 정부 및 관련기관에서도 에너지 절약설비 중 가장 효과적인 것으로 인버터를 선정하며 인버터확산 사업을 추진했다. 90년대 국내 인버터 시장은 국내 기술력이 세계수준에 미치지 못하는 상황에서 국내 업체 및 시장을 보호하고자 정부에서 수입선다변화제도를 시행하기에 이르렀다. 이 제도에 의해 인버터의 경우 해외업체에서 직접적인 판매를 할 수 없게 됐다. 결국 당시 국내 인버터 제조업체인 LG산전, 현대중공업, 삼성항공 등에서 외국회사와의 기술제휴를 통해 생산판매를 해야만 했던 시기다. 그 후 2000년대 들어 외국업체들의 직접 판매가 가능하게 되면서 국내시장에 수입업체들의 진출이 활발하게 이뤄지고 있다. 인버터는 기술적인 부분에 있어서도 과거 트랜지스터를 쓰던 것에서 IGBT라는 신소자로 대체되고 있으며, 제어자체도 고정밀 고기능으로 변화하여 단순히 모터를 구동하는 것이 아닌 기계 특성에 맞게 아주 세밀한 제어가 가능하게 됐다. 한편, 인버터 업계관계자들에 따르면 2008년 국내 인버터 시장은 약 1300~1400억원으로 추정되고 있다. 이 가운데 고압 인버터 및 특수 인버터 시장을 제외한 일반 범용 인버터 시장의 경우 약 500억원 안팎으로 나타났다. 국내 인버터 시장은 처음 도입된 80년대 이후 90년대 이르기까지는 매년 20~30%의 꾸준한 성장을 보여 왔으나, 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 수입업체들이 경쟁하고 있는 추세로, 아직까지는 국내 업체들의 점유율이 다소 높은 것으로 추정되고 있으나 향후 그 격차는 더욱 줄어들 것으로 보이고 있다.
4. 국내 인버터 산업의 당면과제 인버터는 모터가 쓰이는 산업에 있어서는 거의 다 사용되고 있을 정도로 산업 전반에 큰 영향을 주어왔다. 과거 팬이나 펌프에 많이 사용되었으며, 자동화 산업 발전의 큰 혁신을 불러 온 계기를 가져옴에 따라 공장 자동화 기계도입으로 무인화되어 가면서 일 처리 능률 상승, 생산 속도 상승, 불량품 감소 등 업무효율이 개선됐다. 또한 에너지 절감에 큰 역할을 하여 에너지를 만들기 위한 공해를 줄이는 친환경산업으로써 도움을 주며 많이 보편화됐다. 이처럼 산업과 밀접한 연관을 갖는 인버터 산업이 계속 활성화되기 위해서는 현재의 경기침체가 해소되어 생산을 위한 기계 설비투자가 이뤄져야 한다. 그러나 현재 국내 인버터 산업은 국내 시장이 이미 포화상태가 되어 업체간의 경쟁이 심화된 가운데 세계적인 경기 불황으로 인해 기업의 설비 투자가 감소, 그로 인한 인버터 시장의 감소 및 정체로 인한 문제점을 보이고 있다. 또한, 금액적인 증가를 보이지 않는 문제에 대해 가이오산업㈜의 김무환 부장은 업체들의 가격덤핑으로 인해 수량이 늘어도 금액적인 시장 증가가 이뤄지지 않는다는 의견을 보였다. 그에 따르면 국내 인버터 시장은 특히 고효율 인버터에 대해 지나치게 저렴한 가격으로 판매하고 있어, 고효율 인버터의 수량이 매년 꾸준히 증가하고 있음에도 불구하고 현실적으로 금액적인 수치가 늘어나지 않는 상황인 것이다. 한편, 국내 인버터의 기술적인 부분에서의 문제점을 살펴보면 국내 업체가 범용인버터에 있어서는 수입제품과 비교해 뒤처지지 않을 만큼의 경쟁력을 갖추고 있지만, 여전히 수입제품에 비해 어플리케이션의 제한이 크다는 것이다. 현재 국내 인버터 시장에서의 점유를 살펴봐도 전체적인 시장 점유는 국내 업체가 절반 이상의 많은 부분을 차지하고 있지만, 특수 인버터 시장에 한해서는 대부분 수입업체가 차지하고 있다는 것에서 이러한 문제를 확인할 수 있다.
5. 국내 인버터 산업의 육성방안 위에서 언급했듯이 국내 인버터 산업 시장은 이미 포화상태로 인해 업체간의 경쟁이 치열해짐에 따라 과다경쟁으로 인한 가격덤핑과 더불어 세계적 경기 침체로 인한 산업 설비 투자 감소로 인한 어려움의 이중고를 겪고 있다. 인버터 시장이 활성화 되기 위해서는 우선 전반적인 산업 활성화가 가장 우선되어야 하지만 이는 인버터 업체가 할 수 있는 사항은 아니라고 봤을 때 업체 스스로 어려움을 타개하기 위해서는 포화상태인 국내 내수시장에서 벗어나 새로운 시장 개척을 모색해야 한다고 본다. 국내 시장은 포화된 상태에서 새로운 수요처 개발을 하지 못하는 상황에서 수요창출을 위해 세계시장으로의 진출에 보다 적극적으로 모색해야 할 것이다. 세계시장 진출은 새로운 시장 개척 외에도 해외 업체들과의 경쟁을 통해 기술발전을 이룰 수 있는 계기도 마련 되어 질 것이기 때문이다. 한편, 인버터 산업은 에너지 절감 부분에 있어 고효율 인버터 시장에 있어 정부의 정책 지원이 절대적이라 할 수 있다. 이처럼 정부의 지원책이 산업 활성화에 있어 큰 역할을 하는 만큼 기업의 투자 확대가 이루어질 수 있도록 정부의 지원이 지속적으로 필요한데 지난해에는 많은 부분에 있어 지원이 감소되는 모습을 보였다. 특히 정부에서는 태양광 등 친환경 관련 에너지 절감에 대한 인버터 관련 투자를 많이 하고 있지만, 저압인버터에 한해서만 적용하고 있는데 실질적으로 고압인버터, 대형인버터에 대한 지원도 필요하다. 인버터로 인한 에너지 절감은 어느 제품이나 당연하지만, 저압인버터로 인해 얻는 절감 효과는 같은 퍼센트의 효과라도 해도 고압인버터 및 대형인버터에 비해 미미한 것이 사실인 만큼 앞으로 고압인버터 및 대형인버터에 대한 정부의 지원이 절실히 요구되어진다.
6. 국내 인버터 산업의 향후 전망 인버터는 과거 팬이나 펌프 등에 많이 사용되며 에너지 절감에 따른 효율성 등으로 산업 전반에 많은 영향을 주었으나, 어플리케이션에 있어 상당히 제한적이어서 고 특성을 요하는 부분에 있어 커버가 되지 않는 경향이 있었다. 그러나 최근에는 인버터가 커버 가능할 만큼 기술발전이 상당히 이뤄진 상태라고 할 수 있으며, 앞으로도 새로운 분야로의 발전 가능성 역시 높다고 할 수 있다. 국내 인버터 시장 규모는 앞에서도 언급했듯이 처음 국내에 도입된 80년대 초반부터 90년대 후반까지는 매년 꾸준히 20~30% 가까운 성장세를 보여왔으나, 최근 몇 년 동안은 전체 시장 규모가 1300~1500억원 수준에 머무르고 있는 상황이다. 이와 같은 상황은 시장 규모의 포화상태로 인한 시장 정체 등 여러 가지 원인이 있겠지만, 세계적인 경기 불황으로 인한 산업 설비 투자의 감소가 하나의 원인으로 지목되는 것도 사실이다. 이러한 상황을 봤을 때 올해는 지난해보다 더욱 경기가 좋지 않을 것이라는 각계 전문가들의 의견에 따라 다른 산업과 연계되어 발전되는 인버터 산업의 특성상 올해 국내 인버터 산업 역시 어려운 상황에 직면해 있다고 봐야 할 것이다. 인버터 업계관계자들에 따르면 올해 국내 인버터 시장은 지난해보다 20% 이상 감소되거나 비슷한 수준이 될 것으로 전망하고 있다. 그러나 한편으로는 이처럼 어려운 상황 속에서도 지난해와 비슷한 수준을 전망하는 것은 에너지 절약 및 환경 문제 관련이 세계적인 이슈로 부각되면서 그에 따른 친환경 인버터가 지속적으로 성장할 것이라는 예상 때문이다. 또한, 범용 인버터 시장과 전용 인버터 시장이 비슷한 시장 점유를 보이고 있는 가운데 고객의 특성에 맞춘 전용 인버터로의 발전이 더욱 두드러질 것으로 내다보기 때문이다. 따라서 국내 인버터 제조업체들도 이와 같은 세계적 추세에 맞춰 제품과 조직의 전문화를 구성해 보다 안정적으로 고객의 특성과 니즈에 맞춘 적합한 제품을 생산?공급해 국가적 경쟁력을 갖출 수 있도록 노력해야 할 것이다. |
