인버터 토크부스트란 무엇이며 저속토크를 어떻게 보완할까?

인버터로 유도전동기를 저속 운전할 때 무부하에서는 잘 돌다가 부하를 걸면 기동이 둔해지거나 속도가 떨어질 수 있다. 이때 토크부스트 설정을 찾게 되지만, 이름처럼 토크를 일정 비율로 더해 주는 기능으로 이해하면 조정 방향을 잘못 잡기 쉽다.

토크부스트의 기본 역할은 낮은 주파수에서 권선저항에 의한 전압강하를 보상해 자속 부족을 줄이는 것이다. 이 글은 일반적인 V/f 운전의 유도전동기를 중심으로 설명한다. 벡터제어에서는 보상 방식과 사용 가능한 설정항목이 달라질 수 있다.

주파수를 낮추면 저항 전압강하의 비중이 커진다

V/f 제어는 주파수와 전압을 함께 낮춰 자속을 유지하려는 방식이다. 정현파 기본파와 일정한 권선 조건에서는 공극의 유기전압 크기를 E, 주파수를 f라고 할 때 자속이 대략 E/f에 비례한다. 여기서 E는 인버터 단자전압과 같은 값으로 단정할 수 없다.

모터 1상 등가회로의 전압 관계는 복소수로 V₁ = E + I₁(R₁ + jXσ₁)로 나타낼 수 있다. V₁은 상 기본파 전압, I₁은 상전류, R₁은 고정자 상저항, Xσ₁은 누설리액턴스다. 전류가 흐르면 저항과 누설리액턴스에 전압이 걸리므로 단자전압 전체가 자속 형성에 쓰이지 않는다. 실제 크기 계산에는 전압과 전류의 위상도 필요하다.

주파수가 낮아지면 Xσ₁=2πfLσ₁은 작아지지만 R₁은 주파수에 비례해 작아지지 않는다. 같은 전류가 흐른다면 I₁R₁의 크기는 남는 반면 V/f 지령전압은 작아진다. 그래서 저속에서는 권선저항의 영향을 무시한 단순 비례전압만으로 자속을 유지하기 어려워질 수 있다.

한 가지 수치로 저속의 상대적 영향을 비교하기

다음은 보상 설정값을 구하는 예제가 아니라 전압강하의 비중을 비교하는 가정이다. Y 결선 모터의 정격 선간전압이 400V, 정격주파수가 50Hz이고, 기본파 상전압 지령이 주파수에 비례한다고 하자. 정격 상전압은 약 400/√3=231V이고 5Hz에서는 약 23.1V가 된다.

상저항 1Ω, 상전류 5A를 가정하면 저항 전압강하의 크기는 5V다. 이를 지령 상전압과 비교하면 50Hz에서는 약 2.2%, 5Hz에서는 약 21.6%다. 같은 5V라도 저속에서는 상대적인 영향이 훨씬 크다는 뜻이다. Δ 결선에서는 상전압·상전류 관계가 달라지므로 선간값과 상값을 섞으면 안 된다.

이 비율은 자속이 정확히 21.6% 감소한다는 뜻이 아니다. 교류 전압은 위상을 가진 벡터이고 누설리액턴스, 포화, PWM 기본파와 실제 전류도 영향을 준다. 따라서 ‘23.1V에서 5V를 빼고 다시 5V를 더한다’는 계산을 그대로 제조사 파라미터에 입력해서는 안 된다.

수동·자동 보상과 벡터제어를 구분한다

수동 토크부스트는 설정된 방식으로 저주파 영역의 전압을 높인다. 부하가 달라져도 같은 보상이 남는 구성에서는 무부하에 과보상이 생길 수 있다. 자동 보상은 전류와 모터 정보를 이용해 필요한 보상량을 조정하는 방식이지만, 명칭과 알고리즘은 제품마다 다르다.

벡터제어는 자속과 토크를 만드는 전류성분을 모터모델에 따라 다룬다. 예를 들어 ABB ACQ580 매뉴얼에서는 수동 IR 보상을 스칼라 제어 기능으로 설명하고, 벡터제어에서는 이 보상을 자동으로 처리한다고 명시한다. 이 제품 사례를 모든 제조사의 동일한 설정명으로 일반화하지 말고 현재 제어모드와 해당 매뉴얼을 먼저 대조한다.

슬립보상도 토크부스트와 같은 기능이 아니다. 슬립보상은 부하에 따른 속도차를 보완하도록 주파수 등을 조정하는 기능이며, 토크부스트는 저주파 전압 보상에 초점을 둔다. 두 기능을 동시에 바꾸면 전압 보상 효과와 속도 보정 효과를 구분하기 어려워진다.

보상을 지나치게 높이면 전류와 열이 증가할 수 있다

전압을 과도하게 올리면 철심 포화로 여자전류가 커질 수 있다. 전류가 증가하면 동손은 I²R에 따라 증가한다. 같은 저항에서 전류가 5A에서 6A로 늘면 동손 비율은 6²/5²=1.44다. 이는 권선의 저항손실 비교이며 모터 총손실이나 온도가 그대로 44% 증가한다는 뜻은 아니다.

자체 팬을 쓰는 모터는 낮은 속도에서 냉각도 약해질 수 있다. 그래서 기동이 좋아졌다는 이유만으로 장시간 운전이 가능하다고 판단하지 않는다. 저속운전 과열과 전자열 보호, 실제 권선온도와 허용 연속토크를 함께 확인해야 한다.

증상별로 보상과 부하 문제를 나누어 본다

아래 표는 점검 우선순위를 정하기 위한 단서다. 전류가 높거나 낮다는 사실만으로 자속 부족이나 기계 구속을 확정할 수 없으며, 동일한 부하·속도 조건에서 변경 전후를 비교해야 한다.

관찰	먼저 확인할 항목	판단할 때 주의할 점
저속에서 부하를 걸면 기동이 둔해짐	명판 입력, 결선, 제어모드와 보상 적용 범위	전류 여유만으로 부스트 부족을 확정하지 않는다.
보상을 높인 뒤 무부하 전류·소음 증가	과보상과 포화 가능성, 기존값과 비교	토크가 좋아져도 연속 열한계는 별도다.
전류가 한계에 머물고 속도 하락	실제 부하, 가속시간과 제한 상태	전류제한을 높여 원인을 가리지 않는다.
기계 정비 후 같은 저속에서 전류 증가	정렬·베어링·감속기와 공정 변화	설정 변경 전에 변경 이력을 확인한다.

과부하와 구속상태는 전압 보상으로 해결할 문제가 아니다. 토크부스트 조정 전에는 원래 정상 운전 조건, 기계적 걸림과 마찰, 부하 증가 여부를 확인한다. 모터 교체 뒤라면 같은 kW라도 전기적 파라미터가 다를 수 있으므로 입력값과 오토튜닝 결과를 다시 대조한다.

조정 결과는 같은 조건의 기록으로 판단한다

제조사 기본값과 허용범위를 기준으로 한 항목씩 작은 폭으로 조정하고, 지령주파수·출력전류·실제 속도·모터 온도와 제한 상태를 남긴다. 설정의 %가 정격전압 기준인지 다른 기준인지도 확인한다. 다른 모델의 숫자를 그대로 옮기면 같은 보상이 된다는 보장이 없다.

표면온도는 권선온도와 같지 않으며 짧은 시운전에서는 열적 안정 상태에 도달하지 않을 수 있다. 장시간 저속에서 필요한 토크가 허용범위를 넘는다면 강제냉각, 감속비, 모터·인버터 선정과 제어방식을 검토한다. 보상값을 계속 높이는 것으로 구동계의 연속정격을 늘릴 수는 없다.

마무리

토크부스트는 저속에서 커지는 권선저항 전압강하의 상대적 영향을 보완하는 기능이다. 효과는 자속 유지와 저속토크로 나타나지만 과보상은 전류와 열을 늘릴 수 있다. 원리와 제어모드를 확인한 뒤 실제 부하와 연속운전 기록으로 결과를 판단하는 것이 핵심이다.

참고 자료: ABB ACQ580 펌프 제어 프로그램 매뉴얼, 문서 3AXD50000035867, “IR compensation for scalar motor control”(인쇄면 73쪽). 수치 예시는 원리 설명을 위한 가정이며 해당 제품의 권장 설정값이 아니다.