단일 축 VSD를 인더스트리 4.0 자동화 시스템에 빠르게 설치, 연결, 통합하는 방법

단일 축 가변 속도 구동기(VSD)는 펌프, 팬, 압축기, 컨베이어와 같은 산업 응용 분야와 분쇄기, 혼합기 등의 가공 작업에 필수적입니다. 이러한 응용 분야는 동작 시퀀스가 단순하며, 짧은 커미셔닝 시간으로 기본 구동 기능을 빠르고 경제적으로 구현할 수 있는 효율적인 VSD를 필요로 합니다.

스칼라 V/f, 프로그래밍 가능 V/f 다분기점, 에너지 절약을 위해 자동으로 플럭스를 조정하는 V²/f, 부하에 맞게 구동 출력을 자동으로 조정하는 플럭스 전류 제어(FCC) 등 다양한 제어 기능이 필요할 수 있습니다. 비용 효율적인 배포와 통합은 산업용 시스템의 핵심이며 다음과 같이 유용한 특징을 가집니다.

• 사전 구성된 응용 제품 선택
• 콤팩트한 크기
• 사전 설정된 통신 파라미터
• 파라미터 설정을 여러 장치에 효율적으로 전송
• 무선 커미셔닝, 작동 및 진단
• I/O 배선과 구성을 단순화하는 연결 및 응용 매크로

이 기사에서는 설치를 간소화하도록 설계된 Siemens의 견고하고 에너지 효율적인 단일 축 VFD 제품군을 소개합니다. 또한 몇 가지 통합 기능을 검토하고, 기본 시스템 부속품과 다양한 특수 고급 추가 모듈을 살펴보고, Siemens 컨트롤러를 사용한 통합을 제안합니다. 마지막으로 이러한 VFD를 EMI 준수 제어 캐비닛 및 산업용 동작 시스템에 통합할 때 고려해야 할 몇 가지 사항을 검토합니다.

모터 제어를 디지털화하면 산업용 단일 축 동작 시스템에 다양한 이점이 있습니다. 단순한 기계식 제어를 VSD로 대체하면 시스템이 부분 부하 작동 상황에 즉시 대응하고 전력 소비를 50% 이상 줄일 수 있습니다. 또한 가변 속도로 작동하여 모터 및 기계 부품의 마모와 손상을 최소화함으로써 유지보수 필요성을 줄이고 가용성을 개선할 수 있습니다.

Siemens의 SINAMICS V20 플랫폼은 9가지 프레임 크기로 제공되며 0.12kW ~ 30kW(0.16hp ~ 40hp)의 출력 범위를 지원합니다(그림 1). 전형적인 SINAMICS V20 VFD에는 0.12kW 6SL3210-5BB11-2UV1(최대 3kW), 6SL3210-5BB23-0UV1 단상 230V_AC 입력 모델, 0.37kW 6SL3210-5BE32-2UV0(최대 30kW) 3상 480V_AC 모델이 있습니다.

그림 1: FSAA부터 FSE(0.16hp ~ 40hp)까지 9가지 프레임 크기의 SINAMICS V20 컨버터 (이미지 출처: Siemens)

효율성은 SINAMICS V20 구동기를 사용할 때의 주요 이점입니다. 이 구동기는 콤팩트한 크기로 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 신속한 설치와 커미셔닝을 지원하여 시간과 비용을 효율적으로 사용할 수 있으며, 높은 에너지 효율로 보다 친환경적인 지구를 지원합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• V/f, V²/f, FCC, V/f 다분기점 등 다양한 제어 모드로 경제적인 작동 지원
  • V/f, V²/f 및 최대 절전 모드를 위한 ECO 모드를 사용하여 에너지 절약 향상
  • 외부 전력 측정 장비 없이 에너지 절약을 모니터링하고 kWh, CO2 또는 통화로 표시 가능
• 단상 또는 3상 주 전력
  • 단상 200VAC ~ 240VAC(-10%/+10%)는 3상 120/240V_AC 주 전력의 두 위상에도 연결할 수 있음
  • 3상 380VAC ~ 480VAC(-15%/+10%)
• 사전 구성된 응용 매크로로 커미셔닝 시간 단축
• 표준 라이브러리와 연결 매크로를 사용하여 사전 설정된 통신 파라미터로 커미셔닝 속도 향상
• 불안정한 주 전압에 자동으로 적응하여 안정적인 작동을 보장하고 중단을 방지하며 높은 생산성을 제공하도록 지원
• 300초의 주기 시간 내에 60초 동안 최대 150%의 과부하 성능 제공
• 입력 전압의 100%에 해당하는 최대 출력 전압
• 전원 공급 장치 없이 파라미터를 로드하여 여러 장치를 빠르게 구성
• 스마트 액세스 웹 서버로 모바일 기기 또는 랩톱에서 커미셔닝
• 통합 응용 제품 및 연결 매크로

통합 기능

SINAMICS V20 구동기에는 공정 제어 작업을 위한 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러, 최대 2 프레임 크기의 통합 브레이크 초퍼, 동일한 크기의 구동기 두 대가 동시에 작동하여 높은 에너지 절약을 지원하는 DC 커플링 기능 등 빠르게 배포하고 통합을 단순화하는 여러 통합 기능이 탑재되어 있습니다. PID 컨트롤러는 설정값을 기준으로 압력, 레벨 또는 유량을 제어하는 등 간단한 공정 작업에 사용될 수 있습니다.

PID 기능에는 최적의 작동을 위한 자동 튜닝이 포함되며 모터 스테이징 작업을 지원할 수 있습니다. 모터 스테이징을 사용하면 최대 2개의 스테이징(계단식) 모터를 추가로 제어할 수 있습니다. 이 경우 시스템은 인버터로 제어되는 기본 모터와 인버터의 디지털 출력에 의해 제어되는 접촉기 또는 시동 장치를 사용하여 제어되는 두 개의 추가 모터로 구성됩니다.

FSD 및 FSE 프레임 크기에는 브레이크 초퍼가 내장되어 있으며, 다른 프레임 크기의 경우 외부 브레이크 모듈을 사용할 수 있습니다(아래 참조). 모터를 전기적 또는 기계적으로 제동할 수 있습니다.

• 전기 브레이크 옵션
  • DC 브레이크가 고정자 권선에 적용되어 상당한 제동 토크가 발생합니다. 매달려 있는 부하를 고정하는 데는 적합하지 않지만, 회전이 멈추면 전류를 통해 샤프트를 고정할 수 있습니다.
  • 복합 브레이크는 제동 중에 인버터가 DC 링크 공급 장치로 에너지를 재생하는 재생식 브레이크에 DC 브레이크를 중첩합니다.
  • 동적 브레이크는 재생 에너지를 열로 변환합니다. 동적 브레이크를 구현하려면 에너지를 배출하기 위한 외부 제동 저항기가 필요합니다.
• 브레이크를 고정하는 기계식 모터를 내부 논리로 제어하여 인버터가 꺼져도 모터가 회전하지 않도록 할 수 있습니다.

SINAMICS V20 구동기에는 DC 링크 연결을 사용하여 동일한 크기의 두 인버터를 전기적으로 결합할 수 있는 DC 커플링 기능도 포함되어 있습니다. 해당되는 경우 DC 커플링을 사용하면 한 인버터가 다른 인버터에서 끌어온 재생 에너지를 사용할 수 있으므로 에너지 비용을 절감할 수 있습니다. 인버터는 단일 동적 브레이크 시스템을 공유하여 설치 비용을 절감할 수 있습니다. 경우에 따라 DC 커플링을 사용하면 동적 브레이크 모듈 및 동적 제동 저항기가 필요하지 않을 수 있습니다.

기본 시스템 부속품

통합 기능에 기본 작업자 패널(BOP) 및 BOP 인터페이스, 스마트 액세스 모듈, 파라미터 로더와 같은 몇 가지 시스템 부속품을 추가하여 SIMAMICS V20 인버터의 유용성을 향상할 수 있습니다(그림 2).

• SIMAMICS V20에는 통합 제어 패널이 있지만, 일부 응용 분야에서는 BOP를 추가하면 장치를 원격 제어할 수 있어 유용합니다. BOP는 분산 실장에 적합하게 설계되었으며 UL Type 1 인클로저 등급을 획득했습니다.
• BOP는 인버터의 확장 포트에 연결되는 특수 BOP 인터페이스 모듈을 사용하여 SINAMICS V20에 연결되며, BOP에 연결하기 위한 RS232 인터페이스가 있습니다.
• 스마트 액세스 모듈에는 웹 서버가 내장되어 있어 스마트폰, 랩톱 또는 태블릿을 사용하여 SINAMICS V20의 커미셔닝과 작동을 간소화할 수 있습니다. 이 모듈에서 지원하는 기능은 다음과 같습니다.
  • 커미셔닝 마법사를 통해 커미셔닝 시간 단축
  • 파라미터 설정 및 저장 또는 공장 설정 복원
  • 모터 테스트
  • 운영 데이터 모니터링
  • 시스템 진단 검사 수행
• 파라미터 로더는 최대 100개의 파라미터 세트를 SINAMICS V20에 업로드하거나 장치에서 파라미터 세트를 다운로드할 수 있습니다. 배터리 구동 파라미터 로더는 구동기의 전원을 켜지 않고도 사용할 수 있습니다.

그림 2: 네 개의 공통 확장 모듈이 있는 0.16 HP FSAA SINAMICS V20 (이미지 출처: Siemens)

추가 부속품

필요한 경우 라인 필터를 추가할 수 있습니다. EN 61800-3 카테고리 C2 복사 및 전도성 방출을 충족하려면 SINAMICS V20 인버터(400V 필터 및 무필터 모델, 230V 무필터 모델)에 외부 EMC 필터가 필요합니다. 예를 들어 6SL32030BE177BA0 모델은 FSA 프레임 크기 400V 인버터와 함께 사용하도록 설계되었습니다.

라인 리액터는 전압 피크를 완화하거나 정류 전압 강하를 처리하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 이 리액터는 고조파가 라인 공급 장치 및 컨버터에 미치는 영향을 줄입니다.

프레임 크기가 FSAA ~ FSC인 6SL32012AD208VA0 브레이크 모듈(그림 3)을 사용하여 브레이크를 구현할 수 있습니다. FSD 및 FSE 프레임 크기에는 브레이크 초퍼가 내장되어 있으며 외부 모듈이 필요하지 않습니다. 모든 경우에 모터에서 생성된 재생 에너지를 배출할 수 있도록 6SE64004BC050AA0 모델과 같은 외부 제동 저항기를 추가하여 제동 성능과 감속 성능을 개선할 수 있습니다.

그림 3: SINAMICS V20 모터 구동기용 브레이크 모듈 (이미지 출처: DigiKey)

입력 또는 출력이 필요한 응용 분야에 SINAMICS V20 I/O 확장 모듈을 추가할 수 있습니다(그림 4). 이 모듈은 400V 범위의 인버터에 직접 실장되며 2개의 디지털 입력과 2개의 디지털 계전기 출력을 제공합니다. 예를 들어 I/O 확장 모듈을 멀티 펌프 제어 응용 분야에 사용하여 단일 SIMAMICS V20 구동기로 최대 4개의 펌프를 제어할 수 있습니다. 이 모듈은 여러 개의 팬 또는 압축기를 제어해야 하는 경우에도 유용합니다. 모듈의 전면과 후면에 연결부가 있으며 BOP 인터페이스, 스마트 액세스 모듈과 같은 다른 부속품과 결합할 수 있습니다. 하지만 파라미터 로더 모듈과 동시에 사용할 수는 없습니다.

그림 4: SINAMICS V20 구동기의 전면에 실장된 확장 모듈 (이미지 출처: Siemens)

FSA 프레임 크기용 6SL3202-0AE16-1CA0 모델과 같은 출력 리액터는 모터 권선에 대한 전압 응력을 줄일 수 있습니다(그림 5). 또한 이러한 출력 리액터는 긴 모터 케이블을 사용할 때 인버터에 스트레스를 줄 수 있는 정전 용량 충전 및 방전 전류를 줄입니다.

그림 5: 0.5 HP 3상 380V_AC ~ 480V_AC, 6.1A FSA 프레임 SINAMICS V20 구동기용 출력 리액터 (이미지 출처: Siemens)

대규모 시스템으로 통합

SINAMICS V20 구동기는 6ES75173FP000AB0 모델과 같은 SINAMICS S7-1200 또는 S7-1500 컨트롤러에서 RS485 인터페이스 및 범용 직렬 인터페이스(USS) 프로토콜을 통해 제어할 수 있도록 설계되었습니다. SINAMICS V20에서 이러한 컨트롤러를 구성하고 프로그래밍하는 방법을 보여주는 샘플 프로젝트가 제공됩니다. USS가 기본 설정이지만 SINAMICS V20에서는 MODBUS RTU 프로토콜도 사용할 수 있습니다.

하나의 마스터 컨트롤러를 최대 31개의 VFD에 연결할 수 있습니다.

요약

위에서 설명한 부품을 완전한 시스템으로 조립하기는 어려울 수 있으며, 특히 EMC 규정 준수가 중요하다면 더 그렇습니다. 잠재적인 전파 방해 원인을 분리하는 것이 일반적으로 가장 빠르고 비용 효율적인 접근 방식입니다. 그림 6에 표시된 대로 제어 캐비닛과 나머지 시스템을 4개의 분리된 구역으로 구성하여 이를 실현할 수 있습니다. 분리 구역을 구현할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 접지된 분리판 또는 별도 금속 하우징을 사용하여 구역의 전자기 감결합을 실현할 수 있습니다.
  • SINAMICS V20은 구역 B에, SIMATIC S7-1200 또는 S7-1500 컨트롤러는 구역 C에 있습니다.
• EMC 성능을 개선하기 위해 구역의 인터페이스에 필터 및 커플링 모듈을 추가할 수 있습니다.
• 구역 간 연결 케이블은 EMC 커플링을 방지하기 위해 분리되어야 하며 동일한 케이블 채널 또는 하니스에 있으면 안 됩니다.
• 캐비닛에 들어오고 나가는 RS485와 같은 통신 네트워크 및 신호 케이블은 차폐되어야 합니다.

그림 6: 전자기 감결합 구역에서는 SINAMICS V20 설치의 EMC 성능을 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

결론

SINAMICS V20 컨버터는 용도가 매우 다양하고 콤팩트하며 다양한 단일 축 가변 속도 산업 응용 분야를 지원합니다. 이 컨버터에는 광범위한 특징 및 기능이 내장되어 있습니다. 기본 작업자 패널, 원격 액세스 모듈, 파라미터 로더와 같은 부속품을 추가하여 유용성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 이러한 구동기는 고급 시스템 기능을 지원하는 다양한 추가 모듈과 함께 사용할 수 있으며, Siemens 컨트롤러와 함께 사용하도록 최적화되어 있습니다. 마지막으로 이러한 VFD를 EMI 준수 제어 캐비닛 및 산업용 동작 시스템에 통합하는 방법을 살펴보았습니다.