자동화된 시스템 내에서 전력 품질 유지

이상 효용 전력에 관한 이전 DigiKey 기사에서 자세히 설명한 대로 현지 송전 그리드의 변동으로 인해 6가지 전력 품질 문제(전압 서지, 정전, 주파수 불안정, 잡음 등)가 발생할 수 있습니다. 더욱 복잡한 문제는 전기 구동 자동화 장비의 각 부분에서 이러한 변화가 발생할 수 있다는 것입니다. 다행히 그런 전력 구동 일관성 문제를 해결한 다양한 부품이 있습니다. 전원 공급 장치와 기타 전력 부품은 기계를 최상의 성능으로 작동하여 기계가 로컬 송전 그리드에 부정적인 영향을 미치지 않도록 해줍니다.

그림 1: PULS CP 계열 단상 전원 공급 장치는 산업 자동화에서 일반적인 DIN 레일에 실장됩니다. 특징으로는 과도 전류와 전력 서지에 대한 강한 내성, 낮은 전자기 방출, DC-OK 계전기 접점, 20% 출력 전력 절감(이 기사의 뒷부분 참조), 최소 유입 전류 서지 등이 있습니다. 또한 특수 코팅된 전원 공급 장치는 유효 전력 역률 보정(PFC) 기능을 수행합니다. (이미지 출처: EE World)

장비 내에서 발생하는 두 가지 주요 전력 품질 문제로는 잡음과 고조파 교란이 있습니다.

전력에서 전기적 잡음은 고주파 전압 변화를 의미합니다. 고주파는 상대적이지만 항상 시스템 ac 주파수보다 상당히 높은 주파수를 나타냅니다. 시간 도메인에 표시되는 ac 전류는 부드러운 사인파로 표시되어야 합니다. 잡음은 파장을 들쑥날쑥하고 기복 있게 만듭니다.

사용된 전도성 전선의 저항으로 인해 기계에 전기를 공급하면 항상 약간의 잡음이 발생합니다. 그런 잡음을 열잡음이라고 하며 일반적으로 무시해도 될 정도의 교란이 있습니다. 더 높은 피해를 발생할 수 있는 잡음은 용접기, 전기 모터와 같은 로컬 부하에 의해 발생합니다. 그런 부품 및 시스템에서 발생하는 잡음은 정량화하기 어려우며, 영향을 받는 장비 하위 부품의 과열, 마모, 고장에 가장 중요한 원인이 됩니다.

전기 고조파는 시스템 ac 주파수의 정수 배수인 주파수에서의 전압 또는 전류 교란입니다. 전기 고조파는 정류기, 컴퓨터 전원 공급 장치, 형광등, 특정 유형의 가변 속도 전기 모터와 같은 비선형 부하로 인해 발생합니다. 전류 고조파는 주로 전압 고조파보다 더 크며 실제로 전압 고조파를 촉진하는 경향이 있습니다.

그림 2: 고조파 파형은 일부 기본 파형의 정수 배수 주파수이며, 전기 전력 시스템에서 기본 파형과 결합하여 문제를 발생할 수 있습니다. 고조파는 일반적으로 일부 전기 부하 또는 부착된 기계 부분 내에서 발생합니다. (이미지 출처: Design World)

발열 방식으로 인해 이러한 전기 고조파는 전기 모터의 효율과 수명을 크게 저하시킬 수 있습니다. 또한 전기 모터의 기계적 출력에서 진동 및 토크 파동을 일으켜서 모터에 통합된 송전 하위 부품, 특히 샤프트 지지 베어링의 수명을 단축시킬 수 있습니다.

주요 전력 시스템 파라미터

전원 공급 장치의 중요한 두 가지 사양에는 역률과 홀드 시간이 있습니다.

역률은 ac 시스템에서 실제 전력과 피상 전력의 차이를 설명하는 데 사용되는 차원 비율입니다. 피상 전력은 실제 전력과 무효 전력을 조합한 것입니다. 무효 전력은 네트워크에서 가져와서, 순간적으로 저장되었다가 소비되지 않고 반환됩니다. 이는 일반적으로 유도 부하 또는 정전 용량 부하로 인해 발생하며, 전류와 전압의 위상 차를 초래합니다. 무효 전력은 배전 시스템의 부하를 높이고, 전력 품질을 떨어뜨리고, 에너지 비용을 높입니다.

이상적인 시스템은 역률이 1입니다. 즉, 시스템에 무효 전력이 없습니다. 0.95 미만의 역률로 설계하면 배전 시스템의 부하가 증가하고 무효 전력 전하가 발생할 수 있습니다.

그림 3: 이 그림은 Traco Power의 TML 100C 계열, 85W ~ 100W AC-DC 전력 모듈을 보여줍니다. 유효 전력 역률 보정(PFC)은 0.95(230V_AC의 경우) 및 0.99(115V_AC의 경우) 이상의 역률을 보장합니다. (이미지 출처: Traco Power)

홀드 시간은 정전이 발생한 후에 전원 공급 장치에서 지정된 전압 이내의 전원을 지속적으로 공급할 수 있는 시간입니다. 정전 및 전압 저하 중에 자동화된 작동의 연속성을 보장하기 위해 사용되는 일종의 백업 전력인 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 발전기를 고려해 보십시오. 이 기사의 최종 섹션에서 자세히 설명한 대로 UPS는 상당한 기간 동안 전력을 공급해야 합니다. 하지만 UPS 설계에 따라 효용 전력 정전과 UPS 송전 시작 시간 사이에 최대 25밀리초의 지연이 발생할 수 있습니다.

전원 공급 장치 홀드 시간 동안에는 전원 공급 장치에서 주로 커패시터에 저장된 전력을 사용하여 이 간격을 해소할 수 있습니다. 실제로 스위치 모드 전원 공급 장치는 더 높은 전압 커패시터로 인해 선형 전원 공급 장치보다 홀드 시간이 더 긴 경향이 있습니다.

기계 유도 전력 문제를 해결하는 다른 기능

접지, 분리 및 필터링된 전력 컨버터는 고품질 전원 공급 장치의 토대를 제공합니다.

접지: 전원 공급 장치가 올바르게 작동하려면 적절한 접지가 필수적입니다. 접지는 레퍼런스 전압(이 전압을 기준으로 모든 다른 전압 측정)과 전류에 대한 귀로를 제공합니다. 자세한 내용은 DigiKey 기사 What You Need to Know about Ground Fault Sensing and Protection(접지 고장 감지 및 보호에 대해 알아야 할 내용)을 참조하십시오.

분리: 비분리형 전원 공급 장치는 더 에너지 효율적이고 콤팩트하지만, 입력 전압과 출력 전압 사이의 분리로 인해 부품 고장 시 위험한 전압이 출력으로 전달되는 것을 방지합니다. 작업자를 위험한 전압으로부터 보호하거나 장비를 과도 전류와 순간적 상승으로부터 보호하기 위해 분리가 필요할 수도 있습니다.

분리의 형태는 다음과 같습니다.

• 부품 사이의 물리적 분리
• 변압기(전력 시스템의 전압을 변경하는 전력 컨버터)를 통한 유도 커플링
• 광학 커플링 - 매우 높은 수준의 분리를 보장하면서 전력 시스템의 각 부분 간에 신호를 전송하는 데 가장 적합

그림 4: 1) ac 소스의 전압 또는 주파수를 변경하거나 2) ac 전력을 dc로 변환하거나 정류하기 위해 전원 공급 장치가 전력 컨버터로 작동하는 경우가 있습니다. 사례: Vicor Corp.의 48V 400W AC-DC 펄스 주파수 변조(PFM) 컨버터는 필터링과 과도 서지 보호를 통합했습니다. 한 가지 주의 사항: Vicor 집적 어댑터(VIA) 컨버터는 모듈을 통해 역률을 유지하여 외부에서 정류된 사인파 ac 소스의 입력만 허용합니다. 고조파는 IEC 61000-3-2를 준수하며 내부 필터링을 통해 해당 서지 및 EMI 요구 사항을 충족할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor Corp.)

전기 필터 및 서지 억제: 서지 억제는 과도 전류와 순간적 상승을 제거하여 이러한 과전압 상태로부터 전기 장비를 보호합니다. 반면, 전기 필터는 시스템 전압을 평활화하여 잡음과 고조파를 제거합니다. digikey.com 기사 Power Supply Operation on a 400 Hz Source(400Hz 전원에서 전원 공급 장치 작동)에서 대형 항공기(400Hz 전원 사용)에 사용되는 산업용 전원 공급 장치의 필터에 대해 알아보십시오. 또는 일반적으로 사용 지점에 근접한 위치에 자동으로 설치되어 모터 구동 장치를 보완하는 다른 전기 필터 유형(LC 필터)를 고려해 보십시오. LC 필터는 인덕터 L과 커패시터 C를 통해 설정된 주파수에서 출력을 생성하는 일종의 탱크 또는 공진 회로(동조 회로라고도 함)입니다. 모터용 LC 필터는 일반적으로 구동 장치의 사각형 PWM 출력 전압을 잔류 리플이 작은 평활화 사인파로 변환하기 위한 용도로 사용됩니다. 이점으로는 높은 dv/dt, 과전압, 과열 및 와전류 손실을 방지하여 모터 수명을 연장합니다.

그림 5: Schaffner EMC Inc. LC 사인파 필터를 사용하면 모터 구동 장치에서 전압 피크 없이 부착된 모터 권선에 평활화된 사인파를 제공할 수 있습니다. 또한 이 필터는 더 긴 모터 케이블로 설치할 수 있습니다. (이미지 출처: Schaffner EMC Inc.)

서지 보호기는 전류를 차단 또는 축소하거나 서지 차단 및 축소 조치를 결합하여 작동합니다.

차단을 통한 서지 보호: 갑작스러운 전류 변화를 줄이는 인덕터를 사용하여 전류를 차단할 수 있습니다. 하지만 대부분의 서지 보호기는 과전압이 발생하면 짧아져서, 전류가 전력 분배 라인으로 다시 전환된 후 회로의 전선 저항에 의해 소멸됩니다.

축소를 통한 서지 보호: 전압이 설정된 수준을 초과하면 점화 간극, 방전 튜브 또는 반도체 소자를 통해 빠르게 축소됩니다. 서지가 매우 크거나 긴 경우를 제외하고 서지로 인해 서지 보호기의 전력선 또는 내부 부품이 녹는 일은 매우 드뭅니다. 또한 커패시터가 갑작스러운 전압 변화를 줄일 수 있습니다.

서지 보호기의 주요 사양에는 클램핑 전압, 응답 시간, 에너지 등급이 있습니다. 클램핑 전압(통과 전압이라고도 함)은 서지 보호기를 통과할 수 있는 최대 전압입니다. 120V 장치의 클램핑 전압은 일반적으로 220V입니다. 에너지 등급(줄)은 서지 보호기 내부 부품이 소진되어 고장 나기 전에 흡수될 수 있는 최대 전력입니다.

서지 보호기에 중요하지만 쉽게 간과되는 사양에는 서지 보호기 장애 시 발생하는 결과가 있습니다. 서지가 보호기의 에너지 등급을 초과하여 내부 하위 부품이 고장 나면 보호기는 더 이상 서지로부터 보호될 수 없습니다. 이는 전원이 차단된다는 것을 의미하지 않습니다. 서버 또는 다른 전자 메모리를 보호하도록 설계된 서지 보호기와 같은 일부 서지 보호기는 고장이 발생한 이후에도 계속해서 전력을 공급합니다. 서지 보호 기능이 더 이상 작동하지 않는 것은 경고등을 통해서만 알 수 있습니다. 다른 서지 보호기는 고장이 발생하면 실제로 전력을 차단하거나 송전을 줄입니다.

중요 응용 분야에서 발전기를 보완하는 UPS

UPS와 백업 전력용 발전기는 정전 및 전압 저하 상태에서도 지속적인 작동을 보장합니다. UPS는 배터리를 사용하며 일반적으로 몇 분에서 몇 시간 동안 전력을 공급하도록 설계되었습니다. 발전기는 엔진을 사용하여 긴 시간 동안 전력을 생성합니다. 발전 시간은 사용 가능한 연료에 의해서만 제한됩니다.

UPS는 정전에 즉각적으로 대응하여 전원 공급 장치가 중단되지 않도록 합니다. 반면에 발전기는 최소 몇 초 동안의 시동 시간이 필요합니다. 전력을 지속적으로 공급해야 하는 응용 분야에서는 발전기를 시작하는 동안 전력을 공급할 수 있도록 UPS를 발전기와 결합해야 합니다.

그림 6: 24V_DC 5A 무정전 전원 공급 장치(UPS)는 DIN 레일에 실장되며 최대 부하에서 최대 25분 동안 백업 전력을 공급합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

UPS는 정전으로부터 장비를 보호합니다. 오프라인 UPS 또는 전압 및 주파수 의존 UPS는 가장 비용 효율적이지만 두 가지 주요 단점이 있습니다.

• 일반 조건에서 오프라인 UPS는 배터리를 거쳐 출력까지 전류를 직접 전달합니다. UPS 회로망에서 정전을 감지하면 스위치가 인버터를 통해 배터리를 출력에 연결합니다. 즉, 최대 25밀리초 동안 전력이 차단될 수 있습니다.
• 또한 오프라인 UPS는 서지 및 잡음과 같은 다른 전력 품질 문제로부터 거의 보호하지 못합니다.

반면에, 라인 대화형 또는 전압 독립(VI) UPS는 전압 및 주파수 종속 UPS와 동일한 방식으로 작동하지만, 정상 작동 중에 전력-출력 품질을 개선하기 위한 추가 전압 안정화 장치가 있습니다. 이 시스템에서는 전력이 중단되는 동안 전환 시간이 발생하지만, 일반적으로 5밀리초 이내로 대부분 전원 공급 장치의 홀드 시간을 벗어나지 않습니다.

보호 수준을 최대화하기 위해 전원 공급 장치를 한 차원 더 정교하게 만든 것이 온라인 UPS이며, 전압 및 주파수 독립 UPS라고도 합니다. UPS에서 부하가 주 공급 장치에 직접 연결되지 않지만, 항상 배터리의 전원을 소비합니다. 배터리는 주 공급 장치를 통해 지속적으로 충전됩니다. 기본 ac 전력은 배터리를 충전할 수 있도록 배터리 전압으로 변환된 후 dc로 정류됩니다. 그런 다음 배터리 전력이 ac를 생성하도록 반전되고 다른 변압기를 통해 기본 전압으로 승압됩니다. 즉, 공급 장치의 전력 품질 문제가 출력에 영향을 주지 않고 매우 높은 수준의 전력 품질과 보호를 제공합니다. 하지만 에너지 효율이 매우 낮고 UPS에 대한 선행 투자 비용이 높습니다.

가장 민감하고 중요한 부하를 제외한 모든 부하의 경우 오프라인 UPS를 홀드 시간이 충분한 전원 공급 장치와 결합하는 것이 좋습니다.

결론

전력 품질에 대한 설계 요구 사항을 결정하는 첫 단계는 이상 효용 전력, 전기적 잡음 및 고조파로 인한 다운타임과 유지보수 비용을 방지하는 것입니다. 이러한 요구 사항은 기계의 설계와 기능에 따라 크게 달라집니다. 하지만 이러한 파라미터가 정의되고 나면 설계 엔지니어가 필터, 서지 억제, 백업 전력 및 전력 조절 기능을 갖춘 전원 공급 장치를 올바르게 지정할 수 있습니다. 그러면 자동화된 장비의 안정성을 획기적으로 개선할 수 있습니다.