다양한 유형의 산업용 가변 속도 모터 구동기

국제 전자기술 위원회(IEC) 표준 61800에는 산업용 응용 제품을 위한 두 가지 유형의 가변 속도 전기 전력 구동 시스템(PDS)이 제정되어 있습니다. 61800-1은 직류(DC) PDS에 적용되고, 61800-2는 교류(AC) PDS에 적용됩니다. PDS라는 용어는 구동기와 모터의 전체 시스템에 적용됩니다.

61800의 다른 섹션에서는 테스트 방법, 열 및 에너지 조건과 관련된 안전 요구 사항, 기능 안전, 인코더의 전기 및 환경 요구 사항, 전기 인터페이스, 성능 측정을 설명합니다. 최신 IEC 61800-9는 에너지 효율 결정 및 분류를 비롯한 모터 시스템의 친환경 설계를 다룹니다.

IEC 61800에는 가변 속도 AC 및 DC PDS에 대한 정의뿐만 아니라 산업용 응용 제품의 가변 속도 구동기(VSD) 및 가변 주파수 구동기(VFD)에 대한 일반적인 정의도 나와 있습니다. IEC 61800은 최대 1.5kV_AC 50Hz 또는 60Hz에 연결되는 주 전력 PDS에 적용됩니다. 가변 속도 구동기를 사용하는 산업용 자율 모바일 로봇(AMR)과 같은 배터리 구동 시스템의 DC 입력 전압에도 적용됩니다. 견인 및 전기 자동차 구동기는 IEC 61800에서 제외됩니다.

이 기사에서는 VSD와 VFD의 일반적인 정의를 간략하게 소개하고 VFD가 널리 사용되는 이유를 살펴봅니다. 그런 다음 IEC 61800-9에 정의된 AC 구동기 효율성 등급을 검토한 후, Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation의 주 전력 VFD를 예시로 살펴보고, 마지막으로 MEAN WELL의 예시 시스템을 사용하여 AMR 및 기타 배터리 구동 시스템에서의 VFD 사용을 살펴봅니다.

VFD의 표준 정의는 주파수 변화를 사용하여 모터 속도를 제어하는 구동기로, AC 모터에 유용합니다. 반면에 VSD는 전압을 변경하여 모터를 제어하므로 AC 모터와 DC 모터 모두에 유용합니다.

하지만 그렇게 간단하지만은 않습니다. 두 가지 유형의 구동기를 모두 모터의 속도를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 VSD라는 용어가 VFD에 적용되는 경우도 있습니다. VFD는 브러시리스 DC 모터(BLDC)와 함께 사용할 수 있으며, 엄밀히 말해서 AC 모터에만 국한되지 않습니다. VFD는 다음과 같은 다양한 모터에 사용할 수 있습니다.

• 유도(IM) 또는 비동기식 AC 모터는 자동 시동 기능이 있고, 신뢰성과 경제성이 뛰어나므로 산업용 응용 제품에서 널리 사용됩니다.
• 영구 자석 동기식 모터(PMSM)는 고효율 AC 모터이며, 높은 에너지 효율을 요구하는 고성능 응용 제품에서 토크와 속도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
• BLDC는 일반적으로 작동 수명이 길고 높은 효율과 정밀한 제어가 필요한 응용 제품에도 사용됩니다.
• 서보 모터는 AC 또는 DC를 사용할 수 있으며 신속한 고정밀 응답을 지원합니다. 특수 제어 알고리즘이 적용된 VFD는 로봇, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계 및 이와 유사한 응용 제품의 서보 모터와 함께 사용할 수 있습니다.
• 동기식 AC 모터(SM)는 일정한 속도와 정밀한 동기화가 필요한 응용 제품에 적합합니다. VFD는 SM의 속도를 제어할 수 있지만, 다른(저렴한) 구동기 옵션은 정속 작동을 지원합니다.

VFD에는 다양한 제어 알고리즘이 적용되어 활용도를 높입니다. 예를 들어, 유도 모터 전용 VFD 제어 알고리즘에는 주파수 당 전압 V/f, 인코더가 있는 V/f, 개방 루프 벡터, 폐쇄 루프 벡터의 네 가지 기본 유형이 있습니다. 모두 펄스 폭 변조를 사용하며 속도와 토크를 다양한 수준으로 제어합니다.

VFD 및 관련 모터 구동기 시스템의 효율성과 친환경 설계에 초점을 맞춘 IEC 61800-9이 개발되며 광범위한 산업용 응용 제품에서 VFD의 중요성을 뒷받침합니다.

BDM, CDM 및 PDS

IEC 61800-9에는 VFD와 관련된 두 가지 섹션이 있습니다. 1부에서는 응용 제품의 에너지 효율 지수 또는 레퍼런스를 결정하는 방법론에 대해 기술합니다. 2부에서는 일련의 분류를 기반으로 효율성을 평가하는 방법을 자세히 설명합니다.

IEC 61800-9에서 기본 구동기 모듈(BDM)이라고 하는 VFD의 효율성은 중요하지만 주요 초점은 아닙니다. IEC 61800-9는 광범위하게 적용되며 주파수 인버터(VFD), 공급 섹션, 입력 및 출력 보조 장치(예: 필터 및 초크)로 구성된 완전 구동기 모듈(CDM), 그리고 CDM와 모터로 구성된 전력 구동기 시스템(PDS)을 다룹니다(그림 1).

그림 1: IEC 61800-9 효율성 등급은 VFD 시스템의 CDM(검은색 섹션) 및 PDS(빨간색 섹션)에 적용됩니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

CDM 효율성 등급

CDM 국제 효율성(IE) 등급은 IE0부터 IE2까지 정의됩니다. CDM의 총 손실을 레퍼런스 CDM(RCDM)의 성능과 비교하여 결정됩니다. CDM의 IE 등급은 90% 모터 고정자 주파수 및 100% 토크 전류를 사용하는 90, 100 작동 지점을 기준으로 정의되어 과변조를 방지하고 다른 제조업체의 구동기 성능 측정치 비교를 보장합니다.

RCDM의 성능은 IE1로 정의됩니다. RCDM과 비교해 손실 감소가 25%를 초과하는 CDM은 IE2로 분류되고, 손실 증가가 25%를 초과하는 CDM은 IE0으로 분류됩니다. 또한 RCDM을 사용하면 사전 정의된 8개 작동 지점((0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50), (90, 100))에서 에너지 소비량을 평균 기술 CDM과 비교할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: IEC 61800-9 CDM 작동 지점 및 효율성 등급 (이미지 출처: Siemens)

PDS 효율성 등급

PDS 국제 효율성 시스템(IES) 등급은 CDM IE 등급과 유사하며 IES0 ~ IES2로 정의됩니다. 이 등급은 레퍼런스 PDS(RPDS)를 기반으로 하며 전체 구동기 모듈과 모터의 효율성을 나타냅니다.

결합된 모터와 CDM을 특정 응용 제품 요구 사항에 맞추면 전체 효율성을 최적화하기 쉬워집니다. 이러한 효율성 최적화는 높은 IES 분류로 나타납니다. RCDM과 마찬가지로 RPDS를 사용하면 사전 정의된 8개 작동 지점에서 에너지 소비량을 평균 기술 PDS와 비교할 수 있습니다.

작동 지점은 토크의 백분율과 속도의 백분율을 기준으로 하며, 100% 토크와 100% 속도, 즉 (100, 100) 작동 지점을 기준으로 IES 값을 계산합니다.

IE 등급은 25% 변경을 기준으로 하지만 IES 등급은 20% 변경을 기준으로 합니다. IES1로 정의된 RPDS 성능과 비교했을 때, IES2 등급 PDS는 손실 감소가 20%를 초과하고, IES0 등급 PDS는 손실 증가가 20%를 초과합니다(그림 3).

그림 3: IEC 61800-9 PDS 작동 지점 및 효율성 등급 (이미지 출처: Schneider Electric)

VFD 예시

VFD 제조업체가 항상 61800-9를 기준으로 효율성을 보고하는 것은 아닙니다. IEC 61800-9를 사용하는 가장 간단한 효율성 측정은 VFD(주파수 인버터)와, 공급 섹션 및 입출력 보조 장치를 포함한 수많은 추가 부품으로 구성된 CDM을 위한 것이기 때문입니다. 특정 추가 부품의 사용은 VFD 제조업체의 통제 범위를 벗어나며, 61800-9는 VFD에 직접 적용되지 않습니다.

일부 VFD 제조업체에서는 61800-9 방법론을 조정했습니다. IE2 규정 준수를 주장하는 경우 데이터는 차트, 표, Excel 파일 등 다양한 형식으로 보고됩니다.

예를 들어 Siemens는 SINAMICS V20 구동기에 IEC 61800-9 방법론을 사용하여 효율 등급 IE2로 보고합니다(그림 4). SINAMICS V20은 0.16hp ~ 40hp 범위의 9가지 프레임 크기로 제공됩니다. 펌프, 팬, 압축기, 컨베이어와 같은 제조 및 공정 응용 제품의 기본 구동기 시스템에 최적화되어 있으며 입력 필터, 입력 및 출력 리액터, 제동 저항기 등 다양한 옵션 부품이 포함됩니다.

그림 4: 레퍼런스 컨버터(90%/100%)에 비해 손실이 36.1% 낮은 효율성 등급 IE2 7.5kW CDM. 백분율은 옵션 부품을 제외한 기본 구동기의 정격 전력 대비 손실을 나타냅니다. (이미지 출처: Siemens)

Delta Electronics도 61800-9 방법론을 조정했으며 1.7kVA, 3.0kVA, 4.2kVA, 6.6kVA, 9.9kVA 및 12.2kVA MS300 계열 콤팩트 구동기에 대해 IE2 효율성을 보고합니다. 데이터는 차트가 아닌 표 형식으로 자세히 설명되어 있습니다. MS300 계열에는 0.2kW ~ 22kW 구동기가 포함됩니다(그림 5). 이 구동기에는 프로그래밍을 위한 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러) 기능, MODBUS 통신, 추가 프로토콜을 지원할 수 있는 통신 슬롯, 데이터 업로드 및 다운로드를 위한 USB 포트 등 여러 가지 기능이 내장되어 있습니다.

그림 5: Delta Electronics의 MS300 계열에는 0.2kW ~ 22kW 구동기가 포함됩니다. (이미지 출처: Delta Electronics)

Omron에서는 MX2 계열 VFD와 같은 자사 '3상 입력 가변 속도 구동기'가 IE2 효율성 요구 사항을 충족한다고 보고합니다. Omron에서는 테스트 데이터를 Excel 파일로 제공합니다. MX2 구동기는 200V 단상 입력의 경우 0.1kW ~ 2.2kW, 200V 3상 입력의 경우 0.1kW ~ 15.0kW, 400V 3상 입력의 경우 0.4kW ~ 15.0kW 정격으로 제공됩니다. 이 구동기는 IM 및 PM 모터용으로 설계되었으며 0.5Hz에서 200% 시동 토크로 제로 속도까지 부드러운 제어를 지원합니다.

다른 VFD 제조업체에서는 IEC 61800-9의 섹션 1과 2에 중점을 두는 반면, Schneider Electric은 전체적으로 접근해, 구동기를 적절한 모터와 통합하여 제품 종류 규정 및 관련 환경 선언을 포함한 에코 밸런싱을 통해 정량적 친환경 설계 방법을 설명하는 IEC 61800-9의 섹션 3과 친환경 설계 지침을 충족하는 방법을 설명합니다.

Schneider Electric의 Altivar Machine ATV320 구동기 제품군에는 개방 루프 제어의 3상 동기식, 비동기식, PM 및 BLDC 모터용 IP20 및 IP6x 등급 0.18kW ~ 15kW(0.25hp ~ 20hp) VFD가 포함되며 다음과 같은 기능이 제공됩니다.

• 센서 없이 플럭스 벡터 제어를 사용하여 저속 토크, 속도 정확도, 높은 동적 성능 제공
• 고주파 모터 지원
• 통합 기능으로 기능 안전 표준 준수

AMR의 경우

AMR은 VFD를 사용하긴 하지만 다른 유형의 VFD를 사용합니다. MEAN WELL의 산업용 BLDC 모터 구동기의 VFD 계열이 좋은 예입니다. 이 계열은 61800-5-1 안전 요구 사항 및 61800-3 전자파 적합성(EMC) 요구 사항과 같은 IEC 61800의 관련 섹션을 준수합니다. 하지만 이 VFD는 패키지 구동기가 아니므로 61800-9의 효율성 범주가 적용되지 않습니다.

VFD 계열에는 150W ~ 750W 범위의 DC 및 AC 입력 버전이 포함된 8가지 모델이 있습니다. VFD-350P-48 모델은 AMR과 같은 배터리 구동 응용 제품에 쓰이는 48V_DC 입력으로 작동하며 최대 350W 및 20A 출력 전류를 공급할 수 있습니다.

이 350W BLCD 구동기는 4"x2" 회로 카드에 패키징되어 있으며 팬리스 설계를 적용하여 5초 동안 200% 피크 부하를 지원할 수 있습니다(그림 6). VFD 계열의 모든 모델에는 전력 구동기 섹션만 포함되어 있으며 외부 제어 카드가 필요합니다. MEAN WELL에서는 옵션 제어 카드도 제공합니다.

그림 6: VFD 구동기 전력 섹션의 제품 구성도(왼쪽) 및 AMR에 설치할 준비가 된 전력 섹션(오른쪽) (이미지 출처: MEAN WELL)

결론

기계 제어, AMR을 비롯한 산업용 응용 제품에 다양한 가변 속도 구동기 설계를 사용할 수 있습니다. AC 및 DC 모터를 모두 지원할 수 있으며 IEC 61800의 각 섹션을 다양한 수준으로 준수합니다. 또한 개별 VFD의 성능은 IEC 61800-9에서 초점을 맞추는 요소가 아니므로 이러한 효율성 표준과 관련된 성능을 보고하는 데는 여러 가지 접근 방식이 있습니다. 일부 VFD 제조업체는 섹션 1과 2에 초점을 맞추고 IE2와 같은 VFD 효율성 수준을 보고합니다. 반면에, 제품 종류 규정 및 관련 환경 선언을 포함한 전체 친환경 설계 고려 사항과 관련된 섹션 3에 초점을 맞추는 제조업체도 있습니다.