VFD 및 VSD 사용 효과를 극대화하려면 어떤 지원 제품이 필요한가요? - 1부

이 기사 시리즈의 1부에서는 모터 연결 케이블, 출력 리액터, 제동 저항기, 라인 리액터 및 라인 필터를 선택할 때 고려해야 할 사항을 살펴봅니다. 2부에서는 VSD/VFD와 서보 구동의 차이점을 살펴보고, AC 및 DC 회전식 및 선형 서보 모터의 용도를 검토하고, 소프트 스타트-스톱 장치가 산업 운영에 적합한 경우를 고려하고, 센서, 인간 기계 간 인터페이스(HMI), 안전 장치와 같은 주변 장치를 구동하는 데 DC 컨버터가 어떻게 사용되는지를 살펴봅니다.

산업 운영의 효율성과 지속 가능성을 극대화하려면 가변 속도 구동기와 가변 주파수 구동기(VSD/VFD)를 사용해야 합니다. 하지만 그 정도로는 충분하지 않습니다. VSD/VFD의 이점을 극대화하려면 고성능 케이블, 제동 저항기, 라인 필터, 라인 리액터, 출력 리액터 등과 같은 추가 부품이 필요합니다.

케이블 연결은 어디에나 있으며 매우 중요합니다. VSD/VFD를 모터에 연결하는 케이블을 잘못 지정하면 시스템 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 제동 저항기, 필터, 리액터 같은 다른 요소는 설치에 따라 달라지며, 성공적인 배포를 위해 매우 중요할 수 있습니다.

예를 들어 일부 시스템은 전자파 장해(EMI)를 제어해야 하는 지역에서 작동하며, EN 61800-3 카테고리 C2를 충족하는 라인 필터를 사용하는 것이 바람직합니다. 빠른 감속이 필요한 응용 분야에는 제동 저항기가 필요합니다. 라인 리액터는 역률을 개선하고 효율성을 높일 수 있으며, 출력 리액터는 더 긴 케이블을 사용하도록 할 수 있습니다.

이 기사에서는 모터 연결 케이블을 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 사항을 살펴본 다음 LAPP 및 Belden의 일반적인 케이블 연결 옵션을 소개합니다. 그런 다음 출력 리액터, 제동 저항기, 라인 리액터 및 라인 필터의 선택에 영향을 미치는 요소를 검토하며, ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic 및 Siemens의 대표적인 장치도 소개합니다.

모터 케이블은 특정 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 다양한 구성으로 제공됩니다. 일반적으로 세 개의 주 전력 컨덕터가 있으며, 컨덕터는 교차 연결 폴리에틸렌(XLPE)으로 절연되는 경우가 많습니다. 어떤 컨덕터에는 절연되지 않은 접지선이 있습니다. 다양한 신호 전선과 다양한 편복선 및 호일 차폐를 선택할 수 있습니다. 전체 조립품은 환경적으로 견고한 외부 재킷 안에 들어 있습니다(그림 1).

그림 1: 다양한 구성으로 제공되는 VFD 모터 케이블 (이미지 출처: Belden)

Belden Basics 부품 번호 29521C 0105000과 같은 기본 케이블도 컨덕터, 차폐, 절연체로 구성된 복잡한 조립품입니다. 이 케이블에는 XLPE 절연체로 덮인 14AWG(미국 전선 규격)(7x22 연선) 구리 컨덕터 3개와 18AWG(7x26 연선) 비절연 구리 접지선 3개가 있습니다. 이 6개의 전선은 이중 나선형 테이프 실드로 100% 둘러싸여 있으며, 전체 케이블 조립품은 환경 보호를 위해 폴리염화비닐(PVC) 재킷으로 감싸져 있습니다.

Belden Basic 케이블은 NEC(미국 국가전기코드)에 정의된 클래스 1 디비전 2 위험 지역에서 사용하기에 적합합니다. 클래스 1은 인화성 가스, 증기, 액체를 취급하는 시설을 말합니다. 디비전 2는 이러한 인화성 물질이 일반적으로 발화할 수 있을 만큼 높은 농도로 존재하지 않음을 명시합니다.

LAPP의 ÖLFLEX VFD 1XL과 같은 일부 케이블 계열은 신호 전선을 함께 제공하는 경우도 있습니다. 신호 전선을 사용하는 것이 유리한 응용 분야에서는 LAPP의 701710 케이블을 사용할 수 있습니다. 여기에는 전력 컨덕터 3개, 접지 컨덕터 1개, 신호 전선 1쌍이 포함되어 있습니다. 전력 컨덕터는 XLPE(플러스) 절연체가 있는 16AWG(26x30 연선)입니다. 신호 쌍은 개별적으로 호일 차폐되어 있습니다.

전체 조립품은 장벽 테이프, 3중 호일 테이프(100% 적용 범위), 주석 도금 구리 편복선(85% 적용 범위)으로 차폐되어 있습니다. 외부 재킷은 소독제에 내성이 있는 특수 배합된 열가소성 플라스틱 탄성 중합체(TPE)로 제작되며 일반적으로 식품, 음료, 화학 및 관련 산업에서 사용됩니다.

전력과 신호를 안정적이고 효율적으로 처리하는 것 외에도 VFD 케이블은 구동기의 고주파 작동으로 인한 고전압 스파이크와 전자파 장해(EMI) 잡음 수준을 처리할 수 있어야 합니다. VFD 케이블은 고전압 스파이크와 EMI를 억제하고 관리하도록 설계되었지만 한계가 있습니다(그림 2). 이때 부하 리액터를 사용하여 고전압 스파이크와 EMI를 줄일 수 있습니다.

그림 2: 제어되지 않은 고전압 스파이크는 절연체를 관통해 케이블 고장을 일으킬 수 있습니다. (이미지 출처: LAPP)

VFD 케이블 선택에 대한 자세한 내용은 '신뢰성과 안전을 개선하고 탄소 배출을 줄이도록 VFD 케이블 지정 및 사용'을 참조하십시오.

부하 리액터

출력 리액터라고도 하는 부하 리액터는 구동기의 출력부에 가깝게 연결되어 고전압 스파이크와 EMI의 영향을 줄이고 케이블과 모터 모두의 전선 절연을 보호합니다. VSD/VFD는 고주파(보통 16kHz ~ 20kHz) 출력을 냅니다. 고주파 스위칭으로 인해 수 마이크로초의 전압 상승 시간이 발생하면 모터의 피크 전압 정격을 초과할 수 있는 고전압 스파이크가 발생하여 절연체 항복으로 이어질 수 있습니다.

사용되는 모터의 종류에 따라 VFD 케이블 길이가 30m(100피트)를 초과하는 경우 대체적으로 부하 리액터를 사용하는 것이 좋습니다. 예외도 있습니다. 예를 들어 모터가 NEMA MG-1 파트 31 표준을 충족하는 경우 부하 리액터를 사용하지 않고 90m(300피트) 케이블을 사용할 수 있습니다.

모터의 종류에 관계없이 케이블 길이가 90m를 초과하는 경우에는 일반적으로 부하 리액터가 권장됩니다. 거리가 150m를 초과하는 경우에는 특수 설계된 필터를 사용하는 것이 일반적으로 권장됩니다. EMI에 민감한 환경에서는 모든 응용 분야에 부하 리액터를 사용하는 것이 대체로 좋습니다.

부하 리액터는 특정 구동기 모델용으로 설계되는 경우가 많습니다. 예를 들어 Omron 모델 3G3AX-RAO04600110-DE 부하 리액터의 정격은 11A 및 4.6mH이며 이 회사의 3G3MX2-A4040-V1 VFD로 구동되는 400V 3상 5.5kW 모터용으로 설계됩니다.

제동 저항기 및 열 과부하

부하 리액터 외에도 제동 저항기와 과열 시 전원 차단 장치가 VSD/VFD의 출력 측에 필수 부품으로 추가될 수 있습니다. 제동 저항기는 제동 에너지를 흡수하여 과도 제동 토크를 최대화합니다. 대부분의 제동 저항기는 에너지를 방출하지만, 일부는 에너지를 회수하고 재활용하는 회생 제동 시스템의 일부로 사용됩니다.

방출형 제동 저항기는 특정 응용 분야에 적합한 등급입니다. Schneider Electric VW3A7755 8Ω 제동 저항기는 최대 25kW를 방출할 수 있으며, Delta Electronics BR300W100 100Ω 제동 저항기는 300W에 적합한 등급입니다.

제동 저항기 응용 제품은 에너지 방출률(ED%)로 정의됩니다. 정의된 ED%에 따라 저항기는 제동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출합니다. ED%는 그림 3에서 피크 방출, 제동 간격(T1) 및 전체 주기 시간(T0)을 기준으로 정의됩니다.

그림 3: 에너지 방출률(ED%) 정의 (이미지 출처: Delta Electronics)

제동 강도에 따라 ED%는 제동 장치와 제동 저항기가 제동으로 인해 발생하는 열을 방출할 수 있는 충분한 시간을 확보하도록 지정됩니다. 열 방출이 충분하지 않아서 제동 저항기가 가열되면 저항이 증가하여 전류 흐름과 흡수되는 제동 토크가 감소합니다.

제동 저항기는 다음과 같은 다양한 방출 주기로 정의될 수 있습니다.

• 경제동: 제동력이 40초마다 0.8초 동안 공칭 토크(Tn)의 1.5배로 제한됩니다. 사출 성형 기계와 같이 관성이 제한된 기계에서 사용됩니다.
• 중간 제동: 제동력이 40초마다 4초 동안 1.35Tn으로 제한됩니다. 플라이 휠 프레스 및 산업용 원심 분리기와 같이 관성이 큰 기계에서 사용됩니다.
• 급제동: 제동력이 120초마다 6초 동안 1.65Tn, 54초 동안 Tn으로 제한됩니다. 호이스트, 크레인과 같이 수직 이동이 수반되는 관성이 매우 큰 기계에서 사용됩니다.

대부분의 시스템에는 제동 저항기 이외에 안전 예방 조치로 열 과부하 장치(예: ABB Control TF65-33 열 과부하 계전기)가 제동 저항기에 연결되어 있습니다. 열 과부하 장치는 너무 빈번하거나 너무 강한 제동에 의해 손상되지 않도록 저항기와 구동기 시스템을 보호합니다. 열 과부하가 감지되면 구동기가 꺼집니다. 제동 기능만 끄면 구동기에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다.

구동기 입력 보호

구동기 입력의 라인 리액터와 필터는 각각 저주파 고조파와 고주파 EMI를 제한합니다(그림 4). 라인 리액터는 구동기 회로망으로 인해 발생하는 AC 입력 전력의 고조파 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다. IEEE-519, '전력 시스템의 고조파 제어'의 요구 사항을 충족해야 하는 응용 분야에서 특히 유용할 수 있습니다. 또한 라인 리액터는 서지, 스파이크, 과도 현상과 같은 주 전력의 교란을 완화하여 작동 신뢰성을 높이고 과전압 차단을 방지합니다.

그림 4: 라인 필터는 고주파 EMC를 제한하고, 라인 리액터는 저주파 고조파를 제한합니다. (이미지 출처: Siemens)

라인 리액터의 예로는 Panasonic의 Minas 3상 구동기 제품군과 부속품의 일부인 정격 8A DV0P228 2mH 인덕터와 최대 4A의 입력 전류를 소모하고 3상 380V_AC -10% ~ 480V_AC +10% 전력에서 작동하는 최대 1.1kW 구동기에 적합한 Siemens의 6SL32030CE132AA0 2.5mH 인덕터가 있습니다.

라인 필터

라인 필터는 대부분의 응용 분야에서 전자파 적합성(EMC)을 지원하고 EMI 보호 기능을 제공하는 데 필요합니다. 특정 환경에 따라 산업 및 상업(빌딩) 환경에서는 각각 클래스 A와 클래스 B의 두 가지 분류의 EMI 필터가 사용됩니다. 상업 환경(사무실, 관리 등)에는 일반적으로 EMI에 더 민감한 전자 시스템이 포함되므로 클래스 B에는 클래스 A보다 높은 수준의 필터링이 필요합니다.

관련 EMC 표준에는 산업, 과학 및 의료 장비에 대한 방출 제한을 자세히 설명하는 EN 55011과 특히 가변 속도 구동기와 관련된 IEC/EN 61800-3이 포함되어 있습니다.

VFD/VSD에 통합 라인 필터가 함께 제공되는 경우도 있습니다. 필터가 있는 경우 클래스 A 또는 클래스 B일 수 있으며, 환경 및 설치 요인(예: 케이블 길이)에 따라 필터가 통합된 구동기라도 추가 필터링이 필요할 수 있습니다. 클래스 A 환경에서 작동하는 데 적합한 구동기는 옵션 필터를 추가하여 클래스 B 환경에서도 사용할 수 있습니다.

IEC/EN 61800-3은 환경 및 종류를 기준으로 EMC 요구 사항을 정의합니다. 주거용 건물은 제1 환경(First Enviironment)으로 정의되고, 변압기를 통해 중전압 분배 네트워크에 연결되는 산업 설비는 제2 환경(Second Environment)으로 정의됩니다.

EN 61800-3에 정의된 네 가지 종류는 다음과 같습니다.

• C1: 정격 전압 1000V 미만의 구동기 시스템용으로 제1 환경에서 무제한으로 사용할 수 있습니다.
• C2: 정격 전압 1000V 미만의 고정식 구동기 시스템용으로 제2 환경에서 사용되며 제1 환경에서도 사용할 수 있습니다.
• C3: 정격 전압 1000V 미만의 구동기 시스템용으로 제2 환경 전용으로 사용됩니다.
• C4: 제2 환경에서 정격 전압 1000V 이상, 정격 전류 400A 이상의 구동기 시스템에 대한 특별 요구 사항입니다.

일반 라인 필터를 사용할 수 있지만 라인 리액터와 마찬가지로 라인 필터는 특정 구동기 제품군용으로 설계되는 경우가 많습니다. 예를 들어 Schneider Electric VW3A4708 라인 필터의 정격은 200A입니다(그림 5). 이 필터는 이 회사의 Altivar VSD 및 Lexium 서보 구동기에 사용하도록 설계되었습니다. 200V_AC ~ 480V_AC 주 전압에 적합하며, 보호 지수는 IP20입니다. EN 61800-3 등급은 모터 케이블 길이에 따라 다릅니다.

• 종류 C1: 최대 50m의 차폐 케이블 사용
• 종류 C2: 최대 150m의 차폐 케이블 사용
• 종류 C3: 최대 300m의 차폐 케이블 사용

그림 5: 200V_AC ~ 480V_AC 주 전압에 적합한 200A 라인 필터 (이미지 출처: Schneider Electric)

결론

VSD와 VFD는 산업 운영의 효율성을 극대화하고 온실가스 배출을 최소화하는 데 중요한 시스템입니다. 이러한 구동기에는 관련 국제 표준을 충족하는 효과적이고 안정적인 설치를 보장하기 위해 VFD 케이블, 출력 리액터, 제동 저항기, 라인 리액터, 라인 필터를 비롯한 여러 지원 부품이 필요합니다.