VFD 및 VSD의 사용 효과를 극대화하려면 어떤 지원 제품이 필요한가요? - 2부

이 기사 시리즈의 1부에서는 모터 연결 케이블, 출력 리액터, 제동 저항기, 라인 리액터 및 라인 필터를 선택할 때 고려해야 할 사항을 살펴봤습니다. 2부에서는 VSD/VFD와 서보 구동의 차이점을 살펴본 다음, AC 및 DC 회전식 및 선형 서보 모터의 용도를 검토하고, 소프트 시동-정지 장치가 산업 운영의 어느 부분에 적합한지 살펴본 후에, 센서, 인간 기계 간 인터페이스(HMI), 안전 장치와 같은 주변 장치를 구동하는 데 DC 컨버터가 어떻게 사용되는지를 살펴봅니다.

가변 속도 구동기와 가변 주파수 구동기(VSD/VFD)는 산업 운영의 효율성과 지속 가능성을 극대화하는 데 필수적이지만, 이외에도 활용할 도구가 많습니다. 최고의 성능을 얻으려면 서보 구동기 및 모터, 소프트 시동-정지 장치, 직류(DC) 컨버터, 직류(DC) 입력 무정전 전원 공급 장치(UPS) 등 다른 장치로 VSD/VFD를 보완하여 최적의 산업 자동화 아키텍처에 도달해야 하는 경우가 많습니다.

AC 및 DC 서보 모터와 구동기는 간단한 1축 또는 2축 작업부터 256개 이상의 동작 축을 사용하는 복잡한 작업까지 다양한 응용 분야에 적합합니다. 서보 모터 제어 액추에이터는 산업용 기계에 정밀하고 반복 가능한 움직임을 제공하며 회전 및 선형 동작 구성으로 사용할 수 있습니다.

컨베이어, 펌프, 오버헤드 크레인과 같은 정속 응용 제품에서는 VSD/VFD 대신 소프트 시동-정지 장치를 사용하는 것이 유리한 경우가 많습니다.

응용 제품의 요구 사항에 따라 설계자는 이중 DC 전원 공급 장치, 미국 국가전기코드(NEC)에 정의된 클래스 2 전원 공급 장치 또는 DC UPS 중에서 선택하여 예측 불가능한 주전원을 처리하고 시스템 신뢰성을 개선할 수 있습니다.

이 기사에서는 먼저 VSD/VFD와 서보 구동기의 차이점을 살펴보고, AC 및 DC 회전식 및 선형 서보 모터의 용도를 검토하며, 소프트 시동-정지 장치가 산업 운영에서 적합한 경우를 고려합니다. 그런 다음 DC 컨버터가 센서, 인간 기계 간 인터페이스(HMI), 안전 장치와 같은 주변 장치를 구동하는 데 어떻게 사용되는지를 살펴봅니다. 이러한 장치를 구동하기 위해 이중 DC 아키텍처 또는 DC UPS를 사용하는 경우와 배터리와 슈퍼 커패시터 에너지 저장 장치 중에서 선택하는 경우를 검토합니다. Schneider Electric, Omron, Lin Engineering 및 Siemens의 대표적인 장치가 각 사례에서 소개됩니다.

서보 모터 시스템은 산업 자동화 아키텍처에서 VSD/VFD를 보완할 수 있습니다. 서보 모터 시스템은 복잡하고 동적인 동작 시스템을 위해 설계되었으며 정밀한 포지셔닝을 지원할 수 있습니다. 서보 구동기는 폐쇄 루프 제어를 위해 영구 자석 모터 및 인코더와 함께 사용됩니다. 빠른 가속과 감속을 지원하도록 설계되었으며 선형 또는 비선형 동작 프로파일을 지원할 수 있습니다.

대부분의 VSD/VFD에서는 개방형 루프 제어를 사용하여 모터 속도를 관리합니다. 이 장치에서는 서보 모터 시스템에서 제공되는 정밀도나 응답성을 지원하지 않습니다. 또한 개방형 루프 모터 제어기를 사용하면 부하가 변경되거나 모터가 정지하는 경우에 VSD/VFD가 반드시 보정할 필요가 없습니다. 서보 모터 시스템은 매우 동적인 응용 분야에 사용되는 반면, VSD/VFD는 장시간 일정한 속도를 유지하거나 속도 변화가 상대적으로 적은 응용 분야에 사용됩니다.

서보 모터 시스템은 일반적으로 40W ~ 5,000W의 전력 레벨을 가진 VSD/VFD 구동기보다 작은 경향이 있습니다. 최대 5,000rpm의 빠른 속도, 저소음, 저진동, 높은 토크가 특징입니다. 서보 모터는 최대 180mm 이상의 다양한 프레임 크기로 제공됩니다. 예를 들어 Lin Engineering의 SBL40D1-04는 정격 전압이 36V_DC인 40mm, 60W 브러시리스 DC(BLDC) 서보 모터입니다.

서보 모터는 종종 구동기와 연결됩니다. Schneider Electric은 LXM28AU07M3X 구동기와 BCH2LF0733CA5C 5,000rpm 서보 모터(모두 정격 750W)를 제공합니다(그림 1). 이 구동기에는 CANopen 및 CANmotion 통신 인터페이스가 통합되어 있으며 단상 또는 3상 전원으로 작동할 수 있습니다. 컴패니언 80mm 모터는 IP65 등급이며 -20°C ~ +40°C에서 작동할 수 있습니다.

그림 1: 매칭된 750W 서보 구동기 및 IP65 등급 모터 (이미지 출처: Schneider Electric)

선형 및 직교 동작

선형 동작은 코팅 재료, 3D 프린팅, 검사 시스템 등 다양한 산업 공정에서 사용되며 다양한 구현에서 적용됩니다. 일부는 회전식 스테퍼 모터를 기반으로 하고 일부 설계에서는 선형 모터를 사용합니다. 회전식 스테퍼 모터는 나사형 샤프트를 사용하여 선형 동작을 생성합니다. 외부 너트와 내부 너트로 두 가지 기본 설계가 있으며, 비고정형이라고도 합니다.

너트는 외부 너트 선형 액추에이터의 나사형 샤프트에 실장되고 샤프트는 양쪽 끝에 고정됩니다. 스테퍼 모터가 회전하면 너트가 샤프트를 따라 앞뒤로 움직이면서 이동하려는 물체(페이로드)를 운반합니다. 비고정형 설계에서는 페이로드가 모터에 부착됩니다. 샤프트는 양쪽 끝에 고정되며 페이로드를 운반하는 모터가 샤프트를 따라 이동합니다.

고효율 강철 코어 선형 모터, 자석 트랙, 절대값 인코더 기술이 적용된 선형 동작 스테이지는 고속 산업용 응용 분야에서 최대 5m/s로 움직이면서 반복 가능한 마이크론 이하 정밀도와 5G 가속을 제공할 수 있습니다. 나사형 샤프트 설계와 달리 선형 모터는 더 높은 위치 정확도와 더 빠른 움직임을 제공할 수 있습니다.

선형 동작 스테이지의 기계 부품은 환경으로부터 보호되도록 고도로 밀폐된 구조로 포장될 수 있습니다. Omron은 30mm 활성 자석 폭, 3개 코일 ~ 110mm 활성 자석 폭, 15개 코일 범위의 강철 코어 모터를 기반으로 하는 선형 동작 스테이지를 제공합니다. 48N ~ 760N의 힘을 전달할 수 있는 등급입니다.

R88L-EA-AF-0303-0686 선형 액추에이터 모터는 230V 및 400V 모델로 제공됩니다. 정격 힘은 48N, 최대 힘은 105N입니다. EtherCAT 통신이 포함되어 산업용 네트워크에 통합될 수 있는 R88D-KN02H-ECT 서보 구동기로 구동할 수 있습니다. 두 개의 선형 동작 스테이지를 겹쳐 직교 좌표계에서 동작을 제공할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 두 개의 선형 모터 스테이지를 겹쳐서 직교 동작을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron)

소프트 시동-정지 장치

VFD/VSD 및 서보 구동기는 작동 중에 모터의 속도와 토크를 제어하고, 소프트 시동-정지 장치는 모터 시동 시 전류 유입을 제한하여 모터를 보호하고 속도와 토크를 부드럽게 상승시킵니다. 그리고 모터가 멈출 때 속도를 부드럽게 감속합니다. 또한 시동 또는 정지 시 발생하는 토크 스파이크로부터 시스템의 기계 부품이 손상되지 않도록 보호합니다.

모터 소프트 시동-정지 장치는 높은 수준의 시동 토크가 필요하지 않고 일정한 속도로 작동하는 컨베이어, 펌프, 팬, 오버헤드 이동 크레인, 자동 도어와 같은 응용 분야에 유용할 수 있습니다. 속도 변화가 제어되고 예측 가능하므로 작업자의 안전도 향상됩니다.

모터의 시동 및 정지 속도는 모터의 전압과 전류를 제어하는 실리콘 제어 정류기(SCR)와 같은 반도체 장치를 사용하여 조정됩니다. 모터가 완전히 시동되면 접촉기를 사용하여 SCR을 우회하여 작동 효율을 개선합니다.

Schneider Electric의 Alistart 22 제품군과 같은 소프트 시동-정지 장치는 4kW ~ 400kW의 광범위한 3상 비동기식 모터를 처리할 수 있습니다. 클래스 10 모터 과부하 및 열 차단 기능이 포함되어 있어 8초 ~ 10초의 빠른 트리핑 시간을 제공합니다. 소프트 시동-정지 장치의 정격 전력은 주로 모터의 작동 전압에 따라 달라집니다. 예를 들어 Schneider Electric의 ATS22D17S6U 장치는 208V 전력으로 3hp, 230V 전력으로 5hp, 460V 전력으로 10hp, 575V 전력으로 15hp 정격 모터를 처리할 수 있습니다(그림 3). 제어 회로망에는 110V_AC 50Hz/60Hz 전원이 필요합니다.

그림 3: 이 소프트 시동-정지 장치는 최대 15hp의 모터를 처리할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

이중화 전력

산업용 시스템은 센서, HMI, 안전 장치 등 다양한 기능에 24V_DC 전력을 사용합니다. 기본적인 이중화 전력으로 산업 설비의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 이중화 전력은 병렬로 연결된 두 개의 전원 공급 장치를 사용하여 다른 전원 공급 장치에 장애가 발생하더라도 각 전원 공급 장치로 전체 부하를 구동할 수 있습니다. 두 개의 전원 공급 장치를 사용하는 경우 1+1 이중화라고 합니다. 두 전원 공급 장치 모두에 장애가 발생하지 않는 이상 시스템 전력 공급 장애는 발생하지 않습니다.

N+1 구성으로 더 많은 전원 공급 장치를 사용하면 전체 전원 공급 시스템의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 3+1 예비 전력 아키텍처에서는 4개의 전원 공급 장치를 사용하며, 이 중 3개로 전체 부하를 구동할 수 있습니다.

이중화 모듈에서는 일반적으로 다이오드 분리 방식으로 전원 공급 장치를 연결하여 한 전원 공급 장치에 장애가 발생하더라도 다른 전원 공급 장치의 작동에 영향을 미치지 않습니다. 더 높은 신뢰성이 필요한 응용 분야에서는 여러 이중화 모듈을 사용하여 단일 장애 지점이 생길 가능성을 제거할 수 있습니다(그림 4). 예를 들어 Omron의 S8VK-C12024 AC/DC 전원 공급 장치는 최대 120W의 24V 부하를 지원할 수 있습니다. 이러한 전원 공급 장치 중 두 개를 S8VK-R10 이중화 모듈을 사용해 연결하여 120W 1+1 예비 전력 시스템을 구축할 수 있습니다.

그림 4: 다중 이중화 모듈(오른쪽)을 사용하면 단일 장애 지점을 제거하고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

클래스 2 및 이중화

클래스 2 전력은 산업 설비에서 중요한 안전 요소가 될 수 있습니다. 미국 NEC에 정의된 대로 클래스 2 전원 공급 장치의 출력은 100VA 미만으로 제한됩니다. 미국 이외 지역의 일부 산업용 장치에서도 클래스 2 전력이 필요하거나 권장됩니다.

전력을 제한하면 감전 및 화재의 위험이 줄어듭니다. 따라서 클래스 2 설치에서는 전력 케이블을 도관이나 덕트를 통해 배선할 필요가 없으므로 설치가 간편하고 비용이 절감됩니다. 또한 클래스 2 설치는 검사가 간단하므로 비용이 더욱 절감됩니다.

클래스 2 전력 정격을 달성하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 내부적으로 출력 전력을 100VA 미만으로 제한하는 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 또는 출력 전력을 제한하고 여러 부하에 대한 이중화를 제공하는 Siemens의 6EP19622BA00과 같은 이중화 모듈과 함께 Siemens의 480W(24V_DC 및 20A) 6EP15663AA00 같은 높은 와트의 전원 공급 장치를 사용할 수도 있습니다(그림 5).

그림 5: 클래스 2 이중화 모듈을 통해 4개의 부하에 연결된 1+1 이중화 전원 공급 장치(왼쪽) (이미지 출처: Siemens)

무정전 전원

이중화 전력은 유용할 수 있지만 중요한 응용 분야에는 충분하지 않습니다. 추적 가능성과 데이터 수집이 필수이거나, 안전이 우려되거나, 중단 없는 작동이 필요한 경우, Siemens의 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS와 같은 UPS가 필요합니다. 이 UPS는 24V_DC 출력을 제공하며 최대 20A를 공급할 수 있습니다.

UPS를 선택할 때 중요한 질문 중 하나는 에너지 저장 기술입니다. 이중층 커패시터라고도 하는 울트라커패시터는 공정 데이터 저장, 산업용 PC 및 기타 장치의 순차적 종료와 같은 단기 백업 전력 수요에 적합합니다. 수명이 길고 최대 20kW의 백업 전력을 공급할 수 있습니다. 예를 들어 Siemens의 모델 6EP19332EC41 커패시터 에너지 저장 장치는 최대 2.5kW의 백업 전력을 공급할 수 있습니다.

납축 및 다양한 리튬 이온 화학 물질은 최대 몇 시간씩 걸리는 중요한 통신 또는 공정 작업과 같은 장시간의 백업 전력 수요에 유용할 수 있습니다(그림 6). 최대 38Ah의 저장 용량을 갖춘 기본 DC UPS 배터리 모듈을 사용할 수 있습니다. 여러 개의 배터리 모듈을 사용하여 몇 시간 동안 백업 전력을 공급할 수 있습니다. Siemens의 6EP19356MD31 DC UPS 배터리 모듈은 유지보수가 필요 없는 밀폐형 납축 배터리를 사용하여 2.5Ah의 저장 용량으로 최대 15A를 공급합니다.

그림 6: 울트라커패시터(UPS5005 및 UPS501S)는 단기간 백업 전력을 공급할 수 있고(왼쪽) 배터리(UPS16090 및 BAT1600)는 훨씬 더 긴 백업 전력 작동을 지원할 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Siemens)

결론

VSD/VFD가 산업 자동화의 주력으로 간주되곤 합니다. 하지만 포괄적인 산업 자동화 아키텍처에는 서보 구동기, 모터, 소프트 시동-정지 장치 등 많은 장치가 필요합니다. 또한 산업 자동화 시스템 설계자는 가동 시간과 신뢰성을 최적화할 때 다양한 DC 전력 아키텍처 중에서 선택할 수 있습니다.