고성능 시스템 실현을 위한 모션제어 인버터 ACS800-MC
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모션제어 인버터 ACS800-MC
세계 최대의 인버터 생산 및 공급 업체인 ABB는 혁신적인 성능과 여러 가지의 사용자 위주의 개념을 적용한 제품들을 시장에공급하고 있다. 새롭게 출시된 모션 제어 인버터는 기존 ACS800 시리즈의 하드웨어에 고성능 모션제어 소프트웨어를 장착한 모델이며, 고기능의 속도 제어 및 토크 제어 뿐만 아니라 위치 및 동기화제어가 가능하다. 이러한 모션 제어 인버터는 시스템을 보다 고기능화, 고성능화시킬 수 있으며, 서보 드라이브를 사용하는 일부 분야까지 적용되어 저비용으로 고성능의 시스템 구축을 가능하게 한다.
글/ 조신현 차장, ㈜ABB 코리아(www.abb.co.kr)
세계 최대의 인버터 생산 및 공급 업체인 ABB는 혁신적인 성능과 여러 가지의 사용자 위주의 개념을 적용한 ACS800을 2002년도 부터 공급하고 있다. 380~690V급 및 220V급은 1.1kw~200kW로 최대 용량을 공급하고 있다. 인버터의 외형 크기를 대폭적으로 줄여 기존 ACS 600 시리즈의 동급용량에 비해 외형이 50%이상 소형화 되었으며, 다양한 설치 방법으로 설치공간을 최소화 할 수 있다. 또한 ACS800 모델은 표1과 같이 다양하며, 하드웨어 구성과 소프트웨어에 따라 여러가지 모델로 구분될 수 있다.
이 제품의 제어방식은 ACS600 시리즈와 동일한 DTC( Direct Torque Control) 방식을 기반으로 하여 성능을 향상 시켰으며, 소형화에도 불구하고 인버터 유니트 내부에 RFI 필터 및 쵸크를 내장하여 인버터에 필요한 부가적인 장치를 유닛 내에 구현하고 있다.
ACS800은 다양한 기능의 인버터를 갖고 있다. 하드웨어적으로는 일반적인 다이오드 렉티파이어(Diode Rectifier)를 장착한 모델 이외에도 12펄스 입력형, Thyristor SCR를 장착한 회생제동 가능형, IGBT 회생 가능 제품, 고조파(하모닉)를 획기적으로 줄여 줄 수 있는 인버터 등이 있다.
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| IGBT 입력회생 인버터 구조 |
외부 컨트롤 시스템 없이
위치 및 동기 제어 구현
소용량 인버터에서 회생에너지는 제동 쵸퍼와 제동 저항기를 사용하여 발생된 회생에너지를 저항을 통해 열로 소모 시켜 주는 것이 국내 인버터와 일반적인 인버터 방식이나, 최근에는 IGBT 회생용 인버터를 적용하여 에너지 절감 및 확실한 회생제어 4상한 운전이 가능한 기술이 적용되고 있다. 이러한 기술로 인해 SCR 방식의 회생인버터 사용시 입력 전원 불안정으로 인해 휴즈가 소손이 되는 현상을 개선할 수 있어 안정적인 시스템 운영을 할 수 있다.
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| Virtual 마스터 동기화 운전 |
기존에는 고조파 저감을 위하여 다중 권선 변압기와 다중 펄스 입력인버터(12펄스,24펄스등)를 사용하며, 수동 필터를 사용했다. 그러나 새로운 방식의 ACS800-31 및 37 인버터를 적용하게되면 시스템 전체의 가격 경쟁력은 물론 교류 고조파(하모닉)를 현저히 줄일 수 있다.
여기에서는 이러한 다양한 종류의 인버터 하드웨어를 기반으로 하면서 모션제어가 가능한 인버터에 대하여 설명하고자 한다. 새롭게 출시된 모션 제어 인버터는 기존 ACS800 시리즈의 하드웨어에 고성능 모션제어 소프트웨어를 장착한 모델이며, 고기능의 속도 제어 및 토크 제어 뿐만 아니라 위치 및 동기화제어가 가능하다. 이러한 모션 제어 인버터는 시스템을 보다 고기능화, 고성능화시킬 수 있으며, 서보 드라이브를 사용하는 일부 분야까지 적용되어 저비용으로 고성능의 시스템 구축을 가능하게 한다. 특히 모션 제어 소프트웨어는 산업용드라이브인 ACS800의 다양한 하드웨어에 장착이 가능하다. 모션 제어 인버터는 위치제어(Positioning)와 동기 제어(Synchronization)가 가능하며, 일반 ACS800 인버터의 동일 하드웨어에 모션제어용 소프트웨어가 장착되어 외부 컨트롤 시스템 없이 인버터 자체적으로 모션 컨트롤을 제공하는 형태를 가진다.
특히 사용자는 PLC나 다른 외부 컨트롤 시스템 없이 위치제어와 동기 제어를 구현할 수 있어 비용 절감뿐 아니라 제어 시스템을 위한 설치공간을 최소화 할 수 있다. 또한 이 제품은 전체 시스템에 추가적으로 부착된 장치가 적어 신뢰도를 향상 시킬 수 있다.
모션제어 소프트웨어는 정확한 모션 콘트롤의 사용을 요구하는 OEM 기계 제조자와 SI (System Integratr)업체를 위한 것이며, 운반설비, 포장기기, 인쇄기, 플라스틱 성형기계 등에 적용될 수 있다.
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| Flying Shear |
설치 공간 최소화로
비용과 편이성 최적화
또한 모션 제어 소프트웨어는 위치제어와 동기제어 이외에도 인버터의 기본적인 속도제어와 토크제어가 가능하며, 선택된 모드를 운전 중에 전환할 수 있다. 위치제어의 위치 설정 테이블과 위치 포지션 콘트롤은 포지션 정보 테이블과 포지션 설정기에 기준하며, 교습기능(Teach-in Function)은 사용자가 시운전과 프로그램을 더욱 쉽게 해 주고 설정 테이블에 실제 위치값을 설정할 수 있도록 한다. 또한 소프트웨어를 통해 사용자는 각 움직임의 가속과 함께 속도와 감속 프로필을 사전 프로그램화 할 수 있다. 포지셔닝은 선형(Linear)과 회전축(Rollover Axis) 모두로 수행할 수 있으며, 포지셔닝 설정기(Interpolator)는 포지셔닝을 수행을 최적화 시킨다.
움직이는 목표(Target)에 대한 동기화는 마스터 위치에서 엔코더 공명방식으로 전달(Echoing)하거나 마스터 팔로우 연결(광통신)을 통한 마스터 포지션으로부터의 레퍼런스에 의해 적용된다. 또한 이 제품에는 상호적 동기화 방식, 절대적인 동기화 방식 등 두 가지 모두 가능하며, 동적 제한기 기능이 포함되어 있다. 엔코더는 부하로 부터 직접 받을 수 있으며, 전기적 기어(Electical Gear) 기능을 사용함으로서 적절하게 조정해 사용할 수 있다.
소프트웨어는 2개의 선택 가능한 홈(Homing) 모드를 가지고 있으며, 각 모드는 7개의 선택 기능을 가지고 있다. 또한 반복적인 홈(Homing)에는 세 개의 기본설정(Preset)과 세 개의 주기적인 포지션 수정 기능이 있다. 이러한 주기적인 조정은 부하와 모터 사이의 슬립 때문에 발생하는 포지션 에러의 보정을 가능하게 한다.
I/O는 표준으로 아날로그와 디지털 채널이 준비되어 있으며, 필요시 확장 옵션 모듈을 추가로 산택하여 설치할 수 있다. 또한 광대한 범위의 필드버스(Fieldbus) 옵션으로 Profibus와 DeviceNet을 포함한 일반적인 필드버스는 준비 중에 있다. 또한 모션제어 소프트웨어는 2개의 펄스엔코더나 레졸버(Resolvers)를 동시에 사용할 수 있도록 지원하고 있다.
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| 모션제어 인버터 모듈 외형과 응용 |
ACS800 인버터의 기본적인 사양 중 시운전 도우미(Start-Assistant)기능은 사용자와 ACS800 간의 양방향 대화를 가능하게 하여 드라이브의 첫 기동을 자동적으로 감지해내고 사용자가 시운전에 가장 중요한 프로그램을 선별할 수 있도록 기능을 제공하고 있다. 이 기능은 필드버스 모듈이나 I/O 확장과 같은 옵션이 설치된 경우에도 이를 자동으로 탐지해내어 적절한 시운전을 할 수 있도록 한다.
또한 응용 프로그래밍(Adaptive Programming)은 소형 PLC를 인버터 내부에 장착한 것처럼 어떠한 운용도 가능하도록 프로그램밍하여 ACS800을 원하는 용도로 적응될 수 있도록 하고 있다. 이러한 기능은 특수한 하드웨어나 소프트웨어 없이도 제어 판넬을 통해 프로그래밍할 수 있다.
이 제품은 별도의 공간 없이 EMC 필터, 입력리액터, 제동쵸퍼, I/O 확장 모듈, 필드버스 모듈 및 펄스 엔코더 모듈 등을 모두 내장 시킬 수 있도록 설계되어 있어 사용자가 설치 및 관리는 추가적인 공간 및 결선을 최적화시키고 있다. 운전 중에도 교체 가능한 조용하고 긴 수명의 냉각팬, 알루미늄 케이블용으로도 충분히 큰 케이블 단자대, 내구성이 긴 콘덴서, 다양한 용도로 프로그래밍할 수 있는 입출력 제어 단자 등도 장점이라고 할 수 있다.
세계 최초의 DTC 기술 적용으로
PWM 모듈 없이 최적스위칭 설계
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| ABB의 ACS800 |
그러나 DTC 제어는 토크 계산에 0.025ms의 시간이 소요되며, 스위칭하는데 PWM 모듈레이터 없이 1ms 이내에 스위칭을 할 수 있다. 또한 피드백 장치없이 0.1% 속도정도(피드백 사용시 최대 0.001%, ACS800 MC 모델), 직류전동기보다 빠른 5ms이내의 토크 응답성 및 5% 이내의 토오크 선형성, 제로 속도에서 Full 토오크 발생, 200%의 기동 토크 발생 등 뛰어난 성능을 나타내고 있다.
이러한 성능은 전동기와 인버터가 일체 개념으로 동작하게 하며, ACS800이 모터 I.D Run 및 Auto Turning에 의해 모터에 관련된 모든 상수를 자동으로 인식하고 최적 제어를 할 수 있도록 한다.
최근의 경우 IGBT소자가 출시됨으로서 저압 인버터의 스위칭 소자는 거의 IGBT을 채용하고 있다. 이러한 인버터들은 스위칭 속도를 높임으로서 전동기에 공급되는 파형을 사인파에 가깝게 만들어 전동기에서 발생하는 자기음을 현격히 줄여 주고 있다. 그러나 스위칭 주파수를 높이면 인버터에서의 스위칭 손실이 증가하게 된다. 이러한 IGBT의 빠른 스위칭에 의해 야기되는 전기 노이즈 및 전동기 절연 파괴를 ACS800은 DTC 제어 방식에 의해 2~3kHz로 최적 스위칭(Optimal Switching) 한다. 또한 PWM 방식의 정해진 스위칭 패턴에 의해 항상 일정한 주파수 밴드에서 발생하는 공명 현상이 없어 전동기 소음을 획기적으로 줄일 수 있으며, 시스템 효율을 최대한 높일 수 있다.
특히 DTC의 스위칭은 PWM 방식 스위칭 주파수 30kHZ 이상의 효과를 나타내고 있으며, 리액터 표준 내장 및 EMC 필터 등으로 전동기 절연 보호는 물론 고조파 및 노이즈 발생을 최대한으로 억제하고 있다. 이러한 DTC 인버터는 스위칭 주파수를 높여 전동기 소음을 사람의 귀에 안 들리게 하는(실제 전기적인 노이즈는 더욱 많이 발생됨) 방법을 대체할 수 있다. 이외에도 ABB는 국내에 많은 관심을 갖고 있는 풍력발전기 제어용 인버터, Extruder의 스크루를 보호하기 위한 압출기 소프트웨어, Winder 소프트웨어, 마스터 팔로우 등 다양한 특수 소프트웨어 및 하드웨어를 구비하고 있다.
