‘VFD(가변 주파수 드라이브)’ 기술로 에너지 절감한다!

공장과 장비 제조업체는 모터의 효율을 향상시켜 에너지 절약을 지능적으로 극대화 하기 위한 방법을 모색하고 있다. 동시에 이러한 사용자는 유도 모터(induction motors)에서 IPM(interior permanent motors)으로의 전환을 진행하고 있다. 이러한 추세는 가변 주파수 인버터 기술과 같은 혁신적인 기술을 통해 성능이 높은 드라이브의 필요성을 촉진시키고 있다. VFD(Variable frequency drives; 가변 주파수 드라이브)는 모터에 공급되는 주파수와 전압을 변경하여 모터 속도를 제어하는 데 사용되는 전자 시스템이다. VFD는 전력 소비를 실제 전력 요구와 일치시켜 에너지를 절약하는데 도움을 준다.

다양한 속도 또는 흐름으로 개선할 수 있는 모든 기계 또는 프로세스는 VFD의 후보이다. VFD는 유도 전동기에서 여러 속도의 작동을 달성하기 위해 모든 유형의 산업에서 사용된다.

그러나 석유 및 가스, 금속 및 광업, 발전소, 상하수도, 시멘트 및 풍력 에너지와 같이 IPM 사용을 채택하고 있는 산업에서는 생산성을 극대화하기 위해 고출력, 고성능 드라이브가 필요하다.

OEM, 최종 사용자 및 시스템 통합업체는 유도 모터와 IPM 모두에 사용할 수 있는 다중 기능 VFD를 점점 더 찾고 있다. 이러한 VFD는 펌프와 팬과 같은 저성능 애플리케이션부터 고성능 산업용 애플리케이션까지 모두에 적합해야 한다. 이 드라이브는 빠르고, 신뢰성이 있어야 하며 사용하기 쉽고, 통합 및 설치가 용이해야 한다. 또한 장기간 사용할 수 있어야 한다. 이러한 요구를 충족하는 올인원 가변 VFD는 다양한 환경에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있다.

VFD 기술로 에너지 절감

에너지 효율을 높이기 위해 VFD 기술이 필요한 특정 요인에는 에너지 가격 상승과 세계 각국의 다양한 규제 당국에서 부과하는 엄격한 에너지 효율 규정이 포함된다. 미국의 경우, 에너지 독립성 및 보안 법(EISA)에서는 전부 부하 효율성 업그레이드를 의무화 했으며, 유럽 전기기기 및 전자동력 제조업체 위원회(CEMEP)도 유도 모터의 효율성 분류를 개발했다. 산업 자동화 시장에서는 이러한 요인들이 공장 및 기계의 효율성을 높이는 필요성과 비용 절감을 위한 고성능 수요와 함께 복합적으로 작용한다.

VFD를 사용하여 HVAC 응용 분야에서 에너지 효율성 이니셔티브를 구현하는 것은 간단하다. VFD는 방이나 건물을 냉각하거나 난방할 때 필요한 전력만을 사용할 수 있게 해준다. 기존의 건물 HVAC 응용 분야에서는 팬과 펌프를 일정한 속도로 작동시킨다. 그러나 건물 부하는 일정하지 않다. 기존 시스템에서는 기계적으로 조절하여 물이나 공기의 유량을 감소시킬 수 있다. 

그러나 구동 모터는 여전히 최대 속도로 작동하며, 시스템의 냉각 또는 난방 부하와 관계없이 거의 동일한 양의 에너지를 사용한다. 기계적 조절은 일정한 수준의 제어를 제공할 수 있지만 효율적이지 않다. VFD는 효율적이고 효과적인 대안을 제공한다. 건물 시스템은 최대 부하 조건에 맞게 설계되기 때문에, 펌프와 팬 모터는 대부분의 가동 시간 동안 필요 이상의 에너지를 사용한다. VFD를 사용하면 수요가 증가할 때에만 필요한 양의 에너지를 사용할 수 있다.

또한 공조기, 펌프, 냉각기 및 타워 팬에서 VFD를 사용하면 에너지가 절약될 뿐만 아니라 모터 시동 전류도 감소시킨다. 시동중에 모터와 벨트의 열 및 기계적 응력을 감소시켜 전력요소를 높이고 kVA를 낮춘다. 결과적으로 VFD를 사용하면 에너지 비용이 절감될 뿐만 아니라 운영 비용도 크게 절감될 수 있다.

VFD의 이점

<그림1> VFD의 이점

VFD 기술은 HVAC 애플리케이션에서 에너지 및 비용 절감을 위한 사용 외에도 산업 플랜트에서 사용되는 모든 유형의 모터에서 에너지 효율성을 촉진한다. 천연 자원 보호 위원회(Natural Resources Defense Council)에 따르면 전기 모터는 미국에서 소비되는 산업 에너지의 거의 50%를 차지한다. 결과적으로 이러한 모터의 속도를 제어하면 에너지 사용을 최적화하는 공장의 능력에 큰 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 기계 효율성을 높이고 더 높은 성능에 대한 요구를 충족할 수 있다.

가변 주파수 인버터는 정밀한 속도 제어가 필요한 애플리케이션에서 매우 유용하다. 또한 애플리케이션에 가장 효율적인 속도로 모터를 작동하면 실수가 줄어들고 생산 수준이 높아진다. VFD는 모터의 속도를 실시간 제어하여 필요에 따라 에너지 사용을 조정할 수 있다. 정확한 프로세스 요구 사항을 충족하기 위해 모터 속도를 변경함으로써 모터를 고정 속도로 실행할 때 사용되는 과도한 에너지를 없앤다. 결과적으로 VFD는 모터의 전력 수준을 성능 요구 사항에 맞게 정확하게 조정함으로써 에너지 소비를 낮출 수 있다.

예를 들어, 파이프라인에서 모터는 유체가 20%인지 100%인지에 관계없이 동일한 속도로 작동하고 거의 동일한 양의 에너지를 소비한다. VFD를 설치함으로써 모터 속도를 20%로 낮출 수 있으므로 에너지와 비용을 절약할 수 있는 것이다.

VFD는 에너지 절약 외에도 많은 이점을 제공하므로 산업 응용 분야에서 채택이 계속 증가하고 있다. 이러한 이점 중 하나는 VFD 구동 모터가 변화하는 부하 조건에 빠르게 반응한다는 것이 다. 예를 들어, 충격 부하에 대한 반응이다. VFD 구동 모터는 정밀한 토크 출력을 제공한다.

또한 대부분의 중장비는 최대 부하에서 효율적으로 작동할 수 있도록 설계 및 제조된다. 그러나 사용자 요구가 항상 최고 수준의 장비 실행을 필요로 하는 것은 아니다. 사실, 많은 경우에 회사는 기계를 완전히 종료했다가 다시 가동하는 데 드는 노력 때문에 필요하지 않은 경우에도 장비를 계속 가동한다. VFD를 사용하면 장비를 유휴 모드로 전환할 수 있다.

VFD는 또한 보다 엄격한 공정 제어를 달성하는 데 도움이 된다. 정확한 프로세스 제어 측면에서 가변 속도 드라이브와 비교할 수 있는 다른 AC 모터 제어 방법은 없다. VFD는 모터를 정확한 속도로 실행하거나 정확한 위치에서 정지하거나 특정 양의 토크를 적용하도록 프로그래밍할 수 있다. 또한 장비 수명을 연장하고 가동 중지 시간을 줄인다. VFD의 모터 주파수 및 전압에 대한 최적의 제어로 인해 전열 과부하, 위상 보호, 부족 전압 및 과전압과 같은 문제로부터 모터를 더 잘 보호한다.

또한 단일 속도의 시작 방식은 모터를 갑자기 활성화하여 높은 시작 토크와 전류 급증을 유발한다. 반면에 VFD는 모터를 운전속도까지 서서히 가동시킨다. 이로써 기계 및 전기적인 응력이 줄어들어 유지 보수 및 수리 비용을 감소시키고, 모터와 구동 장치의 수명을 연장시킨다. 또한 특수한 패턴으로 모터를 구동하여 기계 및 전기적인 응력을 더욱 최소화할 수 있다. 예를 들어, 컨베이어 애플리케이션에 S-커브 패턴을 적용하여 부드러운 감속/가속 제어를 할 수 있으며, 이로써 컨베이어의 가속 또는 감속 시 발생할 수 있는 백래시를 줄인다.

공장 자동화 전문가는 장비 안정성과 플랜트 가용성을 개선하여 생산성을 높여야 한다는 압박을 지속적으로 받고 있다. 그러나 운영 비용 증가, 운영 예산 감소 및 에너지 비용 증가라는 현실로 인해 이러한 목표는 서로 상충될 수 있다. 고성능과 낮은 전력 소비로 인해 VFD는 최종 사용자가 다양한 까다로운 산업 응용 분야에서 이러한 목표를 달성하도록 도울 수 있다.

IPM의 사용 증가

VFD의 인기가 높아짐에 따라 IPM 모터가 고효율 성능으로 더 많은 인정을 받고 있다. 원칙적으로 IPM 설계에는 크기 제한은 없다. 그들은 분수 마력에서 매우 높은 HP 등급까지 개발할 수 있으므로 복잡하고 까다로운 응용 분야에 이상적으로 적합하다.

비교적 새로운 디자인인 IPM 모터는 회전자 자체에 영구 자석을 내장하여 자기 토크 외에 자기 저항을 통한 저항을 사용한다. 자석이 회전자 표면에 장착되는 기존 영구 자석 모터와 달리 자석이 회전자 구조 내에 장착되기 때문에 IPM 모터는 향상된 모터 성능과 무결성을 제공한다. IPM 모터는 벡터 제어와 함께 사용할 때 특히 유용하다. 이 경우 전자 컨트롤러는 고정자 필드에 대한 회전자 위치를 추적하고 전류를 주입하여 토크 생성 및 효율성을 최적화한다.

컨베이어와 같이 일정한 토크가 필요한 응용 분야에서는 유도 모터를 IPM 모터로 교체하여 공장 에너지를 절약할 수 있다. IPM 모터는 회전자에 전류가 흐르지 않아 2차적인 구리 손실이 없기 때문에 더 효율적이다. 영구 자석에 의해 자속이 발생하므로 모터를 구동하는 데 필요한 전류가 적다. 따라서 컨베이어에 사용되는 IPM 모터는 일정한 운반 속도를 유지하면서 에너지를 절약할 수 있다.

IPM 모터 기술의 최근 발전으로 인해 AC 유도 모터 설계에 비해 광범위한 작동 범위에서 훨씬 더 효율적인 모터가 탄생했다. 최신 제어 방법과 결합된 이러한 발전은 가장 까다로운 응용 분야에서 IPM 모터의 수용을 촉진하고 있다. IPM 모터의 전력 밀도는 유도 모터보다 크기 때문에 더 작은 크기로 더 많은 전력을 생산한다. IPM 모터는 또한 저속에서 지속적으로 높은 토크를 전달할 수 있다.

전체 속도 범위에 걸쳐 높은 연속 토크를 제공하는 기능과 결합된 IPM 모터의 높은 전력 밀도는 일부 응용 분야에서 기어링 또는 기타 기계식 전송 장치가 필요하지 않다. 또한 유지 보수 비용과 공간 요구 사항을 줄이는 동시에 안정성을 높일 수 있다.

IPM 모터는 다양한 토크 및 속도 범위에서 높은 효율성과 에너지 절감 가능성으로 인해 까다로운 모션 제어 응용 분야에서 점점 인기를 얻고 있다. 이 차세대 IPM 모터는 VFD와 함께 사용할 때 가장 복잡하고 까다로운 산업 응용 분야에 이상적으로 적합하다.

<그림2> 일반적인 AC 모터

IPM 모터와 VFD의 결합

VFD의 인기가 높아짐에 따라 고성능 산업용 애플리케이션에서 IPM 모터와 VFD의 결합은 성능, 신뢰성, 정밀도, 속도 및 네트워킹 기능을 보장하기 위해 가변 주파수 기술에서 훨씬 더 큰 진보가 필요하다.

초기 VFD는 모터의 마력에 따라 적용 가능한 응용분야의 수가 제한되었다. 하지만 가변 주파수 기술의 혁신으로 현재는 고성능 산업용 애플리케이션에 매우 적합한 시스템으로 잘 어울린다. 초기 세대 시스템은 저전력 요소의 문제도 갖고 있었다. 하지만 현재의 VFD는 모터의 전체 속도 범위에 걸쳐 거의 일정한 전력요소를 유지한다. VFD가 계속 발전함에 따라 더욱 유용하고 강력한 것으로 입증되고 있다.

고성능 드라이브를 사용하는 대부분의 최종 사용자에게 신뢰성은 절대적으로 필요하다. 제재소와 같이 기계가 인력보다 훨씬 많은 작업의 경우 특히 그렇다. 제어실에서 컨베이어에 나무를 싣고 있는 한 직원에게 드라이브 고장은 전체 작업이 중단되었음을 의미한다. 컨베이어에 나무를 싣고 최적의 수확량을 위해 목재 크기를 분석한 다음 통나무를 자르는 과정에서 드라이브의 신뢰성은 필수적이다. 드라이브가 과도하게 사용되거나 시스템에 문제가 있는 경우 문제를 찾아 수정하거나 재설정하는 데 큰 비용이 든다.

일부 응용 분야에서는 믿음성뿐만 아니라 속도도 중요하다. 우편물 및 소포 배송에서 특히 12월에는 서비스가 최대 13% 증가할 수 있는데, 배송 회사의 평판은 시간에 맞춘 배송에 달려있다. 대규모 컨베이어를 통해 수천 개의 편지와 소포를 이동시키고, 바코드를 스캔하고, 데이터베이스에서 바코드 정보를 조회한 다음 VFD를 통해 신호를 발송하여 분기기로 전송하는 것은 매우 높은 속도가 필요하다. 분기기는 그 신호를 받아들이고 반응하는 매우 작은 시간 창이 있다.

이와 같이 요구 사항이 매우 엄격한 응용 분야에서는 VFD만이 높은 속도와 필요한 속도를 제어할 수 있는 능력을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 식품 및 음료 산업에서는 생산량과 생산성에 중요한 속도를 사용하여 IPM 모터와 VFD의 조합을 활용하여 기업이 경쟁력을 유지할 수 있다.

<그림3> IPM 솔루션의 이점

VFD는 고속 권선에서도 사용이 증가하고 있다. 이러한 애플리케이션에서 요구되는 정밀도 때문이다. 예를 들어 복잡하고 복잡한 인쇄 공정에서 선명한 이미지를 얻기 위해서는 용지를 펴서 인쇄기에 공급하는 것과 긴밀한 동기화가 필요하다. VFD는 속도와 정확성을 제어하고 용지가 기계를 통해 공급될 때 장력을 유지하여 잉크가 적절하게 분산되고 얼룩진 이미지를 생성하지 않도록 해야 한다. 센서리스 벡터 제어 VFD를 사용하면 잉크 롤러 축과 워터 롤러 축의 속도 변동을 최소화하여 인쇄의 불균일성을 제거하므로 정밀도를 더욱 높일 수 있다.

최신 VFD는 고급 네트워킹 기능도 제공해야 한다. 오늘날의 자동화된 기업은 연결되고 협업한다. 예를 들어 자동차 제조업체는 무수한 제조업체의 서로 다른 기술을 사용하는 다양한 부서로 구성된다. 용접, 도장 및 기타 부서에서 상호 교환하여 사용할 수 있는 VFD는 드라이브가 하나의 공통 하드웨어 구성 요소 역할을 하면서 부서를 연결하는 다리 역할을 할 수 있다. 네트워크용 옵션 카드만 다를 뿐이다. 드라이브는 다양한 개방형 네트워크와의 호환성을 허용하는 다양한 네트워킹 옵션을 제공해야 한다.

미쓰비시 전기 FR-A800 시리즈

<그림4> 미쓰비시전기 FR-A800

미쓰비시 전기의 FR-A800 올인원 VFD 인버터를 사용하면 엔지니어는 모든 모터 제어 요구 사항에 대해 단일 VFD 솔루션을 지정할 수 있다. FR-A800 VFD는 피크 상황에서 모터 효율을 최적화하고 가장 수요가 많은 시간에 고장이 없도록 최대 용량을 위해 설계되었다.

FR A800은 가혹한 작업 상황에서 높은 성능을 제공하지만 모든 환경에 맞게 확장할 수 있으므로 다양한 모터 제어 문제를 해결하기 위한 여러 솔루션이 필요하지 않다. 또한 애플리케이션과 함께 확장할 수 있는 유연성을 제공하도록 설계되었다. FR-A800 인버터는 고정밀, 빠른 응답 속도 제어를 제공하는 실제 센서리스 벡터 제어를 특징으로 한다. 또한 인버터는 V/F 제어 또는 고급 자속 벡터 제어를 선택할 수 있어 기존의 단위 인버터 드라이브를 간단하게 교체할 수 있다.

<그림5> FR-A800 기능 및 이점

미쓰비시 전기의 최신 세대 VFD에도 PLC 기능이 추가되었다. 이제 센서를 사용하여 컨베이어에 있는 상품의 존재 및 도착을 확인할 때 드라이브는 센서에서 이러한 신호를 직접 수신한 다음 그에 따라 속도를 명령할 수 있다.

드라이브 시스템의 에너지 모니터를 통해 사용자는 에너지 절약을 한 눈에 확인할 수 있다. 이를 통해 에너지 요금을 기다리지 않고 실시간으로 에너지 사용량을 시각화하여 에너지 사용을 관리하고 최적화할 수 있다. 미쓰비스 전기의 에너지 최적화 소프트웨어는 모터 효율을 높이고 지능적으로 에너지 절약을 극대화한다. 한편, 여자 전류의 최적 제어는 추가적인 에너지 절감을 위해 모터 효율을 최대화한다.

FR-A800 프리미엄 VFD는 다양한 개방형 네트워크와의 호환성을 제공한다. USB, RS485 및 Modbus-RTU 인터페이스가 장착되어 있다.

CC-Link IE Field 및 CC-Link, EtherCat, SSCNET III/H, DeviceNet, PROFIBUS-DP 및 LONWORKS와 같은 주요 네트워크 프로토콜에 대한 통신 옵션도 사용할 수 있다. 다른 이더넷 네트워크도 지원된다. 설계 수명이 10년인 FR-A800 인버터는 안정적이고 장기적인 작동을 위해 제작되었으며 드라이브 수명 동안 미쓰비시 전기의 우수한 유지 관리 및 서비스가 뒷받침된다. 총소유비용은 10년 동안의 드라이브 비용 분할 상환으로 측정될 뿐만 아니라 해당 10년 동안의 에너지 비용 절감으로 측정된다.

자료제공: Mitsubishi  Electric(www.MitsubishiElectric.com)