VFD 60Hz의 장벽 뛰어넘어, 기어모터 시스템의 성능을 극대화하는 방법

가변 주파수 드라이브(variable frequency drives)라고 불리는 VFD의 실행은 60Hz 이하에서 하는 경우가 대부분이다. 북미 지 역의 거의 모든 VFD는 이 공칭 주파수 미만에서 작동한다.

그러나 점점 더 많은 수의 고성능 기어모터 시스템이 VFD 작동 주파 수를 최대 80, 90 또는 120Hz까지 올려, 보다 공격적인 제어 접근 방식의 이점을 누린다. 높은 주파수에서 VFD를 작동하면 △ 관성 불일치를 줄여 안정성 향상 △ 가용 속도 범위 확대 △ 저속에서 모터 과열 제거 △ 소형 모터 사용 가능 등과 같이 기어 모터 성능 을 크게 향상할 수 있다.

그러나 이러한 이점을 얻으려면 설계시에 추가적인 고려가 필요하다. 모터를 60Hz 이상으로 구동하면 기어비와 사용 가능 한 토크가 변경되며, 이것은 부하 토크와 조화를 이루어야 한다. 이 기사에서는 기어 모터를 60Hz 이상으로 올려야 하는 이유와 60Hz 장벽을 안전하고 효과적으로 넘는 방법을 알아보고자 한다. 또 넓은 속도 범위에 적합한 기어 모터를 선택하는 방법에 대한 일반적 예를 살펴본다.

60Hz의 장벽 허물기

그렇다면 60Hz의 중요한 의미는 무엇인가? 북미에서 사용하도 록 설계된 VFD에서 이 작동 주파수는 유도 전동기의 일정한 토 크와 일정한 마력 영역 사이의 경계를 나타낸다(그림1 참조).

모터의 자속으로 설명하면 일정한 토크 영역은 모터의 일정한 자 속 영역을 나타내고, 일정한 마력 영역은 모터의 약자속(field weakening) 영역에 해당한다. 60Hz는 모터의 약자속 지점이라고도 할 수 있다. 
 

0Hz에서 60Hz까지의 영역: 

• 토크가 일정하다. 토크(lb-in) = 63,025 * HP / 속도(RPM)

• 전압 대 주파수 비율도 일정하다. 예를 들어 230V/30Hz는 460V/60Hz와 같다.

많은 엔지니어들은 인버터와 기어모터가 이 60Hz 임계값 주변 에서 설계되어야 한다고 가정한다. 그리고 기어 모터 공급업체 는 대부분의 카탈로그 및 사양 데이터가 60Hz에 대해 제공되기 때문에 이 공칭 주파수를 중심으로 쉽게 설계할 수 있다.

그러나 세심하게 설계된 드라이브 시스템과 정확한 비율을 사용하면 입증된 두 가지 제어 방법 즉, 약자속(field weakening)과 과급 (supercharging)중 하나를 사용하여 작동 주파수 한계를 60Hz 이상으로 높일 수 있다. 두 방법 모두 애플리케이션에 따라 다음 과 같은 이점을 제공한다.

▷ 관성 불일치 감소: 60Hz 이상의 구동 모터는 더 높은 입력 속도 를 수용하기 위해 더 큰 기어비가 필요하다. 비율 증가는 작동 주파수에 따라 최대 100%까지 가능하다. 이 비율 증가는 더 나은 시스템 안정성을 위해 반영된 부하 관성을 줄여야 할 때 유용할 수 있다.

안정성을 위해서는 반영된 부하 관성이 모터 관성에 최대한 가까워야 한다. 부하 관성은 기어비의 제곱에 의해 모터 샤프트에 반영되기 때문에 속도와 비율을 높이면 반영되는 부하가 크게 줄 어든다. 예를 들어 비율을 두 배로 하면 반사 관성이 4배로 줄어 든다.

▷ 속도 범위의 확장: 60Hz 이상에서 작동하면 주어진 기어 모터 에서 사용 가능한 속도 범위를 넓힐 수 있다. VFD 작동 주파수를 60Hz 이상으로 올리면 속도 범위는 상단에서 분명히 증가된다. 그러나 하단에서도 속도 범위가 증가한다는 것은 확실하지 않다. 

일반적으로 저속으로 작동하는 유도 전동기는 축에 장착된 팬이 너무 느리게 회전하여 열을 발산할 수 없게 되면 냉각 문제가 발생 한다. 별도로 배선된 송풍기는 더 시원하게 유지할 수 있지만 송풍 기는 모터의 초기 및 지속적인 운영 비용을 증가시킨다.

대체 냉각 방법에는 모터가 생성하는 토크의 양을 줄이는 것이 포함되며, 이는 모터가 끌어오는 전류의 양을 낮춘다. 300RPM(4극 모터의 경 우 10Hz) 미만에서는 유도 모터를 충분히 냉각시키는 데 필요한 토 크 감소가 50%까지 선형으로 감소하기 시작한다(그림1 참조). 

그러나 60Hz 이상의 모터를 구동하면 값비싼 송풍기나 토크 제한 없이도 저속 냉각 문제를 해결할 수 있다. 약자속 모터는 더 높은 기어비와 함께 사용되기 때문에 60Hz 이상에서 필요한 토크를 제공하는 기어모터는 본질적으로 60Hz 미만에서 여유 토크 를 갖게 된다.

결과적으로 모터는 여전히 토크 요구 사항을 충족 하면서 60Hz 미만에서 더 느리고 더 차갑게 작동할 수 있다. 즉, 60Hz 이상에서 작동하도록 크기가 조정된 기어모터는 열 버퍼를 얻게 되어 모터가 60Hz 미만에서는 더 시원하게 작동하고 송풍기 없이 10Hz 미만에서는 작동할 수 있어 속도 범위가 상당히 확장된다.

고정토크 응용 분야에서는 이 접근 방식을 쉽게 활용할 수 있다. 그러나 많은 가변 토크 애플리케이션도 마찬가지다.

▷ 보다 작은 모터: VFD 주파수를 60Hz 이상으로 올리는 것의 또 다른 이점은 때때로 가변 토크 또는 과급 애플리케이션에서 더 작은 모터를 사용할 수 있다는 것이다. 더 작은 모터는 과급 모터가 실제로 60Hz에서보다 120Hz에서 두 배의 전력을 갖기 때문에 발생하며, 이는 종종 많은 엔지니어에게 놀라운 일이다.

예를 들어, 60Hz 명판이 1HP인 모터는 실제로 120Hz에서 2HP가 된다. 애플리케이션에서 더 작은 모터의 사용이 가능하면 모터 구매 가격뿐만 아니라 지속적인 운영 비용도 절약할 수 있다.

60Hz 이상으로 구동

60Hz 이상의 모터 구동의 이점에도 불구하고 대부분의 엔지니어는 드라이브의 주파수를 높이는 것을 고려조차 하지 않는다. 그러나 이 색다른 제어 전략은 다양한 응용 분야에서 성능을 향상시킬 것이다.

그 중에는 컨베이어 및 호이스트와 같은 고정 토크 응용 분야와 배치 믹서 또는 펌프와 같은 가변 토크 응용 분야가 있다. 애플리케이션에 관계없이 60Hz 이상으로 올리려면 사전에 약간의 추가 작업이 필요하지만 속도, 냉각, 관성 또는 비용 문제를 해 결한다면 노력할 가치가 충분히 있을 것이다.

▷ 방법 1: 최대 60Hz

약자속 없이 최대 주파수는 60Hz로 설정한다. <그림1>에서 모터가 송풍기 없이 안전하게 작동할 수 있는 최저 속도는 300RPM이다.

따라서 4극 모터의 해당 주파수를 결정하려면 Hz 공식을 사 용한다.

• Hz = RPM * 극 수 / 120

• Hz = 300 * 4 / 120 = 10

기어 모터에 허용되는 속도 범위는 10–60Hz이며, 이는 6:1에 불 과하여 필요 애플리케이션에 충분하지 않다.

따라서 10Hz 이하에서 동작하기 위해서는 보조 송풍팬이 필요하다.

▷ 방법 2: 필드 약화

7.5HP에 대한 제조업체의 항복 토크(breakdown torque)를 보면 최고 속도를 85Hz에 할당하는 것이 허용된다.

1단계: 부하 토크 결정 

일정한 토크 적용을 위해 항상 토크 공식에서 최고 속도를 사용한다.

• TLoad = 63025 * HP / 최고 RPM

• TLoad = 63025 * 7.5 / 140 = 3375lb-in

2단계: 60Hz에서 RPM 결정 

최고 속도는 85Hz로 설정되어 있으므로 60Hz 속도를 계산한다.

• [85 / 140] = [60 / X]

• X = 99 따라서 60Hz 카탈로그에서 7.5 HP, 99 RPM을 선택한다.

3단계: 10-60Hz에서 사용 가능한 토크 결정 

사용 가능한 토크 @ 10-60Hz는 열 버퍼(thermal buffer)를 제 공하는 데 필요한 부하 토크보다 높다. 토크 공식과 60Hz 속도를 이용한다.

• TAvail = 63025 * HP / RPM60Hz

• TAvail = 63025 * 7.5 / 99 = 4770lb-in 

4단계: 저속 결정

모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다.

• RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300

• RPM = [600 * 3375 / 4770] – 300 = 124 Hz 공식에서,

• Hz = RPM * 4 / 120 : Hz = 124 * 4 / 120 = 4

따라서 허용 가능한 속도 범위는 4~85Hz(21:1)로 충분하다. 60Hz 이상의 다른 주파수에 대해 2-4단계의 계산을 반복하면 아 래와 같은 결과가 나온다. 하단 3개 행은 속도 범위가 최소 12:1이 므로 허용 가능한 옵션이다. 그러나 최대 열 버퍼 및 최대 속도 범 위를 갖는 솔루션은 4-85Hz이다 (그림3 참조)

▷ 방법 3: 과급(supercharging)

과급 시 60Hz 이상에서는 토크 감소가 없다. 대신 10~120Hz의 일정한 토크가 있다.

그러나 VFD, 기어 감속기의 크기 또는 기타 이유로 인해 120Hz까지 가는 것이 바람직하지 않을 수 있다.

1단계: Hz 범위 결정

최대 Hz에 따라 속도 범위를 선택한다. 이 예에서는 100Hz가 원 하는 최대값이다. 10-100Hz는 정토크인데 10:1에 불과하다. 12:1 범위를 달성하려면 낮은 Hz를 계산한다.

• 100 / 12 = 8Hz

따라서 8-100Hz가 필요하다. 그러나 8Hz에서 환풍기 팬을 사용 하지 않으려면 열 버퍼가 있어야 한다. 8Hz가 허용되는지 확인하 려면 다음 단계를 수행한다.

2단계: 60Hz에서 RPM 결정 

최고 속도(140 RPM)가 100Hz에 할당되었으므로 60Hz 속도를 계산한다.

• [100 / 140] = [60 / X]

• X = 84. 따라서,

• 기어비 = [1750 / 84] = 21

3단계: 60Hz에서 HP 결정

10~100Hz에서 토크는 일정하지만 HP는 비례적으로 변한다. 토 크 공식을 재배열하여 60Hz에서 필요한 HP를 계산한다.

• HP60 = [ TLoad x RPM60 ] / 63025

• HP60 = [3375 x 84] / 63025 = 4.5 HP 

공칭 5 HP 모터를 사용한다. 4.5보다 크므로 8Hz만큼 낮은 작동을 허용하기에 충분한 버퍼를 제공한다. 또한 방법 2에서 사용된 7.5HP 모터보다 작다.

4단계: 60Hz에서 사용 가능한 토크 결정  

토크 공식을 사용하여 5 HP 모터에서 사용 가능한 토크를 계산한다. 

• TAvail = 63025 * HP / RPM60 

• TAvail = 63025 * 5 / 84 = 3750lb-in 

5단계: 최저 속도 결정

모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다.

• RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300 

• RPM = [600 * 3375 / 3750] – 300 = 240 Hz 공식에서,

• Hz = 240 * 4 / 120 = 8 따라서 8-100Hz 속도 범위는 5 HP에 서 허용된다(그림4 참조).

6단계: VFD 크기 결정 

VFD에 필요한 전력은 부하에 따라 다르며 100Hz까지 증가한다.

• HP100 = [3375 x 140] / 63025 = 7.5 HP

자료제공: Sew-Eurodrive(www.sew-eurodrive.com)