DC Motors and Their Principles of Operation
DC Motor Types
AC Motors and Their Principles of Operation
AC Motor Types
Choosing the Right Motor
Variable Speed Drives (Electronic DC)
Variable Speed Drives (Electronic AC)
Automation and the Use of VFDs
10.1 서론(Introduction)
Motor and Drive Control
모터 및 드라이브 제어
오늘날의 자동화(Automation)를 진정으로 이해하려면 모터(Motor)와 전자 드라이브(Electronic Drive) 원리에 대한 연구가 필수적입니다. 드라이브는 모터를 제어하는 장치입니다. 이 둘은 상호 작용하여 응용 분야를 작동시키는 데 필요한 토크(Torque), 속도(Speed) 및 마력(HP, Horsepower)을 제공합니다.
10.2 직류(DC) 모터와 그 작동 원리
모든 직류(DC) 모터에는 두 가지 기본 회로가 있습니다. 바로 전기자(Armature, 회전하는 부분)와 계자(Field, 권선이 있는 고정된 부분)입니다. 두 구성 요소는 자기적으로 상호 작용하여 전기자의 회전을 만들어냅니다. 전기자와 계자는 자기적 상호 작용을 촉진하기 위해 물리적으로 서로 옆에 위치한 두 개의 개별 회로입니다.
전기자(IA)에는 “정류자(Commutator)”라는 필수적인 부분이 있습니다(그림 10-1 참고). 정류자는 전기 스위치(Electrical Switch) 역할을 하며, 항상 자기장(Magnetic Flux)의 극성(Polarity)을 변경하여 “반발(Repelling)” 힘이 발생하도록 보장합니다. 전기자는 계자 권선(Field Winding, IF)에 의해 생성된 자기장에 반대되는 전기자의 자기장에 의해 생성된 “반발” 운동의 결과로 회전합니다.
전기자에 대한 전압의 물리적 연결은 “브러시(Brushes)”를 통해 이루어집니다. 브러시는 전기자의 정류자 판(Commutator Plates)과 지속적으로 접촉하는 탄소(Carbon) 재질로 만들어집니다. 브러시는 일반적으로 정류자 판에 일정한 압력을 가하도록 스프링으로 고정됩니다.
10.2.1 속도 제어
직류(DC) 모터의 속도는 인가되는 전기자 전압(Armature Voltage)의 직접적인 결과입니다. 계자는 별도의 전원 공급 장치, 때로는 “계자 여자기(Field Exciter)”라고 불리는 장치로부터 전압을 받습니다. 이 여자기는 계자에 전력을 공급하고, 이는 결과적으로 전류와 자기장을 생성합니다. 일반적인 조건에서 계자는 최대 강도로 유지되며, 계자 권선이 최대 전류와 자기장을 생성하도록 합니다(“전기자 범위(Armature Range)”라고 함). 속도를 제어하는 유일한 방법은 전기자 전압을 변경하는 것입니다.
10.2.2 토크(Torque) 제어
특정 조건에서 모터 토크는 기준 속도(Base Speed) 미만으로 작동할 때 일정하게 유지됩니다. 그러나 계자 약화(Field Weakening) 범위에서 작동할 때 토크는 1/속도^2에 반비례하여 감소합니다. 계자 자속(Field Flux)이 모터의 설계 상수와 함께 일정하게 유지되면, 토크는 전기자 전류(Armature Current)에 비례합니다. 모터가 받는 부하(Load)가 많을수록 전기자가 소모하는 전류도 많아집니다.
10.2.3 외함(Enclosure) 유형 및 냉각 방식
대부분의 경우, 모터가 50% 미만의 속도에서 최대 토크를 낼 수 있도록 하려면 모터 냉각을 위해 추가적인 송풍기(Blower)가 필요합니다. 표준 산업 적용 분야에서 가장 흔히 볼 수 있는 외함은 다음과 같습니다.
- DPFG(Drip-proof – Fully Guarded): 이 유형의 외함은 자체 통풍식이며 외부 냉각 수단이 없습니다. 대부분의 DPFG 설계는 기준 속도의 50%까지 100% 정격 토크를 생성할 수 있습니다(그림 10-2 참고).
- TENV(Totally Enclosed Non-Ventilated): 이 유형의 외함은 외부 냉각이 없지만, 내부 팬을 사용하여 모터 내부의 공기를 순환시킵니다. 이 유형의 모터는 기준 속도의 10% 또는 5%까지 100% 토크를 전달할 수 있습니다.
- TEFC(Totally Enclosed Fan Cooled): 이 유형의 외함은 정류자 끝 샤프트에 외부 장착형 팬이 있습니다. 공기 흐름은 모터의 속도의 직접적인 결과이므로, 이 유형의 외함은 저속 적용 분야에는 적합하지 않습니다.
10.2.4 보호 및 정격
- 주변 온도(Ambient Temperature): 일반적으로 모터 주변 조건은 40℃(104℉)를 초과하지 않도록 권장됩니다. 더 높은 온도에서 지속적으로 사용되는 모터는 더 낮은 온도 상승 등급의 절연(Insulation)이 필요합니다. 주요 절연 온도 등급은 기계적 및 절연 내력(Dielectric Strength)을 나타내며, A(최저 등급), B, F, H(최고 등급)가 있습니다.
- 과열 상태(Over-Temperature Conditions): 모터를 과부하(Overload) 상태에 두는 것이 과열의 한 원인입니다. 모터 내부의 높은 온도는 전선 절연(Wire Insulation)에 팽창 응력(Expansion Stress)을 유발하여 균열을 일으키고, 이는 결국 오염과 전선 고장(Wire Failure)을 초래할 수 있습니다.
- 명판 정격(Nameplate Ratings): 일반적인 직류(DC) 모터의 명판 정격은 프레임(Frame), 마력(HP, Horsepower), 전류(Amps)/계자(Field) 및 전기자(Armature), 기준/최대 속도(Base/Max Speed)입니다. 추가적인 정격에는 외함(Enclosure) 유형, 온도 조절기(Thermostat) 유형, 주변 정격(Ambient Rating), 카탈로그 및 일련 번호, 그리고 회전 속도계(Tachometer), 사용 정격(Duty Ratings)이 포함됩니다.
Figure 10-2: DPFG Motor (Courtesy of ABB Inc.)
10.3 직류(DC) 모터 유형
10.3.1 직권식(Series Wound)
직권식 직류(DC) 모터는 전기자(Armature)와 계자(Field) 권선이 직렬 회로(Series Circuit)로 연결되어 있습니다. 이 모터가 생성하는 시동 토크(Starting Torque)는 최대 정격 부하(Full Load Rating)의 500%에 달할 수 있습니다. 높은 시동 토크는 계자 권선이 포화점(Saturation Point) 미만에서 작동하기 때문에 발생합니다. 부하가 증가하면 전기자 및 계자 권선 전류가 모두 그에 따라 증가하게 되며, 이는 전기자 및 계자 권선의 자기장이 함께 증가함을 의미합니다. 직류 모터의 토크는 전류 값의 제곱에 비례하여 증가합니다. 분권식(Shunt Wound) 모터와 비교할 때, 직권식 모터는 동일한 전류 증가에 대해 더 큰 토크 증가를 생성합니다.
10.3.2 분권식(Parallel (Shunt) Wound)
분권식 직류(DC) 모터는 전기자(Armature)와 계자(Field) 권선이 병렬(Parallel)로 연결되어 있습니다(그림 10-3 참고).
이 유형의 모터는 두 개의 전원 공급 장치, 즉 전기자용과 계자 권선용이 필요합니다. 생성되는 시동 토크는 짧은 시간 동안 최대 정격 부하 토크의 250~300%가 될 수 있습니다. 직류 드라이브(DC Drive)로 작동할 때 속도 조절(Speed Regulation, 부하로 인한 속도 변동)은 최대 속도의 5~10% 사이로, 많은 경우에 허용 가능한 수준입니다.
10.3.3 복권식(Compound Wound)
복권식 직류(DC) 모터는 기본적으로 분권식과 직권식 구성의 조합입니다. 이 유형의 모터는 직권식 모터의 높은 시동 토크(Starting Torque)와 주어진 부하(Load)에서의 일정한 속도 조절(Speed Regulation, 속도 안정성)을 제공합니다. 토크와 속도 특성은 계자 권선 회로의 일부를 전기자 회로(Armature Circuit)와 직렬로 배치한 결과입니다. 부하가 인가되면 직렬 권선을 통과하는 전류가 그에 따라 증가하고, 이는 또한 계자 자속(Field Flux)을 증가시켜 토크 출력을 증가시킵니다.
10.3.4 영구 자석(Permanent Magnet)
영구 자석 모터는 표준 전기자(Armature)와 브러시(Brushes)로 제작되지만, 분권식 계자 권선(Shunt Field Winding) 대신 영구 자석(Permanent Magnets)을 사용합니다. 속도 특성은 분권식 직류(DC) 모터와 거의 유사합니다. 이 유형의 모터는 전기자 연결 두 개만 필요하여 설치가 간단하고, 전기자 연결을 단순히 역방향으로 연결하면 역방향 회전도 간단합니다. 이 유형의 모터는 매우 우수한 시동 토크(Starting Torque) 기능을 가지고 있지만, 속도 조절(Speed Regulation)은 복권식 모터보다 약간 낮습니다. 최대 토크(Peak Torque)는 약 150%로 제한됩니다.
10.4 교류(AC) 모터와 그 작동 원리
모든 교류(AC) 모터는 단상(Single-phase) 및 다상(Polyphase, 즉 3상) 모터로 분류될 수 있습니다. 산업 적용 분야에서는 효율성 때문에 주로 3상 유도 모터(3-phase Induction Motors)가 사용됩니다. 단상 모터에 비해 더 강력한 모터를 더 작은 프레임에 제작할 수 있습니다.
교류 유도 모터의 주요 부품은 회전자(Rotor, 회전하는 부분)와 고정자(Stator, 자기장을 생성하는 고정된 부분)입니다. 회전자는 구리 또는 알루미늄 막대로 구성되며, 끝에서 엔드 링(End Rings)으로 함께 연결됩니다. 회전자는 “적층판(Laminations)”이라고 불리는 수많은 개별 강철 디스크로 채워져 있습니다. 고정자도 적층판으로 만들어진 코어(Core)로 구성됩니다. 이 적층판은 절연 바니시(Insulating Varnish)로 코팅된 다음 용접되어 코어를 형성합니다(그림 10-4 참고).
고정자 전류에 의해 형성된 회전 자기장(Revolving Field)은 회전자의 다람쥐-케이지형 전도성 알루미늄 막대를 가로지릅니다(cut). 이는 이 막대에 전압을 유도하고, 그에 따른 전류가 흐르게 되어 회전자에 N극과 S극이 형성됩니다. 토크(회전자의 회전)는 이 극과 회전하는 고정자 자기장의 극 사이의 인력과 척력에 의해 발생합니다.
그림 10-5의 각 자극 쌍(magnetic pole pair)은 고정자 자기장(stator magnetic field)이 “회전”할 수 있도록 감겨 있습니다. 그림에 나와 있는 간단한 2극 고정자(2-pole stator)는 각 자극 그룹(pole group)에 3개의 코일(coil)이 있습니다. (2극 전동기(2-pole motor)는 2극 x 3상 = 6개의 물리적인 극(physical pole)을 가집니다.) 자극 그룹(pole group)의 각 코일은 3상 전원(3-phase power source)의 한 상(phase)에 연결됩니다. 3상 전원을 사용하면 각 상전류(phase current)가 서로 다른 시간 간격(time interval)으로 최대값에 도달합니다. 이는 그림 10-5의 하단부에 최대값과 최소값으로 표시되어 있습니다.
10.4.1 속도 제어
농형 전동기(squirrel-cage motor)의 속도는 전동기가 감겨 있는 방식의 주파수(frequency)와 극수(number of poles)에 따라 달라집니다(식 10-1).
N = 축 속도 (RPM)
F = 전원 공급 장치의 주파수 (Hertz)
P = 고정자 극수 (극 쌍)
농형 전동기는 약 3%에서 20% 범위의 슬립(slip)을 갖도록 제작됩니다. 실제 “슬립” 속도는 기준 속도(Base Speed)라고 하며, 이는 정격 전압, 정격 주파수 및 정격 부하에서의 전동기 속도입니다. 전동기의 회전 방향은 두 개의 전동기 입력 리드(lead)를 서로 바꾸어 역전시킵니다.
10.4.2 토크 및 마력(HP) 제어
마력(HP)은 축(shaft)이 회전하는 “속도”를 고려합니다(식 10-2). 이 식을 재배열하여 토크(torque)에 해당하는 값도 결정할 수 있습니다.
T = 토크 (lb-ft 단위)
N = 속도 (RPM 단위)
전동기의 극수가 많을수록 더 큰 토크가 발생하며, 기준 속도는 그에 상응하여 더 낮아집니다. 극수가 적을 경우 그 반대가 됩니다.
10.4.3 외함 유형 및 냉각
더 일반적인 유형의 AC 전동기 외함(enclosure)은 다음과 같습니다:
-
- 개방 방적형 전동기(Open Drip-Proof Motor, ODP) – 이 외함 유형은 수직 방향에서 기계로 떨어지는 액체 방울이나 고체 입자가 기계 내부로 들어갈 수 없도록 제작됩니다.
- 전폐 비통풍형 전동기(Totally-Enclosed Non-Ventilated Motor, TENV) – 이 외함 유형은 완전히 밀폐되어 있으며 외부 장치에 의한 냉각 설비가 갖춰져 있지 않습니다.
- 전폐 팬 냉각식 전동기(Totally-Enclosed Fan-Cooled Motor, TEFC) – 이 외함 유형은 외부 프레임(frame)을 가로질러 냉각 공기를 불어넣는 축 장착형 팬(shaft-mounted fan)을 가지고 있습니다(그림 10-6 참조).
10.4.4 보호
장기간의 과부하(overload) 상태로부터 전동기를 적절히 보호하기 위해, 일반적으로 3상 접촉기(motor starter)와 동일한 외함(enclosure) 내에 전동기 과부하 보호장치(motor overload)를 설치합니다. 이 과부하 보호장치(OL)는 “발열체(heater element)”로 작동하여, 회로를 개방하고 기계적으로 전원을 차단하는 지점까지 가열됩니다. 과부하 보호장치는 소자(element)에 특정 시간이 설계된 제품으로 구매할 수 있습니다. 클래스 10(Class 10) 과부하 보호장치는 회로를 개방하기 전까지 10초 동안 600%의 돌입 전류(inrush current)를 허용한다는 것을 의미합니다. 클래스 20(Class 20)은 20초 동안 600%를, 클래스 30(Class 30)은 30초 동안 허용합니다.
절연 시스템(insulation system)은 전동기의 도체(conductor) 및 지지 구조물과 관련된 절연 재료(insulating material)의 그룹입니다. 절연 시스템은 시스템의 내열 등급(thermal rating)에 따라 등급으로 나뉩니다: A종 – (최대 105°C), B종 – (최대 130°C), F종 – (최대 155°C), H종 – (최대 180°C).
Figure 10-6: Totally Enclosed Fan Cooled (TEFC) AC Motor (Courtesy of ABB Motors)
AC 모터에는 또한 고정자 권선에 전압 절연 시스템이 포함되어 있습니다. 이러한 절연 등급은 예를 들어 Class B, F, H로 지정됩니다. 미국 전기 제조업자 협회(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)의 표준 MG1, Part 31에서는 AC 드라이브에 사용되는 모터의 절연 전압 등급을 나타냅니다.
10.4.5 정격(Ratings)
토크(torque) 요구 사항이 다양하기 때문에, NEMA(미국 전기 제조업자 협회)는 거의 모든 용도를 포괄할 수 있도록 여러 가지 “설계(design)”를 제정하였습니다. 이러한 설계는 기동 전류(starting current)와 슬립(slip), 그리고 토크(torque)를 고려하여 구성됩니다(그림 10-7 참조).
• NEMA 설계 A(NEMA Design A) – 이 유형의 모터는 NEMA 설계 B(NEMA Design B) 모터에 비해 높은 파손 토크(breakdown torque) 특성을 가지고 있습니다. 이러한 모터는 일반적으로 특정 용도에 맞게 설계되며, 슬립(slip) 특성은 보통 5% 미만입니다.
• NEMA 설계 B(NEMA Design B) – 이 유형의 모터는 범용(general purpose)으로 설계되었으며, 판매되는 유도 모터(induction motor) 중 가장 큰 비중을 차지합니다. 설계 B 모터의 일반적인 슬립(slip)은 3~5% 이하입니다.
• NEMA 설계 C(NEMA Design C)– 이 유형의 모터는 높은 기동 토크(starting torque)를 가지며, 상대적으로 정상적인 기동 전류(starting current)와 낮은 슬립(slip) 특성을 보입니다. 설계 C 모터에 적용되는 부하는 기동 시 탈출 토크(breakaway load)가 높은 경우입니다.
• NEMA 설계 D(NEMA Design D) – 이 유형의 모터는 높은 기동 토크(starting torque), 높은 슬립(slip)을 가지며, 정격 부하 속도(full load speed)는 낮습니다. 슬립이 높기 때문에(5~13%), 부하 변화에 따라 속도가 쉽게 변동될 수 있습니다.
• NEMA 설계 E(NEMA Design E) – 이 유형의 모터는 높은 효율(high efficiency)로 알려져 있으며, 기동 토크 요구가 낮은 경우(예: 원심 팬 및 펌프)에 주로 사용됩니다.
모터 분야에서는 두 가지 정격 체계가 있다는 점에 유의해야 합니다 — NEMA와 IEC입니다. NEMA 프레임 모터는 미국 산업 전반에서 널리 사용되고 있습니다. IEC는 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission)의 약어입니다. NEMA와 IEC 표준은 서로 다른 용어를 사용하지만, 본질적으로 정격은 유사하며 많은 경우 상호 호환이 가능합니다. NEMA 표준은 보다 보수적인 경향이 있어 설계 해석의 여지를 제공하며, IEC 표준은 보다 구체적이고 체계적으로 분류되어 있습니다.
NEMA MG-1, Part 31 표준에 따르면, 600V 이하의 드라이브에서 운전되는 모터는 1600V의 피크 전압을 견딜 수 있어야 합니다. 절연 강도가 1200V 또는 1000V인 모터는 추가적인 예방 조치 없이 AC 드라이브에 적용해서는 안 됩니다.
10.5 AC 모터 유형
10.5.1 표준 AC 유도 모터(Standard AC Induction)
AC 모터는 크게 비동기(asynchronous) 모터와 동기(synchronous) 모터의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 유도 모터(induction motor)는 아마도 가장 일반적인 비동기 모터로, 속도가 슬립(slip)에 따라 달라집니다. 모든 표준 모터에는 축(shaft)을 따라 길게 절삭된 작은 직사각형 슬롯이 포함되어 있으며, 이를 “키웨이(keyway)” 또는 “키시트(keyseat)”라고 부릅니다. 이 슬롯에는 테이퍼 절삭된 직사각형 강철 조각인 “키(key)”가 삽입되어 있으며, 이는 커플러(coupler)에 압착되어 기계적 연결을 형성합니다(그림 10-8 참조).
10.5.2 권선형 회전자(Wound Rotor)
“권선형 회전자” 모터는 속도와 토크(torque)를 제어할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 다양한 성능을 얻기 위해 회전자 회로에 서로 다른 저항값을 삽입합니다. 일반적으로 이 모터는 회전자 회로에 2차 저항(secondary resistance)을 연결한 상태로 기동되며, 이후 저항을 점차 줄여 모터의 속도를 증가시킵니다. 이 유형의 모터는 상당한 토크를 발생시킬 수 있으며, 동시에 고정 회전자 전류(locked rotor current)의 양을 제한할 수 있습니다.
10.5.3 동기형(Synchronous)
동기형 모터는 크게 무여자형(non-excited)과 직류여자형(DC-excited) 두 가지로 나뉩니다. 복잡한 전자 제어 없이도 이 모터는 본질적으로 고정 속도(fixed-speed) 모터입니다. 동기형 모터는 3상 교류 발전기(3-phase alternator)를 반대로 운전하는 것으로 볼 수 있습니다. 회전자에 직류(DC)를 직접 인가하여 회전하는 전자기장을 생성하고, 이는 별도로 전원이 공급된 고정자 권선(stator windings)과 상호작용하여 회전을 발생시킵니다. 실제로 동기형 모터는 기동 토크(starting torque)가 거의 없거나 매우 적기 때문에, 초기 기동 시 외부 장치가 필요합니다.
10.5.4 다극형(Multiple Pole)
다극형 모터는 “다속도(multiple speed)” 모터로 간주될 수 있습니다. 대부분의 다극형 모터는 “이중 속도(dual speed)” 모터입니다. 기본적으로 전선함(conduit box)에는 두 가지 배선 구성 세트가 포함되어 있으며, 하나는 저속 권선용이고 다른 하나는 고속 권선용입니다. 이 권선들은 전기 접점이나 2단 스위치(two-position switch)를 통해 작동됩니다.
10.5.5 특수 모터(Specialty Motors: 스테퍼 및 벡터)
“스테퍼(stepper)” 모터는 전기 펄스(electrical pulses)를 기계적 움직임으로 변환하는 모터입니다. 스테퍼 모터는 펄스가 인가될 때마다 고정된 간격으로 회전하며, 이 간격 또는 스텝 각(step angle)은 모터의 구조나 연결된 제어기의 종류에 따라 결정됩니다. (참고: 스텝 각은 360도 기준의 분수로 결정됩니다.) 예를 들어, 스텝 해상도(step resolution)가 90°인 경우, 한 바퀴 회전(revolution)에 4스텝이 필요합니다. 회전의 정확성 덕분에 스테퍼 모터는 위치 제어가 중요한 제어 시스템에서 “오픈 루프(open-loop)” 방식으로 사용됩니다. 이들은 2상(2-phase) 브러시리스 모터이며, 속도가 0일 때도 높은 토크를 제공할 수 있고, 축 위치의 드리프트가 없습니다. 회전 방향은 제어기로부터 전달되는 펄스 방향을 반대로 하여 변경됩니다.
“벡터(vector)” 모터는 AC 벡터 드라이브 또는 플럭스 벡터 드라이브(flux vector drive)에 적용되는 특정 유형의 모터입니다. 작동 원리는 표준 AC 유도 모터와 동일합니다. 벡터 제어(vector control)는 속도가 0일 때도 전체 토크(full torque)를 요구하는 방식입니다. 벡터 모터는 낮은 슬립(slip)으로 작동하도록 특별히 설계되었으며, 속도가 0일 때 전체 토크를 제공하면서 발생하는 열을 견딜 수 있어야 합니다.
작동 원리는 전압 벡터와 플럭스 벡터 분석에 기반합니다. 회전자는 360도 회전으로 나뉘며, 이는 한 번의 완전한 회전을 의미합니다. 벡터는 모터 회로 내 특정 물리량의 방향과 크기를 나타내며, 이 경우 회전자 플럭스(rotor flux) 또는 고정자 플럭스(stator flux)를 의미합니다(그림 10-9 참조).
실제 발생하는 토크는 고정자 및 회전자 플럭스 벡터의 크기에 따라 결정되는 부산물입니다. 고정자 플럭스는 모터에 인가되는 입력 전압의 함수입니다. (전압 벡터는 그림 10-9에서 U1부터 U6까지로 표시됩니다.) 점선 곡선 쌍은 모터에서 발생하는 토크 범위를 나타낸다고 볼 수 있습니다. 벡터 또는 플럭스 벡터 드라이브는 생성되는 고정자 및 회전자 플럭스의 양을 제어합니다. 대부분의 경우, 벡터 모터는 축 끝에 피드백 장치(엔코더 또는 리졸버)를 장착할 수 있는 구조를 갖추고 있어야 합니다. 피드백 장치는 회전자 위치를 정확히 나타내는 정보를 드라이브 제어기로 전달합니다.
10.6 적절한 모터 선택(Choosing the Right Motor)
10.6.1 적용 관련(Application Related)
운전 사이클 중의 모든 속도에 대해 토크(torque)와 속도(speed)를 평가해야 합니다. DC 모터는 드라이브를 통해 운전될 때 더 높은 기동 토크(starting torque) 성능을 가지고 있습니다. 기술의 발전으로 인해 AC 모터의 기동 토크도 DC 모터에 근접하게 향상되었습니다. 일반적인 NEMA-D AC 모터는 전원 직결 운전 시 300% 이상의 기동 토크를 생성합니다. 추가적으로 고려해야 할 사항으로는 환경, 열(heat), 습도(humidity), 접근성(accessibility), 듀티 사이클(duty cycle), 과부하 요구사항(overload requirements) 등이 있습니다.
10.6.2 AC와 DC 비교(AC versus DC)
플럭스 벡터(Flux Vector) 방식의 가변 주파수 드라이브(VFD)는 DC 드라이브가 사용되는 모든 응용 분야에 적용할 수 있으며, 성능상 근본적인 제한은 없습니다. 고속 운전과 같은 영역에서는 AC 모터의 고유한 성능이 DC 모터의 성능을 능가합니다. 인버터 전용 모터(Inverter duty motor)는 DC 모터와 동등하거나 그 이상의 속도 범위 성능을 제공합니다. DC 모터는 일반적으로 넓은 속도 범위에서 운전하기 위해 모터 내부로 강제 냉각 공기를 공급해야 합니다. 완전 밀폐형(Totally enclosed) AC 모터 또한 넓은 속도 범위에서 운전이 가능합니다.
DC 모터는 일반적으로 AC 모터보다 가격이 상당히 비싸지만, VFD 기반의 모터-드라이브 패키지 가격은 DC 드라이브 패키지와 유사한 수준입니다. 예비 모터가 필요한 경우, 전체 패키지 가격은 VFD 쪽이 더 유리한 경향이 있습니다. AC 모터는 다양한 상황에서 더 높은 신뢰성을 가지며 평균 수명이 더 길기 때문에, DC 드라이브 시스템은 예비 모터가 필요할 수 있지만 AC 드라이브 시스템은 그렇지 않을 수 있습니다. AC 모터는 다양한 전기적 및 기계적 구성과 액세서리 옵션을 폭넓게 제공합니다. 반면, DC 모터는 일반적으로 유연성이 낮고 옵션 기능의 가격도 더 비싼 편입니다.
DC 모터는 일반적으로 DC 드라이브에서 운전되며, 저속에서는 효율이 떨어집니다. DC 모터는 AC 모터보다 효율이 낮은 경향이 있어, 보다 정교한 냉각 장치가 필요합니다. 대부분의 AC 모터는 외부 표면에 공기를 불어넣어 냉각하는 완전 밀폐형 하우징으로 공급됩니다.
DC 드라이브 시스템에서는 모터가 제어 요소이며, AC 드라이브 시스템에서는 전자 제어기(electronic controller)가 제어 요소입니다. 저마력(low horsepower) 영역에서는 DC 드라이브의 구매 비용이 동일 마력의 AC 드라이브보다 저렴할 수 있습니다. 그러나 DC 모터의 가격은 동급 AC 모터의 두 배에 이를 수 있습니다. VFD 설계 기술의 발전으로 인해 구매 가격 차이는 점점 줄어들고 있습니다. DC 모터의 브러시(brush)와 정류자(commutator)는 일정 시간 운전 후 유지보수 및 교체가 필요합니다. AC 모터는 일반적으로 유지보수가 덜 필요하며, 동급 DC 모터에 비해 “기성품(off-the-shelf)”으로 더 쉽게 구할 수 있습니다.
10.7 가변 속도 드라이브(전자식 DC)
10.7.1 작동 원리(Principles of Operation)
이 유형의 드라이브는 고정된 전압과 주파수의 AC를 조절 가능한 전압의 DC로 변환합니다. DC 드라이브는 분권형 권선 DC 모터(shunt wound DC motor) 또는 영구 자석형 모터(permanent magnet motor)를 운전할 수 있습니다. 대부분의 DC 드라이브는 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier, SCR)를 사용하여 AC를 DC로 변환합니다(그림 10-10 참조).
SCR(Silicon Controlled Rectifier, 실리콘 제어 정류기)는 게이트 회로에 소량의 전압이 인가되면 출력 전압을 제공합니다. 출력 전압은 SCR이 “게이트 온(gated on)”되는 시점에 따라 결정되며, 이후 사이클의 나머지 동안 출력을 발생시킵니다. SCR이 0을 통과하면 자동으로 꺼지고, 다시 게이트 온될 때까지 대기합니다. 3상 DC 드라이브는 전파 정류(full-wave rectification)를 위해 6개의 SCR을 사용합니다. 최근에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)가 전력 변환에서 SCR을 대체하고 있으며, IGBT 역시 매우 낮은 전압으로 게이트 온이 가능합니다.
속도 제어 회로가 전압 생성을 요구하면, M 접촉기(Main Contactor)가 닫히고 SCR이 도통합니다. 한 순간에, 전원선의 전압이 한 상을 통해 드라이브로 들어오고, SCR을 통해 도통되어 전기자가(armature)로 전달됩니다. 전압은 전기자를 통과한 후 SCR 브리지로 다시 들어가고, 다른 상을 통해 전원선으로 되돌아갑니다. 이 사이클이 거의 완료될 시점에 또 다른 상이 다른 SCR을 통해 도통되어 전기자를 지나 또 다른 상으로 되돌아갑니다. 이 사이클은 60Hz 전원 입력에 따라 초당 60회 반복됩니다.
분권계(field winding) 전원은 DC 계자기(field exciter)에서 공급되며, 이는 계자 권선에 일정한 전압을 공급하여 일정한 계자 플럭스(field flux)를 생성합니다. 많은 계자기는 기준 속도 이상 운전 시 공급 전압을 낮출 수 있는 기능을 가지고 있습니다.
10.7.2 속도 및 토크 제어(Control of Speed and Torque)
“속도 기준(speed reference)”이 드라이브 입력으로 제공되며, 이는 “속도 제어기(speed controller)”로 전달됩니다(그림 10-11 참조).
“속도 제어기”는 원하는 모터 속도에 맞는 출력 전압을 결정합니다. “전류 제어기(current controller)”는 “점화 유닛(Firing Unit)”의 SCR에 게이트 온 신호를 보냅니다. 컨버터 섹션의 SCR은 고정된 3상 전압을 DC 전압 및 전류 출력으로 변환하며, 이는 원하는 속도에 따라 조절됩니다. “전류 측정/스케일링(current measuring/scaling)” 섹션은 출력 전류를 모니터링하고, 모터의 토크 요구에 따라 전류 기준을 조정합니다.
정확한 속도가 필요하지 않은 경우, DC 드라이브와 모터는 “오픈 루프(open loop)” 방식으로 운전할 수 있습니다. 보다 정밀한 속도 제어가 필요한 경우, “속도 측정/스케일링(speed measuring/scaling)” 회로가 적절한 “피드백 선택(feedback selection)”을 통해 작동됩니다. “피드백”이 “EMF 측정(EMF measurement)” 회로를 사용하는 경우, “속도 측정/스케일링” 회로는 전기자 전압 출력을 모니터링합니다. 합산 회로(summing circuit)는 속도 기준과 피드백 신호를 처리하여 “오차(error)” 신호를 생성합니다. 이 “오차” 신호는 “속도 제어기”에 의해 새로운 속도 명령 또는 수정된 속도 명령으로 사용됩니다.
보다 정밀한 속도 제어(<1%)가 필요한 경우에는 “속도계 발전기(tachometer generator)” 피드백이 필요합니다(예: 타코 피드백 또는 타코). 속도계는 모터의 축 반대쪽 끝에 장착되며, 정확한 축 속도를 속도 제어기로 피드백합니다. 토크를 제어하는 전류 조절 모드(current regulation mode)로 운전할 경우, 드라이브는 “전류 측정/스케일링 회로”의 값을 면밀히 모니터링합니다.
10.7.3 단일 및 4사분면 드라이브(Single and 4-Quadrant Drives)
모터 운전에는 속도, 토크, 방향의 관계에 따라 (4)가지 가능한 운전 모드가 있습니다(그림 10-12 참조).
1사분면 운전은 모터가 실제로 부하를 구동하고 있으며, 토크와 속도가 모두 양의 방향일 때를 의미합니다. 이 운전 방식은 일반적으로 단일 제어기(하나의 전기자 SCR 브리지 정류기 및 계자 권선 전원 공급)를 통해 수행됩니다. 시스템의 자연 관성에 의해 모터는 허용 가능한 시간 내에 정지하게 됩니다(“관성 정지(coast to stop)”).
만약 “관성 정지”가 허용되지 않는 경우, 전기자에 역극성(reverse polarity) 전압을 인가하여 자기장을 반전시키고, 모터를 빠르게 정지시킵니다. 이를 “플러그 정지(plug stopping)”라고 합니다. 역토크(reverse torque)를 사용하여 모터를 정지시키는 방식은 “2사분면 운전(two quadrant operation)”이라고 합니다.
10.7.3 4사분면 드라이브(Single and 4-Quadrant Drives)
속도와 토크가 양방향으로 모두 제어되어야 하는 경우, 12개의 SCR 브리지 컨트롤러가 필요합니다(전기자용 SCR 브리지 정류기 2개 — 하나는 정방향, 하나는 역방향), 그리고 계자 권선 전원 공급도 필요합니다. 모터는 역방향 전기자 공급 브리지를 작동시켜 모터의 에너지를 전원선으로 “재생(regenerating)”함으로써 매우 빠르게 정지시킬 수 있습니다. 이를 “재생 제동(regenerative braking)”이라고 합니다. 부하를 역방향 속도 및 토크로 구동해야 하는 경우에는 “4사분면 공급(4-quadrant supply)”이 사용됩니다. 이때 “역방향(reverse)” SCR 브리지가 구동 전원으로 사용되며, “정방향(forward)” SCR 브리지는 제동 장치로 작동하여 모터를 빠르게 0속도로 되돌립니다.
10.7.4 제동 방식(Braking Methods: 동적 및 재생)
“감속 정지(ramp to stop)” 이후 가장 빠른 정지 방식은 동적 제동(dynamic braking)입니다(그림 10-13 참조).
Figure 10-13: Braking Methods for DC Drives
이 방식은 고정된 고와트 저항기(또는 저항기 뱅크)를 사용하여 회전 에너지를 열로 변환합니다. 이 시스템은 모터에서 발생한 전압을 소산시키기 위해 필요한 시점에 저항기를 DC 버스에 연결하는 접촉기(contactor)를 사용합니다.
가장 빠른 “전자식” 정지 방식은 “재생 제동(regeneration)”입니다. 재생 제동에서는 모터의 모든 에너지가 직접 AC 전원선으로 되돌려집니다. 이를 위해서는 “역방향 연결(reverse connected)”된 두 번째 SCR 세트가 필요합니다. 이 SCR은 전류를 반대 방향으로 도통시켜 모터의 에너지를 전원선으로 되돌릴 수 있게 합니다. 재생 드라이브는 정방향 및 역방향 모두에서 “구동(motoring)”과 “재생(regenerating)”이 가능합니다.
10.8 가변 속도 드라이브(전자식 AC)
10.8.1 작동 원리 – 펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)
AC 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)에는 여러 유형이 있으며, 이들 모두는 하나의 공통된 개념을 가지고 있습니다. 고정된 전압과 주파수의 입력을 가변 전압 및 주파수 출력으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 것입니다(그림 10-14 참조).
3상 전원이 드라이브의 입력 섹션인 “컨버터(converter)”에 공급됩니다. 이 섹션에는 전기적 “브리지” 형태로 배열된 (6)개의 다이오드가 포함되어 있으며, 이 다이오드는 AC 전력을 DC 전력으로 변환합니다. “DC 버스(DC bus)” 섹션은 변환된 고정 전압 DC를 받아들이며, “L”(인덕터)과 “C”(커패시터)를 사용하여 파형을 필터링하고 평활화합니다. 다이오드는 파형의 음의 반주기를 양의 반주기로 재구성하며, 평균 DC 전압은 약 650~680V(460VAC 유닛 기준)입니다.
필터링된 후, DC 버스 전압은 드라이브의 마지막 섹션인 “인버터(inverter)” 섹션으로 전달됩니다. 이 섹션은 DC 전압을 다시 AC로 “인버트(invert)”하지만, 출력은 가변 전압 및 가변 주파수입니다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)라는 장치가 전력 스위치 역할을 하며, DC 버스 전압을 특정 간격으로 켜고 끕니다. “게이트 드라이버(gate driver)”라고 불리는 제어 회로가 IGBT의 제어 부분(게이트)을 필요에 따라 온(on) 또는 오프(off) 상태로 전환시킵니다.
10.8.2 속도 및 토크 제어(Control of Speed and Torque)
모터의 토크는 기본적인 특성인 전압 대비 주파수 비율(V/Hz)에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 유도 모터가 460V 전원에 연결되어 있고 주파수가 60Hz라면, 비율은 7.67 V/Hz입니다. 이 비율이 일정하게 유지되는 한, 모터는 정격 토크를 발생시킵니다. 드라이브의 출력은 실제로 AC 입력의 사인파 파형을 정확히 복제하지 않습니다(그림 10-15 참조). 대신, 일정한 높이의 전압 펄스를 제공합니다. IGBT의 양극 및 음극 스위칭을 통해 3상 출력을 재구성합니다. IGBT가 스위칭되는 속도를 “캐리어 주파수(carrier frequency)” 또는 “스위치 주파수(switch frequency)”라고 하며, 이 주파수가 높을수록 각 PWM 펄스의 해상도가 높아집니다(일반적인 캐리어 주파수는 3kHz~16kHz 범위).
10.8.3 기타 VFD 유형(Variable Voltage Inverter, Current Source Inverter, Flux Vector, Sensorless Vector, Torque Controlled)
VVI(Variable Voltage Inverter) 방식은 공급 전압을 받아 제어 가능한 SCR을 사용해 정류한 후, 가변 전압을 DC 버스로 전달하고 다시 인버터 섹션으로 보냅니다. 인버터 섹션은 가변 전압 DC를 가변 전압 및 주파수의 AC로 “인버트”합니다. 인버터 섹션에는 트랜지스터나 사이리스터(SCR)와 같은 전력 반도체가 포함됩니다.
CSI(Current Source Inverter) 드라이브는 VVI 드라이브와 유사한 구성 요소를 가지고 있지만, 주요 차이점은 CSI가 전류 중심(current-sensitive) 드라이브인 반면, VVI는 전압 중심(voltage-sensitive) 드라이브라는 점입니다. 이 방식 역시 공급 전압을 받아 정류한 후, 가변 전압을 DC 버스로 전달하고 인버터 섹션으로 보냅니다. 인버터 섹션은 가변 전압 DC를 가변 전압 및 주파수의 AC로 인버트하며, 트랜지스터나 사이리스터(SCR)와 같은 전력 반도체로 구성됩니다.
플럭스 벡터 드라이브의 기본 원리 중 하나는 DC 모터가 생성하는 토크를 모사하는 것입니다(속도 0에서도 전체 토크 제공).
플럭스 벡터 드라이브가 등장하기 전까지는 모터가 토크를 생성하기 위해 슬립이 발생해야 했습니다(약 30~50 RPM). 이는 V/Hz 또는 스칼라 드라이브(scalar drive) 방식으로 불립니다. 플럭스 벡터 제어에서는 드라이브가 모터에 강제로 토크를 생성하게 하며, 속도가 0일 때도 가능합니다.
플럭스 벡터 드라이브는 DC 드라이브와 유사한 계자 지향 제어(field-oriented control)를 특징으로 하며, 분권 권선(shunt field winding)은 속도가 0일 때에도 지속적으로 플럭스를 유지합니다. 모터의 전기적 특성은 “모터 모델(motor model)”이라 불리는 드라이브 제어 회로에서 시뮬레이션됩니다. 모터 모델은 축 회전 각도마다 모터의 플럭스, 전압, 전류 요구사항을 기억합니다. DC 모터의 자기 작동 조건을 모사하기 위해서는 회전자 플럭스의 각 위치를 알아야 하며, 이는 “펄스 인코더(pulse encoder)”를 통해 드라이브 로직에 피드백됩니다. 마이크로프로세서는 이 데이터를 수학적으로 모델링하고 처리합니다. 이 드라이브의 장점은 빠른 토크 응답(<10ms)과 속도 0에서의 전체 토크 제공(약 0.5Hz 출력)입니다.
센서리스 플럭스 벡터 제어(sensorless flux vector control)는 DC 드라이브의 전자기장(EMF) 제어와 유사합니다. 센서리스 방식에서는 변조기(modulator)를 사용하여 필드 강도를 조절하며, 실제로는 고정자(stator)가 필드 역할을 합니다.
센서리스 플럭스 벡터는 일반적으로 표준 PWM 오픈 루프 제어 방식과 완전한 플럭스 벡터 폐루프 제어 방식 사이에 위치합니다. 이 방식은 표준 V/Hz PWM 드라이브에 비해 더 높은 기동 및 운전 토크를 제공하며, 저속에서 더 부드러운 축 회전을 구현합니다. 센서리스 플럭스 벡터 방식의 주요 장점 중 하나는 요구 시 더 높은 기동 토크를 제공할 수 있다는 점입니다.
직접 토크 제어 방식(Direct Torque Control, DTC)은 AC 센서리스 벡터 드라이브와 유사하며, 직접 토크 제어 알고리즘을 사용합니다. 고급 모터 이론을 활용하여 피드백 없이 모터 토크를 직접 계산함으로써 계자 지향 제어(field orientation)를 구현합니다. 이 방식에서는 변조기를 사용하지 않으며, 속도나 위치 피드백을 위한 타코미터(tachometer)나 위치 인코더(position encoder)가 필요하지 않습니다. 이 드라이브는 기존 AC 또는 DC 드라이브보다 최대 10배 빠른 토크 응답을 제공합니다. 동적 속도 정확도 또한 오픈 루프 AC 드라이브보다 훨씬 우수하며, 피드백을 사용하는 DC 드라이브와도 견줄 수 있습니다.
직접 토크 제어는 드라이브가 계산을 수행하는 기본 구성 요소로서 모터 모델을 기반으로 합니다(그림 10-16 참조).
직접 토크 제어의 두 가지 핵심 루프는 토크 제어 루프와 속도 제어 루프입니다. 드라이브 운전 중에는 두 개의 출력 상 전류 값과 DC 버스 전압 값, 그리고 IGBT 스위치 위치가 모니터링됩니다. 이 정보는 적응형 모터 모델(adaptive motor model)로 전달됩니다. 모터 모델은 자동 튜닝 과정(self-tuning process, 모터 식별)을 통해 받은 정보를 기반으로 모터 데이터를 계산합니다. 이 자동 튜닝 과정에서 모터 모델은 고정자 저항(stator resistance), 상호 인덕턴스(mutual inductance), 포화 계수(saturation coefficients), 모터 관성(motor inertia) 등의 정보를 수집합니다.
모터 모델의 출력은 실제 모터 토크와 고정자 플럭스를 나타내며, 이는 축 속도 계산마다 생성됩니다. 실제 토크와 플럭스 값은 각각의 비교기(comparator)로 전달되며, 비교는 매 25μs마다 수행됩니다. 매 25μs마다 인버터 IGBT에 정확한 모터 토크를 얻기 위한 최적의 펄스 정보가 전달됩니다. 올바른 IGBT 스위치 조합은 매 제어 사이클마다 결정됩니다.
10.8.4 제동 방식(Braking Methods: 동적 및 재생)
일반적인 AC 드라이브의 DC 버스는 트립이 발생하지 않는 한 최대한 많은 전압을 수용합니다. 과전압 트립(overvoltage trip)이 발생하면 운전자는 세 가지 선택지를 가질 수 있습니다 — 감속 시간(deceleration time)을 늘리거나, “DC 주입 제동(DC injection braking)” 파라미터를 추가하거나, 외부 동적 제동 패키지를 추가하는 것입니다. 감속 시간을 늘리면 DC 버스가 에너지를 소산할 수 있는 시간이 더 확보되어 트립 지점 이하로 유지될 수 있습니다.
DC 주입 제동(DC Injection Braking)에서는 설정된 시간 동안 DC 전압이 고정자 권선(stator windings)에 “주입(injected)”됩니다. 제동 토크(역토크, counter torque)는 “감속 정지(ramp)” 방식에 비해 모터를 더 빠르게 정지시킵니다.
동적 제동(Dynamic Braking, DB)은 외부에 설치된 고정형 고와트 저항기(또는 저항기 뱅크)를 사용하여 회전 에너지를 열로 변환합니다(그림 10-17 참조). 모터가 명령된 속도보다 빠르게 회전할 경우, 회전 에너지가 DC 버스로 되돌려집니다. DC 버스 전압이 사전에 설정된 수준까지 상승하면 “초퍼(chopper)” 모듈이 작동하여 초과 전압을 DB 저항기로 전달합니다.
재생 제동(Regenerative Braking)을 위해서는 “역방향 연결(reverse connected)”된 두 번째 세트의 전력 반도체가 필요합니다. 최신 AC 재생 드라이브는 컨버터 섹션에 두 세트의 IGBT를 사용하며, 일부 제조사는 이를 “능동 프런트 엔드(active front end)”라고 부릅니다. 역방향 전력 소자는 드라이브가 전류를 반대 방향으로 도통시킬 수 있게 하며, 모터의 에너지를 전원선으로 다시 생성할 수 있도록 합니다. 4사분면 시스템에서 기대할 수 있듯이, 이 장치는 모터를 정방향 및 역방향으로 구동하고 재생할 수 있습니다.
10.9 자동화 및 VFD의 활용(Automation and the Use of VFDs)
보다 복잡한 AC 드라이브 응용은 이제 드라이브 소프트웨어의 수정으로 구현되며, 일부 제조사는 이를 “펌웨어(firmware)”라고 부릅니다. IGBT 기술과 고속 응용 칩 및 프로세서의 발전으로 AC 드라이브는 기존 DC 드라이브 시스템과 경쟁할 수 있는 수준에 도달했습니다.
10.9.1 지능형 및 소형 패키지 설계(Intelligent and Compact Packaged Designs)
마이크로프로세서와 IGBT의 사용으로 인해, 현재의 1HP 드라이브는 10년 전의 1HP 드라이브보다 약 1/3 크기로 작아졌습니다. 이러한 크기 감소는 회로 기판에 부품을 조립하는 데 사용되는 “표면 실장(surface mount)” 기술 덕분이기도 합니다. AC 드라이브 설계는 교체해야 할 부품이 적고, “온보드(on-board)” 진단 또는 “유지보수 도우미(maintenance assistant)” 소프트웨어를 통해 문제 해결 기능을 제공합니다. 대부분의 경우, 약 50HP 이하의 패키지형 AC 드라이브는 제어 보드(control board)와 모터 제어 보드(motor control board) 단 두 개의 회로 기판만 사용합니다.
프로그래밍은 일반적으로 탈착 가능한 터치 키패드 또는 원격 조작 패널을 통해 수행됩니다. 최신 E2PROM 및 “플래시 PROM(flash PROM)” 기술의 발전으로 인해, 프로그래밍 패널은 파라미터 값을 영구 저장한 후 전원에서 분리할 수 있습니다. 드라이브 패널은 “시동 도우미(startup assistant)”를 통해 사용자를 안내하며, 다국어 프로그래밍과 휴대폰과 유사한 “소프트 키(soft keys)” 기능을 제공합니다. 키의 기능은 키패드의 모드에 따라 변경되며, 키패드에는 PID(비례-적분-미분, proportional-integral-derivative)와 같은 “매크로(macros)”라 불리는 사전 프로그래밍된 기본 응용 값도 포함되어 있습니다(그림 10-18 참조).
10.9.2 시리얼 및 광통신(Serial and Fiber Optic Communications)
제어 및 진단 데이터는 상위 제어 시스템으로 100밀리초 간격으로 전송될 수 있습니다. 제어 연결에는 단 3개의 전선만 사용되며, 드라이브의 “상태(health)” 및 운전 통계는 연결된 노트북을 통해 확인할 수 있습니다.
광통신(Fiber optic communications)은 플라스틱 또는 실리카(유리 섬유)와 강력한 광원을 사용하여 데이터를 전송합니다. 광섬유를 통해 수천 비트의 정보가 초당 400만 비트(4M Baud)의 속도로 전송될 수 있습니다. 여러 드라이브 제조사는 시리얼 및 광통신 소프트웨어를 제공하며, 이는 노트북 또는 데스크탑 컴퓨터에 직접 설치되어 모든 드라이브 파라미터에 접근할 수 있게 합니다.
10.9.3 필드버스 통신(Fieldbus Communications: PLCs)
프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)와의 데이터 연결은 제어 및 피드백 정보를 처리하는 많은 고속 시스템에서 일반적으로 사용됩니다. 여러 PLC 제조사는 다양한 드라이브 제품과의 직접 연결을 제공합니다. 각 PLC는 고유한 프로그래밍 언어를 사용하기 때문에, 드라이브 제조사는 언어를 변환하기 위한 “어댑터 박스(adapter box)”를 제작해야 하며, 이를 “필드버스 모듈(fieldbus module)”이라고 합니다. 여러 제조사는 이더넷 모듈(Ethernet module)을 통해 드라이브를 기존 내부 네트워크 구조에 연결할 수 있도록 지원합니다. TCP 및 IP 주소를 통해 통신하는 모듈은 자동화된 내부 시스템을 통한 고급 제어를 가능하게 합니다. 무선 기술 및 PDA(개인 디지털 도우미)를 통한 추가 인터페이스도 프로그래머블 VFD에 점차 도입되고 있습니다.
10.9.4 드라이브 구성(Drive Configurations)
여러 제조사는 표준 6펄스 드라이브의 변형을 제공합니다. “12펄스 대응(12-pulse ready)” AC 드라이브는 표준 6펄스 드라이브를 12펄스 드라이브로 변환할 수 있는 옵션 기능을 제공하며, 이를 위해 추가 제어 장치와 위상 변환(transformer) 장치가 필요합니다. 12펄스 드라이브는 전원선으로 되돌아가는 고조파 왜곡(harmonic distortion)의 주요 원인을 효과적으로 줄이는 데 뛰어난 성능을 발휘합니다.
AC 드라이브 기술의 특징 중 하나는 드라이브가 어떤 이유로든 작동을 멈출 경우 “바이패스(bypass)” 기능을 통해 우회 운전이 가능하다는 점입니다. 이 구성은 팬이나 펌프가 고정 속도라도 계속 운전되어야 하는 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 제조사 중 하나인 ABB Inc.는 “E-바이패스(E-bypass)” 회로를 제공합니다. 필요 시, 회로 기판이 모든 진단 및 논리 기능을 수행하여 “자동”으로 바이패스로 전환하며, 바이패스 정보를 건물 자동화 시스템으로 전달합니다.
10.9.5 장 요약(Chapter Summary)
전자식 모터 속도 제어 장치는 자동차 서브시스템, 가전제품, 전기차, 자동 승강 시스템, 해양 추진 장치 등 비전통적인 응용 분야에서의 사용이 증가할 것으로 예상됩니다. 이 문서 작성 시점 기준으로, VFD는 표준 유도형 AC 모터에서 사용되는 제어 방식의 50% 이상을 차지하고 있습니다. 에너지 절약 장치와 5HP 이하의 마이크로 드라이브 사용이 증가함에 따라 이러한 추세는 앞으로 더욱 확대될 것입니다.
AC 드라이브의 향후 기술 동향은 다음과 같습니다:
- 지능형 기능이 강화된 드라이브
- 다양한 통신 옵션의 광범위한 활용
- 드라이브 정보, 입출력(I/O), 피드백 상태를 위한 외부 제어 장치의 사용
향후 기술은 모터에 식별 칩(ID chip)을 내장하여 거의 “자동화된” 시동(start-up)을 가능하게 할 것으로 기대됩니다.