가변 속도 드라이브를 통한 에너지 효율성(1부)

이 기사에서는 Control Techniques의 수석 엔지니어인 Colin Hargis가 가변 속도 드라이브의 에너지 효율성 문제를 살펴봅니다.

일부 독자는 드라이브 및 드라이브 시스템의 효율성을 제어하기 위한 새로운 EU 규정이 파이프라인에 있음을 알고 있을 것입니다. 규정은 아직 협의 중이므로 아직 공식적으로 번호가 없지만 EC 명령 M/476을 통해 식별할 수 있으며 에너지 관련 제품 지침(ErP)에 대한 협의 프로세스에서 "로트 30"이라고 합니다. . 협의는 현재 중단된 것으로 보이지만 규정을 뒷받침하는 기술 표준은 이미 EN 50598-1 및 EN 50598-2로 존재합니다. 의도는 드라이브에 산업용 모터와 마찬가지로 효율 등급이 할당되어야 하며, 어느 단계에서는 가장 낮은 등급이 EU 시장에서 금지될 가능성이 있다는 것입니다. 제조업체는 또한 사용자가 응용 프로그램의 전반적인 에너지 효율성을 평가할 수 있도록 부분 부하 손실에 대한 추가 데이터를 제공해야 합니다.

규정 자체가 시행되기 전에 일부 드라이브 사용자는 제안된 규정 및 효율성 등급에 대해 자세히 알아보고 해당 규정이 자체 최종 제품 또는 시스템의 에너지 효율성과 관련이 있는지 평가하는 데 관심을 가질 수 있습니다. 이 블로그에서는 드라이브 시스템 효율성의 몇 가지 기본 사항을 살펴봅니다. 다음 시간에는 새로운 표준과 제안된 규정에서 발생하는 몇 가지 문제에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

가변 속도 드라이브를 사용하는 주된 이유 중 하나는 모터가 구동하는 최종 프로세스의 수요에 맞게 모터의 속도를 조절하여 에너지 사용을 최적화하는 것입니다. 이것은 유체(기체 및 액체)를 이동할 때 특히 중요합니다. 점성 마찰은 회로 주위에서 유체를 이동하는 데 필요한 전력이 유량의 세제곱 법칙으로 변하기 때문에 유량의 작은 감소가 유량의 큰 감소를 가져온다는 것을 의미하기 때문입니다. 사용된 전력. 댐퍼, 밸브 및 가변 가이드 베인과 같은 제어 방법도 불필요한 전력 손실을 초래합니다. 이 아이디어는 너무 잘 알려져 있어 더 이상 설명할 필요가 없습니다. 유용한 가이드가 많이 있습니다. [예:참고 문헌 1 &2]. 그러나 다가오는 규정을 염두에 두고 몇 가지 원칙을 검토하는 것이 도움이 됩니다. 주로 규정과 표준의 효과를 관점에서 유지하는 것입니다.

드라이브 시스템의 에너지 손실

축척이 아닌 다이어그램은 드라이브 애플리케이션에서 전력이 소비되는 방식을 광범위하게 보여줍니다. 효율성보다는 손실 측면에서 작업하는 것이 가장 분명합니다. 모든 단계에서 관련 장치의 전력 손실이 있으며 이는 일반적으로 정격 처리량의 비율로 표시됩니다.

손실된 전력은 일반적으로 주변 공기의 열로 나타납니다. 때로는 열을 잘 사용할 수 있지만 일반적으로 낭비로 간주해야 하며 해당 지역의 추가 환기 또는 냉각이 필요한 경우 추가 비용이 발생할 수도 있습니다. 실제 손실은 다양한 응용 분야에 따라 크게 다르지만 최대 출력에서 ​​작동하는 공기 이동 응용 프로그램의 일반적인 고장은 표 1에 나와 있습니다. 각 단계에서 장치에서 발생하는 손실은 유용한 시스템 출력 또한 다른 모든 다운스트림 장치의 누적 손실도 있습니다.

이 예에서 전체 효율은 약 56.6%입니다. 가장 큰 손실은 액츄에이터에서 발생하며 30%의 손실 수치는 공기를 이동시키는 팬의 경우 일반적입니다. 공기는 효율적으로 이동하기 어려운 유체이며 현대식 펌프의 손실은 10%에 가깝습니다. 표시된 모든 손실은 개선된 기술로 줄일 수 있으며 에너지 효율성에 주의를 기울인다는 것은 개선된 설계가 비용 효율적이 되거나 규정에 따라 요구됨에 따라 시간이 지남에 따라 모두 감소하는 경향이 있음을 의미합니다.

드라이브 손실은 목록에서 가장 작으며 대부분의 응용 프로그램에서 현실적입니다. 3%의 손실은 다른 사람들에 비해 다소 사소합니다. 최신 드라이브는 손실이 매우 낮으며, 이에 대한 주요 동인은 물리적으로 컴팩트한 장치에 대한 요구입니다. 즉, 냉각 장치(방열판 및 팬)의 크기를 최소화해야 하므로 손실도 최소화해야 합니다. 드라이브의 전력 처리량에는 다른 모든 손실이 포함되므로 드라이브 데이터를 기준으로 3%의 헤드라인 드라이브 손실은 시스템 출력의 비율로 표현하면 5.1%가 됩니다. 드라이브를 지능적으로 사용하면 종종 다른 장치의 손실을 유용하게 줄여 드라이브 손실을 훨씬 능가하는 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 최대 부하 조건이 아닌 실제 작동 조건을 고려해야 합니다.

통제 및 손실

위에서 논의한 일반적인 손실 값은 각 장치의 정격 부하 또는 처리량에서 제공되는 "헤드라인" 값입니다. 따라서 시스템이 최대 설계 출력에서 ​​작동할 때 관련이 있습니다. 수요는 다양하지만 시스템은 최대로 설계되어야 하기 때문에 많은 시스템은 수명의 상당 부분을 정격 부하 미만으로 작동합니다. 또한 성능은 일반적으로 최대 처리 능력으로 판단되므로 공급업체는 승인 시험 중에 정격 출력을 제공하지 못할 경우 고객이 시스템을 거부할 위험을 피하기 위해 구성 요소의 크기를 초과하는 경향이 있습니다. 따라서 출력을 조정하는 방법과 함께 제어 시스템이 필요합니다. 적용된 제어 기술은 부분 부하 효율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 공기 댐퍼와 조절 밸브는 팬이나 펌프의 압력 상승을 초래하므로 전달 지점에서 필요한 것보다 더 많은 전력을 발전시켜야 하기 때문에 상당히 높은 부분 부하 손실을 유발한다는 것은 잘 알려져 있습니다. . 가변 속도 드라이브는 이러한 추가 손실을 방지합니다.

모든 구성 요소의 효율성은 부하에 따라 달라집니다. 세부 사항은 크게 다르지만 일반적으로 손실에는 다음과 같은 요소가 있습니다.

• 출력과 독립적인 고정 손실. 이는 부분 부하 효율성을 감소시키는 경향이 있습니다.
• 부분 부하 효율에 영향을 미치지 않는 비례 손실.
• 전 부하 효율성을 감소시키는 경향이 있는 증가하는 손실(예:제곱 법칙)

결과는 일반적으로 최적의 효율 출력 레벨이 있다는 것입니다. 예를 들어 표준 유도 전동기에서는 정격의 약 80%입니다. 더 높은 출력에서는 효율성이 약간 떨어집니다. 낮은 출력에서는 효율도 떨어지지만 실제 전력 손실도 떨어집니다.

변속 전기 구동 시스템의 손실

일반적인 상황을 요약하면 이제 전기 구동 시스템, 즉 모터와 드라이브를 더 자세히 살펴볼 수 있습니다. 시스템의 출력은 토크와 속도의 곱으로 구성된 모터 샤프트의 기계적 동력입니다. 모터와 드라이브 모두 토크와 속도에 따라 달라지는 손실 요소가 있습니다. 표 2는 이를 요약한 것입니다. 단순화를 위해 전류는 토크에 비례한다고 가정합니다. 이것은 모터 자화 전류를 무시하기 때문에 단순화되었습니다.

속도와 토크의 영향을 별도로 고려하거나 결합하여 고려해야 합니다. 모터의 저항 손실은 속도에 관계없이 거의 전적으로 토크와 관련되며 이는 드라이브의 인버터 단계에서도 마찬가지입니다. 반면에 드라이브 입력단 정류기의 손실은 순전히 전력 처리량의 함수, 즉 토크와 속도의 곱입니다.

토크와 속도가 관련된 특정 유형의 부하를 고려할 때 이 다소 복잡한 그림을 단순화할 수 있습니다. 예를 들어 정적 수두가 거의 없는 공정에 공급되는 간단한 펌프나 팬은 압력이 주로 유량의 제곱 법칙 함수가 되도록 하면 속도의 제곱 법칙 함수인 토크를 제공합니다. 반대로 컨베이어 시스템과 같은 프로세스는 속도와 거의 무관한 토크를 갖지만 컨베이어의 수요에 따라 달라집니다. 이 두 가지 유형의 부하를 각각 "가변 토크" 및 "고정 토크" 구동 애플리케이션이라고 합니다.

드라이브와 모터에 고유한 손실은 물론 별도로 취한 손실도 있으며, 이 둘을 결합하면 손실이 발생합니다. 상호 의존성의 핵심 요소는 다음과 같습니다.

• 작동 자속 밀도는 드라이브에 의해 제어되고 모터에 부과되어 자화 손실에 영향을 줍니다. (주어진 토크에 대한 저항 손실에도 영향을 미치므로 주어진 토크와 속도에 대해 최적의 자속 밀도가 있습니다.)
• PWM 스위칭, 드라이브에 의해 제어되고 결과적으로 모터에 추가 손실 발생
• 모터의 역률, 모터에 의해 부과되는 무효 전류로 인해 드라이브에서 추가 전류 손실이 발생합니다.

드라이브의 효율성에 대한 간단한 표준은 표준화된 모터 부하를 사용하여 드라이브의 손실만 처리합니다. 유용한 표준은 상호 의존성을 해결하고 균형을 관리해야 합니다. 예를 들어 선택된 PWM 스위칭 주파수는 더 낮은 주파수를 필요로 하는 드라이브와 더 높은 주파수를 필요로 하는 모터의 손실을 최소화하려는 욕구의 균형을 유지해야 합니다. 또한 완전한 시스템 또는 기계의 설계자가 실제 작동 조건 범위에 걸쳐 완전한 기계의 손실을 계산할 수 있도록 해야 합니다.

다음 블로그에서는 표준, 특히 드라이브의 에너지 효율 등급을 지정하는 EN 50598-2를 더 자세히 살펴보고 이러한 요구사항을 관리하는 방법을 고려할 것입니다. 또한 효율성을 최적화하고 특히 처음 나타나는 것보다 더 중요할 수 있는 부분 부하 손실을 최적화할 수 있는 드라이브에서 사용할 수 있는 기능을 살펴봅니다.

참조

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] http://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html