드라이브의 전압 강하 및 중단 대응: 실무 가이드

공공 전력 공급은 일반적으로 신뢰할 수 있지만 교란이 발생하기도 합니다. 당연히 정전이 발생하면 UPS나 비상 발전기 같은 백업 전원이 없는 한 모든 전기 장비가 정지합니다. 전력이 복구되면 장비는 설계된 방식대로 정지 상태에서 재시작합니다. 그러나 동작이 명확하지 않은 교란 종류가 있는데, 바로 짧은 중단이나 전압 강하(dip)입니다.

짧은 전압 강하는 흔히 발생합니다. 낙뢰나 나무 등의 낙하물로 인한 선로 고장이 원인입니다. 공공 전력 시스템 어디에서든 고장이 발생하면 고장 지점에서 전압 강하가 전체 시스템으로 전파됩니다. 전력 회사 보호 장치가 약 200ms 정도의 시간 스케일로 고장 회로를 차단하면, 자동 재폐로 차단기의 여러 시도 후 대부분의 소비자에게 전력이 복구됩니다. 그러나 이 동안 전력 소비자는 고장으로부터의 전기적 거리에 따라 다양한 깊이의 전압 강하를 경험합니다. 중공업 현장에서는 대형 모터 직접 기동 시에도 전압 강하가 발생합니다.

전기 장비가 딥이나 중단 중과 후에 올바르게 동작하는 것은 간과하기 쉬운 중요한 문제입니다. 짧거나 얕은 딥은 통과(ride-through)해야 합니다. 불가능한 경우 올바른 동작은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 일부 애플리케이션에서는 예기치 않은 재시작으로 인한 위험을 피하기 위해 수동 재시작을 위해 정지 후 대기해야 하거나, 다중 모터의 경우 조정 제어 하에 자동 재시작해야 합니다. 다른 애플리케이션에서는 전력 복구 시 제어된 방식으로 자동 재시작해야 합니다. 올바르게 재시작하지 못하면 제조 플랜트에서 생산 손실, 엘리베이터 갇힘 사고, 공조 시스템 트립, 서비스 방문이 필요한 전자 장비 리셋 등 다양한 문제가 발생할 수 있습니다.

딥과 중단

가장 짧은 딥과 중단은 일반적으로 약 10ms, 즉 상용 주파수의 반 주기 지속됩니다. 약 10초를 초과하면 정전으로 간주합니다. 동작을 면밀히 살펴봐야 하는 지속 시간 범위는 주로 10ms에서 약 500ms 사이입니다. 이 범위에서 설계 오류는 프로세서 행/크래시, 데이터 손상 등 잘못된 동작을 초래할 수 있습니다.

3상 시스템에서 고장은 종종 1상만 영향을 미칩니다. 낙뢰와 낙하물은 종종 1상만 영향을 미치기 때문입니다. 그러나 고장이 3상 모두로 퍼질 수도 있습니다. 고압 송전 시스템의 1상-접지 결함은 델타-스타 변압기를 거쳐 저압 배전 시스템에서는 선간 결함으로 나타납니다. 모터 기동으로 인한 딥은 3상 모두에 영향을 미칩니다.

에너지 저장과 라이드스루

일반적인 상용 전원 전자 회로에는 내부 DC 공급 라인에 꽤 큰 커패시터가 연결되어 정류 전압을 평활화하며, 보통 10ms~20ms 정도 회로를 구동할 에너지를 저장합니다. 더 짧은 딥이나 중단에서는 정상 동작을 계속하며, 전압 저하를 감지하는 전력 모니터 회로가 있을 수 있습니다. 그러면 필수 데이터를 비휘발성 메모리에 저장하고 시스템을 알려진 상태로 전환하는 짧은 루틴을 실행할 시간이 생기며, 전원 복구 시 이 상태에서 재시작할 수 있습니다. 약 100ms까지 라이드스루가 필요하다면 추가 커패시턴스로 달성 가능하며, 그 이상이면 배터리나 UPS가 필요합니다.

반면, 모터 관성에 기계적으로 저장된 유용한 에너지가 있을 수 있습니다. 애플리케이션에 따라 이 에너지 일부를 사용하여 전력 복구 시 드라이브를 생존 가능한 상태로 유지할 수 있습니다.

드라이브의 라이드스루

그림 1은 AC 드라이브의 주요 전력 부품을 보여줵니다. 초크는 선택 사항이며 라이드스루에 큰 영향을 주지 않습니다.

그림 1: AC VSD의 주요 전력 부품

정류기는 단방향으로, 전력은 AC 공급에서 DC 버스로만 흐를 수 있습니다. 인버터와 모터는 양방향이므로, 모터를 자화 상태로 유지할 충분한 에너지가 있다면 모터에서 드라이브 DC 버스로 에너지가 되돌아올 수 있습니다.

드라이브 컨트롤러는 DC 버스 전압을 측정하므로 전압 강하를 감지할 수 있습니다. AC 공급의 짧은 중단은 딥과 같은 효과가 있으며, 커패시터 방전으로 DC 전압이 떨어집니다. 몇 가지 가능한 상황이 있으며, 상세 동작은 사용 중인 모터 제어 모드에 따라 다릅니다. 기본 고정 V/f 비율을 사용하는 단순한 개루프 제어를 생각해 봅시다.

어떤 경우든 공급 손실 감지 레벨에 도달하기 전에 전압이 회복되면 정상 운전이 계속됩니다. 소프트 차지 회로의 도움 없이 커패시터가 재충전되면서 짧은 입력 전류 서지가 발생합니다. 드라이브는 이 서지를 견디도록 설계되어 있지만, 여러 드라이브가 같은 차단기에서 전원 공급되는 경우 차단기가 동작하는 것으로 알려져 있습니다.

공급 손실 루틴:

애플리케이션 필요에 맞게 선택할 수 있는 세 가지 동작을 제공하는 사용자 선택 모드 파라미터가 있습니다:

1. 무작동 (공급 손실 기능 비활성화)
2. 감속 정지
3. 라이드스루

옵션 1에서는 모터가 자유 정지합니다. 전압이 공급 손실 감지 레벨 아래로 떨어지면 드라이브는 아무 동작도 하지 않습니다. 전압이 계속 떨어져 저전압 감지 레벨 미만이 되면 드라이브가 비활성화되고 모터가 자유 정지합니다. 전력이 복구되면 드라이브에 인에이블과 런 명령이 여전히 있으면 자동 재시작을 실행합니다.

옵션 2는 다중 조정된 움직임이 필요한 애플리케이션에서 드라이브가 독립적인 동작을 시도하지 않아야 할 때 보통 선택됩니다. 전압이 공급 손실 감지 레벨 아래로 떨어지면 모터가 감속 정지합니다. 드라이브가 모터를 감속시키는 동안 전력이 복구되면 드라이브는 계속 모터를 정지시키고, 그렇지 않으면 드라이브가 저전압 상태에 진입해 셧다운합니다.

드라이브가 정지에 도달했을 때 전력이 복구된 경우 일부 Control Techniques 제품 간에 세부 동작 차이가 있습니다:

• Unidrive M700 및 관련 제품: 모터가 정지에 도달하면 드라이브가 비활성화 상태에 진입하며, 드라이브를 다시 운전하려면 인에이블 신호를 토글해야 합니다.
• Unidrive M100~M400 및 관련 제품: 모터가 정지에 도달하면 인에이블과 런 명령이 여전히 존재하는 한 드라이브가 재시작하여 모터 속도를 속도 레퍼런스로 램프 업합니다.

옵션 3은 드라이브가 가능한 한 독립적인 운전을 계속해야 하는 애플리케이션에서 보통 선택됩니다. 드라이버는 모터 자속을 유지하면서 기계적 저장 에너지(모터 및 부하 관성)를 되돌려 받아 모터 자화 전류와 드라이브 제어 회로 전력을 공급하도록 제어된 방식으로 모터 속도 설정을 낮춥니다. 에너지가 소진되기 전에 전력이 복구되면 드라이브는 모터를 설정 속도로 다시 가속합니다.

성공적인 라이드스루 가능성은 당시의 기계적 부하와 모터 및 부하의 특정 관성에 분명히 의존합니다.

전압 딥이 3상 중 1상에서만 발생하면 회수된 에너지는 결상된 전압 간격 동안 정류기의 '틈새를 메우는' 역할만 하면 되므로 3상 딥보다 훨씬 적은 에너지가 필요하며, 성공적인 라이드스루 가능성이 가장 높습니다.

자동 재시도 횟수 제한

원하는 횟수나 무제한으로 설정할 수 있습니다.

회전 중인 모터 재시작:

이 모든 옵션에서 자동 재시작이 선택되면 '회전 중인 모터 잡기(catch a spinning motor)' 루틴이 필요한지 고려해야 합니다. 드라이브가 모터 제어를 유지하고 있는 경우, 즉 램프나 라이드스루 상태에서는 이것이 필요하지 않습니다. 그러나 저전압 트립이 발생하면 모터는 더 이상 제어되지 않습니다. 관성 및/또는 팬의 기류 같은 외부 요인으로 인해 계속 회전할 수 있습니다. 이 경우 회전 모터 알고리즘이 활성화되지 않으면 재시작이 실패할 수 있습니다.

전력 딥, 중단 및 라이드스루 관련 표준 및 요구사항

전력 딥과 중단에 대한 전기 제품 내성에는 국제 및 EU 조화 표준이 있습니다. EU에서는 EMC 지침이 법적으로 이를 다룹니다. 나머지 세계에서는 일반적으로 EMC 법보다는 제품 품질 문제로 간주합니다. 상당 16A 미만 장비의 시험 표준은 IEC 61000-4-11(EU에서는 EN 61000-4-11)이지만, 이 표준은 다양한 선택적 시험 레벨을 주고 합격/불합격 기준은 없습니다. 제품 표준을 참조해 정확한 요구사항을 찾아야 합니다. 산업용 장비의 일반적인 내성 표준인 IEC 61000-6-2에서 대표적인 요구사항을 볼 수 있습니다:

장비는 딥 중과 후에 지정된 대로 동작해야 하며, 저장 데이터의 손실이나 손상이 없어야 합니다. 이는 문자 그대로의 라이드스루, 즉 정격 출력 전력 지속 공급을 요구하는 것이 아니라 의도한 대로 동작하는 것만 요구합니다. 시험 목적은 딥/중단 후 행 상태나 저장 데이터 손상 같은 오류나 버그를 찾는 것입니다. 드라이브를 포함하는 기계에 시험이 적용되면 드라이브가 올바르게 구성되어 완전한 기계가 딥 중과 후에 의도한 대로 동작하도록 해야 합니다.

상당 16A 초과 장비에는 또 다른 시험 표준 IEC 61000-4-34가 있습니다. 이 표준은 시험 장비의 어려움과 비용 때문에 거의 사용되지 않습니다. 고전력 드라이브의 동작은 시뮬레이션과 저전력 모델로부터의 스케일링으로 신뢰성 있게 예측할 수 있습니다.

전력 교란에 대한 또 다른 표준은 미국 ITI(Information Technology Industry Council)에서 나왔으며, 때때로 IT 장비에 지정됩니다. 이는 시험 방법을 정의하지 않고 단자 전압 동작만 정의합니다. ITIC 곡선(구 CBEMA 곡선)은 20ms까지 중단의 지속 동작을 보여줍니다. 이는 단상 전원에만 적용되며 3상에 쉽게 적용되지 않습니다.

앞선 논의에서 보듯 드라이브는 라이드스루 모드에서 충분한 저장 에너지를 부하 감속으로 회수할 수 있다면 이를 달성할 수 있습니다. 특히 3상 공급에서는 더욱 그렇습니다.

그림 2: ITIC(구 CBEMA) 곡선