가변 속도 드라이브로 에너지 효율 극대화 – 전문가 가이드 (2부)

이 블로그 시리즈 2부에서 Control Techniques 수석 엔지니어가 가변 속도 드라이브를 사용한 더 높은 에너지 효율 달성을 더 깊이 있게 다룹니다.

이전 블로그에서는 드라이브와 애플리케이션 효율 개요, 주어진 애플리케이션에서 속도와 토크 조합 패턴에 따른 영향을 다뤘습니다. 이제 제안된 EU 규정과 관련 표준이 성능 표준 설정과 데이터 제공을 통해 최종 애플리케이션 에너지 효율을 개선하려는 시도, 드라이브용 새로운 IE 클래스 제안을 포함하여 어떻게 시도하는지 살펴봅니다.

드라이브 효율 표준과 제안된 EU 규정

미래 규정의 출발점으로 생성된 유럽(CENELEC) 표준 세트가 있습니다: EN 50598 1~3부 [1]. 이들은 모터용으로 사용 가능한 국제 표준(IEC)으로 적절히 발전할 가능성이 높습니다. EU 규정은 EN 50598-2의 IE 클래스 정의를 사용할 가능성이 높습니다.

이 표준 패밀리에서 3부는 일반적으로 환경 친화적 설계를 다루며, 제품에 사용된 재료와 최종 폐기 환경 영향에 중점을 둡니다. 이는 이 블로그 범위 밖입니다. 1부는 모터와 드라이브를 포함하는 완전한 시스템 설계를 다룹니다. 최종 애플리케이션에서 에너지의 최적 사용을 보장하려는 실제 목적이 개별 부품만 따로 볼 때 필연적으로 적용되는 제품 표준의 과제를 해결하려 합니다. 이전 블로그에서 다룬 이슈들을 더 자세히 설명하고, 2부에서 더 자세히 정의된 드라이브 데이터를 사용하여 완전한 시스템 에너지 효율을 평가하는 방법론을 제시합니다. 1부는 특정 최종 애플리케이션 에너지 효율 작업을 하는 기술 위원회에서 사용하도록 의도되었습니다. 이는 '확장 제품 접근법(EPA)'이라 불립니다. 1부에는 시스템 설계자에게 유용한 튜토리얼 자료가 포함되어 있습니다.

2부는 EN 50598-2로, 드라이브 에너지 효율 지표인 IE 클래스를 제공하며, 향후 규정의 기초가 될 가능성이 높습니다. 규정 [2]은 EU 시장에 출시되는 드라이브 제품에 적용됩니다. 앞서 보았듯 드라이브의 에너지 영향은 자체 에너지 소비(손실)보다 훨씬 큰데, 최종 애플리케이션의 다른 구성 요소에서 주요 에너지 절감을 가능하게 하기 때문입니다. 규정은 다양한 최종 애플리케이션을 예측할 수 없으므로 드라이브 제조사가 구매자에게 제공해야 하는 데이터를 정의하는 것을 목표로 합니다. 이 데이터는 EPA에 사용되는 '반해석적 모델(Semi Analytic Model)'을 형성합니다.

규정과 표준을 만드는 그룹들은 드라이브를 적합한 곳에 사용하는 것의 에너지 이점이 손실을 훨씬 초과함을 잘 인지하고 있으며, 표준을 단순하고 실용적으로 유지하려 했습니다. 꽤 긴 문서지만 대부분 손실 소스와 사용할 수학적 모델에 대한 자세한 설명입니다. 이 주제에 대해 더 배우고 싶다면 추천 읽기입니다.

요약하면, 표준에 따라 드라이브 제조사는 다음을 제공해야 합니다:

• 드라이브 에너지 효율 클래스(IE0~IE2 범위). 이는 정격 토크 생성 전류와 정격 출력 주파수 90%의 한 특정 운전점에서 손실 기반. PWM 스위칭 주파수는 90kW 이하 정격에서 4kHz, 90kW 초과에서 2kHz로 고정. '기준 손실'로 기준 IE1 클래스를 정의하며 인버터 정격에 의존하지만, 5~75kW 정격 범위에서는 겉보기 출력 전력의 약 5%입니다. IE2 클래스 손실은 IE1의 약 절반입니다.
• 토크 생성 전류와 출력 주파수 다음 9가지 조합에서의 전력 손실 데이터 매트릭스:

규정이 IE0 클래스 드라이브 EU 판매 금지와 IE1 클래스 드라이브 금지에 대한 타임라인 설정을 할 가능성이 높습니다. 표준은 IE2 이상 미래 클래스 조항을 포함하지만, 더 나아가는 이점은 적습니다.

필수 데이터 매트릭스 목적은 사용자가 애플리케이션의 특정 토크/속도 특성과 부하 패턴을 고려하여 애플리케이션 에너지 손실을 예측할 수 있게 하는 것입니다. 이전 블로그와 EN 50598-1에서도 설명했습니다.

드라이브 시스템 에너지 효율 개선을 위한 실용적 방법

완전한 프로세스 이해

에너지 효율을 최적화하기 위해 제어 속도 애플리케이션에서 단연 가장 중요한 측면은 제어 기능을 올바르게 설계하여 프로세스가 최적화되고 출력이 과잉 없이 필요할 때 제공되도록 하는 것입니다. 드라이브 시스템 설계자의 주된 기술은 모터 속도와/또는 토크가 프로세스에 적절하게 설정되도록 전반적 프로세스를 충분히 잘 이해하는 것입니다. 이전 블로그 표 1에서 볼 수 있듯 이 예에서 모터와 드라이브 손실은 출력의 20.7%에 불과한 반면, 변속기와 액추에이터에서 56%입니다. 10% 모터 손실은 약 7.5kW 정격 현대 IE3 클래스 모터에서 전형적이며, 이를 크게 개선하기는 어렵습니다. 드라이브 손실은 오히려 사소합니다. 그러나 드라이브 엔지니어는 전체 시스템 개선 기회를 찾을 수 있습니다. 모터와 액추에이터가 매칭되어 변속기가 필요 없는 새 설계를 보자. 이는 드라이브 기능으로 모터 기저 속도를 변경하여 가능할 수 있습니다. 그러면 표 1은 다음과 같이 됩니다:

효율이 56.5%에서 67.9%로 개선되고 손실이 출력의 76.7%에서 47.3%로 감소했습니다.

여기서 메인즈 공급 주파수와 모터 극수에 의해 결정되는 제한된 기저 속도 수에서 벗어나 드라이브 능력을 사용했습니다. 드라이브는 다양한 프로세스 센서 입력을 사용하여 실제 시스템 운전 조건에 맞게 속도를 최적화하는 프로그래머블 제어 능력도 있습니다. 마지막으로 드라이브는 실제 부하에 따라 모터 운전 조건을 최적화하는 역할도 할 수 있습니다.

모터 제어 최적화 – 자속 밀도

IE3 클래스 4극 모터 풀부하 손실은 0.75kW 정격에서 14.5%부터 185kW 초과 정격에서 3.8%까지 범위입니다. 널리 사용되고 에너지 집약적인 5.5~55kW 범위에서는 약 6%입니다. 여기서 더 개선할 여지는 없어 보입니다. 대부분의 손실은 작업 전류와 관련된 구리(도체) 손실로, 드라이브 기능으로 개선할 수 없습니다. 풀부하에서 최선은 영구 자석 모터를 사용하여 모터 역률(cos φ)을 1에 가깝게 하고 전류를 줄이는 것입니다.

그러나 모터 고정 손실을 다시 볼 가치가 있습니다. 운전 토크가 정격 값보다 훨씬 낮은 대규모 애플리케이션 클래스 때문입니다. 정상 공급량이 최대 가능량보다 적은 팬/펌프 애플리케이션이나, 토크가 보통 최대 가능량보다 적은 정토크 애플리케이션일 수 있습니다. 이 경우 작업 전압에서 모터 자속 밀도가 필요 토크 달성에 필요한 것보다 높으며, 자속 밀도를 낮추어 자기강 고정 손실을 줄일 수 있습니다.

대략적 가능성을 보자. 보통 50% 정격 속도와 25% 정격 토크로 운전하는 팬 애플리케이션 예. 전력은 정격의 12.5%에 불과합니다. 모터 자기 고정 손실은 정격의 2%로 사소해 보이나, 실제로는 정상 전력 소비의 16%입니다. 전압을 50%까지 낮춰도 전류를 크게 증가시키지 않으면서 고정 손실을 소비의 약 4%로 줄일 수 있을 것입니다. 손실 감소는 정격 전력 대비 작지만, 소유자 전기 요금을 결정하는 실제 평균 운전 전력 대비로는 의미가 있습니다.

가변 토크 애플리케이션에서 모터 자속 밀도를 제어하는 전통적 방법은 2차 V/F 모드입니다. V/F 비율이 모터 자속 밀도를 결정합니다. 부하가 진정으로 2차적(토크 ∝ 속도²)이고 부하 토크 과도 현상이 없으면 잘 작동합니다.

정토크 애플리케이션에서는 Control Techniques Dynamic V/F 기능이 매우 효과적입니다. 이는 모터 전류에 능동적으로 전압을 적응시켜 작동합니다. 부하 토크 감소 시 자속을 효과적이고 자동으로 약화시키는 장점이 있으며, 부하 토크/속도 특성에 대한 가정 없이 작동합니다. 그러나 갑작스러운 부하 토크 증가에도 빠른 반응으로 자속이 빠르게 증가하여 모터 스톨을 방지합니다.

모터 제어 최적화 – 스위칭 주파수

인버터 드라이브 PWM 스위칭은 부하와 크게 무관한 모터 추가 손실, 즉 추가 고정 손실을 초래합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 모터 추가 손실은 낮아지지만, 인버터의 전류 의존 스위칭 손실은 높아집니다. 풀부하에서 EN 50598-2 개발 연구에 따르면 90kW 이하에서 IE3 모터와 드라이브 결합 최고 전체 효율은 스위칭 주파수 약 4kHz에서 주어지며, 곡선이 꽤 완만합니다. 이 때문에 표준 손실 측정이 이 스위칭 주파수에서 이루어집니다.

그림 1은 작은 모터와 드라이브 손실이 스위칭 주파수에 따라 어떻게 변하는지 예시를 보여줍니다. 풀부하(FL)와 반부하(HL) 모두에서.

이 예에서 풀부하 최적 스위칭 주파수는 약 5kHz, 반부하에서는 약 7kHz입니다. 주어진 주파수에서 드라이브 손실이 부분 부하에서 더 낮기 때문입니다. 모터 전류에 맞춰 스위칭 주파수를 적응시키는 드라이브는 개선된 부분 부하 효율을 제공할 수 있으며, 이는 애플리케이션이 많은 시간을 부분 부하에서 보낸다면 가치가 있습니다.

Control Techniques Unidrive M 드라이브는 자동 스위칭 주파수 적응 기능을 가집니다. 드라이브는 사용자 지정 최고 스위칭 주파수에서 가능하면 동작하지만, 드라이브 손실이 너무 높으면 낮춥니다. 이는 모터 스위칭 손실을 최소화하되, 이로 인한 과도한 드라이브 손실은 피한다는 의미입니다.