가변 속도 드라이브로 에너지 효율 극대화 – 전문가 가이드 (1부)

이 기사에서 Control Techniques 수석 엔지니어 Colin Hargis가 가변 속도 드라이브 에너지 효율 이슈를 살펴봅니다.

일부 독자는 드라이브와 드라이브 시스템 효율을 통제하려는 새로운 EU 규정이 파이프라인에 있음을 알고 있을 수 있습니다. 규정은 아직 협의 중이라 공식 번호는 없지만, EC 위임 M/476을 통해 식별 가능하며, 에너지 관련 제품 지침(ErP) 협의 프로세스에서 'Lot 30'으로 불립니다. 협의가 현재 정체된 듯하지만, 규정을 뒷받침할 기술 표준은 이미 EN 50598-1과 EN 50598-2로 존재합니다. 의도는 드라이브가 산업용 모터처럼 효율 클래스를 할당받아야 하며, 어느 시점에는 최저 등급이 EU 시장에서 금지될 수 있다는 것입니다. 제조사는 부분 부하 손실에 대한 추가 데이터도 제공해야 하여 사용자가 애플리케이션 전체 에너지 효율을 평가할 수 있도록 돕습니다.

규정 자체가 발효되기 전 일부 드라이브 사용자는 제안된 규정과 효율 클래스에 대해 더 배우고, 자사 최종 제품이나 시스템 에너지 효율과 관련이 있는지 평가하고자 할 수 있습니다. 이 블로그에서는 드라이브 시스템 효율 기초를 살펴봅니다. 다음 블로그에서는 새로운 표준과 제안된 규정에서 발생하는 일부 이슈를 더 자세히 다룹니다.

가변 속도 드라이브를 사용하는 주요 이유 중 하나는 모터 속도를 조절하여 구동하는 최종 프로세스 수요에 맞추어 에너지 사용을 최적화하는 것입니다. 이는 유체(기체 및 액체) 이동 시 특히 유용한데, 점성 마찰 때문에 회로를 따라 유체를 이동시키는 데 필요한 전력이 유량의 3제곱 법칙에 따라 변하므로 유량을 조금만 줄여도 전력 사용이 크게 감소합니다. 댐퍼, 밸브, 가변 가이드 베인 같은 제어 방법도 불필요한 전력 손실을 초래합니다. 이 아이디어는 너무 잘 알려져 더 쓸 필요가 없습니다. 많은 유용한 가이드가 있습니다[예: 참고 1, 2]. 그러나 임박한 규정을 염두에 두고 몇 가지 원칙을 검토하는 것이 도움이 됩니다. 주로 규정과 표준의 효과를 올바른 관점에서 유지하기 위함입니다.

드라이브 시스템 에너지 손실

다이어그램(축적 아님)은 드라이브 애플리케이션에서 전력이 어떻게 소비되는지 대략 보여줍니다. 손실 관점에서 생각하는 것이 가장 명확합니다. 각 단계에서 관련 장치의 정격 처리량 비율로 일반적으로 표현되는 전력 손실이 있습니다.

손실 전력은 열로 나타나며, 보통 주변 공기로 방출됩니다. 때때로 열을 유용하게 활용할 수 있지만 보통 낭비로 간주되며, 추가 환기나 구역 냉방이 필요하면 추가 비용이 들 수도 있습니다. 실제 손실은 애플리케이션마다 크게 다르지만, 최대 출력에서 운전하는 공기 이동 애플리케이션의 전형적인 분류는 표 1에 나와 있습니다. 각 단계에서 장치에서 발생하는 손실은 유용한 시스템 출력뿐만 아니라 모든 다운스트림 장치의 누적 손실의 함수이기도 합니다.

이 예에서 전체 효율은 약 56.6%입니다. 가장 큰 손실은 액추에이터에 있으며, 공기 이동용 팬의 30% 손실은 전형적입니다. 공기는 효율적으로 이동시키기 어려운 유체이며, 현대 펌프는 10% 손실에 더 가까울 수 있습니다. 표시된 모든 손실은 향상된 기술로 줄일 수 있으며, 에너지 효율에 대한 관심으로 시간이 지남에 따라 개선된 설계가 비용 효율적이거나 규정에 의해 요구됨에 따라 모두 감소하는 경향이 있습니다.

드라이브 손실이 목록에서 가장 작으며, 이는 대다수 애플리케이션에서 현실적입니다. 3% 손실은 다른 것들에 비해 꽤 사소합니다. 현대 드라이브는 매우 낮은 손실을 가지며, 주된 동기는 물리적으로 콤팩트한 유닛을 원하는 것인데, 이는 냉각 장치(히트싱크, 팬)를 크기 최소화해야 하므로 손실도 최소화해야 함을 의미합니다. 드라이브 전력 처리량에는 다른 모든 손실이 포함되므로, 드라이브 데이터 기준 3% 헤드라인 손실은 시스템 출력 대비 5.1%가 됩니다. 드라이브 지능적 사용으로 다른 장치 손실을 유용하게 줄여 드라이브 손실을 훨씬 초과하는 절감을 달성할 수 있습니다. 그러나 최대 부하 조건뿐만 아니라 실제 운전 조건도 고려해야 합니다.

제어와 손실

위에서 논의한 전형적 손실 값은 각 장치의 정격 부하 또는 처리량에서 주어지는 '헤드라인' 값입니다. 따라서 시스템이 최대 설계 출력에서 운전할 때 관련이 있습니다. 많은 시스템은 수요가 변하지만 시스템은 최대를 위해 설계되어야 하므로 수명 대부분을 정격 부하 이하에서 운전합니다. 또한 성능은 보통 최대 처리량 능력으로 판단되므로, 공급업체는 인수 시험 중 정격 출력을 제공하지 못하면 고객이 시스템을 거부할 위험을 피하기 위해 구성품을 오버사이징하는 경향이 있습니다. 따라서 출력을 조정하는 방법과 제어 시스템이 필요합니다. 적용된 제어 기술은 부분 부하 효율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 에어 댐퍼와 조절 밸브는 팬이나 펌프에서 압력 상승을 초래해 전달 지점에서 필요한 것보다 더 많은 전력을 개발하게 하므로 꽤 높은 부분 부하 손실을 유발하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 가변 속도 드라이브는 이 추가 손실을 피합니다.

모든 구성품 효율은 부하에 따라 변합니다. 세부 사항은 크게 다르지만 일반적으로 손실은 다음 요소를 가집니다:

• 출력과 무관한 고정 손실. 부분 부하 효율을 감소시키는 경향.
• 비례 손실. 부분 부하 효율에 영향 없음.
• 상승 손실(예: 제곱 법칙). 풀부하 효율을 감소시키는 경향.

결과적으로 보통 최적 효율 출력 레벨이 있습니다. 예: 표준 유도 모터에서 정격 약 80% 부근. 더 높은 출력에서 효율은 약간 떨어집니다. 더 낮은 출력에서도 효율은 떨어지지만 실제 전력 손실도 떨어집니다.

가변 속도 전기 드라이브 시스템 손실

일반 상황을 요약했으니 이제 전기 드라이브 시스템, 즉 모터와 드라이브를 더 자세히 볼 수 있습니다. 시스템 출력은 모터 샤프트 기계적 전력으로, 토크와 속도 곱으로 구성됩니다. 모터와 드라이브 모두 토크와 속도에 따라 변하는 손실 요소를 가집니다. 표 2는 이를 요약합니다. 단순화를 위해 전류가 토크에 비례한다고 가정합니다. 이는 모터 여자 전류를 무시하는 단순화입니다.

속도와 토크 효과를 별도로 그리고 결합하여 고려해야 합니다. 모터 저항 손실은 속도와 무관하게 토크와 거의 전적으로 관련되며, 이는 드라이브 인버터 단계에도 마찬가지입니다. 반면 드라이브 입력 단계 정류기 손실은 전력 처리량, 즉 토크와 속도 곱의 순수 함수입니다.

이 꽤 복잡한 그림은 토크와 속도가 관련된 특정 부하 유형을 고려할 때 단순화될 수 있습니다. 예를 들어 정압 헤드가 적은 공정에 공급하는 단순 펌프/팬은 압력이 유량의 제곱 법칙 함수가 주를 이루므로 토크가 속도 제곱 법칙 함수가 됩니다. 반대로 컨베이어 시스템 같은 공정은 토크가 속도와 무관하고 컨베이어 수요에 의존합니다. 이 두 부하 유형을 각각 '가변 토크'와 '고정 토크' 드라이브 애플리케이션으로 광범위하게 지칭합니다.

드라이브와 모터를 별도로 취한 고유 손실 외에도, 둘 조합의 함수인 손실이 있습니다. 상호 의존 핵심 요소는:

• 드라이브가 제어하고 모터에 부과하는 운전 자속 밀도, 여자 손실 영향. (주어진 토크와 속도에 최적 자속 밀도 존재로 주어진 토크에 대한 저항 손실에도 영향)
• 드라이브가 제어하는 PWM 스위칭, 모터 추가 손실 초래
• 모터 역률, 모터가 부과하는 무효 전류로 드라이브 추가 전류 손실 초래

단순 드라이브 효율 표준은 표준화된 모터 부하를 사용해 드라이브 단독 손실만 다룹니다. 유용한 표준은 상호 의존성을 다루고 트레이드오프를 관리해야 합니다. 예: 선택된 PWM 스위칭 주파수가 드라이브 손실 최소화를 위한 낮은 주파수 선호와 모터 손실 최소화를 위한 높은 주파수 선호를 균형 잡아야 합니다. 또한 완전한 시스템/기계 설계자가 실용적 운전 조건 범위에서 전체 기계 손실을 계산할 수 있게 해야 합니다.

다음 블로그에서는 표준, 특히 드라이브 에너지 효율 클래스를 명시하는 EN 50598-2를 더 자세히 살펴보고, 이들이 이러한 요구사항을 어떻게 관리하는지 고려합니다. 또한 효율을 최적화하는 드라이브 기능들, 특히 처음엔 덜 중요해 보일 수 있는 부분 부하 손실 최적화를 살펴봅니다.

참고 문헌

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

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