스마트 모터 제어를 추진하는 TotalFORCE 기술

지난 십여 년간, EtherNet/IP 및 사물인터넷(IoT)과 같은 기반 기술은 장비제조업체들이 복잡성을 감소시키고, 정보를 활용하는 장비를 구축할 수 있도록 해주었습니다. 오늘날, 스마트 매뉴팩처링과 산업 운영은 미래를 위해 새로운 방식을 포용하고 있습니다. 이러한 새로운 방향은 고도로 연결되어 장치와 공정들이 연속적으로 모니터링되고 최적화됩니다. 

스마트 생산은 단절된 정보들을 한데 모아 생산과 공급망을 최적화하려는 엔드유저들에게 새로운 기회를 만들어주고 있습니다. IoT와 같은 기술의 발전은 장치들을 더 스마트하게 만들어 주고, 엔드유저의 네트워킹, 통합, 진단 및 인텔리전스 요구를 충족시키고 있습니다.

전기 모터는 산업 애플리케이션의 주요 에너지 소비원으로 세계 전기 에너지의 약 10분의 1을 소비합니다. 이러한 큰 생산 비용을 절감하려는 노력의 일환으로, 가변 주파수 드라이브(VFD)를 설치하여 어플라이언스에서 컴프레서까지 모든 것을 제어하는 제조업체들이 늘고 있습니다.

VFD는 모든 산업 분야에서 가치를 제공합니다. 저전압 VFD는 모터 속도를 필요에 따라 조절할 수 있기 때문에, 수압 또는 공기압 드릴링 시스템을 사용하는 드라이브를 포함하는 까다로운 애플리케이션이나 산업군에서 그 가치를 발휘합니다. 요구사항이 까다롭거나 에너지 집약적인 애플리케이션과 금속 및 광업, 수처리 시설, 크레인 및 인양기, 원심분리기, 타이어 및 고무, 석유 및 가스 업계에서 사용되는 장비에서 가장 큰 에너지 절약 효과를 거둘 수 있습니다. 이러한 애플리케이션에서, 저전압 드라이브는 모터 속도와 토크를 조절하여 장비가 기계적 응력으로 손상되는 것을 감소해줍니다.

자체 인지(Self-awareness)를 통해 다운타임 감소

네트워크 및 통신이 발전되면서, 모터 및 인버터의 통합 및 연결성이 개선되고 있습니다. 오늘날 예측 분석이 내장된 인버터는 계획되지 않은 다운타임을 방지하는데 큰 도움을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 인버터에는 냉각 팬들이 내장되어 과열을 방지해줍니다. 냉각 팬이 하나라도 작동을 하지 않으면, 인버터는 과열되어 작동이 중단되고 계획하지 않은 다운타임이 발생됩니다.

TotalFORCE 기술은 팬의 예측 수명을 모델링함으로써 이러한 문제를 해결해주는 하나의 방식입니다. 이 분석 모델은 단순한 계수기(카운터) 이상의 역할을 합니다. 측정된 주변 온도(드라이브 모듈에 센서 내장)와 팬 속도를 고려합니다. 팬 속도가 줄어들면 팬의 베어링에 문제가 있다는 신호입니다.

이러한 예측적 유지보수 모델은 팬이 정해진 예측 수명 비율(80%로 기본 설정)에 도달하면 EtherNet/IP를 통해 제어 시스템에 이러한 사실을 알립니다.

연결된 시스템은 유지보수팀에게 다음에 예정된 가동 중단 시 팬을 교체하라는 공지를 전송하여 계획에 없던 다운타임이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. 이외에도, 연결된 시스템이 자동으로 교체 부품의 재고를 확인하고 필요한 경우 주문을 하도록 만들 수 있습니다.

TotalFORCE 기술은 고성능 모터 제어, 첨단 자체 모니터링 기능, 현대적인 디지털 플랫폼을 결합하여, 더 빠르고 더 정밀하며 더 응답력 있는 인버터를 제공합니다.

적응형(Adaptive) 제어 역량

Allen-Bradley PowerFlex 755T AC 인버터를 위한 특허 받은 TotalFORCE 기술은 더 강력한 적응형 제어 역량을 제공하도록 개선되어, 인버터가 시간이 흐르면서 변하는 장비의 특성을 모니터링하고 변경된 부분을 자동으로 보상할 수 있습니다. 적응형 튜닝 기능은 최대 4개의 자동 추적 노치(notch) 필터를 사용해 품질에 영향을 주고 에너지 낭비와 장비의 조기 마모를 야기하는 공명과 진동을 차단해줍니다.

 이외에도, 예측적 유지보수 기능은 인버터의 상태에 대한 실시간 정보를 제공합니다. 온도, 전압, 전류 등 작동 특성을 모니터링함으로써, 인버터가 핵심 컴포넌트의 잔여 수명을 계산하고 이를 사용자에게 알려줄 수 있습니다. 이는 사용자가 계획에 없는 다운타임을 사전에 방지할 수 있도록 해줍니다.

 TotalFORCE 기술이 적용된 PowerFlex 755T 인버터는 속도, 토크 및 위치에 대한 정밀한 적응형 제어를 통해 뛰어난 전기 모터 제어를 제공합니다. 인버터는 현재 성능을 애플리케이션 설정과 비교하여 생산 요구에 대응을 하고 자동으로 필요한 조정을 합니다. 또한 성능 데이터를 제어 시스템을 통해 실시간으로 운영팀으로 통신하고, 지속적으로 상태를 모니터링합니다.

 PowerFlex 755T 인버터는 퓨즈 단선 표시 및 피드백, 가동 시간 측정 및 모니터링, 열 관리자, 부품의 잔여 수명 예측 등 드라이브나 모터의 상태에 지장을 줄 수 있는 문제가 발생하면 즉각적으로 작업자에게 이를 알립니다. 이러한 유형의 자체 인식은 계획에 없던 다운타임을 획기적으로 감소시켜 줍니다. PowerFlex 인버터는 운영을 최적화하고, 다운타임을 최소화하며 운영이 원활하게 유지될 수 있도록 지원합니다.

 로크웰 오토메이션의 제품 관리자 브래드 아렌즈(Brad Arenz)는 “TotalFORCE 기술은 PowerFlex 755T 인버터 사용자들이 사전적인 접근방식을 취해 장비의 가동시간을 향상시킬 수 있도록 지원한다"며 인버터는 애플리케이션의 상태 정보를 제어 시스템에 제공할 수 있어서, 다운타임을 감소시키고 생산성을 향상시키는데 핵심적인 역할을 한다”고 말했습니다. 그는 “또한 인버터의 자체 인식 기능은 안정성을 향상시켜 주고 서비스를 간소화해준다”고 덧붙였습니다.

에너지 절약에 도움을 주는 액티브 프론트 엔드(Active Front End) 드라이브

 중공업이 직면한 주요 도전과제는 에너지 소비 감소, 다운타임 극소화, 생산성 최적화입니다. 중공업체들은 수익성을 향상시키고 투자를 보호하면서 이러한 도전과제들을 해결해야 합니다.

 최근, 전력 전자 기술, 토폴로지 및 제어 하드웨어와 소프트웨어 분야에서 이루어진 다양한 기술적 발전 덕분에, 저전압 가변 주파수 드라이브(VFD)의 성능과 정밀함이 크게 향상되었습니다. 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 기술이 내장된 VFD는 회생 드라이브라고도 불리며 산업 에너지 회생 역량과 입력 전류 고조파 완화를 제공함으로써 신기술을 최대한 활용합니다.

 오늘날에는 12-펄스 정류기 대신 AFE를 설치하는 산업체들이 많이 있습니다. 대부분의 AFE 드라이브 시스템은 전용 인버터와 액티브 프론트 엔드 컨트롤러로 구성됩니다. 드라이브 시스템은 또한 EMC 필터링을 제공하여 기존 정류기를 사용하는 경우 보다 입력 고조파 왜곡이 적습니다.

 12-펄스 정류기는 일반적으로 총 고조파 왜곡을 10% 가량 감소시켜 주며, AFE 드라이브는 3% 정도 감소시켜 줍니다. 그러나, 그 값은 소스 전압 왜곡, 불균형, 임피던스에 따라 달라질 수 있습니다. 그 이유는 기존 정류기는 고조파를 걸러내는 방식을 사용해 수동적으로 해결하지만 AFE 드라이브는 드라이브 내부에서 감지된 고조파 왜곡이 더 넓은 전기 네트워크로 들어와 영향을 미치지 못하도록 적극적으로 지원하기 때문입니다. 드라이브 내에서 생성된 비선형 전류로 야기된 고조파에 지속적으로 대응함으로써, 능동형 필터는 입력 전압이 변동되어도 고조파를 필요한 범위 내로 유지합니다.

스마트한 생산을 위한 스마트 드라이브

 오늘날, 전 세계적인 산업 에너지 사용은 최고 수준에 달합니다. 산업체들은 늘어나는 에너지 비용을 제어하며, 수익성을 증대해야 하는 부담을 안고 있습니다. 효율적인 모터 드라이브 성능과 모터 고장은 막대한 영향을 미칠 수 있습니다. 스마트 모터 제어 장치를 통해, 통합된 데이터 중심의 접근방식을 취함으로써 생산성을 향상시키고 모터 고장을 방지할 수 있습니다.

 스마트 모터 제어는 설계 환경, 시각화 시스템, 정보 소프트웨어 및 컨트롤러에 가치 있는 프로세스 및 진단 데이터를 지속적인 제공하여, 커넥티드 엔터프라이즈의 실현을 가속화하고 생산성을 향상시키며 총소유비용(TCO)을 절감하여 다운타임을 최소화할 수 있도록 해줍니다. 스마트 모터 제어가 어떻게 수익성 향상에 도움을 줄까요?