드라이브 트레인의 에너지 효율성 향상

[월간 무인화기술 2월호]

드라이브 트레인의 에너지 효율성 향상

	지멘스

 

 

 

 

드라이브 기술은 산업 플랜트에서 에너지 효율적인 운영을 위한 핵심 열쇠이다. 에너지 지출의 주된 비율을 차지하기도 하지만 이는 절약을 위한 높은 잠재력을 가지고 있다는 의미도 된다. 절약은 고효율 모터와 인버터의 사용을 통해서 뿐 아니라, 드라이브 시스템의 최적화를 통해서도 달성할 수 있다. 따라서 최대의 효과를 거두기 위해 다양한 조치를 결합할 필요가 있다.

속도 제어 드라이브 트레인은 머신(커넥터와 기어)의 기계적 인터페이스, 모터, 모터의 속도를 제어하는 인버터, 인버터에 셋-포인트 값을 제공하는 모션 제어 시스템으로 구성된다.

 

더 높은 효율성과 속도 제어를 통한 절약
고효율 모터와 인버터는 에너지 절약을 위한 최대 잠재력을 가지고 있다. 2011년 6월 16일, 기존 모터보다 최대 7%까지 높은 효율성을 가지는 모터를 말하는 고효율의 IE2 클래스는 유럽 경제 지역(EEA)에서 의무적으로 사용해야 하는 모터가 되었다. 향후 2015년에서 2017년 사이에는 최대 10%까지 효율성이 높은 IE3 클래스가 의무화될 예정이다.
인버터에서 에너지 절약에 관련된 가장 중요한 요소는 속도 제어와 에너지 회수 부분이다.

특히 펌프, 팬, 컴프레서를 사용할 때 효과를 발휘하는 속도 제어는 부분 부하 작동 시에 입력 파워를 현재의 요구 수준에 맞추어 끊임없이 조정한다. 이를 통해 최대 60%까지 절약이 가능하며, 극단적인 경우에는 70%까지도 가능하다. 에너지 회수에서는 Sinamics G 및 S 컨버터가 일반적으로 제동 저항 때문에 발생하는 제동 에너지를 전력그리드로 다시 피드한다. 이것은 이를 테면, 리프팅 애플리케이션의 경우에 최대 60%의 에너지 절약으로 이어진다. 뿐만 아니라, 전력 손실의 감소는 시스템의 냉각 기능을 향상시켜 더 콤팩트한 설계를 가능하게 한다.

 

전체 시스템에서 60%의 에너지 절약 잠재력
독일 전자전기 제조업체 협회(Central Association of the German Electronic Engineering and Electronics Industry;ZVEI)에 따르면, 가변 속도 운영을 위하여 인버터를 사용하거나 모터 효율성을 증가시키는 등의 컴포넌트 위주의 방식은 전체 드라이브 트레인의 전체 절약 잠재력 중 겨우 40%만을 이용할 수 있다고 한다.

나머지 60%는 전체 시스템의 최적화를 통해 달성할 수 있다. 에너지 절약 잠재력을 모두 끌어내기 위해서는 올바른 드라이브와 적합한 크기 선택, 드라이브에 의한 최적의 에너지 사용에 이르기까지 시스템 컴포넌트의 상호작용에 포커스를 맞추는 전체 드라이브 트레인을 위한 통합 솔루션이 필요하다.

예를 들어, 전체 드라이브 체인의 효율성은 고효율의 헬리컬 기어와 헬리컬 베벨 기어 장치를 사용함으로써 현저하게 향상될 수 있다. 여기에서 모터와 기어는 완전히 통합되어 단일 유닛을 형성한다. 이를 테면 시멘트 산업에서 원자재 분쇄에 사용되는 높은 산출률의 Flender EMPP 수직 밀링 드라이브를 들 수 있다. 이러한 방식은 애플리케이션에 따라 최대 5%의 전력 손실 감소로 이어진다. 제지 기계나 폐수 펌프 같이 속도는 아주 낮지만 높은 토크를 가지는 애플리케이션이나, 10,000 rpm 이상의 극도로 높은 속도를 가지는 애플리케이션에서는 직접 구동 드라이브가 효율성을 약 2~3% 증가시킨다. Sizer 엔지니어링 도구를 사용하여 드라이브 트레인을 맞춤형 제품으로 설계할 수 있으므로 모터가 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 냉각 유형 역시 에너지 비용 절약과 관련하여 일정한 역할을 수행한다. 냉각 절차에서 가열된 물은 산업 용수 및 공정 용수로 재사용될 수 있기 때문에 액체 냉각 방식이 더 에너지 효율적인 대안이다. 하지만 때로는 예를 들어 IE3 모터와 결합된 소프트 스타터 같은 단순한 솔루션이 환경적으로나 경제적으로 최고의 솔루션이 되기도 하는데, 그 이유는 고정된 속도의 애플리케이션에서 극도로 높은 효율성을 갖기 때문이다.

 

에너지 사용의 최적화
많은 플랜트에서 모든 축이 모터로 구동되는 것은 아니다. 일부는 공정의 일부 단계에서 제너레이터 모드로 사용되기도 한다.
Sinamics S120 드라이브 제품군에서 제공되는 것과 같은 중간 회로 커플링을 가지는 인버터의 사용을 통해, 생성된 에너지는 공동의 중간 회로를 경유해 모터 구동 드라이브에 직접 피드된다. 인버터에서 인버터로의 직접 에너지 교환은 시스템에서 전력 손실을 최소화한다. 그리고 이런 방식으로 절약할 수 있는 에너지의 백분율은 종종 두 자리 숫자에 이르기도 한다. 에너지를 절약하는 또 하나의 방법은 생산된 에너지를 커패시터에 임시로 저장하고, 이것을 열로 변환하는 대신에 사용자에게 점차적으로 피드하는 것이다. 마지막으로, 드라이브 트레인에 통합된 진단 기능은 전력 요구를 추가로 감소시키거나 항상 낮은 수준으로 유지되도록 할 수 있다.

 

결론
네트워크 액세스에서 부하 기계의 기계적 인터페이스에 이르기까지 통합된 개념을 가지는 최적화된 드라이브 기술은 산업 플랜트에서 에너지 효율적이고 경제적인 운영을 위한 핵심 열쇠다.