에너지 효율적으로 유량 제어하기

많은 유압 기반 어플리케이션은 모터와 펌프의 일정한 속도로 작동한다. 모터와 펌프는 구매 비용은 저렴하지만 에너지가 많이 필요하다. 서보 드라이브는 훨씬 더 효율적이지만 더욱 고가이다. 회전속도 제어식 드라이브와 “power on demand, 수요에 따른 전력” 컨셉트로 비용은 낮추고 에너지 소비량은 절반으로 줄일 수 있다.

공학박사 마르코 비손(Marco Bison): Eaton Automation GmbH 메카트로닉 테크놀로지 매니저

에너지를 효율적으로 사용하면 비용을 절약하고 자원을 보존하며 장기적으로 기후 변화를 저지할 수 있다. 에너지 효율성을 높이기 위한 출발점은 바로 펌프이다. 펌프는 가장 큰 산업 전력 소비자 중 하나이다. 펌프의 수명 주기와 관련하여 에너지 비용은 총 비용의 45% 정도이다. 따라서 유압 기술을 기반으로 하는 파워 엔진, 특히 펌프 응용 분야의 경우에도 에너지를 절약할 수 있는 잠재력이 크다. 현재 사용되고 있는 대부분의 어플리케이션은 모터와 펌프의 일정한 속도로 작동한다. 저렴한 비동기 모터, 모터 스타터 및 고정 용량형 펌프로 구성되는 유압 장치는 투자비가 거의 들지 않는다. 하지만 투자비에서 아낀 비용은 상대적으로 높은 에너지 소비로 인해 대부분 상쇄된다. 전체 유압 어셈블리가 최대로 필요한 압력과 부피 흐름에 맞추어 설계되었기 때문이다. 또한 이러한 유압 어셈블리는 필요하지 않을 때에도 일정한 출력을 제공해야 하고, 지속적으로 작동하는 펌프에 의해 유압액으로의 열 유입도 높고, 그로 인한 추가의 냉각 성능도 필요하다.

근소한 투자비는 오히려 높은 총비용을 초래할 수 있다

이러한 시스템의 에너지 효율을 높이기 위한 접근 방법으로 일정 속도가 아닌 가변 속도로 시스템의 메인 펌프를 작동하는 것이다. 시스템이 요구하는 전력만 제공하는 것이다. 즉, 하이엔드 솔루션으로서 이러한 시스템은 4-쿼드런트 다이렉트 드라이브로 실현될 수 있다. 이 경우 서보 드라이브가 펌프의 회전 속도를 조절하여 압력 또는 체적 유량을 조절하고, 능동적인 오일 냉각은 약간만 필요하다. 요약하면 그러한 유닛은 일정한 압력을 갖는 시스템보다 훨씬 적은 에너지를 소비한다. 그러나 다이렉트 드라이브는 한 번에 하나의 프로세스에만 제공할 수 있다. 다양한 여러 공정에 유압 동력을 제공하려면 이에 상응하는 수의 어셈블리가 필요하다. 따라서 서보 모터를 적용한 4-쿼드란트 다이렉트 모터는 투자가 필요한 경우 항상 상위에 위치하는 솔루션이다.

Eaton이 솔루션 파트너 ATP Hydraulik과 공동 개발한 모델은 세 가지 구동 컨셉트를 기반으로 에너지 효율 증대 가능성을 보여준다.

Eaton은 효율적인 대안을 제공한다. Eaton이 제공하는 솔루션을 사용하면 속도 스타터 또는 인버터가 펌프의 속도를 조절한다. 인버터는 보다 복잡한 기능을 실현하고, 속도 스타터는 비용 효율을 높이며 작동 개시를 용이하게 한다. 기존의 비동기 모터를 드라이브로 사용하고, 이때 작동 주기와 작동 시간에 따라 효율 등급 IE2 ~ IE4의 모터를 사용할 수 있다. 영구자석 모터를 사용하여 효율을 추가로 높일 수 있지만 투자 비용도 높아진다.

엔진 컨트롤러는 센서로부터 유압 시스템의 압력에 대한 데이터를 수신하고, 이를 기반으로 유압 소비장치의 체적 유량 수요에 맞추어 모터 속도를 조절한다. 이 “power on demand“ 컨셉트는 체적 유량과 압력에 대한 수요가 유사한 다수의 병렬 프로세스에도 동력을 제공할 수 있으며, 이때 다양한 액추에이터는 방향 컨트롤 밸브, 비례 밸브 또는 서보 밸브로 트리거링할 수 있다. 이러한 구성을 사용하면 열 방생이 적어 기계 수명이 길어지고 디자인은 콤팩트하고 펌프의 소음이 절감되어 쾌적성이 높아진다.

Eaton은 솔루션 파트너인 ATP Hydraulik AG와 함께 개발한 모델을 사용하여 이러한 드라이브 컨셉트의 에너지 효율을 입증할 수 있었다. 3개의 유압 어셈블리가 병렬로 구동된다. 한 어셈블리는 모터와 펌프의 속도가 일정한 기본 솔루션으로 작동하고, 두 번째 어셈블리는 서보 컨트롤러가 있는 서보 솔루션이고, 마지막으로 속도 스타터가 실제 필요한 출력에 따라 메인 펌프의 제어를 가능하게 한다. 따라서 이 기계 모델은 역동성, 에너지 소비 그리고 전체 운영비와 관련하여 각 유닛들을 직접 비교할 수 있다. 속도 가변식 유압 어셈블리의 장점은 분명하다. 기본 솔루션에서 출발하여, “power on demand” 컨셉트로 약 60%의 에너지 절감이 가능하다.

Eaton은 20년 된 50t 사출 성형기의 레트로핏 조치의 범위에서 실질적으로 이러한 절감 잠재력을 확증하였다. 이 사출 성형기의 유압 유닛은 지금까지 종래의 15kW 비동기 모터로 일정하게 구동되었다. 펌프의 체적 유량은 기계적으로 제어된다. 체적 유량이 적어도 모터는 펌프를 1500min-1의 일정한 속도로 구동하고 많은 에너지를 소비한다. 따라서 이 드라이브는 인버터 Eaton PowerXL DA1, 영구자석 모터 그리고 액시얼 피스톤 펌프 Eaton 425 피스톤 펌프를 이용하여 현대화하였다. 모터가 부하에 따라 제어되고, 프로세스가 요구할 때에만 전력을 사용하여 에너지 소비량을 5.2 kWh에서 2.8kWh로 낮출 수 있다. 거의 50% 정도를 절감한다. 이 기계를 일년에 8시간 2교대로 30일간 운전한다고 가정하면, 기계당 연간 에너지 절감액은 2,016유로이다. 이 경우 투자비 회수 기간은 2.2년으로 줄어든다.

지능적인 배선이 에너지 관리의 전제 조건이다

사출 성형기 레트로핏 프로젝트의 범위에서 약 50%의 에너지 절감을 달성할 수 있다.

에너지 소비 감소는 에너지 효율적인 시스템을 향한 첫 단계이다. 다음 단계는 에너지 관리 시스템을 위한 전제 조건을 만드는 것이다. 에너지 및 기계 데이터를 포괄적으로 기록하고 분석하여 에너지 소비량을 점검할 수 있고, 최적화 방안을 식별하고, 이행한 조치의 효과를 점검할 수 있다. 이 방법은 압력, 위치 또는 온도뿐만 아니라 각 개별 부품의 작동 상태에 대한 정보를 측정하는 것과 같이 많은 수의 센서를 사용해야 한다. 종래의 개별 배선은, 개별 컴포넌트로부터 정보를 PLC로 전송하기 위해 케이블과 배선에 추가 비용이 든다는 것을 의미한다. Eaton의 Smartwire-DT와 같이 장치 수준에서 이루어지는 연결 시스템은 이에 비해 확실한 이점을 제공한다. 이 장치를 사용하면 스위치 기어, 회로 차단기, 명령과 신호 장치, 센서와 작동기와 같은 구성 요소를 복잡한 포인트-투-포인트 배선 대신 단일 회선을 통해 서로 연결할 수 있다. 이 회선은 연결된 장치에 전원을 공급하는 동시에 데이터 통신을 담당한다. 동시에 표준 구성요소는 ASIC 모듈을 사용하여 지능형 및 통신 가능형 장치로 변환된다.

클라우드 기반 에너지 관리를 위한 데이터 제공

Smartwire-DT의 I/O 모듈은 보호 등급 IP67로 사용할 수 있어, 필드에서 센서와 액추에이터도 연결할 수 있다. 실린더의 수직 운동, 온도 또는 압력 등을 모니터링하기 위한 기계 또는 시스템의 데이터를 수집하고 에너지 관리에 사용할 수 있다. Smartwire-DT는 Profibus, Profinet, CAN-Open, Modbus-TCP, Ethernet/IP, Powerlink, Ethercat과 같은 모든 통상적인 컨트롤과 필드버스 시스템에 연결할 수 있고, 따라서 인터넷에 연결할 수 있어, IoT가 준비되어 있다. OPC-UA 인터페이스가 있는 컨트롤 장치를 사용한다면, 장치 수준까지의 모든 데이터를 클라우드 기반 에너지 관리 소프트웨어에 제공할 수 있다.