컴포넌트들이 슬림해지고 있다

생산 공장에 직류 전류를 공급하려면 DC 네트워크가 제시하는 요구 사항이 다르기 때문에, 이에 맞는 플러그와 인버터, 케이블 등 구성 요소를 구성해야 한다. 이에 어떤 변화가 있는지 알아보자.

슈테파니 미헬(Stefanie Michel)

핵심 내용

  • 인버터의 정류기를 통해 직류 전류가 제조 산업으로 다시 돌아왔다.
  • DC 사용으로 공장에서 변환 손실을 줄이고 더 많은 에너지를 절감할 수 있다.
  • DC 네트워크의 문제는 부하를 받을 때에 분리하고, 제동 에너지를 이용할 수 있다.
  • 성능이 우수한 DC 케이블, 안전한 플러그, 스위치 그리고 회수 능력이 있는 인버터가 책임을 진다.

10여 년 전부터 엔진 및 드라이브 제조업체들이 에코 디자인 가이드라인을 적용해 왔다. 드라이브는 높은 수준의 효율성을 달성해야 하지만 현재까지는 산업 공정에서 목표로 하는 에너지를 절감하지 못하고, 많은 드라이브의 속도도 여전히 제어되지 않았다. 산업 분야에서 DC 전원 공급 장치가 에너지 소비를 줄이는 큰 잠재력을 제공하고 있다. 첫 번째 단계로 큰 에너지 효율을 위해 전체 시스템을 고려해야 하고, DC 전력 공장은 이러한 접근 방식을 더욱 확장해야 한다. 관련된 모든 구성 요소를 포함하여 전체 솔루션을 개발해야 한다. 여기에는 모터와 인버터 외에 케이블, 소켓, 에너지 저장소 및 발전기, 공급 장치 및 전기 소비 장치가 포함된다.

구성 요소에 요구되는 사항이 달라진다

지금까지 공장의 네트워크는 주로 교류 전류를 기반으로 했었다. 하지만 현재 거의 모든 장치와 기계에는 집적 회로용 반도체가 들어있어 직류 전압도 필요하다. 인버터도 마찬가지다. 이 장치는 외부에서 오는 AC 전압을 내부에서 DC 전압으로 변환하여 이를 다시 AC 전압으로 모터에 공급한다. 인버터 사용은 효율성 증대를 위해 꾸준히 증가하고 있지만, 이로 인해 네트워크 품질이 점점 악화되고 있다. 독일은 정전이 오랜 시간 지속되는 경우가 별로 없고 전력망도 비교적 안정적이다. 하지만 1초 미만의 단기 정전이 증가하고 있다. 지금까지 시스템 섭동을 필터가 최소화하거나 네트워크에 섭동을 방출하는 확장된 UPS에 투자해 왔다. AC 네트워크에 많은 전력 소비 장치들이 통합될수록, 이러한 상황은 계속 악화될 것이다.

이전 AC 시스템의 또 다른 단점은 제동 사이클이 있는 응용 사례(예: 하이베이 랙 창고)에서 방출되는 에너지를 회수할 수 없다는 점이다. 이는 에너지가 한 방향으로만 흐르기 때문이다. DC 네트워크에서 모든 모터는 컨버터에서 작동하므로 부하에 맞게 조정할 수 있으며, 네트워크를 통해 개별 드라이브와 시스템 간에 초과 에너지를 교환할 수 있다. 따라서 비동기식 모터는 전력망에서 직접 작동하지 않으므로 에너지 절약을 위한 추가 잠재력을 제공한다.

에너지 소비 장치 외에 케이블과 플러그도 직류 네트워크에 대한 새로운 요구 사항을 충족해야 한다. 중요한 차이점은 바로 제로 크로싱이 없다는 점이다. 즉, 부하 상태에서 스위치 분리하면 아크가 발생하는데, 이러한 위험을 방지하려면 아크 억제 기능이 통합된 시스템을 개발하거나, 플러그와 소켓이 연결되어 있지 않을 경우 전원을 차단해야 한다. 또한 접점의 극성 혼동을 배제하는 플러그 연결이 필요하다. DC 네트워크를 광범위하게 사용하려면 부하 상태에서도 안전하게 끌어올 수 있는 연결부가 있어야 한다. 이전에는 교류 전류와 직류 전류를 전달하는 경우 같은 케이블을 사용했었지만, 연구 중에 직류 전압의 전기장은 케이블의 플라스틱 절연에 다른 영향을 미치기 때문에 새로운 절연이 필요하다는 것이 밝혀졌다.

새로운 시스템 구성 요소가 더 큰 성능을 보장한다

DC 네트워크에 대해 달라진 요구 사항은 해당 제품에 대한 연구가 계속 진행되고 있어, 아직 완전히 충족될 수 없다. 하지만 그 잠재력이 인식되고 ‘DC 산업’ 연구 프로젝트를 통해 발전이 추진되고 있다. 예를 들어, 케이블 전문 업체인 Lapp은 TU Ilmenau와 협력하여, 직류 전류에 적합한 Ölflex 케이블 포트폴리오를 제시하였다. 연구 결과, 특정 절연 재료는 지속적인 DC 애플리케이션에서 적합성이 떨어지는 것으로 나타났기 때문에, 케이블 시스템에 따라 기계적 부하가 없는 PVC 절연재 고정 설치하거나, 경우에 따라 특수 PVC를 사용한 절연재를 사용하거나, 케이블 드래그 체인과 직선으로 움직이는 기계 부품을 위한 TPE 절연재를 개발하였다. 이 케이블들은 재킷을 제거하면 눈에 띄는 차이를 확인할 수 있다. 적색, 흰색, 녹색, 황색 도선의 다른 색상 코딩은 2018년에 업데이트된 DIN EN 60445 (VDE 0197): 2018-02 표준을 따른다.

사진은 Lapp Ölflex DC Robot 900이며, 직류 사용에 적합한 케이블이다. 전선의 색상은 DC 케이블에 대한 표준 DIN EN 60445 (VDE 0197) 2018-02 기준이다.

절연재뿐만 아니라 케이블 자체도 변해야 있다. AC 네트워크와 비교했을 때, 에너지 전달을 위해 케이블에 코어가 덜 필요하고, 시스템 별로 하나 또는 두 개의 도선이 필요 없다. 같은 양의 구리를 사용했을 때에 도선 단면적을 키울 수 있고, 여기에 더해 기존의 도선 단면적을 훨씬 효율적으로 이용할 수 있어 무효 전력도 사라진다. 따라서 전체적으로 많은 전력을 전달할 수 있을 뿐만 아니라 같은 성능에서 구리를 절감할 수 있다.

인버터도 바뀌어야 한다. AC 네트워크의 전통적인 인버터 대신 회수 능력이 있는 인버터를 사용하여, 제동 에너지를 다른 장치에 저장하면 제동 저항도 사라진다. DC 링크 전압이 DC 650V로 증가하면 출력 전압이 높아져 높은 전력이 공급된다. DC 네트워크 앞에는 고조파 왜곡을 방지하기 위해 정류기와 필터가 재배치되는 중앙 DC 피드가 있다. 또한 DC 링크 커패시터가 완화되어 작게 설계할 수 있다.

에너지 절감 잠재력이 지금까지의 값을 뛰어넘는다

에너지 절약 잠재력은 이전 값보다 높으며 모터 자체의 차이는 명확하지 않다. 속도 제어 드라이브만 사용할 수 있기 때문에 모터는 인버터를 통해 더 높은 전압을 사용할 수 있다. 이를 통해 다음을 수행할 수 있습니다. 동일한 크기로 최대 20 % 많은 전력을 생성할 수 있다. 미래에는 50Hz 이상에서 작동할 수 있도록 컨버터에서 새로운 비동기 모터를 최적화하는 것이 좋다. 이는 효율성을 높이고 동시에 재료를 절약할 수 있다.

DC 네트워크는 구성 요소만으로 에너지 소비 측면에서 절감 잠재력을 제공하여 CO2를 줄이는 데 도움이 된다. 케이블에 대한 구리 수요를 최대 40%까지 줄일 수 있으며 저렴한 비용으로 통합할 수 있는 스토리지 시스템으로 부하 피크를 줄일 수 있다. 또한 단순화된 컨버터는 시스템 비용을 절약할 수 있다. 이제 컨버터 및 추가 고조파 필터의 시스템 섭동도 필요 없게 되었다.