제어 작업을 수행하는 인버터

이제 인버터는 속도를 조절하기 위해 모터의 전류를 조정하는 것뿐만 아니라 제어 작업과 예측 유지 보수를 수행할 정도로 강력해졌다.

라인홀드 셰퍼(Reinhold Schäfer)

핵심 내용

  • 인버터로 포지셔닝 작업을 수행하고 동기화 제어와 동적 제어를 수행할 수 있다.
  • 하지만 전체 프로세스와 기계 제어는 여전히 PLC가 담당하고 있다.
  • 인터페이스가 너무 적어도 특정 작업을 수행할 수 없다.

오늘날의 인버터는 단순히 모터의 속도를 제어하는 것뿐만 아니라 훨씬 많은 ​것들을 수행하고 있다. 거의 모든 인버터에는 기본 기능 외에 많은 응용 기능이 통합되어 있다. “응용 기능은 브레이크 제어와 같은 단순 기능 외에, 플라잉 스타트, 정전 브리징, 에너지 절약 그리고 프로세스 변수를 제어하기 위한 PID 컨트롤러에 이르기까지 다양합니다. 또한 프리미엄 인버터를 사용하면 자체 프로그램으로 기능 범위를 확장하고, 애플리케이션에 최적으로 통합할 수 있습니다. 예를 들어 Yaskawa의 GA500/700 컨버터를 사용하면 전자 샤프트와 같은 위치 지정과 동기화 작업, 여러 컨버터가 있는 마스터-슬레이브 애플리케이션 등을 컨트롤러가 없어도 높은 수준으로 구현할 수 있습니다.”(카스텐 슈라이터, Yaskawa 드라이브 제품 프로모션 매니저) 다른 예로는, 태양열 펌프, 펌프의 캐스케이드 제어, 에어컨 컴프레서 그리고 독립적으로 실행하는 기타 여러 응용 프로그램이 있다.

통합 서비스 라이프 기능 및 정비 진단 기능

“새로운 FR-E800 시리즈 등 최신 인버터는 많은 추가 기능을 제공합니다.”(크리스티안 젱어, Mitsubishi Electric 가변 주파수 드라이브 수석 제품 관리자) “유지 보수 계획과 예측 유지 보수를 가능하게 하는 통합 유지 보수 및 서비스 수명 진단 기능이 있습니다. 이를 통해 커패시터, 접점 릴레이, 팬 및 돌입 전류 제한 저항과 같은 중요한 구성 요소의 남은 서비스 수명을 분석하고 결정할 수 있습니다.” 인버터를 서로 연결할 수도 있다. 이더넷 프로토콜을 통해 여러 인버터를 연결하고 소규모 시스템을 생성할 수 있다. 크리스티안 젱어에 따르면 여러 인버터 간에 통신은 입출력과 통합 PLC를 통해 이루어진다고 한다.

밀폐된 하우징이 있는 인버터는 보호 등급 IP66을 충족하며 제어 캐비닛을 필요로 하지 않는다.

Lenze의 Intralogistics 글로벌 세그먼트 매니저인 팀 올리버 리케도 다음과 같이 설명한다. “Lenze는 인버터와 서보 인버터를 차별화하는 것이 특징이며, 구동 퍼포먼스와 구동 기능을 연결합니다. 인버터는 이전의 일반적인 차별화에서 각도 위치와 속도를 측정하지 않고 공급되는 AC 전압만으로 다른 AC 전압을 생성하는 방향으로 성장하였습니다.” 이는 집적 밀도와 인버터에 집적된 회로의 성능 향상으로 인한 기술 발전 때문이다. 오늘날 인버터는 외부 아날로그 및 디지털 신호를 수집하여 평가하고 제어 작업 또한 스스로 수행할 수 있다. “인버터가 PLC와 함께 사용되는 경우, 처리된 데이터를 동기화된 실시간 네트워크에 분배할 수 있으며, 복잡한 시퀀스 제어 시스템에 제공될 수 있습니다.”(팀 올리버 리케)

기능은 지속적으로 확장되고 있다

Danfoss Drives의 제품 마케팅 매니저인 마틴 세르니도 이에 동의한다. “Danfoss는 인버터를 양산한 이래 지난 50여 년 동안 큰 발전을 이루었습니다. 끊임없는 기술 발전으로 지속적인 확장이 이루어졌습니다. 인버터는 시스템에서 PID 컨트롤러의 통합과 벨트 파손 감지, 파이프 플러싱 모드와 같은 특정 부문에 대한 기술과 같은 작업을 담당합니다.” 인텔리전스는 간단한 로직 기능에서 IEC 61131에 따른 프로그래밍으로 발전하였다. “확장 가능한 안전 기능은 실시간 산업용 필드버스 프로토콜을 통한 통신 기능의 최신 기술입니다. 우리에게 ‘속도 컨트롤러’에서 지능형 ‘드라이브 컨트롤러’로 끊임없이 진화하고 있습니다.”(마틴 세르니) 특히 디지털 변화가 개발을 촉진하고, 가변 속도 드라이브를 통해 Industry 4.0과 관련하여 현재와 미래의 사용자에게 많은 가능성을 열어준다. “오늘날 드라이브는 정보 사슬의 필수적인 부분으로, 처리 능력과 저장 용량 그리고 통신 인터페이스를 사용합니다.”(마틴 세르니)

정확한 위치 결정 가능

Nord Drivesystems에 따르면 Nord 인버터의 기능은 역동적인 발전 덕분에 지난 40년 동안 크게 성장했다고 한다. Nord는 이 분야에서 중요한 선구적인 역할을 했다. 오늘날 컨버터 기술의 가능성은 다양하다. 상태 모니터링과 예측 유지 보수 개념을 포함하여 모터의 에너지 절감과 기계 부품 저 마모 작동을 위한 많은 진단과 모니터링 기능을 갖고 있다. 부분적인 부하 범위에서도 에너지 최적화가 가능하며, 통합 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤)를 사용하여 전력 소비와 토크를 평가할 수 있다. 높은 기동 전류를 피하고 가속과 제동이 부드럽고 마모되지 않는 방식으로 모터를 제어할 수 있다. 또한 가장 중요한 안전 기능이 있다. 오늘날 인버터의 제어 및 조절 옵션은 매우 광범위하여 서보 모터 또는 스테퍼 모터와 같은 3상 모터로 정밀한 위치 결정이 가능하다. Nord에 의하면 인버터는 고도로 발달된 전자 장치와 Posicon 포지셔닝 제어로 모터를 역회전 및 클록하거나 마스터-슬레이브 원리에 따라 최대 3개의 다른 드라이브를 안내하고 모니터링 및 동기화할 수 있다고 한다.

하지만 분명히 한계도 있다

Yaskawa의 카스텐슈라이터에 따르면 변환기에 I/O 수가 충분하고 로직이 없는 애플리케이션이 많다고 한다. 이러한 경우, 외부 제어는 인버터에서 프로그래밍을 통해 대체될 수 있어, PLC가 없어도 된다. 이러한 예로 태양열 펌프, 펌프의 캐스케이드 제어, 에어컨 컴프레서 그리고 독립적으로 작동하는 여러 응용 프로그램을 들 수 있다. “하지만 컨트롤러를 대체할 수 없는 애플리케이션들이 있습니다. 많은 입력과 출력이 필요하고, HMI가 연결되어 있거나 기능 안전을 조정해야 하거나, 변환기가 충분한 옵션을 제공하지 않기 때문입니다. 이런 경우에는 모터 제어 기능만 사용하거나 단순히 하위 작업만 맡길 수 있습니다.”(카스텐 슈라이터) 예를 들면, 정밀하고 동적인 제어가 필요한 크레인 시스템의 경우, 위치 결정 동기화, 흔들림 방지 등이다. 이러한 제어는 고품질의 인버터를 통해 비교적 쉽게 구현할 수 있다. 컨트롤러에서 동일한 결과를 얻으려면 더 많은 노력이 필요하다. “전체 프로세스 또는 기계를 제어하는 ​​것은 여전히 PLC가 담당합니다. 원칙적으로 이 방식이 대부분의 기계와 시스템에서 구현됩니다.”(크리스티안 젱어)

Lenze의 팀 올리버 리케도 이에 전적으로 동의한다. “인버터에 충분한 아날로그 및 디지털 인터페이스와 제어 기능에 충분한 예비 전력이 있는 경우, 특정 제어 작업을 위한 PLC가 필요로 하지 않습니다. 디지털 신호 입력은 라이트 배리어, 유도형 또는 정전용량형 센서의 스위칭 상태를 평가하고, 자재 흐름 작업을 담당하고 컨베이어 요소의 속도를 제어할 수 있습니다. EN 61131을 통해 프로그래밍하고 최신 필드버스 네트워킹이 필요한 다축 네트워크의 조정된 모션 시퀀스는 여전히 PLC가 담당합니다. 이는 인버터의 비용 집약적 아키텍처에 의해서 주도됩니다.”

복잡한 움직임에는 서보 컨버터가 필요하다

간단한 애플리케이션에서 작업을 수행하기 위해서는 간단한 논리 기능으로 충분하다. 이런 경우, 일반적으로 간단하고 저렴한 인버터를 선택하고 비싼 서보 컨버터는 복잡한 모션 제어에 사용한다. 인버터는 일반적으로 속도 제어 범위, 속도 정확도, 과전류 용량, 제어 품질 및 정확도 면에서 기술적 한계가 있다. “애플리케이션이 전류 및 가속도, 각도, 위치 또는 토크 제어의 빠른 제공과 함께 높은 과전류 기능을 요구하는 경우, 여전히 서보 컨트롤러를 선택합니다. PLC 없이는 구현할 수 없는 다축 조정 애플리케이션도 인버터에서 사용할 수 없습니다.”(팀 올리버 리케)

Mitsubishi의 크리스티안 젱어는 이런 견해에 동의하지 않는다. 성능과 관련하여 새로운 기능이 지속적으로 구현되고 있기 때문이다(WLAN, Time Sensitive Network, 줄여서 TSN, MobilePhone 앱을 통한 통신). 이는 이미 존재하고 있으며 지속적으로 개선되고 있다. 클라우드 연결과 같은 새로운 기술이 이미 인버터에 적용되고 있다. Mitsubishi Electric은 자체 AI 기술인 Maisart(Mitsubishi Electric’s AI creates the State-of-the-ART in technology)을 개발했으며, 이미 FR-E800 인버터 시리즈에 탑재되어, 유지 보수와 예측 유지 보수 기능을 보장하여 가동 중지 시간을 줄인다. 인버터는 엔지니어링 소프트웨어 FR Configurator2에 연결되고, 그곳에서 데이터는 Maisart를 통해 분석된다. “두 개의 통합 이더넷 인터페이스가 있는 FR-E800 시리즈 인버터에서 L-시리즈 CPU를 기반으로 하는 내장 PLC를 사용하여 동기화된 네트워크를 구현할 수 있습니다. 하나의 변환기는 마스터 역할을 하고 다른 변환기는 슬레이브 역할을 할 수 있습니다.”(크리스티안 젱어)

유지 보수 도구로서의 인버터

Danfoss의 마틴 세르니도 다음과 같이 덧붙였다. “디지털화에서 중요한 데이터 처리와 분석에 사용할 수 있는 컴퓨팅 성능이 점점 저렴해지고 있습니다. 이것은 클라우드, 로컬 제어 시스템과 드라이브의 에지에서도 적용하고 있습니다. 따라서 요건에 따라 사용 가능한 데이터를 효과적으로 분석할 수 있어, 더 많은 데이터를 분석할 수 있고 최적화로 이어집니다.”

이는 보다 나은 전체 그림을 그리기 위해 더 많은 센서가 사용하는 것을 의미한다. 궁극적으로 커뮤니케이션 방식이 바뀌고 있다. 장치들이 컨트롤 문제에 구애받지 않고 훨씬 많이 통신한다. 예를 들어, 드라이브는 전자 명판과 통신할 수 있고, 시운전도 간단해진다. 기존의 자동화 피라미드가 무너지고 컨트롤러의 역할과 컨트롤러가 미래에 어떤 기능을 갖게 될지에 대한 질문이 자연스럽게 제기된다. “가장 합리적인 곳에 지능이 사용될 것이라고 확신합니다. 그렇다고 해서 PLC가 완전히 필요 없는 것은 아닙니다. 실제 적용 사례가 무엇인지가 훨씬 중요합니다.”(마틴 세르니)

따라서 자동화 전문가들의 입장에서는 PLC가 없든, 내장되어 있든 아니면 별도의 PLC가 있든 상관없이 각 애플리케이션에 가장 저렴한 버전을 찾기 위해 인버터를 주의 깊게 모니터링하는 것이 더욱 중요하다.