㈜ABB코리아(www.abb.co.kr)
드라이브 & 모터 사업부_조신현 부장
(02)528-2785 / Shin-hyun.cho@kr.abb.com

개요

에너지 소비와 에너지 공급의 증가는 21세기 우리가 해결해야 할 가장 중요한 문제 중 하나이다. 여기에는 단순히 자원의 문제뿐만 아니라 에너지 소비로 인한 환경문제도 포함된다. 가장 심각한 환경문제는 화석연료를 소모함으로써 야기되며, 이를 해결하기 위한 많은 대책이 에너지 공급과 수요 측면에서 깊이 있게 연구·개발되고 있다.
에너지 소비에 있어서 에너지 효율을 최적으로 증대시킬 수 있는 제품은 드라이브 시스템으로 잘 알려져 있다. 그동안 국내에서는 저압 드라이브(인버터)를 적용해 에너지 절약을 도모해 왔다. 국내의 AC 드라이브 제조회사에서는 저압 드라이브로 약400㎾ 미만의 제품을 생산, 공급하는 것이 거의 한계 용량이었다.
한편, 고압 드라이브 시장은 일본, 미국 및 유럽의 대형 메이커에 의해 거의 독점됐으며, 그로 인해 국내 제품의 일반 보급화에 어려움이 없지 않았다. 고압 모터의 경우 국내에서는 보통 150~250㎾ 이상만 되면 3.3㎸에서 6.6㎸ 그리고 11㎸ 전압의 모터를 사용한다. 국내 드라이브 메이커인 LS산전㈜ 및 현대중공업㈜도 최근 들어 3.3㎸ 및 6.6㎸급의 고압 드라이브를 개발, 생산하기 시작했다. 이제 막 첫걸음을 내디딘 것이지만 점차 기술 진보가 있을 것으로 여겨지며, 그에 따라 막대한 에너지 절약을 가능케 하는 고압 드라이브의 역할을 기대할 수 있을 것으로 본다.

ABB 고압 드라이브

속도제어용 드라이브 시스템은 에너지 효율을 높이고 에너지 절약 및 CO₂가스 저감, 나아가 지구온난화까지 줄여줄 수 있는 필수 불가결한 시스템이다. 여기서는 세계 최대 드라이브 메이커인 ABB의 진보된 고압 드라이브 솔루션에 대해 알아본다.

 

ABB는 고압 드라이브로 ACS 1000, ACS 1000i, ACS 2000, ACS 5000, ACS 500i, ACS 6000 그리고 Mega Drive LCI 시리즈 등 다양한 제품을 현재 생산 중이다. 1960년대 후반부터 AC 드라이브를 생산한 온 ABB는 상기와 같은 제품으로 고객의 요구에 맞춰 다양하고 높은 성능의 고압 드라이브 솔루션을 제공하고 있다. ACS 6000과Mega Drive LCI 시리즈는 시험 설비, 선박용 추진(Propulsion), 철강공장의 밀 드라이브 등 특수한 용도로 이용되며, LCI의 경우는 초대형 모터 및 가스터빈 기동용으로 많이 사용되는 엔지니어링 드라이브 제품이다. 본고에서는 일반 범용의 표준 드라이브인 ACS 1000, 2000, 5000 시리즈의 드라이브에 대해 간단히 소개하도록 한다.

1. ACS 1000
ACS 1000 시리즈는 고압 농형 유도전동기 제어용으로, 2.3~4.16㎸ac, 315~5,000㎾급 고압 인버터(Medium voltage Drive)이다. ABB에 의해 개발된 고압용 전압형 소자 IGCT(Insulated Gate Commutated Thyristor)를 적용해 부품 수 및 외함크기를 대폭 줄이고 성능 및 신뢰성을 크게 향상시켜 1998년 하반기에 출시된 이래 전 세계적으로 수천여 대가 운전되고 있다.
ACS 1000은 용량에 따라 공랭식 및 수냉식 두 종류가 있다. ACS 1000은 IGCT 소자에 드라이브 제어의 최고 기술인 DTC(Direct Torque Control)는 물론, 12 Pulse Input, NPC(3-level) Switching, Common DC Reactor, Output Sine Filter 등 최신 인버터 제어 기술을 적용했다. Sine Filter는 인버터의 PWM 출력을 정현파에 가까운 전압/전류 파형으로 변형해 전동기에 공급함으로써 일반 전동기에도 절연문제 없이 적용할 수 있으며, 일반 전동기 케이블 및 장거리 케이블 거리 적용에도 적합하다.
ACS 1000은 전압형 인버터로, 특히 팬, 펌프, 컴프레서 등의 부하에 에너지 절약을 위해 많이 적용됐다. 이전의 고압 인버터는 어렵다는 인식이 많았으나, ACS 1000은 저압 드라이브 ACS 800 드라이브와 같은 프로그램 구조로 되어 있어 프로그램 조작 및 사용, 유지보수가 용이하도록 단순화 시켰다.
표준 범용 고압 드라이브인 ACS 1000 시리즈는 국내에도 약 50여 대가 공급되어 현재 운전 중이다. 획기적인 성능과 저압 같은 외형, 저렴한 가격을 장점으로 한 ABB 고압 드라이브의 주력 기종이다.

2. ACS 2000
ABB는 6㎸에서 6.9㎸급의 다양한 어플리케이션에 적용 가능한 범용 고압 드라이브 400에서 1,000 ㎸A의 신제품 ACS 2000을 최근 출시했다. 이 제품은 공랭식 시멘트, 미네랄, 광산, 철강, 펄프 및 제지, 수 처리, 발전 그리고 화학, 오일 및 가스 산업의 팬, 펌프, 컴프레서 등과 같은 어플리케이션에 적합한 표준 범용이다. 여기에는 유연한 입력 라인과 저하모닉, 저에너지 소모, Static VAR 보상 등의 기술이 접목됐으며, 조만간에 3,000㎸A까지 용량을 확대할 예정이다.
기존 설치된 곳이나 신규 설치할 곳 어디든 상관없이 ACS 2000은 별도의 절연변압기를 사용하지 않고 설치가 가능하다. 변압기 없이 라인에 직접 연결(Direct-to-line)이 가능한 한편, 입력전압이 11㎸ 또는 13.8㎸, 22.9㎸ 등 고전압일 때 필요에 따라 입력 절연변압기를 구성할 수도 있다.
이 전원 직접 연결방식은 별도의 변압기를 설치하지 않으므로 사용자의 투자비를 최소화 시켜준다.
또한 ACS 2000은 변압기가 들어가지 않아 콤팩트한 사이즈와 가벼운 무게로 운송비용 및 전기실의 설치 공간이 절약되는 것은 물론, 작은 사이즈로 인해 기존 설치된 직입 기동을 사용하는 6.0-6.9㎸급의 표준 전동기에 적용하는 것이 수월하다.

 

내장 액티브 입력장치(AFE : Active Front End)인 입력 부분은 고가의 특수 변압기를 사용하지 않고도 하모닉을 최소화 한다. AFE는 다양한 기술 기준에서 요구되는 전압 및 전류에 대한 하모닉 왜곡률 이하로 요구 조건을 충족시키는 저하모닉 기술이다. 이는 별도의 하모닉 분석이나 추가로 네트워크에 필터를 설치할 필요가 없다. 또한 AFE 기술은 4상한 운전이 가능하기 때문에 제동에너지를 전원측으로 회생해 에너지 소모를 최소화한다.
AFE는 역 기전력(VAR)을 보상한다. Static VAR 보상, 즉 역률 보상을 통해 부드러운 네트워크 전압 추이가 유지된다. 이는 역 기전압으로 인한 저역률에 대한 벌금을 면할 수 있을 뿐만 아니라 거의 1에 가까운 역률을 유지한다.
한편, 변압기가 없어 빠르고 수월한 설치 및 시운전도 가능하다. 고압 인버터는 ABB의 3선 입력 3선 출력 케이블 결선 개념으로 쉽게 결선할 수 있다.
직입 기동의 결선 방법과 같이 단순히 드라이브에 입력 결선을 하고 모터와 드라이브 간 결선을 하면 된다.
ABB의 ACS 2000 설계는 상 모듈이 인출식으로 구성되어 있다. 드라이브 구성 부품은 모두 전면에서 접근할 수 있으며, MTTR(Mean Time To Repair)로 빠른 교체 방법을 구현했다.
또한 ACS 2000은 ABB의 입증된 기술력으로 고도의 신뢰성을 바탕으로 설계됐다. 여기에는 멀티레벨 전압형 인버터(VSI) 기술을 비롯해, 고압IGBT 전력반도체 그리고 DTC 모터 제어 기술이 접목됐다. 이 기술들은 신뢰성을 향상시키고 긴 MTBF(Mean Time Between Failure)를 가능케 하며 유용성(Availability)을 높여준다. IGBT 기반의 멀티레벨 디자인에 따라 거의 정현파에 가까운 파형을 만들어 줌으로써 일반 표준 모터와 케이블을 적용해 사용이 가능하며, DTC 기술이 접목된 ACS 2000 드라이브 제어 플랫폼은 고압 드라이브에서 최소의 손실로 최상의 토크와 속도 제어 성능을 구현했다.

 

이러한 다양한 신기술의 접목을 통해 ACS 2000은 많은 어플리케이션에 적용, ACS 800, ACS 1000과 같이 ABB 드라이브의 명성을 알리는 데 중요한 역할을 할 것이다.

3. ACS 5000
ABB의 또 다른 고압 6㎸에서 6.9㎸급 표준 고압드라이브 ACS 5000은 1.5~22㎿ 6.6㎸용 드라이브로, 수냉식 및 공랭식 구조로 되어 있다. ACS 5000i는 패널 내에 변압기 내장 형식이다. ABB는 5~7㎿ 용량에 대해 수랭식과 공랭식 선택이 가능하게 해 고압 인버터 냉각방식에 대한 선택의 폭을 넓혔다.
공랭식 ACS 5000은 선택사양으로 입력 변압기를 내장하거나 별도의 설치가 가능하다. 내장된 입력 변압기는 설치 및 시운전이 간단하며, 별도로 분리된 입력 변압기는 외형적인 면에서 취급이 용이해 전기실 내부나 외부에 설치가 가능하다. 변압기가 외부에 설치되는 경우에는 전기실 내부에 필요한 냉방 시설 및 통풍 시설의 비용을 절약할 수 있다
는 장점이 있다. 변압기는 유입식이나 건식을 선택해 적용할 수 있다.
ACS 5000 고압 드라이브는 'Multilevel-Fuseless Voltage Source Inverter(VSI-MF)'로서 효율적이고 부드러운 스위칭 작동으로 모든 속도범위에서 토크 맥동을 최소화 했다. 또한 전력반도체 소자의 직렬 연결 없이도 고압 모터 적용을 가능케 함으로써 제어 시스템, 냉각장치 및 보조장치를 포함해 전 드라이브의 전력밀도가 1㎹A/㎥ 이내로 전력소자 사용 수를 줄였다.
DTC 모터 제어방식은 낮은 에너지 손실과 빠르고 정확한 프로세스 제어 그리고 높은 토크 및 속도제어를 제공한다. ACS 5000은 높은 신뢰성과 낮은 손실로 빠른 스위칭이 가능한 IGCT 고압 전력소자를 사용해 출력 파형을 최적화 했다. ACS 5000 고압 인버터는 신뢰성은 없고 비싼 가격에 사용기간까지 제한이 있는 고압 전력 퓨즈를 사용하지 않는다. 대신 보다 빠르고 신뢰도가 높은 IGCT를 사용하고 신뢰성 있는 제어 시스템으로 고압 전력소자를 보호한다.
ACS 5000은 PEBB라는 특별한 전력 전자회로의 구성들을 바탕으로 했다. PEBB는 IGCT 전력 디바이스의 다기능 복합 전력 전자회로로, 1999년 개발돼 ACS 6000에서 품질과 신뢰성을 인증 받았다.

 

ACS 5000은 36펄스를 다이오드 렉티파이어(Rectifiers)를 내장해 고조파를 최소화함으로써 IEEE, IEC, EN의 전류와 전압 고조파 왜곡에 대한 규정사항을 충족시켜 준다. 따라서 신규 드라이브 적용 시 고가의 고조파 분석 및 네트워크 필터 설치가 필요 없다. 더불어 예비용 팬 또는 펌프(Redundant Fan) 적용으로 운전되는 동안 유지보수가 가능해 고장으로 인한 정지시간을 최소화로 해 준다.
ABB 고압 드라이브는 운전 상태 감시 기능을 내장할 수 있으며, 드라이브에서 발생한 고장 내용에 대한 추적과 진단을 외부에서도 실시간으로 할 수 있다. DriveMonitor라고 하는 툴을 이용하면 ABB서비스 엔지니어가 현장을 방문하지 않고도 드라이브에 대한 운전 정보나 고장 내용을 점검할 수 있다.
DriveMonitor는 드라이브 내부 하드웨어 모듈과 선택된 드라이브 신호 및 파라미터를 자동으로 수집·분석하는 소프트웨어로 구성되며, 부하 상태와 관련된 정보의 전달 및 성능을 향상시키는 데 필요한 감시 기능이 있다. 또한 드라이브 자체뿐만 아니라 모터 축과 같은 다른 부분에 대한 고장 진단 절차 및 데이터 검출이 가능하며, 설치된 다른 ABB 드라이브와의 연결도 가능하다.
ACS 5000 고압 인버터는 6.6㎸ 산업 분야인 시멘트, 광업, 철강, 화학, 석유화학 및 가스, 수 처리와 발전소 등에 사용되며, 주요 부하는 컴프레서, 팬, 펌프 및 송풍기 등의 용도로 적용이 가능하다.

고압 드라이브 기술-DCT 제어

과거 90년대에 있어서 고압 드라이브의 기술 평가기준은 효율과 신뢰성이 가장 중요한 위치였으나, 요즘은 네트워크에 대한 친화력과 신뢰성이 최고의 평가 척도가 되고 있다(<그림 7> 참조). 즉, 대용량 제품에서 신뢰성은 당연히 최고의 가치이며, 이에 따라 네트워크에 발생되는 하모닉을 최소화하는 것이 중요시 되고 있다. 기존 모터에 적용이 가능하도록 출력 파형 또한 좋은 파형을 만들어 주어야 하며, 이는 전력소자의 발달과 토폴로지 개발로 인해 어느 정도 많은 진보가 이루어져 왔다.

 

드라이브 시장은 더 높은 전압의 드라이브, 더 넓은 범위 용량의 드라이브, 그리고 작은 사이즈의 저하모닉 제품을 기술적인 혁신을 통해 요구받고 있다(<그림 8> 참조).
ABB는 이러한 시장의 요구에 부합해 모터 제어에 있어 최고의 성능을 구현하는 DTC 제어를 상용화해 적용하고 있다. DTC의 성능은 벡터 이론에 가장 충실한 제품으로 현재 평가 받고 있다. DTC는 전동기의 제어 함수로 플럭스(Flux)와 토크(Torque)를 사용하고 기존의 V/F(전압/주파수)를 제어 함수로 하는 인버터(플럭스 벡터, 센스리스 포함)에서 사용하는 PWM Modulator(PWM 파형 발생기) 없이 최적 스위칭을 하도록 설계됐다. 플럭스벡터 제어의 경우 토크 계산 시간은 약 1~3㎳가 소요되며, PWM Modulator를 통해 스위칭 해 제어하는 데 소요되는 시간은 약 10㎳이다. 그러나 DTC 제어는 토크 계산에 0.025㎳의 시간이 소요되며 PWM Modulator가 없기 때문에 1㎳ 이내에 스위칭이 가능하다. 이는 피드백 장치 없이 0.1% 속도(피드백 사용 시 최대 0.001%)로, 직류전동기보다 빠른 5㎳ 이내의 토크 응답성 및 5% 이내의 토크선형성, 제로 속도에서 풀(Full) 토크 발생, 200%의 기동 토크 발생 등 타 인버터에서 볼 수 없었던 성능을 발휘한다.

마무리

이와 같이 다양한 전압과 용량 범위를 갖추고 있는 ABB 드라이브는 오랜 경험을 바탕으로 드라이브 첨단 기술을 적용·접목해 신뢰성과 안정성을 확보하고 있다. 고객의 필요에 맞게 다양한 분야에 널리 적용되어 심각하게 대두되고 있는 에너지 문제 및 탄소 가스 저감에 이르기까지 고객의 이익에 최선이 되기를 바란다.

 

 

◈ 참고문헌 ·A worthwhile investment, The drive to reduce emissions and energy consumption, Jukka Tolvanen, Timmo Miettinen, Helsinki Finland, ABB Review 2/2009. ·IEC Standard, IEC60034-30(2008) Rotating electrical machines part 30 efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors. ·ABB ACS 1000, ACS 2000, ACS 5000, ACS 6000, Mega Drive LCI catalogue & Manual.

 

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT Module은 입력부(Gate)의 임피던스가 FET와 마찬가지로 무한대에 가깝고 출력 C-E 간은 트랜지스터의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자이다. 현재 인버터 등에 가장 많이 사용되는 소자이며 드라이브 또한 간단하게 구동이 가능하므로 개발하는 입장에서는 사용하기 편한 반도체 소자라고 볼 수 있다. 하지만 트랜지스터(이하 TR)나 SCR처럼 전류내량이 크지 않아 신뢰성 있는 회로 구성을 하려면 많은 노하우가 필요하다. 현재 모듈식으로 많이 보급되고 있는 제품의 용량은 50A 600V에서부터 400A이며, 인버터의 구동 DC 전압에 따라 1,200V 내압의 제품도 사용되고 있다.

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