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대부분의 새로운 범용 산업 설비에서는 호환되는 AC 모터를 갖춘 AC 드라이브가 일반적인 시작점입니다. DC 드라이브는 사용 가능한 DC 모터와 기계가 이미 존재하고, 공정이 기존의 토크-속도 특성에 의존하며, 전체 기계를 교체하는 것보다 기존 시스템을 유지하는 것이 수명 주기 위험을 줄일 수 있는 경우 여전히 합리적인 선택입니다.
첫 번째 선택 규칙은 절대적입니다: 드라이브를 모터 유형에 맞추십시오. AC 드라이브는 호환되는 AC 모터를 위해 제어된 AC를 생성합니다. DC 드라이브는 호환되는 DC 모터를 위해 제어된 DC를 생성합니다. 어느 것도 다른 것을 즉시 대체할 수 없으며, 드라이브 제품군을 변경하면 일반적으로 모터, 피드백, 배선, 보호, 제어, 시운전 작업 및 때로는 기계적 설치까지 변경해야 합니다.
AC 드라이브와 DC 드라이브 한눈에 보기
| 결정 요인 | AC 드라이브 시스템 | DC 드라이브 시스템 | 선택 영향 |
|---|---|---|---|
| 제어되는 모터 | 호환 가능한 AC 모터; 일반적으로 유도 전동기이며, 드라이브가 지원하도록 설계된 경우에만 다른 유형의 모터를 지원함 | 호환 가능한 DC 모터; 드라이브에 따라 일반적으로 브러시형, 영구 자석형 또는 타여자/권선형 기기 | 정격 비교 전 정확한 모터 기술 사양을 확인하십시오 |
| 일반적인 전력 경로 | 보통 정류기 → DC 링크 → 인버터 → 가변 주파수 AC 출력 | 보통 제어 정류기 또는 DC 컨버터 → 제어된 전기자 공급, 필요 시 별도의 계자 제어 포함 | 이는 일반적인 구성이며, 보편적인 토폴로지는 아님 |
| 주 속도 제어 변수 | 출력 주파수, 전압 및 제어 알고리즘 | 전기자 전압/전류 및 해당되는 경우 계자 전류 | 모터 모델과 피드백 구성은 드라이브와 일치해야 합니다 |
| 모터 유지보수 | 많은 산업용 AC 모터는 브러시와 정류자를 사용하지 않습니다 | 브러시형 DC 모터는 브러시와 정류자에 대한 관리가 필요합니다 | 유지보수 능력은 수명 주기를 결정할 수 있습니다 |
| 새로운 범용 설치 | 일반적으로 가장 먼저 평가해야 할 제품군입니다 | 일반적으로 애플리케이션이나 설치 기반이 지원하는 경우에만 선택합니다 | 과거의 명성만으로 선택하지 마십시오 |
| 기존 DC 기기 | 완전한 변환 연구가 필요합니다 | 사용 가능한 모터와 알려진 기기 동작을 유지할 수 있습니다 | 드라이브 가격뿐만 아니라 전체 변환 범위를 비교하십시오 |
| 저속 및 동적 제어 | 적절한 드라이브, 모터, 피드백, 냉각 및 제어 방식을 사용하면 강력한 성능을 낼 수 있습니다 | 전통적으로 강력하며 제어가 비교적 직접적입니다 | 두 제품군 모두 보편적인 성능 우위를 가지고 있지는 않습니다 |
| 회생 및 제동 | 적절한 회생 토폴로지, 공통 DC 구성 또는 제동 솔루션이 필요합니다 | 호환 가능한 시스템을 위해 4상한 구성을 사용할 수 있습니다 | 작동 상한과 에너지 흐름을 명시적으로 지정하십시오 |
| 가장 잘 알려진 응용 분야 | 펌프, 팬, 컨베이어, 압축기, 믹서, HVAC 및 현대식 생산 기계 | DC 모터를 유지하는 기존 밀, 와인더, 호이스트, 크레인, 인쇄 라인 및 기타 기계 | 애플리케이션 라벨은 시작점일 뿐 최종 사양이 아닙니다 |
따라서 올바른 질문은 “어떤 드라이브가 더 나은가?”가 아닙니다. “어떤 완전한 모터-드라이브 시스템이 이 부하를 충족하고 기술적 및 수명 주기 위험을 가장 낮게 만드는가?”입니다.”
드라이브를 비교하기 전에 범위를 설정하십시오
산업 현장에서 'drive'라는 단어는 드라이브 전자 변환기만을 지칭하거나 더 넓은 범위의 전력 드라이브 시스템을 지칭할 수 있습니다. 모터, 피드백 장치, 전원 공급 장치, 보호 장치, 냉각, 케이블링, 기계 제어 장치 및 구동 부하가 모두 결과에 영향을 미치기 때문에 이러한 구분은 중요합니다.
IEC 61800-2:2021 반도체 변환, 제어, 보호, 모니터링, 측정 및 AC 모터를 포함하는 가변 속도 AC 전력 구동 시스템을 다룹니다. IEC 61800-1:2021 가변 속도 DC 전력 구동 시스템 및 DC 모터에 대한 해당 범위를 제공합니다.
이 기사는 기존의 산업용 가변 속도 AC 및 DC 모터 구동 시스템을 비교합니다. 서보 축, 스테퍼 드라이브, 전기차 견인 드라이브 또는 브러시리스 DC 정류 시스템은 선택하지 않습니다. 이러한 애플리케이션은 고유한 제어, 안전 및 성능 분석이 필요합니다.
더 심층적인 AC 구동 시스템 개요는 다음을 참조하십시오. VFD란 무엇인가?. 그 VFD 용어 가이드 또한 VFD, 가변 속도 드라이브(VSD), 가변 속도 드라이브(ASD) 및 인버터 용어를 구분합니다.
작동 원리의 차이점
AC 드라이브: 제어된 주파수의 AC 생성
일반적인 저전압 AC 가변 주파수 드라이브는 다음과 같은 3단계 전력 변환 과정을 거칩니다:
고정 주파수 AC 입력 → 정류기 → DC 링크 → 인버터 → 제어된 AC 출력
인버터는 DC 링크 전압을 스위칭하여 모터 제어 전략에 필요한 전압과 기본 주파수를 갖춘 펄스 폭 변조 출력을 생성합니다. 유도 전동기의 경우, 전기적 주파수가 동기 속도를 결정하며 모터는 토크를 발생시키는 데 필요한 슬립으로 작동합니다. 더 발전된 제어 방식은 모터 변수를 추정하거나 측정하여 자속과 토크를 더욱 정밀하게 조절할 수 있습니다.
이 3단계 경로는 일반적인 VFD를 이해하는 데 유용하지만, 모든 AC 드라이브에 적용되는 보편적인 다이어그램은 아닙니다. 회생형 프런트 엔드, 전류원 드라이브, 직접 변환기, 중전압 토폴로지 및 특정 애플리케이션용 시스템은 서로 다른 전력 구조를 사용할 수 있습니다.
DC 드라이브: 전기자 및 계자 조건 조절
일반적인 산업용 DC 드라이브는 DC 모터에 인가되는 전기적 조건을 제어합니다. 공급 전원과 토폴로지에 따라 컨버터는 제어 정류기나 다른 DC 변환 단계를 사용할 수 있습니다. 이는 전기자 전압과 전류를 조절하여 속도와 토크를 제어합니다. 권선 계자형 모터의 경우 별도의 제어된 계자 공급 장치가 필요할 수도 있습니다.
기본 속도 이하에서는 필요한 계자를 유지하면서 전기자 전압 제어가 일반적으로 사용됩니다. 기본 속도 이상에서는 일부 시스템이 계자 자속을 줄여 속도를 확장하는데, 이는 가용 토크 및 출력 영역을 변화시킵니다. 이러한 작동 한계는 특정 모터 및 드라이브 데이터에 따르며, 계자 약화가 기계의 기계적 또는 열적 정격을 초과해도 된다는 의미는 아닙니다.
전기자 전류, 계자 자속, 토크 간의 더 단순한 개념적 관계는 DC 시스템이 까다로운 가변 속도 기계 분야에서 확고히 자리 잡게 된 이유 중 하나입니다. 현대의 AC 벡터 제어 시스템 또한 강력한 동적 성능과 저속 성능을 제공할 수 있으므로, 과거의 명성만으로 선택 기준을 삼는 것은 더 이상 충분하지 않습니다.
모터 호환성이 최우선입니다
| 모터 유형 | AC 드라이브 적합성 | DC 드라이브 적합성 | 필수 확인 사항 |
|---|---|---|---|
| 3상 유도 전동기 | 드라이브가 모터 전압, 전류, 듀티 및 제어 방식을 지원하는 경우 일반적임 | 아니요 | 명판 데이터, 듀티, 절연, 냉각, 속도 범위, 케이블 조건 |
| 영구 자석 동기 모터 | 해당 모터용으로 설계된 드라이브 및 제어 알고리즘이 있는 경우에만 가능 | 아니요 | 모터 상수, 피드백 또는 센서리스 방식, 과속 및 역기전력 제한 |
| 동기 릴럭턴스 모터 | 특정 호환 AC 드라이브로 가능 | 아니요 | 승인된 모터-드라이브 페어링 및 제어 데이터 |
| 타여자 또는 분권 DC 모터 | 아니요 | 호환 가능한 전기자 및 계자 드라이브에 일반적임 | 전기자 및 계자 정격, 피드백, 속도 범위, 정류 상태 |
| 영구 자석 브러시 DC 모터 | 아니요 | 호환 가능한 DC 컨트롤러로 가능 | 전압, 전류, 듀티, 방향, 피드백, 열적 한계 |
| 브러시리스 DC 모터 | 단순 브러시 DC 드라이브 비교로는 다루지 않음 | 기존 브러시 DC 드라이브와 호환되지 않음 | 전자 정류 방식, 회전자 위치 정보, 컨트롤러 호환성 |
“AC 모터”와 “DC 모터”는 완전한 사양이 아닙니다. 특정 제품군용으로 광고되는 드라이브는 특정 모터 구조, 피드백 방식, 스위칭 주파수 및 제어 모드만 지원할 수 있습니다. 공급 라벨에 의존하기보다는 정확한 드라이브 및 모터 문서와 호환성을 확인하십시오.
드라이브 이름이 아닌 부하에 따른 성능 비교
속도 범위 및 저속 듀티
두 기술 모두 유효한 범위 내에서 속도를 조절할 수 있지만, 제한 메커니즘은 다릅니다. 저속에서 자냉식 모터는 드라이브가 여전히 토크를 명령할 수 있는 경우에도 냉각 기능을 상실할 수 있습니다. DC 모터는 강제 환기와 정류에 대한 주의가 필요할 수 있습니다. AC 모터는 독립적인 냉각, 피드백 또는 다른 제어 방식이 필요할 수 있습니다. 따라서 연속 저속 작동 지점은 전기적 측면뿐만 아니라 열적 측면에서도 확인해야 합니다.
기동 및 과부하 토크
DC 시스템은 높은 기동 토크와 직관적인 토크 제어가 중요한 곳에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 올바르게 설계된 AC 벡터 드라이브 시스템 또한 토크를 효과적으로 제어할 수 있습니다. 타당한 비교를 위해서는 특정 드라이브 제품군이 “더 높은 토크”를 가진다는 식의 포괄적인 진술이 아니라, 부하의 기동 토크, 가속 토크, 과부하 지속 시간, 관성, 듀티 사이클 및 냉각 방식을 고려해야 합니다.”
제동 및 회생
부하는 감속, 하강, 오버홀링 또는 권출 중에 에너지를 회생시킬 수 있습니다. 설계 시 시스템에 다음 사항이 필요한지 명시해야 합니다:
- 한 방향 또는 양방향 모터링;
- 한 방향 또는 양방향 제동;
- 제동 소자에서 소산되는 에너지; 또는
- 공통 DC 시스템 또는 AC 전원으로 회생되는 에너지.
AC 및 DC 시스템 모두 전력 토폴로지가 이를 위해 설계된 경우 회생 운전을 지원할 수 있습니다. 표준 비회생 드라이브는 모터가 발전기 역할을 할 수 있다는 이유만으로 4상한 운전 능력을 갖게 되는 것은 아닙니다.
정밀도 및 동적 응답
성능은 드라이브 알고리즘, 전류 루프 대역폭, 속도 피드백, 모터 파라미터, 센서 분해능, 기계적 컴플라이언스, 프로세스 컨트롤러 및 시운전 품질과 같은 전체 제어 루프에 따라 달라집니다. 까다로운 장력, 위치 제어 또는 축 동기화 애플리케이션의 경우 일반적인 AC 대 DC 비교만으로는 충분하지 않을 수 있으며, 모션 제어 연구가 필요할 수 있습니다.
유지보수 및 수명 주기 차이
가장 확실한 차이점은 종종 드라이브 전자 장치 내부보다는 모터에서 나타납니다.
많은 산업용 AC 유도 모터 및 영구 자석 모터에는 브러시나 기계식 정류자가 없습니다. 이로 인해 일상적인 마모 부위가 제거되지만, 베어링, 냉각 경로, 절연, 연결부, 피드백 장치 및 드라이브 전자 장치는 여전히 적절한 점검과 유지보수가 필요합니다.
브러시형 DC 모터는 회전하는 전기자(armature)로 전류를 전달하기 위해 의도적으로 브러시와 정류자를 사용합니다. 따라서 브러시 마모, 정류자 상태, 탄소 분진, 스프링 압력, 환기 및 접근성이 수명 주기 고려 사항이 됩니다. 그렇다고 해서 모든 DC 설비가 비경제적인 것은 아닙니다. 대형 DC 모터는 기계적으로 건전하고, 유지보수 팀이 이를 잘 이해하고 있으며, 예비 부품이 지원되고, 기계에 깊이 통합되어 있는 경우 여전히 가치가 있을 수 있습니다.
미국 에너지부(U.S. Department of Energy)의 모터 및 드라이브 시스템 소스북 은 효과적인 속도 제어를 위한 DC 모터의 역사적 사용과 VFD 제어 AC 모터로의 현대 산업적 전환을 언급합니다. 또한 VFD가 모든 모터 드라이브 애플리케이션에 적합한 것은 아니라고 경고합니다. 이것이 올바른 수명 주기 프레임워크입니다. 즉, AC는 새로운 시스템의 일반적인 출발점이지, 자동적인 개조(retrofit) 해답은 아닙니다.
적용 적합성: 신규 설치 또는 기존 기계?
| 프로젝트 조건 | AC 드라이브 방향 | DC 드라이브 방향 | 입증되어야 할 사항 |
|---|---|---|---|
| 새로운 펌프, 팬 또는 압축기 시스템 | 일반적으로 우선 평가 | 거의 첫 번째 선택이 아님 | 공정 범위, 모터 전류, 가변 토크 동작, 최소 속도, 고조파 및 EMC |
| 새로운 컨베이어, 믹서 또는 생산 기계 | 종종 적합함 | 정당한 모터 시스템 요구 사항이 있는 경우에만 가능 | 기동 토크, 과부하, 제동, 속도 조절, 기계 안전 |
| 기존 DC 밀, 권취기, 호이스트, 크레인 또는 인쇄 섹션 | 전환이 실행 가능할 수 있음 | 유지 또는 현대적인 DC 교체로 중단 최소화 가능 | 모터 상태, 회생, 피드백, 제어 장치, 예비 부품, 가동 중단 범위 |
| 정상적인 DC 모터를 갖춘 고장 난 DC 컨버터 | AC 변환을 위해서는 모터 및 전기 시스템 검토가 필요합니다 | 호환 가능한 DC 교체품을 사용하면 더 적은 변경으로 작동을 복구할 수 있습니다 | 잔여 모터 수명, 드라이브 가용성, 제어 장치 및 수명 주기 지원 |
| 정류자 상태가 불량하고 예비 부품이 제한적인 구형 DC 모터 | AC 변환이 더욱 매력적인 대안이 됩니다 | 계속 유지할 경우 수명 주기 위험이 증가할 수 있습니다 | 기계적 적합성, 등가 토크-속도 범위, 냉각, 가동 중지 시간 및 시운전 |
| 고동적 조정 모션 또는 안전 관련 축 | 범용 VFD는 충분하지 않을 수 있습니다 | 범용 DC 드라이브는 충분하지 않을 수 있습니다 | 서보 또는 특수 모션 아키텍처, 피드백, 안전 기능 및 검증 |
정상 작동 중에 속도 제어가 필요한 AC 모터의 경우, 최종 선택 항목을 별도의 VFD 대 소프트 스타터 가이드를 사용하십시오. 소프트 스타터는 일반적으로 연속적인 가변 속도 작동보다는 기동 및 정지를 처리합니다.
8입력 DC-AC 레트로핏 테스트
개조 결정은 고장 난 컨버터 단독이 아닌 전체 기계를 기반으로 해야 합니다. 유지, DC 교체 또는 AC 변환을 선택하기 전에 다음 8가지 입력 사항을 기록하십시오.
| 입력 | 답변해야 할 질문 | 정지 조건 |
|---|---|---|
| 1. 설치된 모터 | 모터 구조, 전압, 전류, 속도, 계자 정격, 절연 상태, 정류자 상태, 냉각 방식 및 잔여 기계 수명은 어떻게 됩니까? | 모터 데이터 또는 상태를 알 수 없음 |
| 2. 부하 듀티 | 토크-속도 곡선, 관성, 듀티 사이클, 과부하, 작동 주기당 기동 횟수 및 연속 저속 요구 사항은 무엇입니까? | 교체품이 kW 또는 hp 기준으로만 선택되고 있음 |
| 3. 작동 범위 | 최소, 기본 및 최대 속도가 얼마이며, 각 지점에서 얼마나 오래 지속됩니까? | 냉각, 정류, 과속 또는 계자 약화 제한이 확인되지 않음 |
| 4. 제동 및 에너지 흐름 | 부하가 오버홀링(overhauling) 상태입니까? 급감속, 4상한 운전 또는 에너지 회생이 필요합니까? | 제안된 드라이브에는 생성된 에너지를 처리할 문서화된 경로가 없습니다 |
| 5. 피드백 및 제어 | 기계가 타코제너레이터, 엔코더, 리졸버, 아날로그 기준 신호, PLC 네트워크, 인터록 또는 통합 라인 제어를 사용합니까? | 피드백 또는 제어 인터페이스를 매핑하고 테스트할 수 없습니다 |
| 6. 기계적 변환 | 새 모터가 축 높이, 커플링, 설치 면적, 관성, 외함, 냉각 및 피구동 장비의 제한 사항을 충족할 수 있습니까? | 기계적 변경 사항이 일정이나 예산에서 누락되었습니다 |
| 7. 전기 통합 | 공급 용량, 보호, 절연, 접지, 케이블링, EMC, 고조파, 모터 케이블 길이 및 외함 발열 문제가 해결되었습니까? | 제안서는 드라이브를 독립된 박스로 취급합니다 |
| 8. 수명 주기 실행 | 예비 부품, 서비스 기술, 문서화, 지원 기간, 가동 중단 시간, 시운전 계획 및 롤백 전략은 무엇입니까? | 이 결정은 구매 가격은 비교하지만 전환 가동 중단 시간과 지원 위험은 비교하지 않습니다 |
결과는 다음 세 가지 방어 가능한 경로 중 하나가 될 수 있습니다:
- DC 시스템 유지 및 지원 모터와 기계가 정상 상태를 유지하고 유지보수 및 예비 부품 전략이 지속 가능한 경우입니다.
- DC 드라이브를 교체하거나 현대화하십시오 모터와 기계를 보존함으로써 기술적 변경을 최소화하면서 지원 가능한 제어 기능을 복구할 수 있는 경우입니다.
- AC 모터-드라이브 시스템으로 전환하십시오 DC 모터 또는 지원 생태계가 수명 종료 단계에 있고, 전체 토크-속도 듀티를 재현할 수 있으며, 프로젝트가 기계적, 전기적, 제어, 안전 및 시운전 변경 사항을 수용할 수 있는 경우입니다.
8가지 입력 사항으로 명확한 경로가 식별되지 않는 경우, 올바른 결과는 추측이 아닙니다. 이는 측정된 부하 데이터와 정확한 모터, 드라이브 및 기계 문서를 사용하는 애플리케이션 연구입니다.
요구 사항: 드라이브는 상호 대체 불가
드라이브 제품군을 선택한다고 해서 전기 또는 기계 설계가 완료되는 것은 아닙니다. 완성된 시스템에는 여전히 올바르게 선택된 절연, 단락 및 과부하 보호, 스위칭 또는 바이패스 장비, 보호 본딩, 인클로저 냉각, 케이블 및 모터 절연 조치, 전자기 적합성(EMC) 조치 및 기계 안전 기능이 필요할 수 있습니다.
IEC 61800-3:2022 가변 속도 전력 구동 시스템에 대한 EMC 요구 사항을 다루는 반면, IEC 61800-5-1:2022 는 명시된 범위 내의 전기적, 열적, 화재, 기계적, 에너지 및 관련 안전 위험을 다룹니다. 두 표준 모두 드라이브 데이터시트를 완전한 기계 위험 평가나 설치 설계로 대체하지는 않습니다.
인접한 모터 제어 구성 요소가 필요한 경우, 실제 시스템 부하를 평가하십시오. 하나의 AC 접촉기, 모터 보호용 회로 차단기또는 열 과부하 릴레이 가 드라이브 내부의 보호 및 제어 기능과 자동으로 호환되는 것은 아닙니다. 조정은 드라이브 문서, 적용 가능한 설치 규칙 및 기계의 안전 아키텍처를 따라야 합니다.
최종 선택 규칙
다음을 선택하십시오. AC 드라이브 시스템 제안된 모터가 호환되고, 가변 주파수 AC 제어가 부하 조건을 충족하며, 전체 설치가 모터, 피드백, 냉각, EMC, 제동, 보호 및 안전 요구 사항을 지원할 수 있는 경우입니다. 이는 일반적으로 새로운 범용 산업용 기계를 평가할 때 첫 번째로 고려하는 경로입니다.
다음 중 하나를 선택하거나 유지하십시오: DC 드라이브 시스템 호환되는 DC 모터가 필요하거나 이미 설치되어 있고, 그 상태와 토크-속도 특성이 적합하며, 유지보수, 예비 부품, 제어 장치 및 지원 계획이 전체 교체보다 위험이 낮다고 판단되는 경우입니다.
선택하다 범용적인 답변으로서도 적합하지 않으며 해당 애플리케이션이 특수 서보 포지셔닝, 트랙션 제어, 안전 관련 모션 또는 이 비교 범위를 벗어나는 다른 아키텍처를 실제로 요구하는 경우에는 더욱 그렇습니다.
기술 라벨은 첫 번째 관문일 뿐입니다. 타당한 결정은 드라이브와 모터, 모터와 부하, 그리고 전체 시스템을 해당 운영 및 수명 주기 의무에 맞추는 것입니다.
