Inverter(인버터)의 용량 계산 및 회로 구성 – 전장설계 기초 교육 CFG2

1. Inverter(인버터)의 용량 계산 및 회로 구성

출처:LS Electric Manual

용량계산(Capacity Calculation) 및 구성(Configuration) 카테고리를 다룰 때에는 기본적으로 필요한 것이 있습니다.

바로 메뉴얼(Manual)이죠 메뉴얼이 아니더라도 적어도 카탈로그에 우리가 필요한 내용이 적혀 있어야 합니다.

제가 개인적으로 소지만 자료만 약 50GB 정도 되는데요. 그토록 다양한 메이커와 다양한 제품들이 있고 각 부하에 따른 특성이 있습니다.

하지만, 모든 부하들이 마찬가지지만 2가지의 용도와 3가지의 특성이 있습니다. 3가지의 특성은 앞전 “part”부분 카테고리에서도 말씀드렸지만 유도성, 용량성, 저항성 부하 이고 2가지의 용도는 동력, 제어 입니다.

• 부하의 용량 계산과 구성을 알려면, 그 부하의 메뉴얼이 필요하다.
• 부하는 2가지의 용도(동력, 제어)와 3가지의 특성(유도성, 용량성, 저항성 부하)가 있다.
• 해당 Part 는 동력,제어전원(Interface)이 들어가 있고, 유도성(동력전원) 부하와, 용량성(제어전원)이 포함되어 있다.

1.1. Inverter(인버터)의 용량 계산

출처: LS Electric Manual

위 그림은 자동화에서 많이 쓰이는 LS Electric社 의 “G100(C)” 카달로그中 일부를 발췌 하였습니다.

(이전글과 전기적인 측면에서 부하의 특성은 비슷합니다.) 앞써 설명 드렸지만 전기용량을 구할때, 필요한 것은 주회로 전원 입력 입니다. 우리가 제일 처음에 있는 400W급 인버터를 를 사용한다고 가정 하였을때, 위 카달로그에 적힌 주회로 전원 입력의 “A” 는 3A(경부하) 입니다.

이전(서보 모터 드라이버 설명)글에서 용량 구하는 방식은 설명드려 따로 설명 드리지는 않겠습니다. [서보 모터 드라이버 설명 글]

하지만, 인버터 선정 시, 서보 모터 드라이버와는 조금 다르게 선정해야 합니다. 서보 모터 드라이버는 메뉴얼 및 카달로그에 모터+드라이버 조합이 정해져 있지만,인버터는 부하가 보통 3상 유도 모터(유도성부하)를 사용 합니다.

다르게 선정해야 하는 이유를 2가지 말씀드리겠습니다.

1. 유도성 부하는 부하에 저항이 생기면 생길수록 전류가 많이 흐르게 됩니다. 간단한 예시로 우리가 자동차를 운전할 때, 평지에서 운전하는 것보다 저항이 많은 언덕길을 올라갈 때, 기름이더 많이 소모되는 것과 같은 원리 입니다.
   3상 유도모터를 일반적인 “Conveyor” 같은 부하로 사용할때는 모터와, 인버터 드라이버의 용량을 같은 값으로 해도 문제는 없지만, “Crane”과 같이 견인력이 필요한 부하를 사용할 때는 인버터의 용량을 한단계 높혀 사용하는 것이 좋습니다.
2. 모터의 회전속도을 결정하는 공식에 “동기속도” 공식이 있습니다. N=120F/P 이며120=상수, F=주파수, P=모터의 극수 입니다.
   4극 모터면 N=1800rpm 이 나오는데 모터 명판을 보면 1770, 1740rpm 등 실제 동기속도와 다르게 나옵니다. 그 이유는 슬립(저항) 때문에 동기속도 보다 조금 낮은 rpm이 나옵니다. 이로인해, 모터의 동기속도를 거의 Full 로 사용하는 경우에도 부하(모터)의 용량 대비 한 단계 더 큰 인버터를 사용 합니다.

• 인버터는 F=주파수를 변경하여 모터의 회전속도를 제어 한다.
• 인버터 드라이버는 부하를 보통 3상유도 모터를 사용한다.
• 일반적인 경우에는 부하와, 인버터의 용량을 동일하게 사용한다.
• “Crane”과 같이 견인력이 필요한 부하에는 모터의 용량보다 한 단계 더 큰 인버터를 선정한다.
• 부하의 rpm 을 Full 로 사용하는 경우에도 모터의 용량 보다 한 단계 더 큰 인버터를 선정한다.

1.2. Inverter(인버터)의 회로 구성

출처: LS Electric Manual

회로를 구성하기 전 미리 말씀드린 것 처럼 부하의 종류를 알아야 합니다.

Inverter 의 부하특성은 어떻게 될까요? 모터를 제어하니 “유도성부하”라고 판단하시면 됩니다. 하지만 일반적인 유도성 부하는 아닙니다.

단순히 순수 Coil만 내장되어 있는 부하가 아닌 콘덴서, 다이오드, 코일, 제어기 여러가지 복합적으로 내장되어 있는 부하 입니다.

메뉴얼 상에는 MCCB(배선용 차단기) 및 종속형 CP(회로보호기)를 사용해도 된다고 되어 있습니다.

그럼 저는 어떻게 회로를 구성하는지 보여드리겠습니다.

출처: Nalayang

사실 이전 페이지에 적어놨던, Servo Driver 와 구성은 비슷하긴 하지만, 다시 한번 설명 드리겠습니다.

1. MCCB: 메인 배선용 차단기. [배선용 차단기 설명 글]
2. Noise filter: Inverter 와 같이 변조가 많은 Controller or Noise에 민감한 장치 앞단에 사용. [노이즈 필터 설명 글]
3. MC: 위 그림에서 MC 는 위험한 상황(긴급 정지) 가 필요할 경우, 동력 차단을 위한 Safety 사양에 따라 2중화 MC 를 설치. [전자 접촉기 설명 글]
   • Safety 회로에서 ISO13849-1 “PL d” 이상은 차단장치가 2중화로 되어 있어야 한다.
4. CP: Servo Driver의 동력 전원을 차단하기 위하여 설치. [회로 보호용 차단기 설명 글]

메뉴얼상에는 Noise filter 를 MC(전자 접촉기) 2차측에 구성하라고 되어있지만, 장비 사양서에는 제어전원은 Noise filter 2차측 Line 에서 구성하라고 되어 있습니다.하지만 보편적인 고객사의 장비 사양서에 의해 위치를 변경 하였습니다.

또한, 각 고객사 별로 GPS, AVC(제 경험상 LGDispaly 만있습니다.) UPS 등 부하별 전원구성이 다 다릅니다. (각 고객사별 사양서를 참조하시기 바랍니다.)

• Inverter는 유도성 부하로 분류 된다.
• 기본적으로 배선용 차단기를 사용해야 하지만 회로 보호용 차단기는 종속형을 사용하게 되면 크게 문제가 없다. (메뉴얼 기재)
• 동력 Line은 Noise filter 와 동력 차단용 MC(2중화) 를 구성한 후, CP 를 거친다.
• 제어 Line 은 각 고객사의 사양에 따라 다르겠지만, UPS 제어 전원 or GPS(AVC)Line 의 Noise filter 를 거친 MC 1차측에 구성한다.

다음 그림은, Inverter 의 상세 도면 입니다.

출처: Nalayang

• 동력전원: 주로 3상으로 사용하며, 비상 상황 시, 전원을 차단하게 구성.
• Interface: 저,중,고 속도, Alarm, Reset, Status 등 Inveter의 신호과 관련.
• 통신: 해당 모델은 RS-485 통신을 사용한다.
• 외부전원: Motor에 공급되는 전원이다.