텔레다인르크로이의 MDA800은 모터드라이브 분석 기능을 탑재한 오실로스코프이다. MDA800 시리즈가 탑재하고 있는 기능을 이용하면, 모터의 다이나믹 구동 상태 측정 및 분석이 가능하며, 다이나믹 상태와 컨트롤 시스템의 동작을 완벽하게 동기해 모터 드라이브 시스템의 성능을 파악하고 특성을 자세하게 확인할 수 있다.
또한 컨트롤 시스템의 입력 신호와 제어 신호를 동시에 관측하면서 동기된 측정 결과 신호들을 비교 확인하여, 디버깅과 모터를 완벽하게 측정할 수 있다.
완전한 모터 드라이브 시스템의 구성은 삼상 전력 전자공학, 모터/기계의 아날로그와 디지털 센서 그리고 복잡하고 다양한 아날로그, 디지털, 시리얼 데이터 및 펄스 폭 변조신호가 포함된 임베디드 컨트롤로 되어 있다.
3-상 모터는 오래 전부터 현재까지 전기 엔지니어링 부분에서 가장 폭 넓게 사용되고 있으며, 모터가 적절한 속도와 힘으로 회전하도록 제어하기 위해서는 모터 드라이브 시스템이 필요하다.
이에 그림 1에 모터 드라이브 시스템의 개관을 나타낸다. 모터 드라이브는 AC 라인의 전원으로만 동작하는 시스템보다 더 효율이 좋고 더 좋은 동작 특성을 갖도록 제어 방법으로 모터를 구동하는 것이다.
▲ 그림 1. 모터 드라이브 개관
그림 1에서 확인 할 수 있는 것처럼, 모터 드라이브는 AC 라인 전원 입력부분, AC-DC 변환부, 인버터, 게이트-드라이버와 구동을 위한 임베디드 시스템 및 센서의 피드백 부분으로 이루어져 있다.
전형적인 자동 제어 시스템의 구성을 하고 있으며, 센서에서 획득한 정보를 컨트롤러에서 분석하고 신호를 제어하여 모터가 원하는 상태로 동작하도록 한다.
지금까지는 오실로스코프를 이용하여 고속 임베디드 컨트롤 시스템 또는 전력 트랜지스터의 동작을 확인 하고 스위칭 소자의 스위칭 손실을 분석할 수 있었지만, 모터 드라이브 전력과 효율성까지는 측정하지 못했다.
이에 이 글에서는 텔레다인르크로이의 모터드라이브 분석기 특징을 소개하면서 모터 드라이브 시스템 또는 삼상 전력 분석에 어떻게 사용될 수 있는지를 알아본다.
일반적으로 모터 드라이브 시스템은 입력과 출력, DC 버스와 출력을 프로빙하고 전력을 측정해야 하는데, 4채널의 입력을 가진 보통의 오실로스코프에서는 측정이 이루어지지 못했다.
그래서 전력 분석기가 입출력 드라이브 파워와 효율을 측정하는 툴로 사용되고 있지만, 이는 임베디드 컨트롤 파형을 포착하지 못하거나, 포착하더라도 제한적으로 포착할뿐더러 드라이브 시스템 디버깅 기능이 없다.
텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈 오실로스코프는 신호를 입력 받을 수 있는 8개의 아날로그 입력 채널과 디지털 신호를 입력 받을 수 있는 16개의 디지털 입력 채널을 가지고 있다(사진 1).
▲ 사진 1. MDA800 시리즈 오실로스코프는 신호를 입력 받을 수 있는 8개의 아날로그 입력 채널과 디지털 신호를 입력 받을 수 있는 16개의 디지털 입력 채널을 갖고 있다.
모터 컨트롤 마이크로프로세서를 측정하는 경우, 구동 모터로부터 피드백을 아날로그 또는 디지털 방식으로 입력 받아 모터의 현재 상태를 판단하고 고전압 게이트 드라이버를 구동하여 모터를 제어한다(그림 2).
▲ 그림 2. DC 버스, 3상 인버터의 출력, 홀 센서 신호를 포착하여 각 부분에서의 전력 손실 및 효율 측정
따라서 디지털 신호와 아날로그 신호를 동시에 다룰 수 있는 혼합신호 측정 솔루션과 다채널 입력을 반드시 갖추어야 한다. 또한 12비트 분해능을 가진 ADC를 탑재하고 있어, 센서 신호를 정밀하게 관측할 수 있을 뿐 아니라 높은 신호에 실려 있는 낮은 전압과 전류 신호를 정확하게 확인할 수 있다.
모터드라이브 및 제어 측정 기능
텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈 오실로스코프는 모터드라이브 분석 기능을 기본적으로 탑재하고 있어 3-상 입력, DC 링크, 인버터의 출력과 컨트롤러 부분의 측정과 파형 분석이 가능하다.
또 측정을 원하는 부분을 쉽게 설정 및 측정할 수 있도록 모터드라이브 분석기 메뉴를 크게 AC-입력, DC 버스, 드라이브 출력, 메카닉컬 피드백 4 부분으로 구분하고 사용자를 위해 프로빙 결선 방법을 안내하는 기능을 추가했다.
AC 입력부와 인버터의 출력부분의 3-상 측정의 경우 결선방법을 선택할 수 있으며, 3-상 3선식 결선으로 신호를 포착했더라도 3-상 4선식으로 변환가능하다. 또한 2-와트메터 방법으로 모터의 효율과 전력을 계산할 수 있다(그림 3).
▲ 그림 3. AC Input, Drive Output, DC Bus 설정 부분에서는 프로빙을 쉽게 할 수 있도록 프로빙 결선도를 제공한다
모터의 출력은 토크와 속도의 곱[Motor Power(W) = Torque(Nm)×Speed(rad/sec)]으로 표현된다. 이때 인버터의 출력과 모터의 기계적인 파워 손실과 효율을 측정하려면, 모터에서 마이크로 컨트롤러에 제공하는 토오크와 스피드를 입력 받아야 한다.
이를 위해 텔레다인르크로이의 MDA에서는 아날로그와 디지털 속도계(타코메터)와 브러시리스 DC(BLDC) 홀 센서, Quadrature Encoder Interface(QEI)와 리졸버와 속도, 로테이션 또는 포지션 센서 신호 입력을 쉽게 단위 변환 및 계산에 적용할 수 있도록 했다.
한편, 위에서 기술한 설정을 이용하면 전압, 전류, 전력(유효전력, 피상 전력, 무효 전력), 위상 각/역률, 효율 등을 자동 측정할 수 있으며, 그 결과 값을 측정 테이블에 표시하여 측정값을 사용자가 바로 볼 수 있다. 아울러 전력 측정 파라메터 테이블은 일반 신호를 측정하는 파라메터와 별도로 제공하기 때문에 RMS, Frequency, Rise, Fall time 등의 측정은 별도로 확인할 수 있다.
전력 측정 파라메터는 사용자가 원하는 측정 파라메터를 지정할 수 있으며, 최대 120가지의 측정값을 한 번에 확인할 수 있다. 또한 DC 버스/링크 또는 모터에 관련된 Slip, 효율, 로터의 각도 측정할 수 있다.
일반적인 제어 시스템을 보면, 다이나믹 상태 분석과 정상 상태 분석 등 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 그런데 로드의 변화 또는 시작 구동 시 모터를 구동할 때에는 항상 로드의 변화에 따른 전력 및 각 신호의 변화를 관측해야 한다. 이는 갑작스런 로드의 변화에 따라 출력 또는 구동 상태가 변하기도 하며, 과도한 상태변화가 발생시킬 수 있는 문제를 미리 파악해야 안전을 확보할 수 있기 때문이다.
기존의 3-상 파워에 대한 측정용으로 사용하던 전력분석기는, 정상 상태에서의 손실을 파악하는 용도로 주로 사용하고 있다. 그리고 과도 응답을 확인하기 위해서는 오실로스코프를 사용하기도 하지만, 입력 채널의 제한도 문제가 될 뿐더러 정확한 분석 툴을 제공하지도 못한다.
하지만 MDA800은, 충분한 채널 수, 정확한 분석 툴을 가진 오실로스코프 기반의 분석기이기 때문에 이런 과도 상태에서 신호를 포착하고 정확하게 분석할 수 있다. 또한 모든 측정에서 입력 또는 드라이브 출력 신호에 동기된 매 주기마다 파워 값을 측정해, 과도 상태에서의 측정 부분의 파형은 물론 해당 부분의 전력, 효율, 역률 또는 각 파형의 크기 및 모양을 자세하게 관측·측정하여 디버깅에 필요한 정보를 빠르게 제공한다.
그림 4는 모터에 입력되는 신호를 긴 시간동안 포착한 것이다. 그림의 상단은 포착된 파형을 나타내는 것이며, 왼쪽 아래는 컨트롤 신호, 오른 쪽 아래는 모터의 회전 방향이 변화되기 전과 후의 파워 값을 계산하고 파워의 변화를 그래프로 표시한 것이다.
▲ 그림 4. 다이나믹 상태를 포착하여 전력 계산 및 전력 값 그래프(시간적으로 동기됨)
이 분석에서 알 수 있는 것은 ‘회전 방향이 한쪽에서 다른 방향으로 전환될 때 어느 정도의 전력이 소모되느냐’이다. 물론, 이상적인 상태는 변환 시점에서 급격하게 전력 소모가 발생하지 않는 것이다.
MDA800 시리즈는 특별한 ‘Zoom + Gate’ 모드를 제공하여 자동으로 확대 영역을 선택하고, 선택한 부분의 측정값만을 측정 테이블에 제공하는 기능을 제공한다.
이 기능은 선택된 부분의 측정값을 통계적으로 확인하고, 해당 부분의 전력, 위상 또는 역률 및 효율 등을 기준 주파수의 주기별로 측정하여 그래프로 표시하며, 생성된 측정 결과 파형은 모두 시간적으로 동기되어 각 결과 값들의 변화를 비교하고 상관관계를 파악하도록 하는 것이다. 이 기능을 활용하면 사용자가 확대 영역과 위치를 변경하면서 문제가 있는 위치를 바로 확인해보고 해당 순간에 필요한 측정값을 비교할 수 있다.
한편, 모터가 동작하는 동안 열에 의한 전력 손실을 결정하는 것 또한 중요하다. 이를 위해 MDA800는 전력 계산을 전체 스펙트럼과 하모닉 필터를 설정한 조건 두 가지를 동시에 설정할 수 있도록 했다.
이를 통해 전체 스펙트럼과 하모닉 필터를 적용한 전력 계산 결과를 비교함으로써 열 손실을 계산할 수 있는 것이다(그림 5).
▲ 그림 5. 하모닉스 필터 설정 메뉴, AC input과 Drive Output에 각각 다른 필터 설정 가능
그림 6은 와인딩에서 발생하는 열 손실을 측정한 것이다. AC 입력에는 전체 스펙트럼에서 전력을 계산하도록 설정했으며, 드라이브 출력 신호에는 기본 주파수에서의 전력만을 계산하도록 설정했다.
▲ 그림 6. 와인딩에서 발생하는 열 손실 측정
이러한 설정 외에도, AC 입력과 드라이브 출력 신호의 입력을 동일한 신호에서 관측하도록 중복 설정해 하모닉 필터의 설정 차이에 의한 전력을 비교할 수도 있다. Σabc 파라메터는 전체 스펙트럼, Σrst 는 기본 주파수에서의 전력을 비교한 것이다.
그림 6의 측정 결과 테이블을 확인해 보자. Σabc는 3.668W로 측정되었고, 측정된 시간은 907.68ms이다. 에너지는 E(J) = P(W)×t(s)의 식에 의해 계산되므로 Σabc에서는 약 3.33Joule의 손실이 발생했으며, Σrst도 동일한 방법으로 계산했을 때 약 2.51Joule의 손실이 있음을 알 수 있고, 이 두 에너지 손실 값의 차, 0.82 Joule이 회전 방향을 변경하기 전동안의 열 손실이라는 것 또한 알 수 있다.
MDA800은 앞서 설명한 내장된 많은 측정 및 분석기능 외에 최대 메모리 250Mpts/ch를 제공한다. 이 메모리를 모두 사용한다면, 25초 동안 변화하는 신호를 10MS/s의 샘플링 속도를 유지하면서 25초 동안 연속적으로 포착할 수 있을 것이다.
이로 인해 모터의 기동, 로드 또는 로드의 조건이 빠르게 변하는 등의 다이나믹 구동 동작을 이해할 수 있는 정보를 파악할 수 있다. 아울러 구동 응답 문제, 컨트롤 시스템 또는 파워 섹션의 문제점과의 연관성 또한 쉽게 파악 할 수 있다.
MDA800은 기존에 사용자들이 가지고 있는 타사의 프로브나 또는 전류 센서 및 전류 트랜듀서를 텔레다인르크로이의 오실로스코프에 바로 연결하여 사용할 수 있는 CA10 및 TPA10 액세서리를 제공한다(사진 2). CA10을 사용하면 기존에 사용하던 전류 센서를 추가 비용 없이 텔레다인르크로이의 인터페이스에 포함시켜 사용할 수 있으며, 단위 조절 및 자동 크기 조절, EEPROM을 프로그래밍하여 쉽게 사용할 수 있다.
▲ 사진 2. A10을 사용하면 기존에 사용하던 전류 센서를 추가 비용 없이 텔레다인르크로이의 인터페이스에 포함시켜 사용할 수 있다.
오창훈 부장 _ 텔레다인르크로이코리아
