제품 사례–LS 고압 드라이브 

고효율·고역율 통한 에너지 절감 구현

글보벌 산업화가 가속화되면서 전세계적인 에너지 소비의 꾸준한 증가로 인한 자원 고갈과 환경 문제가 글로벌 이슈로 부상 되고 있다. 또한 기후변화 협약에 의해 국가별 탄소 배출권 규제에 따른 에너지 절감과 에너지 사용의 효율성을 향상시키기 위한 국가별 혹은 기업간에 끊임없는 노력이 이어지고 있다. 세계적으로 에너지 세이빙의 요구는 더욱더 증가할 것이며, 이러한 요구에 부흥하는 에너지 절감 솔루션으로 LS고압 드라이브를 소개한다.

유택빈 LS산전 자동화기술팀 차장

LS산전의 고압(Medium Voltage) 드라이브는 콤팩트하면서도 최신 기술의 통합시스템으로 구성되며, 고효율, 고역율을 통한 최적의 에너지 절감 솔루션을 구현한다.
또한 사용자 중심의 인터페이스로 구성되어 손쉽게 운전 조작이 가능하고 원하는 정보를 화면에 디스플레이하여 고객의 편의를 극대화 하고 있다.
이미 신뢰성과 경제성이 입증된 LS산전 저압 드라이브 산업의 리딩 솔루션(Leading Solution)을 기반으로 발전·시멘트·철강·오일&가스·수처리·조선·금속·화학 등의 다양한 분야에서 에너지 절감과 환경보호까지 실현 가능하다.

기본 구성

기존 저압 드라이브를 이용한 고압전 동기 구동 방식은 고압 전원(3.3kV, 6.6kV 등)을 입력받아 강압 변압기 (Step Down Transformer)를 이용하여 저압으로 변환시킨 후, 저압 드라이브를 통하여 VVVF 제어(Variable Voltage Variable Frequency, 가변 전압 가변 주파수 제어)를 행한다. 그리고 그 출력을 다시 강압 변압기를 이용해 고압으로 승압하여 사인 필터(Sine Filter) 등을 거쳐 고압 전동기를 구동하게 된다.
이러한 방식은 시스템 구성이 복잡하고 필터나 변압기 등의 설치가 수반되므로 설치 공간상 불리하며, 상대적으로 케이블 설치비용이 고가이면서, 시스템 효율이 떨어지는 단점이 있다.

LS산전의 고압 드라이브는 고압 전원을 바로 입력받아 변압기나 사인 필터 및 고조파 필터(Harmonic Filter) 없이 고압 전동기를 직접 구동 및 속도 제어 가능한 모터 드라이브이다.
LS 고압 드라이브는 변압기부, Power Cell부, 제어부 3가지 섹션으로 구성되며 H-Bridge Multi-Level Cascade Topology 방식으로 구성되어 있다.

 ① 다권선 위상차 변압기부 : 셀 입력 전압은 단자대로 서로 연결되어 있다. 또한 건식타입의 다중펄스 다권선 위상 변위 변압기(36Pulse/18 Winding)가 장착되어 있으며 입력전압 변동에 따른 탭이 구성되어 있다.

② Power Cell부 : 저압 단상 셀 드라이브가 각 상당 6개가 직렬연결(6.6kV 경우) 되어 있다. 이는 25레벨의 3상 출력 전압을 발생하며, 셀의 유지 보수가 편리하도록 설계되어 있다. 각 셀은 분 산제어 방식을 이용 PWM 스위칭을 하고, 자체적인 셀 보호기능과 바이패스 기능이 기본 내장되어 있다.

③ 마스터 제어부 : 멀티레벨 PWM 출력전압을 제어하기 위한 마스터 제어부가 위치하며, 각 셀들과 광통신으로 드라이브를 제어하게 된다. 또한 시스템 진단과 모니터링이 가능한 사용자 중심의 HMI가 기본으로 설치 되어 있다.

주요 특징

1. H-브릿지 멀티레벨 캐스케이드 토폴로지 적용에 의한 높은 신뢰성

저압 드라이브와 달리 고압 드라이브는 제조업체에 따라 Power회로부 토폴로지가 다르고, 적용된 소자 및 제어기법 등도 각기 다른 방식으로 제품들을 출시하고 있다.
멀티레벨 인버터는 기존의 2-레벨 인버터 방식과 비교하여 직렬 연결된 소자를 사용할 때 발생하는 스위칭 소자의 차단전압 불균형 문제가 발생하지 않으며, 동일한 스위칭 주파수에서 출력 전압 파형을 정현파에 가깝게 만들어 고조파 성분을 대폭 감소시킬 수 있다.
또한 전압 변화율(dV/dt)를 감소시켜 전압 반사파에 의한 전동기의 절연 열화 현상 등을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.  

 

LS산전의 H-브릿지 멀티레벨은 그림3과 같이 저압의 단상 인버터(Cell)를 필요한 전압만큼 직렬로 연결하여 고압의 출력을 얻는 방식이다. 이러한 방식의 고압 드라이브 장점으로는,

① 다권선 위상차 변압기 사용으로 입력 THD가 낮으며, 전압 스텝수가 여러 단계이므로 출력 THD가 낮기 때문에 입출력 필터의 추가적인 사용이 불필요하다.

② 개별 Power Cell 고장 발생시에도 설비를 중단하지 않고 설비 운전이 가능하다.

③ 전압 반사 영향이 적기 때문에 인버터와 전동기 사이의 거리가 멀어도 무관하다.

④ 저압의 Power Cell 단위로 설계, 구성되기 때문에 범용 및 신뢰성이 확 보된 소자의 채택으로 유지 보수 시 신속성과 편의성이 증대된다.

2. 설비의 안정적이고 최적화 운전을 위한 고기능·고성능

운용되는 설비는 최적의 운전조건으 로 가동되어야 하고, 설비 가동 중단이 없도록 드라이브에서 최적의 기능과 성능을 제공해 주어야 한다.
LS산전의 고압 드라이브는 설비의 안정적이고 최적화 운전을 위한 고기능·고성능을 제공한다.

① 우수한 토크 성능 : LS산전의 검증된 저압 범용드라이브 기술을 바탕으로 강력한 센서리스 알고리즘을 탑재하여 저속영역에서 토크 특성과 속도제어의 정밀도를 높였다.

② Flying Start : 관성이 큰 부하 시스템에서 최초 기동 시 자연 대류 등의 외부 원인으로 인해 FAN이 회전하고 있는 경우, 드라이브가 전동기의 속도를 자동으로 탐색하여 전동기를 무리 없이 효과적으로 기동한다.

③ 셀 바이패스 기능 기본 내장 : 드라이브 운전중 임의의 셀이 고장이 난 경우, 고장 셀을 자동으로 바이패스 시키고 운전을 계속할 수 있도록 하여 설비 가동의 중단 없이 계속 운전을 할 수 있다.

④ Cooling FAN 속도 자동 조절 : 드라이브 내부온도에 따라 Cooling FAN 의 속도를 자동으로 조절하여 FAN 소음을 획기적으로 줄일 수 있으며, FAN 의 수명 연장이 가능하다.

⑤ 제어 전원 및 광통신 라인 이중화 : 제어전원을 별도의 독립된 전원 2곳에서 제공함으로써 한쪽 전원의 이상이 발생해도 정상운전이 가능하며, 광통신 라인을 이중화하여 신뢰성을 강화했다.

⑥ 다양한 통신 옵션 제공 : Device Net, CANOpen, Profibus-DP, Lon Works, Modbus-RTU 등 산업현장의 다양한 통신 옵션을 제공한다.

 

3. 사용자 중심의 최적화된 모니터링 시스템

 

LS산전 고압 드라이브는 한글 지원이 가능한 12.1인치 광시야각 LCD를 채택했으며, 터치스크린 방식으로 손쉽게 운전 조작이 가능한 인터페이스를 구축하여 사용자 편리를 위한 최적의 솔루션을 구현했다.
통신 표준과 System View 내장으로 다양한 시스템에서 유연한 적용이 가능 하며, 상위 시스템의 원격운전 및 운전 상태 모니터링이 용이하다.

주요 기능

· U,V,W 상의 각 셀에 대한 통신, 고장, 바이패스 정보 표시

· DL-Link 전압 표현

· 인버터의 연결정보 표시

· 폴트 이력, 이벤트 이력, 셀 진단 이력 표시

· Short Term이력 : 시간,목표 및 출력주파수, 출력전압/전류, 시스 템 상태 운전상태

 · Long Term이력 : R/S/T상 입력 전압, 인버터 온도, 순시전력, 트립 정보

 · DRV, FU1, FU2, I/O, CELL 의 파라미터를 설정

 · 파라미터 업로드, 다운로드, 수정, 파일저장, 열기 등이 가능 · 통신에 관련한 환경을 설정 함.

 · 통신 포트, 통신 속도 등의 시리얼 포트 환경 설정

· 인버터 국번 및 통신 방법 선택 등의 통신운용 환경 설정 주요 기능 다권선 위상차 변압기부 셀 드라이브부 마스터 제어부