우리는 한동안 모터의 속도를 조절하지 못하는 시대에 살았습니다. 기술이 점차 발전하면서 모터의 속도를 실시간으로 조정해서 사용할 수 있게 되었습니다. 이것이 VFD의 등장입니다. 에너지 절감하면 빼놓을 수 없는 VFD에 대한 이야기를 시작합니다.
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ToggleVFD란?
VFD는 Variable Frequency Driver의 약자로, 한국어로는 ‘가변 주파수 드라이브’라고 합니다. 주파수를 변경해서 모터의 속도를 조절하는 장치를 말합니다.
모터의 속도를 조절하는 주요 방법에는 두 가지가 있습니다. 전압을 변경하거나 주파수를 변경하는 것입니다. 우리는 이것을 Variable Voltage (전압 변경) Variable Frequency (주파수 변경), VVVF라고 부릅니다. VVVF는 전압을 변경하는 것보다 주파수를 변경하는 경우가 일반적입니다.
VFD는 Inverter, VSD(Variable Speed Driver)라고도 부릅니다. 별칭이 참 많지만, 주요 목적은 모터의 속도를 조절하는 기기라는 것을 기억하면 됩니다.
VFD는 왜 사용할까?
에너지 절약
VFD가 없었던 시절로 가 보겠습니다. 이 때의 모터는 정해진 속도로, 정해진 힘만 출력할 수 있는 기기였습니다.
엔지니어들이 모터를 설계할 때, 모터의 힘이 가장 많이 필요할 때를 기준으로 모터를 선정했을 것입니다. 어쩌면 여기에 가중치를 또 고려 했을수도 있습니다. 그렇기 때문에 모터가 그만큼 돌지 않아도 되는 순간에도, 모터는 힘차게 돌아가고 있었을 것입니다.
조금 더 쉽게 설명해보죠. 여기에 에어컨이 하나 있습니다. 에어컨 모터의 속도를 조절할 수 없기 때문에 에어컨은 강풍으로만 동작할 수 있게 되어 있습니다. 주변 날씨가 너무 더워도, 선선해도, 추워도 강풍으로만 동작할 수 있습니다. 사람들은 에어컨의 풍량을 조절할 수 없었습니다. 그래서 에어컨의 바람이 너무 강하다 싶으면 에어컨의 바람이 나오는 구멍 절반을 판으로 덮어서 사용했습니다. 이게 바로 VFD가 없던 과거의 모습입니다.
얼핏 들어도 에너지가 낭비된다는 게 느껴지지 않으시나요? 마치 에어컨 틀고 동이불 덮는 수준인데요. 이처럼 에너지의 낭비를 막기 위해 VFD를 사용하게 되었습니다. VFD를 사용하면 우리가 더울 땐 에어컨을 세게 틀 수 있고, 선선하면 좀 더 약하게, 추우면 에어컨을 끌 수 있기 때문입니다. 기술적인 용어로 정의하면, 모터에 연결된 부하에 맞게 모터의 속도를 연속적으로 제어할 수 있도록 해 주는 기기입니다.
정확한 속도 제어
VFD는 모터가 정확하게 속도를 제어할 수 있도록 해 줍니다.
일부 특수한 기기의 경우는 기기 하나에 Fan과 모터를 이중으로 설치합니다. 이 때. VFD는 두 모터가 정확한 속도로 동작할 수 있도록 상호 충돌을 막고, 한 모터가 과도하게 동작하는 것을 방지할 수 있습니다.
요즘은 대부분의 기계 업체에서 VFD 제어가 가능하도록 기계를 만듭니다. 그리고 기기와 VFD를 패키지로 납품하는 경우도 많아졌습니다. 특히 Chiller와 같은 대형 기기의 경우는, 반드시 벤더에서 공급하는 VFD를 사용하거나 벤더에서 지정한 VFD를 사용해야 합니다. 그래서 보통 패키지로 발주, 납품 받는 경우가 많습니다.
VFD 주의사항
VFD는 동작 원리로 인해 일련의 Pulse를 방출하게 됩니다. 이러한 Pulse는 VFD와 모터를 연결하는 케이블에 손상을 줄 수도 있습니다. 이 Pulse가 선간 정격 전압을 초과하는 전압을 생성하면, 케이블과 모터 권선 사이에 힘을 발생시켜 절연 불량으로 이어질 수 있기 때문입니다. 230V 이하의 모터에서는 큰 문제가 없다고 알려져 있지만, 480V 이상에서 동작하는 모터에서는 문제가 됩니다.
이 경우에는 VFD와 모터 사이의 거리를 최소화하고, VFD 벤더에서 지정한 케이블을 사용하여 Pulse의 영향을 줄이는 것이 중요합니다. VFD에 사용 가능하도록 설계된 케이블이 별도로 있습니다. 또, Pulse를 제거할 수 있는 필터를 설치하는 것도 좋은 방법입니다.
또, VFD는 모터의 베어링에도 영향을 줄 수 있습니다. VFD에 의해 생성된 Pulse는 모터의 샤프트와 케이스 사이에 전압차를 발생시킬 수 있습니다. 이 전압차가 충분히 크면 베어링에 스파크가 발생해서 손상을 입을 수 있습니다. 이 때도 VFD 전용 케이블을 사용하면 이러한 상태를 예방할 수 있습니다.
결론
오늘은 VFD는 부하가 필요로 하는 양에 맞게 모터의 속도를 제어해서 에너지를 절감 시킬 수 있는, 에너지계의 효자템입니다. 하지만 전기설계 입장에서는 VFD가 일련의 Pulse, 고조파를 만들어내는 장치 중 하나이기 때문에 전력 품질에 영향을 주지 않도록 신경을 써야 합니다.
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