인버터 펌프제어 절감사례

인버터 펌프제어 절감사례

 

 

1. 인버터의 개요

건물이나 공장에서 흔히 볼 수 있는 기계중의 하나가 유체 기계인 펌프와 송풍기이며, 이러한 기계는 설계 시 최대 부하를 기준으로 하여 용량을 선정하게 되고 또한 안전율을 적용하기 때문에 실제 운전시에는 많은 여유가 있으며 에너지의 소비도 많아지게 된다. 사용처의 부하가 일정할 때에는 송출유량을 적절한 방법으로 줄여 동력을 줄일 수 있으나 사용처의 부하가 변동 시에는 수동적인 방법으로는 되지 않고 유량이나 압력이나 온도의 변화를 감지하여 이를 일정하게 유지시키는 방법으로 유체기계의 회전수를 조정하는 방법이 있다.

이러한 회전수를 제어할 수 있는 방법으로 인버터가 있으며 이는 어떤 신호를 받아 주파수를 변화시켜 유체기계의 회전수를 변화시킴으로 소비동력을 줄일 수가 있다. 회전수와 주파수와의 관계로

회전수 = 120 x f / P(f=주파수, p=극수) 의 관계가 있어 주파수를 줄이면 회전수가 감소하게 되고 또한 회전수에 따른 동력의 변화는 회전수의 3승에 비례하며 줄게 된다. 이러한 원리를 이용하여 과설계되고 부하의 변동이 있는 곳인 가공라인의 냉각수 공급계통에 적용하여 소비 동력을 절감한 사례를 소개한다.

 

 

2. 시스템구성

적용한 가공라인은 전부 11개였으며, 1개의 라인에 여러 개의 machining center가 있으며 각 라인에는 냉각수를 공급하는 펌프가 병렬로(100% × 2)연결되어 있다. 각 라인은 유사한 시스템이며 가공라인의 안정성을 위하여 펌프의 용량을 크게 선정하였고 과대한 냉각수를 줄이는 방법으로 펌프 토출구에 Header를 만들어 여기에서 일부를 항상 지하 저수조로 우회시키고 있었으며 M/C 사이에도 by-pass 라인을 만들어 일정유량을 지하 저수조로 보내고 있었다.

또한 각 M/C에서는 가공을 하지 않을 경우 냉각수의 공급이 필요 없어 필요한 냉각수의 량도 변하게 된다. 이렇게 by-pass되는 line을 전부 잠글 경우 각 M/C에서 나오는 냉각수가 많아 이를 줄여야 하며 이 방법으로 펌프에 인버터를 연결 회전수제어를 하는 방법을 채택하게 되었다.

이를 위해 라인의 거의 말단부에 일정한 압력을 유지시키기 위한 압력 센서를 설치하여 여기에서 신호를 받아 회전수제어를 하는 방법을 채택하였고 또한 급격한 압력변화에 신속히 대처하기 위하여 팽창탱크를 펌프 토출구에 설치하였다.

 

 

3. 인버터(PANEL)의 기능

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앞에서 기술한 바와 같이 자동화된 가공 공정에서 냉각수의 과부족은 많은 부품 불량품을 만들 수 있으므로 이에 대한 대책으로 인버터 판넬에 몇 가지 기능을 추가하였다(표01 참조).

 

< 표01. 인버터의 설정 >

분 류	명 칭	내 역	범 위	단 위
운전상태	운전 상태	B/P의 운전/정지	정지운전
압력제어	설정 압력	기준압력	0.0~5.0/10.0/20.0	bar
	마찰 손실	마찰손실	0.0~5.0/10.0/20.0	bar
	압력 제어	압력제어방식	토출/말단
	상한 압력	상한압력	0.0~5.0/10.0/20.0	bar
	제어 주기	샘플링주기	0.2~10.0	초
	비례 정수	비례이득	0~1000.0
	적분 시간	적분시간	0.0~99.9	초
	미분 시간	미분시간	0.0~99.9	초
	포화 방지	Anti-Wrap 시간	0 ~ 99	초
운전방식	수동 운전	운전시간	자동, 수동
	원격 운전	원격운전	ON/OFF
	정전 복귀	정정복귀시간	자동, 수동
	자동 전환	반자동 전환방식	자동, 수동
반자동 운전	압력 편차	압력편차	0.0~2.5/5.0/10.0	bar
	압력 감지	압력감지시간	0~120	초
	평균 운전	평균감지시간	0~120	초
Schedule운전	예약시간	예약시간	WW:HH:MM
	예약압력	예약압력	0.0~5.0/10.0/20.0	bar
	예약건수	총 예약건수	0~35	없음
소유량 운전	N/P 유량	소유량 임계유량	0.0~20.0	%
	N/P 압력	소유량 임계압력	0.0~5/0/10.0/20.0	bar
	N/P 지연	소유량 감지시간	0~120	초
시간설정	현재 시간	현재시간
압력제어	펌프 대수	펌프대수	1~5	대
	최소 운전	최소운전시간	0.0~30.0	분
	최대 용량	최대운전주파수	60~120	He
	최소 용량	최소운전주파수	0~60	He
	OVR DRIV	Over Drive시간	0~999	초
	P/T 종류	P/T 종류	5/10/20	bar
소유량 운전	N/P 대수	소유량펌프대수	D/1	대
돌입전류 방지	동작지연	ON/OFF 지연시간	0~15	초
접점극성 설정	입력접점설정	입력접점의 극성	A/B
A-IN범위설정	A-IN입력설정	Analog 입력범위	5V10V(4-20mA)
Rotary 운전	Inv.펌프지정	Inv. Rotary 지정	포함제외

 

 

 

4. 에너지 절감량

실제로 인버터를 부착 운전해 본 결과 M/C사이의 by-pass량은 적어 운전치에 영향을 미치지 못했으며 가장 큰 영향을 미치는 것은 펌프 Header에서의 by-pass량이었다. 이중 1개의 line을 표본으로 선정 인버터를 부착 측정해 본 결과 약 72.1%의 동력이 절감되었다. 이 측정치는 장시간 동안의 운전 결과가 아니므로 장시간 운전시 약간의 가감이 있을 수 있는 점을 감안할 필요가 있다.

 

Sample Test 내용

전동기 동력 : 30 kW

전 류 : 43A (기존 운전 시)

전 류 : 12A (인버터 적용시 평균 전류)

절감율: 72.1%

 

 

5. 기대효과

11개 line 전체에 대하여 년간 운전 절감비는 약 85,000,000원, 투자비는 131,900,000원으로 단순투자 회수기간은 1.5 년으로 나타난다.

인버터에 의한 회전수 제어를 하여 에너지를 절감할 때 가장 손쉽게 접근할 수 있는 기계는 유체 이송 기계인 펌프와 송풍기이며 부하의 변동이 큰 경우 더 많은 효과를 볼 수 있다. 그러나, 인버터의 가격이 비싼 점을 고려하여 경제성을 잘 검토하여야 한다.