A-S 드라이브 시스템에서 일어나는 문제는 드라이브의 결함으로 인해 발생하는 것보다 사용자가 응용사례를 충분히 분석하지 못해 발생하는 경우가 더 많다. 이런 경우 드라이브를 채택하거나 교체하기에 앞서 드라이브 성능을 최적화하기 위해 해야 할 일과 하지 말아야 할 일들에 대해 살피는 것이 도움이 된다.
글｜탐 카론, Norman Equipment 제품 담당 책임자(www.normanequipment.com)
 

현재 두 가지의 업계 동향이 모션컨트롤 응용사례에서 드라이브를 선택하는 과정에 영향을 미치고 있다. 소형화와 공학기술 특화가 그것이다. 작업을 더욱 간편하고 쉽게 만드는 요인이다. 

하지만 여기에는 단점도 따른다. 드라이브를 선택 및 설치하기 전에 완전하게 모션컨트롤 응용사례를 분석하는 것이 중요한 사항으로 부상한 것. 철저한 분석은 우리가 현장에서 겪게 되는 함정을 피할 수 있도록 도움을 준다.

Don’t: 

제조업체는 드라이브에 다양한 기능들을 추가하고 있다. 마이크로프로세와 센서 등이 대표적이다. 이들 장치는 모터를 모니터링함은 물론 피드백에 필요한 인코더와 리졸버를 없애는 역할도 한다.

하지만 모든 응용사례가 이러한 최신 드라이브 기술 혹은 특징을 필요로 하는 것은 아니다. 
 

예를 들어 벡터 드라이브가 세상에 막 등장했을 때, 많은 이들이 장비를 구입했다. 응용사례가 2대1 혹은 3대1의 속도 범위에서 속도 가감 운용을 필요로 하는 경우에도 말이다. 이 경우 불필요한 지출이라고 할 수 있다. 낮은 속도에서 오버홀(개조) 부하를 포함하는 응용사례에서도 벡터 드라이브는 과한 것으로 간주된다. 

반면, 벡터 드라이브는 특정한 상황에 놓였을 때 제 능력을 100% 발휘할 수 있다. 모터 속도범위 중 낮은 부분에서 작업해야 할 때를 예로 들 수 있다.

새로운 기능은 일반적으로 비용을 20 내지 30% 가량 높인다. 적절한 드라이브 선택이 중요한 이유다(비단 드라이브만의 문제가 아니긴 하지만). 최신 제품을 적용하기 전에는 작업자가 작동시킬 수 있는지, 유지보수 기술자가 정비할 수 있는지, 비용 상승이 응용사례에 타당한지 등을 검토해보아야 한다.

Do: 

A-S 모터를 사용할 때에는 냉각이 부적절한 상황을 종종 목격하게 된다. 이는 장비를 과열시키며, 개발상의 문제를 일으킨다. 이 경우, 사람들은 드라이브에 책임을 전가하고는 한다. 하지만 이는 잘못된 생각이다.

모터가 부하가 완전히 작용했을 때를 기준으로 기저 속도의 60% 속도 미만으로 작동하는 경우, 별도의 팬을 사용해 냉각하는 것이 가장 좋은 방법이다. 

또한 모터 샤프트에 모터 팬을 장착해 모터를 충분히 냉각하는 것이 바람직하다. 모터가 느리게 작동하면 모터 팬의 속도도 느려지며, 모터에 유입되는 공기가 감소하는 결과를 낳기 때문이다. 5hp 이하의 모터의 경우 더 큰 모터를 선택하거나 완전히 밀폐된 비 환기(Totally Enclosed Non Ventilated, TENV) 모터를 사용하는 것이 대안이다.
 

모터를 적절하게 냉각하기만 한다면 AC 및 DC모터에서 0이라는 속도(Zero Speed)를 얻는 것도 가능하다. 많은 AC 벡터 드라이브가 풀 토크 상황에서도 거의 0에 가까운 속도를 낸다. 하지만 여전히 한계는 존재하다.

Do: 

드라이브는 서로 호환되는 모터와 함께 사용했을 때 가장 원활하게 작동한다. 특히 새로운, 고능률 설계를 자랑하는 모터일수록 더 나은 작동을 보장한다. 종종 새로운 드라이브를 기존의 모터와 혼용하는 경우도 많은데, 이는 많은 비용을 초래한다. 장치의 호환성을 감안하지 않았기 때문이다.
 

AC 드라이브와 저렴한 AC 모터를 혼용하면 제한적인 상황 내에서 탈출 토크(Pull-Out Torque)를 제공하는 데에 한계가 생긴다. 보다 늘어난 속도 범위 내에서 벡터 드라이브를 활용하고자 한다면 해당 벡터 드라이브와 함께 작업할 수 있도록 설계된 모터가 필요하다. 
 

기존 PWM A-S 드라이브 또한 병용할 수 있는 기능을 갖춘 모터가 필요하다. 고체 상태의(Solidstate) A-S 드라이브는 모터에 고조파(Harmonics)를 전달하기 때문이다. A-S 드라이브에 투자할 예정이라면, 드라이브 가격에 다소의 요금을 추가해 호환 가능한 고효율 모터에 투자하는 것을 추천한다.

특정 사례를 살펴보자. 일부 작업자들은 일정 속력을 유지하며 잘 작동하는 기어열(기어 트레인)을 가지고 있었다. 이들은 이 기어열에 속도를 조절할 수 있는 드라이브를 탑재했을 경우에도 지금까지와 동일하게 작업을 이어나갈 수 있을 것이라 생각했다.

하지만 기존의 기어는 비산 윤활(Splash Lubrication) 시스템을 사용하고 있었다. 이는 기어박스 속도가 감소함에 따라 기어에 더 적은 윤활유가 분사됨을 의미한다. 결국 기어박스는 고장을 일으켰다. 그 책임은 모두 드라이브에 돌아갔다. 

이와 유사한 문제를 방지할 수 있는 방법 중 하나로 같은 제조업체의 모터와 감속기 그리고 드라이브를 구입해 사용하는 것이 있다.
 

모든 부하와 움직임에 대한 매개변수를 정확하게 계산해야 함을 뜻한다. 실제로 분석 및 연구에 중요한 요소 및 요인들을 포함하지 않는 경우를 자주 접하게 된다. 예를 들어, 구동기기에 따라 부하가 달라진다. 하지만 응용사례 내에 최적화된 작동조건을 결정할 때, 시작 토크 및 동작 토크, 모션시스템 내에 신소재를 투입했을 때 일어날 수 있는 현상, 구동기기를 안정적으로 유지하는 방법 등은 자주 생략되고는 한다.
 

벨트 구동장치(Belt-Drive)에 쓰인 모터를 예로 듦으로써 일반적인 오류를 살펴볼 수 있다. 이러한 현상의 원인은 드라이브가 아니다. 궁극적인 문제는 벨트 재질의 변화에 경험이 부족하거나 낯설기 때문이다. 

20년 전에는 신축성이 있는 끈을 탑재했다. 따라서 긴장 상태에서 벨트가 늘어나는 일이 일어나고는 했다. 반면 오늘날의 벨트는 유리섬유로 만든 끈을 사용한다. 따라서 늘어나거나 하는 일이 없다. 벨트 제조업체는 벨트가 장력을 버틸 수 있는지, 모터 축에 가해지는 오버헝 하중 혹은 축 구동장비에 관계없이 작동하는지 등을 명시 및 권고한다.

유리섬유 벨트는 기존의 신축성 있는 벨트보다 사양이 더욱 엄격하다. 벨트가 한층 팽팽함을 뜻한다. 또한 결코 느슨해지거나 이완되는 일이 없다. 결과적으로 모터는 정도가 덜해지지 않는 오버헝 하중을 갖게 된다.
 

경우에 따라 부하를 견디지 못해 모터가 부서지는 결과를 초래하기도 한다. 하지만 이 경우에도 사용자들은 드라이브에서 그 원인을 찾고는 한다. 작업자 및 유지보수 직원들은 이러한 문제를 막기 위해 벨트 제조업체가 권장하는 최대 장력을 살피고, 구동기기 및 모터 축을 살핀 뒤, 이를 바탕으로 사용할 수 있을 만한 오버헝 하중을 생성하는 시스템을 구성해야 한다.

부하를 계산하는 것은 어려운 일이 아니다. 통합 시스템을 사용하는 경우에도 계산이 용이하다. 총 부하에 대해 확신하지 못하거나 자신이 없는 경우에는 Current Clamp(Clamp-Onametter라고도 한다)을 이용해 모터 전류를 측정할 수도 있다. 이는 동일한 속도로 작동하는 모터 용량(능력)의 비율을 결정하는 시발점이 된다.

Do: 

모터와 드라이브의 크기를 결정할 때에는 전체적인 환경을 보는 것이 중요하다. 많은 드라이브 제조업체는 모터 크기를 늘리고자 한다면 드라이브의 크기 역시 늘리는 것을 권장하고 있다. 하지만 대부분의 사용자가 이런 권고를 무시하고 있는 실정이다. 
 

1750rpm으로 동작하는 응용사례에서는 20hp의 드라이브로도 충분히 작업할 수 있다. 하지만 600rpm으로 동작하는 응용사례에서는 30hp 모터와 동시에 25hp 드라이브가 필요하다. 서로 다른 조건 하에서 작동하기 때문이다.

특정한 응용사례에서 모터 크기를 잘못 선정하면 과열 현상을 일으킨다고 알려져 있다. 여기에 대한 해답 중 하나는 모터를 더욱 크게 설정하는 것이다. 다른 해결책으로는 모터에 별도로 전원을 공급받는 팬을 설치하거나 TENV 모터를 선택하는 것 등이 있다.

기술자들은 섣불리 모터 크기를 키우거나 하면 안 된다. 하지만 특정한 작동조건에 맞추기 위해 크기를 키우는 우를 범하곤 한다. 하중 조건에 대한 확신이 없기 때문이다. 일부 작업자들은 5hp 모터만으로도 작업을 수행할 수 있다고 생각하고는 있지만, 이를 확신할 수는 없었다고 밝혔다. 또한 7.5hp 모터로도 작업을 수행할 수는 있지만 안전하지는 못한다고 판단하고 있었다. 
 

결과적으로 이들은 10hp 모터를 선택했다. 따라서 작업자들에게는 10hp 드라이브가 필요하다. 이는 설치비용을 증가시키는 원인이다. 하지만 이 정도로 큰 용량의 모터와 드라이브는 필요할 수도, 필요하지 않을 수도 있다.

진정한 해답은 문제를 분석하는 것이지, 생각하거나 추측하는 것이 아님을 명심하라.

Do: 

드라이브가 소형화·지능화되고 있다. 이러한 추세에 따라 운영·생산·유지보수 등의 작업자들이 드라이브 운용에 대한 교육을 받는 것이 점차 중요해지고 있다. 대부분의 드라이브 제조업체들은 보다 복잡한 시스템에 대한 지침 을 마련하고 있다.

드라이브를 사용하면서 일어나는 문제 중 대부분은 누구도 진단 메시지를 해석하는 방법을 가르쳐주지 않았기 때문에 발생한다. 여기서 진단 메시지란 작업자 인터페이스 모니터에 표시되는 메시지를 뜻한다.
 

사례를 살펴보자. 최근 3교대 근무를 실시하는 공장에서 최근 설치한 드라이브가 매일 오후 5시 30분 혹은 6시에 작업을 멈추는 문제를 일으켰다. 

작업자 인터페이스 모니터에는 과전압(정격전압보다 높은 전압) 메시지가 출력되었다. 하지만 작업자에게 ‘무엇이 문제였느냐’고 물었을 때, 그는 왜 드라이브가 강제로 작업을 멈추었는지 설명하지 못했다. 

업체는 유지보수 담당자에게 장치 안에 기록 전압계를 탑재해 시간이 지나감에 따라 무슨 일이 일어나는지를 살펴보자고 제안했다.
 

선간 전압(Line Voltage)은 5시 30분 이전에 480V 가량을 기록하고 있었다. 하지만 5시 30분이 지나자 535Vrms로 급격히 뛰었다. 이는 최고 전압 수준을 넘어 11% 가량의 과전압을 띠는 수치였다. 그만큼 큰 폭으로 상승한 것. 또한 5시 경에 인근 공장들이 일제히 작업을 중단한 것도 특기할 만한 일이었다.

이 현상의 원인을 살펴보니, 전원 서지가 작업 중인 공장의 라인을 멈추게 만들었으며, 이로 인해 과전압이 흘러들어오면서 드라이브가 스스로 작동을 멈추게 만든 것이었다. 장치가 스스로를 보호하기 위한 수단이었던 것.

이 경우 제대로 교육을 받은 작업자가 있었다면 많은 노력과 시간을 아낄 수 있었을 것이다. 진단 메시지는 ‘버스 과전압’에 대해 표시하고 있었지만, 교육이 부족한 작업자에겐 소 귀에 경읽기였기 때문이다.
 

오늘날 드라이브는 작업자가 내리는 많은 명령을 실행할 수 있다. 하지만 필요 이상의 수정이나 불필요한 방해 혹은 파괴(사보타주)는 작업자가 본인이 사용하는 장비에 대한 이해를 어렵게 한다. 

이러한 문제를 방지하기 위해, 드라이브 및 모터 제조업체들은 직원들에게 공급할 수 있는 매뉴얼을 제공하고 있다.

 

주요 프로젝트를 위해 간단한 환경을 벗어나는 것은 또 다른 문제를 만들어내는 지름길이다. 반대로 기본을 고수하고 이를 견지하면 문제를 일으킬 가능성이 낮아진다. 사용하는 A-S 드라이브의 부하의 속도 및 토크 요구사항을 충분히 이해하고, 동시에 장치의 다양한 속도 및 코트 능력을 파악하는 것을 예로 들 수 있다. 이러한 상관관계를 완전히 이해하지 못한다면 드라이브를 오용할 가능성이 높다.

따라서 응용사례에 대해 충분히 물어보고, 문제가 일어나는 이유에 대해 더욱 철저히 알아두어야 한다. 각 응용사례마다 자체적으로 검사를 해야 한다는 것 또한 잊어서는 안 된다.

Do: 

드라이브 관련 경험이 매우 적은 기술자가 드라이브 설치를 도맡아야 하는 경우가 있다. 비록 다른 분야에서 전문 지식을 가지고 있다고 하더라도, 어떻게 전반적인 모션 컨트롤 시스템을 철저하게 분석할지 잘 모르거나 아예 알 수 없을 수도 있다. 
 

이 경우 언제든지 이때 외부의 도움을 받을 수 있음을 기억해야 한다. 드라이브 제조업체나 유통업체 등으로부터의 조언이 그것이다.