스마트 인버터를 적용한 권선기 설계시 알아야 할 4가지 사항

권선작업은 모든 인버터 응용 분야에서 가장 어렵고 복잡하다. 변 환 라인(converting lines)에 일반적으로 사용되는 권선 애플리 케이션을 고려해보자. 산업용 웹 롤은 지름이 180인치에 달할 수 있으며, 지름이 6인치인 종이 코어로 풀릴 수 있다.
감자 칩이나 강아지 사료와 같은 제품은, 일반적으로 여러 플라 스틱 필름으로 적층된 백(bag)에 들어있다. 매끄러운 제품을 생 성하도록 이러한 층의 웹 장력을 조정하는 것은 계산 집약적인 작 업이다. 이 백의 제조를 위해 속도 제어를 수행하는 인버터에는 10개 미만의 매개변수가 필요하다. 기본 권선 기능의 경우 속도 제어에는 50개 이상의 매개변수가 포함될 수 있다.
웹 처리는 기계 전체에서 적절한 장력을 유지해야 한다. 대부분 의 변환 기계에는 흡수 롤(uptake roll)에서 원하는 특정 장력 외 에 여러 장력 영역이 있다. 인장 영역은 웹의 반대편에 위치한 닙 롤(nip roll)에 의해 설정될 수 있다.
또한 웹은 원하는 속도로 공정 단계를 통과해야 하며, 이를 위해서는 롤 속도와 라인 속도의 상관 관계가 필요하다. 롤의 직경 이 증가함에 따라 흡수 롤의 각속도는 그에 비례하여 느려져야 하 다. 이를 위해서는 구동 및 제어 시스템이 공정 전반에 걸쳐 실시 간으로 각속도를 계산하고 수정해야 한다.
속도 또는 토크 제어 선택 결정 웹 장력은 속도 제어 또는 토크 제어로 제어할 수 있다. 속도 제어에서 흡수 시 웹의 장력은 롤 속 도와 라인 속도의 함수이다. 흡수 장력 T2는 다음 방정식으로 제공된다.
T2 = T1 (V2 /V1)+EA(V2—V1/V1)
위의 공식에서 T1은 라인 장력, V1은 닙 롤 속도, V2는 윈드 롤 (wind roll) 속도, E는 탄성 계수, A는 웹의 단면적이다.

즉, 흡기 토크는 라인 속도에 대한 윈드롤 속도의 비율로 주어 진다. 속도 제어는 유용한 접근 방식이지만 위의 방정식에서 알 수 있듯이 웹 재료의 탄성 및 면적에 따라 크기가 조정된다. 속도 제어는 탄성 계수가 낮은 재료(즉, 매우 신축성이 있거나 유연함) 에 가장 적합하다. E 값이 더 높은 웨브 재료의 경우 흡수 롤 속도의 아주 작은 오류라도 장력의 큰 오류로 이어질 수 있다. 이러한 애플리케이션의 경우 토크 제어가 더 적합하다. 토크 제어에서 흡 수 롤의 웹 장력 Tu는 토크와 롤 직경의 함수이다.
Tu = τ/R
여기서 R은 반경이고 τ는 토크와 같다. 토크 제어는 더 간단하 고 계산적으로 말하면 더 정확하다. 재료 특성에 따라 크기가 조 정되지 않으므로 토크 오류는 장력 오류와 거의 동일하다. 감기/ 풀기 작업의 주요 매개변수에는 코어 직경(DC), 롤 직경(코어 + 권취 재료, DR) 및 빌드업 비율 Rb= DC/DR이 포함된다.
4가지 와인딩 작동 모드 와인딩/풀기 모듈은 4가지 모드 중 하나 로 작동한다. 복잡성이 증가하는 순서대로 나열하면 다음과 같다.
• 댄서에 의한 속도 조절
• 로드셀에 의한 속도제어
• 센서리스 토크 제어
• 로드셀 피드백을 통한 토크 제어


댄서(dancer)와 속도 제어

댄서 피드백을 사용한 속도 제어는 폐루프 피드백을 기반으로 한 다. 댄서는 웹에 장력을 가하기 위해 사전 로드된다. 댄서의 위치 는 센서(일반적으로 전위차계)로 모니터링되며 이 데이터는 웹 장력을 수정하기 위해 액추에이터를 구동하는 데 사용된다. 시스 템은 또한 흡수 롤 속도, 라인 속도 및 둘 사이의 기어비를 사용하 여 롤 직경을 계산한다. 권경에 따라 속도 제어 비례 게인을 조정 하여 응답성을 일정하게 유지할 수 있다. 실제 응답 수준 보정은 감기 및 풀기 축의 관성비 변화와 함께 계산되어 직경 변화를 허용하는 추종 능력을 향상시킨다.
댄서를 사용한 속도 제어는 네 가지 와인딩 모드 중에서 가장 경제적이고 사용자 친화적이다. 속도 제어에는 라인 속도와 롤 속 도 조정만 포함되기 때문에 이 모드는 매우 강력하다. 결과적으로 20:1만큼 높은 빌드업 비율에서 잘 작동한다. 단점은 댄서가 기계 시스템이기 때문에 고장에 취약하다는 것이다. 또한 전위차계를 댄서에 대한 피드백으로 사용하면 마모가 가속화된다. 이 방법은 낮은 장력에서 작동하는 깨지기 쉽거나 매우 가벼운 재료에 가장 적합하다.


로드 셀을 이용한 속도 제어

댄서를 통합하는 대신 이 모드는 로드 셀의 직접적인 장력 피드백 을 사용하여 장력 PID 루프를 적용하여 롤의 속도를 조정한다. 이 모드는 능동적 피드백을 포함하기 때문에 댄서 기반 시스템보다 더 정확하다. 단점은 로드셀이 비싸다는 것이다.
로드 셀은 웹에 필요한 장력에 최대한 근접한 크기여야 하다. 로드셀과 웹 사이의 차이가 클수록 장력 분해능이 낮아진다. 다중 웹 스톡용 기계를 설계하려는 OEM은 기계에서 사용할 제품을 지 정하거나 제한해야 한다. 그렇지 않으면 기계가 웹의 장력을 제어 할 수 없다.
일반적으로 로드셀은 댄서보다 더 높은 수준의 장력이 필요하 다. 결과적으로 로드셀을 이용한 속도 제어는 보다 견고한 재료에 적용되어야 한다. 속도 제어는 깨지기 쉽거나 신축성이 있는 재료 에 주로 효과적이다. 보다 견고한 재료의 경우 토크 제어가 더 적합하다.
센서리스 토크 제어 모드는 외부 피드백을 수반하지 않는다. 대신 모델을 사용하여 롤 직경을 계산한다. 이것은 댄서나 로드 셀 을 포함하지 않기 때문에 비용이 가장 낮은 속도 모드이다. 동시 에 4가지 중에서 가장 복잡하고 계산 집약적이다. 롤과 필름의 기 계적 매개변수를 적용하는 것 외에도 드라이브는 롤의 속도, 직경 및 관성에 따라 동적으로 변하는 마찰 바람 및 기타 요인과 같은 기계적 손실을 보상해야 한다. 센서리스 토크 제어는 강철, 종이 및 판지와 같이 중간에서 큰 장력이 필요한 재료에 가장 적합하다. 지나치게 가벼운 소재는 이 모드에 적합하지 않다.


로드 셀 피드백을 통한 토크 제어

로드 셀 피드백을 사용한 토크 제어인 최종 모드는 최상의 성능을 제공한다. 시스템은 두 개의 제어 루프로 작동한다. 속도가 아닌 토크로 루프를 닫는다는 것은 장력 오류가 토크로 직접 확장됨을 의미한다. 한편, 시스템은 직접적인 장력 피드백에서도 작동한다. 이것은 매우 정확한 트리밍을 위해 PID 루프로 실행된다.
모터의 출력 토크는 댄서 롤의 마찰이나 샤프트의 감기/풀림과 같은 요인으로 인한 기계적 손실을 보상하기 위해 명령된 토크를 높여 재료에 일정한 장력을 유지하도록 제어된다. 가속/감속 시 감는 면과 풀어지는 면의 가변 장력을 조정하여 재료에 일정한 장 력을 유지한다.
재료의 장력을 조절하면 직경 증가로 인한 주름이나 변형과 같 은 결함을 피할 수 있다. 롤 장력의 급격한 변화를 피하기 위해 장 력 명령에 쿠션 시간을 설정해야 하다. 단점은 로드셀을 포함하면 비용과 복잡성이 증가한다는 것이다.


선택 기준

이러한 모드는 PLC 또는 스마트 인버터를 사용하여 구현할 수 있 다. 중앙 집중식 아키텍처를 기반으로 하는 PLC 접근 방식은 어려 울 수 있다. 기능 블록은 외부 PLC 또는 모션 컨트롤러용으로 존 재할 수 있지만 일반적으로 와인딩 작업 전용은 아니다. 결과적으 로 애플리케이션을 처리하기 위해 사용자 지정 코드가 필요하다. 이것은 심도 있는 엔지니어링 인재와 개발자가 없는 회사에게는 어려울 수 있다.
스마트 인버터에서 알고리즘을 실행하는 것은 특히 권선용으 로 맞춤화된 인버터를 사용할 수 있기 때문에 더 간단한 접근 방 식이다. 필드 버스, 특히 산업용 이더넷으로 연결된 스마트 인버 터는 마스터 슬레이브 모드에서 작동할 수 있으며 하나의 드라이 브가 시스템의 마스터 컨트롤러 역할을 한다. 이러한 유형의 분산 아키텍처는 기계 전체에서 서로 다른 인장 영역을 유지하기 위해 여러 스핀들의 속도를 조정하는 데 특히 유용하다.
또한 이러한 드라이브의 네트워킹 기능을 통해 PLC 또는 MES 시스템의 라인 제어 및 레시피 관리를 드라이브로 다운로드하여 재료 변경 또는 주문별 변형을 기반으로 사전 선택된 매개변수 조 정을 수행할 수 있다.
성공적인 와인딩 단계 구현은 애플리케이션에 대한 재료 데이 터를 수집하는 것부터 시작된다. 라인 속도 및 듀티 사이클과 같 은 요구 사항뿐만 아니라 마찰에 영향을 미치는 기계 구성 요소 를 고려하는 것을 잊어서는 안된다. 해당 정보는 드라이브 정보와 함께 적용되어 모터 크기를 적절하게 조정해야 한다. 모터가 롤의 관성을 제어할 만큼 강하지 않으면 최고의 드라이브라도 장력을 유지할 수 없다. 마지막으로 네 가지 작동 모드를 검토하여 조건에 가장 적합한 모드를 선택해야 한다.
오늘날 제조는 성능, 생산성 및 수익성에 관한 것이다. 권선 애 플리케이션에 서보 모터를 통한 모션 제어를 사용할 수 있지만, 항상 필요한 것은 아니며 크기도 적절하지 않다. 올바른 모드에서 작동하는 스마트 인버터와 팀을 이룬 적절한 크기의 모터는 총 소 유 비용을 낮추면서 견고한 성능을 제공할 수 있다.
FR-A800 R2R 인버터 제품군에는 다음의 기능이 포함된다.
• PID 제어를 이용한 Dancer 제어 기능
• 속도 설정에 따른 풍차 직경 보상 기능
• 장력제어 최적화를 위한 관성보상 및 기계적 손실보상
• 댄서 제어를 위한 자동 PI 기반 튜닝 기능으로 시스템 기동 시간 최소화
• 속도 제어를 위한 비례 이득 보상 기능

자료제공: Mitsubishi Electric(www.mitsubishielectric.com)