가변속 구동기
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1. 개요
가변속 구동기는 공정 제어 및 에너지 절약을 위해 사용되는 장치이다. 가변속 구동기는 기계식, 유압식, 전기식으로 분류되며, 각각 다양한 작동 원리와 종류를 가진다. 기계식은 가변 피치 또는 트랙션 방식을, 유압식은 정압, 유체 역학, 유점성 방식을 사용한다. 전기식은 DC 모터, 와전류 구동기, AC 드라이브 등을 포함하며, AC 드라이브는 V/Hz 제어, 재생 AC 드라이브 등 다양한 제어 방식을 통해 속도를 조절한다.
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| 가변속 구동기 | |
|---|---|
| 모터 구동 장치 | |
| 용도 | 사진 촬영 |
| 개요 | |
| 종류 | 내장형 부착형 |
| 기능 | 자동 되감기 연속 촬영 고속 연사 |
| 가변속 구동기 | |
| 다른 명칭 | 가변 주파수 구동 주파수 변환기 인버터 |
| 설명 | 전기 기계에 공급되는 전력의 주파수를 변화시켜 전기 기계의 속도를 제어하는 데 사용되는 전력 전자 장치 |
2. 가변 속도 드라이브의 필요성
공정 제어와 에너지 절약은 가변속 구동기를 사용하는 두 가지 주요 이유이다. 역사적으로 가변속 구동기는 주로 공정 제어를 위해 개발되었지만, 점차 에너지 절약 역시 중요한 목표로 부각되고 있다. 또한, 가변속 구동기의 동작은 고정 속도 방식에 비해 더 부드러운 작동을 제공하는 경우가 많다.
2. 1. 공정 제어
공정 제어와 에너지 절약은 가변속 구동기를 사용하는 두 가지 주요 이유이다. 역사적으로 가변속 구동기는 공정 제어를 위해 개발되었지만, 에너지 절약 역시 중요한 목표로 부각되고 있다. 가변속 구동기는 고정 속도 방식에 비해 더 부드러운 작동을 제공하는 경우가 많다.예를 들어, 하수 처리장에서는 하수가 중력에 의해 하수관을 통해 습식 저장조(wet well)로 흘러 들어간 뒤 처리 공정으로 펌핑되는 경우가 많다. 고정 속도 펌프를 사용하면, 저장조의 수위가 일정 수준 이상으로 높아지면 펌프가 작동하고, 일정 수준 이하로 낮아지면 멈추도록 설정된다. 이렇게 펌프가 자주 켜지고 꺼지면 모터 기동 시 높은 전력 서지가 발생하여 모터와 전력 제어 장비에 전자기적, 열적 스트레스를 유발한다. 또한 펌프와 배관에는 기계적, 유압적 스트레스가 가해지며, 하수 처리 공정 전체적으로도 유입되는 하수량의 급격한 변화를 감당해야 하는 문제가 생긴다.
반면, 가변속 구동기를 사용하면 저장조의 수위 변화에 따라 펌프의 속도를 조절하여 지속적으로 작동시킬 수 있다. 즉, 수위가 높아지면 펌프 속도를 높이고, 수위가 낮아지면 속도를 낮추는 방식이다. 이를 통해 펌프의 유출량을 평균적인 하수 유입량과 일치시킬 수 있어, 전체 공정을 훨씬 더 안정적이고 부드럽게 운영할 수 있다.
2. 2. 에너지 절약
공정 제어와 더불어 에너지 절약은 가변속 구동기를 사용하는 주요 이유 중 하나이다. 역사적으로 가변속 구동기는 주로 공정 제어를 위해 개발되었으나, 점차 에너지 절약이라는 목표의 중요성도 커지고 있다.팬과 펌프는 산업용 전동기가 소비하는 에너지의 상당 부분을 차지한다. 만약 팬이나 펌프가 처리해야 하는 공정 부하가 가변적일 경우, 전통적으로는 출구에 댐퍼나 밸브를 설치하여 공급되는 유체의 양을 조절했다. 하지만 댐퍼나 밸브는 유량을 줄이기 위해 인위적으로 압력 강하를 발생시키는데, 이는 곧 에너지 손실을 의미한다.
반면, 펌프나 팬에 가변속 구동기를 적용하면, 필요한 수요에 맞춰 모터의 속도를 직접 조절함으로써 공급량을 맞출 수 있다. 이 방식은 댐퍼나 밸브를 사용할 때 발생하는 추가적인 에너지 손실 없이 효율적으로 유량을 제어할 수 있다.
예를 들어, 팬이 고정된 속도의 모터로 구동될 경우, 공기 흐름은 시스템의 최대 수요를 기준으로 설계되므로 대부분의 시간에는 실제 필요한 양보다 과도하게 공급된다. 이때 댐퍼를 사용하여 공기 흐름을 줄일 수 있지만, 팬 모터의 속도 자체를 조절하는 것이 훨씬 효율적이다. 친화 법칙에 따르면, 필요한 공기 흐름이 최대치의 50%일 때, 가변 속도로 작동하는 모터는 입력 전력의 약 20%만을 소비한다. 이에 비해 고정 속도 모터는 댐퍼를 이용해 유량을 절반으로 줄이더라도 여전히 입력 전력의 약 85%를 소비하게 된다. 따라서 가변속 구동기는 에너지 절약 측면에서 상당한 이점을 제공한다.
3. 가변 속도 드라이브의 종류
일부 원동기(내연 기관, 증기 기관, 물레 등)는 연료 공급률 조절 등을 통해 작동 속도를 연속적으로 변경할 수 있다. 하지만 속도 범위의 양 끝에서는 효율이 낮아지거나, 시스템상의 이유로 특정 속도를 유지하기 어려울 수 있다.
전기 모터가 발명되기 전에는 수차나 증기 기관이 제공하는 기계적 동력을 제어하기 위해 기계식 속도 변환기가 사용되었다. 전기 모터가 사용되면서 거의 즉시 속도를 제어하는 수단이 개발되었다.
오늘날 가변 속도 드라이브는 크게 다음과 같은 종류로 나눌 수 있으며, 산업용 드라이브 시장에서 서로 경쟁하고 있다.
- 기계식 드라이브
- 유압식 드라이브
- 전기식 드라이브
3. 1. 기계식 드라이브
기계식 구동 방식에는 가변 피치 구동 방식과 트랙션 구동 방식의 두 가지 유형이 있다.가변 피치 구동 방식은 풀리와 벨트를 이용하는 방식으로, 하나 또는 두 풀리의 피치 지름을 조절하여 속도를 변경한다.
트랙션 드라이브는 서로 맞물려 돌아가는 금속 롤러를 통해 동력을 전달한다. 입력과 출력의 속도 비율은 롤러를 움직여 접촉 경로의 지름을 변경함으로써 조절된다. 다양한 형태의 롤러와 기계적 설계 방식이 사용되어 왔다.
3. 2. 유압식 드라이브
유압 구동기는 작동 방식에 따라 정압 구동기, 유체 역학 구동기, 유점성 구동기의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다.정압 구동기정압 구동기는 유압 펌프와 유압 모터로 구성된다. 주로 용적형 펌프와 모터가 사용되는데, 이는 펌프나 모터가 한 번 회전할 때마다 속도나 토크에 관계없이 일정한 양의 유체가 흐르도록 설계되었기 때문이다. 속도 조절은 밸브를 이용해 유체 흐름을 제어하거나, 펌프 또는 모터의 변위(한 번 회전 시 밀어내는 유체의 양)를 변경하는 방식으로 이루어진다. 다양한 설계 방식이 존재하는데, 예를 들어 스와시 플레이트 구동 방식은 축 피스톤 펌프나 모터의 스와시 플레이트 각도를 조절하여 변위를 변경하고 이를 통해 속도를 제어한다.
유체 역학 구동기유체 역학 구동기는 유체 커플링이라고도 불린다. 이 방식은 일정한 속도로 회전하는 입력축의 임펠러(회전날개)와 가변 속도로 회전하는 출력축의 로터(회전자) 사이에서 오일을 매개체로 사용하여 토크를 전달한다. 자동차의 자동 변속기에 사용되는 토크 컨버터가 대표적인 유체 역학 구동기의 예이다.
유점성 구동기유점성 구동기는 입력 샤프트에 연결된 하나 이상의 디스크와 출력 샤프트에 연결된 유사한 디스크들로 구성된다. 이 디스크들은 서로 눌려 있으며, 디스크 사이의 오일 필름을 통해 입력 샤프트에서 출력 샤프트로 토크가 전달된다. 전달되는 토크의 크기는 유압 실린더가 디스크를 누르는 압력에 비례하여 조절된다. 이러한 원리는 클러치로 활용될 수 있으며, Hele-Shaw 클러치나 Beier 가변비 기어와 같은 가변 속도 구동 장치에도 사용된다.
3. 3. 무단 변속기 (CVT)
기계식 및 유압식 가변 속도 드라이브는 차량, 농업 장비 및 기타 장비에 사용될 때 일반적으로 '변속기' 또는 '무단 변속기'라고 불린다.3. 4. 전기식 드라이브
전기식 드라이브는 전기 모터와 속도 제어 장치로 구성된다. 과거에는 전기 기계식 제어 시스템이 사용되었으나, 기술 발전에 따라 진공관을 거쳐 고체 상태 전자 부품을 활용한 전자 제어 장치가 주로 사용된다.3. 4. 1. 제어 방식
가변속 구동기의 제어 방식은 크게 수동 제어와 자동 제어로 나눌 수 있다. 수동 제어는 가변 저항이나 선형 홀 효과 장치를 이용하여 이루어진다. 특히 홀 효과 장치는 먼지와 기름에 강한 특성을 가진다. 자동 제어의 경우, 그레이 코드 광학 엔코더와 같은 회전 감지기를 사용하여 자동으로 속도를 조절할 수 있다.3. 4. 2. 종류
전기 구동기는 크게 DC 드라이브, 와전류 드라이브, AC 드라이브로 나눌 수 있다. 각 유형은 다시 여러 세부 방식으로 나뉜다. 일반적으로 전기 구동기는 전기 모터와 속도 제어 장치 또는 시스템을 모두 포함하지만, 종종 '구동기'라는 용어는 모터 없이 제어 장치만을 지칭하기도 한다. 초기에는 전기 기계식 제어 시스템이 사용되었으나, 이후 전자 제어 장치가 개발되었고, 고체 상태 전자 부품의 발전으로 현대적인 전자 기술을 통합한 제어 장치가 등장했다.'''DC 드라이브'''는 직류 전동기의 속도를 제어하는 시스템이다. DC 모터의 속도는 전기자 전압에 비례하고 모터 자속(계자 전류에 따라 결정됨)에 반비례하므로, 전기자 전압이나 계자 전류를 조절하여 속도를 제어한다.
'''와전류 드라이브'''는 고정 속도 모터(주로 유도 전동기)와 와전류 클러치로 구성된다. 클러치 내부에는 작은 간극을 두고 고정 속도 회전자와 가변 속도 회전자가 있다. 계자 코일에 흐르는 직류가 자기장을 만들어 입력 회전자에서 출력 회전자로 전달되는 토크의 크기를 결정한다. 제어 장치는 클러치 전류를 조절하여 폐루프 속도 제어를 수행하며, 원하는 속도를 유지하는 데 필요한 만큼의 토크만 전달하도록 한다. 속도 피드백은 보통 통합된 AC 타코미터를 통해 이루어진다.
와전류 드라이브는 슬립 제어 시스템의 일종으로, 슬립 에너지가 모두 열로 손실되는 구조적인 단점이 있다. 이 때문에 일반적으로 AC/DC-AC 변환 방식의 드라이브보다 효율이 낮다. 모터는 필요한 토크를 발생시키며 최대 속도로 회전하지만, 출력축은 같은 토크를 전달하면서 더 낮은 속도로 회전한다. 전력은 토크와 속도의 곱에 비례하므로, 입력 전력은 모터 속도와 토크의 곱에, 출력 전력은 출력 속도와 토크의 곱에 비례한다. 모터 속도와 출력 속도의 차이를 ''슬립 속도''라고 하며, 이 슬립 속도와 토크의 곱에 비례하는 에너지가 클러치에서 열로 소산된다. 현재는 대부분의 가변 속도 응용 분야에서 가변 주파수 드라이브로 대체되었지만, 와전류 클러치는 스탬핑 프레스, 컨베이어, 호이스트, 일부 대형 공작 기계와 같이 관성이 크고 정지와 시작이 잦은 부하를 모터에 연결하는 데 여전히 사용된다. 이는 기계식 클러치나 유압 변속기보다 유지보수가 적고 부드러운 시동이 가능하기 때문이다.
'''AC 드라이브'''는 AC 전동기의 속도를 제어하는 시스템이다. 여러 종류가 있다.
- '''슬립 제어 권선형 유도 전동기 (WRIM) 드라이브''': 회전자 슬립 링을 통해 모터 슬립을 변경하여 속도를 제어한다. 슬립 에너지를 전자적으로 회수하여 고정자 버스로 되돌리거나, 회전자 회로의 외부 저항 값을 변경하는 방식이 있다. 저항을 이용하는 방식은 와전류 드라이브처럼 효율이 낮아 특수한 경우 외에는 잘 사용되지 않는다.
- '''슬립 에너지 회수 시스템''': WRIM의 슬립 에너지를 변환하여 고정자 전원으로 되돌려 효율을 높이는 방식이다. 이렇게 회수된 에너지는 저항 방식 WRIM 드라이브에서는 열로 손실되는 에너지다. 슬립 에너지 회수 가변 속도 드라이브는 대형 펌프 및 팬, 풍력 터빈, 선박 추진 시스템, 대형 수력 펌프/발전기, 에너지 저장 플라이휠 등에 사용된다. 초기의 슬립 에너지 회수 시스템은 정류기, DC 모터, AC 발전기 등 전기 기계 부품을 사용했으며 이를 '크레이머 드라이브'라고 부른다. 가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용하는 최신 시스템은 '정적 크레이머 드라이브'라고 한다.
- '''가변 주파수 드라이브 (VFD)''': 가장 일반적인 AC 드라이브 방식이다. 모터에 공급되는 전력의 주파수를 조정하여 유도 전동기나 동기 전동기의 속도를 제어한다.
표준적인 저성능 가변 토크 응용 분야에서는 볼트 대 헤르츠(V/Hz) 제어를 사용하여 주파수를 변경할 때 AC 모터의 전압 대 주파수 비율을 일정하게 유지할 수 있다. 기본 주파수까지는 최소 및 최대 작동 주파수 사이에서 전력을 변경할 수 있으며, 기본 주파수 이상에서는 일정한 전압으로 작동하여(V/Hz 비율 감소) 토크가 감소하고 일정한 전력 출력을 내는 특성을 보인다.
- '''재생 AC 드라이브''': 모터 속도보다 빠르게 움직이는 부하(오버홀링 부하)가 발생시키는 제동 에너지를 회수하여 전력 시스템으로 되돌릴 수 있는 AC 드라이브 유형이다.
4. 전기 모터
교류 전동기는 고정자의 극쌍 수와 교류 전원의 주파수에 따라 결정되는 고정 속도로 작동할 수 있다. 교류 전동기 중에는 고정자 권선을 재연결하여 극 수를 변경하는 '극 변환' 방식으로 두 개, 때로는 세 개의 속도를 얻을 수 있도록 제작될 수 있다. 예를 들어, 8개의 물리적 극쌍을 가진 전동기는 연결 방식에 따라 4개 또는 8개의 극쌍으로 작동하여, 60Hz 전원에서 1800RPM 및 900RPM의 두 가지 속도를 낼 수 있다. 속도 변경이 드문 경우, 공정 조건이 변경될 때 전동기는 처음에 한 속도로 연결된 다음 다른 속도로 다시 배선하거나, 공정 요구 사항에 따라 자석 접촉기를 사용하여 두 속도 사이를 전환할 수 있다. 세 가지 이상의 속도에 대한 연결은 경제적이지 않다. 이렇게 고정된 속도의 가짓수는 극쌍 수가 늘어날수록 비용 문제로 제한된다. 따라서 다양한 속도 또는 연속 가변 속도가 필요한 경우 다른 방법이 필요하다.
직류 전동기는 계자 전류를 조정하여 속도 변경이 가능하다. 전기자(Armature)에 가해지는 전압을 변경하는 것도 속도를 변경하는 또 다른 방법이다.
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