전동기 구동 시스템과 유도 전동기 속도제어

전동기는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 주는 기계입니다. 이러한 전동기는 우리 세상에 없어서는 안되는 기계입니다. 전동기는 너무 무거워서 인간이 들지 못하는 물건을 들어올리는 것부터 미세한 로봇의 관절을 움직인다는지 다양한 분야에서 사용되어 집니다. 에어컨을 작동시키는 것도 전동기가 사용되어 집니다. 그만큼 전동기는 우리들 생활과 아주 밀접한 관계가 있습니다. 전동기의 원리와 구조를 아는 것도 중요하지만 조금 더 고급기술은 전동기를 마이크로프로세서를 이용해서 제어하는 기술이라고 합니다. 고속 또는 저속으로 아니면 사용자가 원하는 상태로 구동하도록 하는 것이 마이크로 프로세서를 이용하여 제어한다고 합니다. 결국 프로그래밍의 중요성이 여기서 다시 한 번 강조됩니다. 마이크로 프로세서를 다루는 것은 매우 중요하지만 오늘은 전동기에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

부하 구동을 위한 전동기 구동 시스템은 전원, 전동기, 전력 변환 장치, 제어기 등으로 구성됩니다. 구동하기 원한느 기계 시스템(부하)과 요구되는 제어 성능이 주어지면 이에 적합한 전동기 구동 시스템을 설계해야 합니다. 이 경우 이용 기능한 전원으로 부터 요구되는 구동 성능을 얻을 수 있도독 알맞게 구성해야 합니다. 전동기 구동 시스템은 대부분 단상이나 3상 교류 전원으로부터 전력을 공급을 받습니다. 최근에는 배터리나 태양전지, 연료전지와 같은 대체 에너지원으로부터 주어지는 직류 전원을 이용하여 구동 시스템이 증가하고 있습니다. 교류 전원을 사용하는 경우 통상 2kW미만의 출력에는 단상 전원을 사용하며, 5kW이상에선느 3상 전원을 사용한다고 합니다. 구동 전동기로는 부하에서 요구되는 속도-토크 특성에 부합하는 성능을 갖는 전동기를 선정합니다. 직류 전동기 또는 유도 전동기와 동기 전동기의 교류 전동기 및 Brushless 직류 전동기 중에서 운전 속도 범위, 출력 토크 특성, 효율, 가격, 신뢰성, 크기 등을 고려하여 결정합니다. 이용할 전원과 구동 전동기가 결정되면 이에 맞추어 전력 변환 장치가 결정됩니다. 직류 전동기의 구동을 위해서는 제어정류기 또는 초퍼 등의 직류 진력을 가변할 수 있는 전력 변환 장치가 사용되는데 초퍼의 경우가 보다 우수한 제어 성능을 발휘합니다. 이들 전력 변환 장치에 사용되는 스위칭 소자(Switching Device)로는 GTO(Gate Turn-off Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), Power MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 있는데, 어느 소자를 적용할 것인가는 통상 처리해야할 구동 시스템의 전력 용량과 스위칭 속도에 의해 결정합니다. 처리할 수 있는 전력은 GTO가 대용량, IGBT는 중용량, MOSFET는 소용량이며, GTO, IGBT, MOSFET의 순서로 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있습니다.. 통상 스위칭 속도가 빨면 좋은 제어 성능을얻을 수 있다고 합니다. 전동기 구동 시스템에서 가장 핵심이 되는 부분은 전동기를 구동하는 제어 알고리즘을 수행하는 제어기입니다. 이를 위해 현재 대부분 디지털 제어기가 사용되고 있습니다. 요구되는 동작 성능과 비용 등을 고려하여 사용할 제어기를 결정합니다. 직류 전동기나 BLDC 전동기와 같이 비교적 제어가 간단한 경우에는 16비트급 고정 소수점 제어기가 주로 사용되며, 고성능을 위한 벡터 제어 유도 전동기나 영구자석 동기 전동기와 같이 복잡한 제어가 필요한 교류 전동기의 구동체는 32 비트급 부동 소수점 제어기가 사용됩니다. 전동기의 우수한 구동 성능을 얻기 위해서는 속도나 전류의 폐루프 제어가 필요하며 이를 위해 속도,위치나 전류 정보가 요구됩니다. 따라서 구동 시스템에는 이들 정보를 얻기 위한 센서가 필요한데 전류 센서로는 Shunt 저항이나 Hall CT가 사용됩니다. 절연과 높은 검출 정밀도를 얻기 위해서는 Hall CT를 사용하는 것이 바람직합니다. 위치, 속도 센서로는 대부분 엔코더나 레졸버를 사용합니다.

홀 효과 센서는 반도체에서 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 세기를 측정할 수 있는 장치입니다. 이러한 홀 소자의 전압을 측정하으로써 영구자석의 위치와 극성을 검출할 수 있습니다. 따라서 BLDC 전동기나 영구자석 동기 전동기의 회전자 위치를 검출하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 홀 센서의 출력 전압으로부터 자속을 발생시키는 전류의 크기와 방향을 알 수 있습니다. 이렇게 전류를 센싱해서 그 값을 제어기로 보내 제어를 하게 됩니다. 엔코더는 회전각에 따라 디지털 신호를 출력하는 장치입니다. 엔코더의 종류는 출력의 형태에 따라 회전각의 절대위치 정보를 제공하는 절대형과 회전각의 변동분만을 제공하는 증분형으로 나윕니다. 증분형 엔코더는 회전각 변동을 펄스열로 출력합니다. 이러한 펄스를 통해 위치, 속도, 방향의 검출이 가능합니다. 

유도 전동기는 일정 전압과 일정 주파수의 전원에연결되어 거의 동기 속도에 가가운 속도로 회전하는 일정 속도 전동기입니다. 최근에는 인버터를 이용하여 다양한 속도에서 운전되고 있습니니다.  유도 전동기의 속도를 제어하는 방법은 두 가지로 분류됩니다. 첫 번째는 비효율적이고, 제한된 속도 제어범위를 가진 슬립제어(전압 조정, 회전자 저항 조정), 두 번째는 효율적이고, 폭넓은 속도 제어 범위를 가지는 동기속도제어(주파수 조정)이 있습니다. 슬립 제어는 고정자 주파수가 일정한 상태에서 슬립을 조절하여 속도를 변동하는 것으로, 슬립을 가변시키기 위해 고정자 전압 또는 회전자 저항을 제어합니다. 인가된 고정자 전압의 제곱에 비례하므로 고정자 전압을 제어하면 출력 토크가 변동되어 속도가 조절됩니다. 그러나 속도가  고정자 전압에 비례적으로 변동하지 않으며, 그 변동 가능한 속도 범위도 크지 않습니다. 고정자 전압 제어와 회전자 저항 제어 방법드은 근본적으로 동기속도는 고정된 상태에서 슬립 변동에 이해 속도가 가변되는 것이라고 볼 수 있습니다. 이 경우 속도 감소에 따라 슬립이 증가하마르 효율이 저하되는 것은 피할 수가 없을 것입니다.  유도전동기는 근본적으로 인가된 고정자 주파수의 속도로 도는 회전자계를 따라 회전하는 전동기이므로, 속도 제어를 위해서는 고정자 주파수를 조절하여 동기속도를 제어하는 것이 가장 효과적입니다. 속도 제어를 위해 고정자 주파수를 변동시키는  경우 고정자 전압이 일정하다면 속도뿐만 아니라 발생 토크도 달라지는 문제가 발생합니다. 발생 토크는 인가 주파수의 제곱에 반비례로 감소합니다. 이러한 현상은 고정자 전압이 일정한 상태에서 주파수를 변동시키면 공극 자속이 변동하기 때문에 발생하는 것입니다. 자속은 일정한 전압 하에서 주파수를 증가시키면 공극 자속은 감소하며, 반면에 주파수를 감소기키면 자속은 증가하나 포화 현상으로 크게 증가하지는 못합니다. 고정자 주파수를 변동시켜 속도를 제어하는 경우 발생 토크와 회전자 전류를 일정하게 유지하기 위해서는 주파수의 변동에 따라 고정자 전압을 비례하여 변동시켜 공극 자속을 일정하게 제어해야 합니다.

유도전동기는 통상적으로 일정 주파수의 상용 전원에 연결되어 운전되는 일정 속도 전동기로 주로 사용되어 왔으나, 근래에는 인버터에 의한 가변속 구동 전동기로의 사용이 증가하고 있습니다.  고정자 주파수와 전압의 가변을 통해 유도 전동기의 가변속 구동이 이루어질 수 있는데 이를 통해 얻을 수 있는 유도 전동기의 속도 범위는 출력토크의 특성에 따라 크게 세 영역으로 나눌 수 있습니다. 일정 토크 영역에서 유도 전동기는 직류 전동기와 유사하게 자속은 일정하게 유지되며, 발생 토크는 슬릭 각주파수을 가변함으로써 제어됩니다. 속도 증가를 위해 운전 주파수를 증가시키는 것과 동시에 자속을 일정하게 유지하기 위해 고정자 전압을 증가시키는 일정 V/f제어를 해야 합니다. 이러한 제어를 통해 어느 속도에서도 슬립 각주파수가 동일한 경우 동일한 토크를 얻을 수 있기 때문에 이 영역을 일정토크 영역이라고 합니다. 이 영역에서 전동기가 발생할 수 있는 최대 토크는 단지 허용 전류에 의해서만 제한됩니다. 일정 토크 영역에서 속도가 증가하면, 이에 따라 역기전력이 증가하기 때문에 요구되는 전류를 흐르게 하기 위해서는 전동기의 고정자 전압을 증가시켜 주어야 합니다. 그러나 전동기의 전압은 정격값 이상으로는 인가할 수 없기 때문에 어느 속도 이상에서 전동기의 전압은 졍걱 전압으로 일정하게 유지 합니다. 정격 전압을 인가하는 시작 속도를 기준 속도라고 합니다. 이 기준 속도 이상의 속도에서 유도 전동기는 일정 전압으로 운전되므로, 운전 주파수 증가에 따라 전압과 주파수의 비에 의해 결정되는 자속은 감소하게 되며 회전자 전류 역시 감소하게 됩니다. 이 영역에서 고정자 전압은 일정하며 전류 또한 일정하므로 일정 출력으로 운전 되므로, 이러한 기준 속도 이상의 속도 영역을 일정 출력 영역이라고 부릅니다. 슬립 각주파수가 이와 같은 한계치에 도달하여 더 증가시키지 못하는 경우에는, 어쩔 수 없이 전류와 자속이 동시에 감소하여 결국 출력 토크는 속도에 제곱에 반비례하여 감소하게 됩니다. 또한 전류의 감소로 인하여 출력도 일정하게 유지되지 못합니다. 이 영역에서는 언제나 최대 토크가 발생되는 최대 슬립에서 운전되므로 이 영역을 특성 영역이라고 부릅니다.

오늘은 전동기 구동 시스템과 유도 전동기의 속도 제어에 대해서 알아 보았습니다. 맨 처음에 언급을 했듯이 전동기는 다방면에서 활용하고 있습니다. 그렇다면 전동기를 더욱 효율이 좋게 디자인 한다면 막대한 부를 벌 수 있지 않을까 생각합니다. 또한 전기적에너지의 투입이 기계적 에너지로 변환되기 때문에 각종 아이디어에도 전동기를 이용한 응용 아이디어가 접목 될 수 있을 것입니다. 또한 전동기의 대한 아이디어가 있더라도 제어를 하지 못하면 말짱 도루묵일 것입니다. 이러한 전동기의 제어를 처음 배울 떄는 아두이노를 이용한 직류 모터를 모터 드라이버를 이용해서 컨트롤 하는 것을 배우게 됩니다. 이때 필요한 것이 프로그래밍 할 수 있는 능력, 즉 코딩을 할 수 있는 능력입니다. 아두이노와 모터를 이용하는 것도 코딩을 해야 하지만 실제로 마이크로 프로세서를 이용해서 컨트롤 하는 것은 훨 씬 더 고급기술일 것입니다. 이러한 기술을 배우고 발전시킨다면 자신만의 기술을 가진 엔지니어가 될 수 있지 않을까 생각해 봅니다.