브레이킹 저항의 기능 및 동작원리를 설명하려면 전동기에 대해 기본 지식을 공유 해야한다. 우리 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 삼상 AC Induction motor는 농형유도전동기(Squirrel-cage motor)이다. Stator에 삼상코일을 배치하고 Rotor에는 권선을 감아 양끝을 단락시킨 구조로 되어있다. 로터 표면에 색이다른 빗금무늬가 보이는데 그것이 알미늄을 녹여 구멍으로 흘려보내 성형시킨 전기권선이고 양끝 알미늄 덩어리가 단락링이다.
이런 구조물을 조립하여 고정자에 삼상을 인가하면 변압기의 원리에 의해 회전자 코일에 전압이 유도되어 전류가 흘러 자력이 발생되고 고정자의 자력이 회전함에따라 회전자와 작용하여 회전 Torque가 발생하는 것이다. 60Hz AC인 경우 일분당 3600번 전압의 방향이 바뀌니 회전자는 분당 최대 3600회전(rpm)을 할 수 있다. 그러나 회전자가 고정자와 같은 속도로 회전할 수 없다. 고정자 자속이 3600회전하는데 회전자가 같은 속도로 돈다면 회전자 권선의 자속의 변화가 없다는 것인데 자속변화가 없으면 회전자 권선에 전류가 안흐르게되고 결국 토크가 발생하지 않게된다. 그래서 회전자는 60Hz AC 전원하에서는 외부의 강제력이 없이는 3600rpm을 초과할 수 없다. 전동기 설계시 회전자 권선의 빗금 각도를 적절히 부여함으로써 최대 회전수를 적절히 제어하여 안정적이며 적절한 토크 안정성을 확보하고있다. 고정 권선의 회전자계의 속도와 회전자 속도의 차이를 주파수로 표시한 것을 슬립주파수라 한다. 슬립 주파수를 마찰손실로 인한 회전수 상실로 이해하면 VFD 파라메타 설정시 중요한 부분을 그냥 흘려보내는 우를 범하게된다. VFD를 이해하는데 이 Slip frequency보다 중요한 개념이 또 있을까 싶다.
슬립주파수를 설명하면서 편의상 회전 수를 2극 전동기 기준으로 설명하였지만 세탁장비 뿐만아니라 대부분의 동력원으로는 4극 전동기가 많이 사용된다. 4극이라함은 고정자에 삼상코일 짝을 180도 간격으로 배열하여 2주기가 진행되야 자력이 한 바퀴 돌아가도록 설계한 전동기를 말한다. 그래서 4극 전동기는 3600회전의 반 1800 - 슬립 =1740 내외의 회전수가 나오는 것이다.
브레이킹 저항을 설명하기위해 참 먼길을 돌아왔다. 그럼 이제 부터 브레이킹 저항이 뭔지 왜 필요한지 본론으로 들어가자. 위에서는 고정자 권선에서 회전자 권선으로 변압기처럼 전기 에너지를 넘겨주고, 넘겨받은 에너지가 고정자의 에너지와 상호작용하여 회전자가 회전하는 원리를 설명하였다. 가속 및 정속구간의 작동원리이다. 감속시에는 고정자의 에너지를 줄이거나 고정자의 회전수를 줄임으로써 회전자를 감속시키게되는데, 회전자 관성 때문에 회전자의 운동 에너지가 고정자의 운동 에너지보다 커지게되면 그것이 전기에너지로 바뀌어 고정자로 전달되고 이것은 인버터 소자에 전달되어 소자를 파괴시키게된다.(인버터 소자에는 Diode라는 것이 있어 이를 통해 정류되어 인버터 소자의 직류 전원전압을 상승시킨다.) 그래서 감속 상황에서 인버터 소자의 전원 전압을 감시하면 회전자가 Over run 하는지 판단할 수 있다. 전압이 설정값 이상 되면 회전자의 에너지를 저항으로 흘려 회전자에 의해 발생되는 힘을 소모시켜버리는 것이다. 결국 회전자는 고정자의 에너지가 줄어드는 만큼 속도가 줄어드니 브레이크라 할 수 있다.
브레이킹 저항에 대한 설명이 끝났다. 최대한 논리적으로 설명하려 했는데 읽기가 많이 불편하였을 것이다. 그냥 그런게 있다더라하고 끝낼 수도 있는걸 이렇게 길게 쓴 것은 그 만큼 중요하기 때문이다. VFD에서 발생하는 많은 문제가 이 두 가지 개념에 대한 무시 혹은 무지에서 발생한다고 본다. 회전자가 슬립주파수를 과도하게 벗어나는 상태와 브레이킹이 안되는 상태를 다른 말로 과부하 혹은 탈조라고 부르는거다. 과부하와 탈조는 VFD와 전동기의 과열 과전류 과전압 등등 VFD에서 생길 수 있는 모든 문제의 근본적 원인이다.
다음은 기왕 전동기 이야기부터 시작했으니 VFD 파라메타중 가장 중요한 전동기 관련 상수 입력 부분을 설명하는것이 좋을 것 같습니다. 고생 많았습니다. 이제 큰 산을 넘었으니 쭉쭉 나가봅시다.
첫댓글 계속되는 좋은 정보 감사드림니다.
그냥 막 써나가다보니 매끄럽지 못하거나 전후관계의 설명이 부족하여 많이 수정하였습니다.