인버터 제동저항은 왜 필요할까? 회생에너지를 열로 처리하는 원리

인버터가 설치된 설비를 보면 인버터 본체 주변에 비교적 큰 저항기가 설치된 경우가 있다. 표면에는 고온주의 표시가 붙어 있기도 하고, 반복적으로 가감속하는 장비에서는 저항기의 크기도 상당하다.

이 부품이 제동저항이다. 제동저항은 모터에 공급되는 전압을 낮추기 위한 저항이 아니다. 감속할 때 모터와 부하에서 되돌아오는 회생에너지를 열로 소모하기 위해 사용한다.

회전하고 있는 부하는 에너지를 가지고 있다

회전체의 운동에너지는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

E = 1/2 Jω²

J는 모터와 부하를 합한 관성모멘트이고, ω는 각속도다. 속도가 높거나 관성이 큰 부하일수록 저장된 운동에너지도 커진다.

모터를 빠르게 정지시키려면 결국 이 운동에너지를 짧은 시간 안에 다른 형태로 바꾸거나 외부로 내보내야 한다.

자연감속과 전기제동은 무엇이 다를까?

인버터 출력을 차단하고 그대로 두면 베어링 마찰, 풍손, 부하의 기계적 손실 등에 의해 모터가 서서히 멈춘다. 이 경우 운동에너지는 주로 마찰과 열로 소모된다.

하지만 생산설비에서는 오랜 자연감속 시간을 기다릴 수 없는 경우가 많다. 인버터가 출력주파수를 빠르게 낮춰 모터를 적극적으로 감속시키면 유도전동기는 발전영역으로 들어갈 수 있다.

감속하면 왜 모터가 발전기가 될까?

유도전동기의 회전자계 속도는 공급주파수에 따라 결정된다. 인버터가 주파수를 낮추면 동기속도도 내려간다.

그러나 실제 회전자는 관성 때문에 즉시 느려지지 않는다. 순간적으로 회전자속도가 회전자계의 속도보다 높아지면 슬립이 음수가 되고 에너지 전달 방향이 반대로 바뀐다.

이 상태는 동기속도를 넘으면 발전기가 되는 원리와 같은 전자기적 관계를 이용한다.

회생에너지는 어디로 돌아갈까?

정상적인 전동운전에서는 에너지가 대체로 다음 순서로 흐른다.

전원 → 정류부 → DC 링크 → 인버터부 → 모터

감속 중 발전상태에서는 일부 에너지가 반대로 모터에서 인버터부를 거쳐 DC 링크로 되돌아온다. 이것이 회생제동의 핵심이다.

일반 인버터는 왜 전원으로 에너지를 돌려보내기 어려울까?

많은 범용 인버터의 입력부에는 다이오드 정류회로가 사용된다. 다이오드 정류기는 기본적으로 전원에서 DC 링크 방향으로 에너지를 전달하는 구조다.

따라서 모터에서 DC 링크로 되돌아온 회생에너지가 AC 전원측으로 자유롭게 역송되기 어렵다. 이 에너지가 DC 링크 콘덴서에 쌓이면 DC 전압이 상승한다.

DC 링크 전압이 너무 높아지면 어떻게 될까?

DC 링크 콘덴서와 인버터의 전력반도체에는 허용전압이 있다. 회생에너지가 계속 유입되어 DC 전압이 일정 수준 이상 올라가면 인버터는 장치를 보호하기 위해 과전압 트립을 발생시킨다.

현장에서 감속할 때만 반복적으로 과전압 알람이 발생한다면 감속시간이 지나치게 짧거나, 부하의 관성이 크거나, 회생에너지 처리능력이 부족한지 확인할 필요가 있다.

제동저항은 어디에 연결될까?

제동저항은 일반적으로 DC 링크에 계속 직접 연결되어 있는 것이 아니다. 제동초퍼라는 스위칭회로를 통해 연결된다.

DC 링크 전압이 기준 이하일 때는 제동저항에 전류가 흐르지 않는다. 감속으로 인해 DC 링크 전압이 일정 수준 이상 상승하면 제동초퍼의 전력반도체가 켜지고, DC 링크의 에너지가 제동저항으로 흐른다.

제동저항은 에너지를 어떻게 없앨까?

저항에 전류가 흐르면 전기에너지가 열로 변한다. 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

P = I²R = V²/R

즉 제동저항은 회생에너지를 다시 기계적인 에너지로 사용하는 장치가 아니라 열로 소모하는 장치다. 반복 감속이 많은 설비의 제동저항이 상당히 뜨거워지는 이유가 여기에 있다.

따라서 제동저항 주변에는 가연물을 두지 않아야 하고, 제조사가 요구하는 설치간격과 냉각조건을 지켜야 한다.

제동초퍼는 어떤 역할을 할까?

제동초퍼는 DC 링크 전압을 감시하다가 필요한 순간에만 제동저항을 연결한다. 전압이 올라가면 초퍼가 켜지고, 제동저항에 전류를 흘려 에너지를 열로 소모한다.

전압이 다시 내려가면 초퍼가 꺼진다. 이 동작을 빠르게 반복하면서 DC 링크 전압이 허용범위를 넘지 않도록 제어한다.

저항값이 작을수록 제동이 강해질까?

같은 DC 전압에서 저항값이 작으면 더 큰 전류가 흐를 수 있다. 그래서 제동전력을 크게 만들 수 있는 방향으로 작용하지만, 무조건 작은 저항을 사용하는 것은 위험하다.

제동초퍼의 전력반도체에는 허용전류가 있기 때문이다. 제조사는 사용할 수 있는 최소 제동저항값을 지정하는 경우가 많고, 이 값보다 작은 저항을 연결하면 초퍼가 손상될 수 있다.

따라서 저항값은 인버터 매뉴얼에서 허용하는 범위 안에서 선정해야 한다.

저항의 와트수만 보면 충분할까?

제동저항에는 순간적으로 큰 전력이 발생할 수 있지만 항상 같은 전력이 흐르는 것은 아니다. 한 번 감속한 뒤 오래 쉬는 설비와 몇 초마다 반복적으로 감속하는 설비는 요구되는 열용량이 크게 다르다.

따라서 제동저항 선정에서는 순간 제동전력뿐 아니라 반복주기, 제동시간, 듀티, 저항의 열용량과 냉각조건을 함께 봐야 한다.

반복제동에서는 왜 열 문제가 커질까?

한 번 감속한 뒤 충분히 쉬는 설비에서는 저항이 열을 식힐 시간이 있다. 반면 권상장치, 원심분리기, 반복 위치결정 설비처럼 자주 감속하는 장비에서는 열이 빠져나가기 전에 다음 제동이 시작될 수 있다.

이때 평균적인 열발생량이 증가하고 저항의 표면온도가 계속 올라갈 수 있다. 과열이 반복되면 저항기뿐 아니라 주변 배선과 단자에도 열화가 발생할 수 있다.

제동저항이 있으면 감속시간을 무조건 짧게 할 수 있을까?

그렇지 않다. 모터가 만들 수 있는 제동토크에도 한계가 있고 인버터 출력전류에도 제한이 있다. 제동저항과 초퍼가 처리할 수 있는 전력과 에너지에도 한계가 있다.

기계장치가 감속토크를 견딜 수 있는지도 중요하다. 감속시간을 지나치게 줄이면 커플링, 기어, 벨트와 부하에 큰 기계적 충격이 전달될 수 있다.

직류제동과 제동저항은 같은 기능일까?

서로 다르다. 직류제동은 모터 고정자에 직류성분을 인가해 정지 토크를 만드는 방식이다. 회전하는 모터의 운동에너지는 주로 모터 내부에서 열로 소모된다.

반면 제동저항은 감속 중 DC 링크로 되돌아오는 회생에너지를 외부 저항에서 열로 소모한다. 두 방식은 제동원리와 에너지 처리 위치가 다르다.

회생형 인버터와는 무엇이 다를까?

제동저항 방식에서는 회생에너지를 열로 버린다. 반면 능동형 프런트엔드나 회생형 컨버터를 사용하는 시스템은 회생에너지를 전원계통으로 되돌려보낼 수 있다.

반복적으로 많은 회생에너지가 발생하는 설비에서는 에너지 효율 측면에서 회생형 시스템이 유리할 수 있다. 다만 시스템 비용, 전원계통 조건, 고조파와 제어구성을 함께 고려해야 한다.

현장에서 제동저항을 점검할 때

• 저항값이 사양범위에 있는지
• 제동저항 또는 배선이 단선되지 않았는지
• 단자 체결부에 변색이나 과열 흔적이 없는지
• 저항 주변 통풍이 확보되어 있는지
• 감속 시에만 과전압 알람이 발생하는지
• 반복제동 주기가 설계보다 짧아지지 않았는지

제동저항이 단선된 경우 정상 정속운전에서는 아무 문제가 없다가 감속할 때만 DC 링크 과전압이 발생할 수 있다. 이런 운전패턴은 원인을 좁히는 데 유용한 단서가 된다.

마무리

인버터의 제동저항은 단순히 모터의 속도를 낮추는 저항기가 아니다. 감속 중 모터가 발전상태로 들어가면서 DC 링크로 되돌아오는 회생에너지를 열로 소모해 과전압을 억제하는 장치다.

DC 링크 전압이 일정 수준 이상 올라가면 제동초퍼가 동작하고, 제동저항으로 전류를 흘려 회생에너지를 열로 바꾼다.

따라서 제동저항을 선정할 때는 저항값뿐 아니라 제동전력, 반복주기, 부하의 관성, 감속시간, 인버터 초퍼의 허용전류와 설치환경을 함께 고려해야 한다.