회생제동은 어떻게 전기에너지를 다시 돌려보낼까?

전동기는 전기에너지를 받아 회전하는 기계다.

그래서 모터를 멈출 때도 단순히 전원을 끊으면 된다고 생각하기 쉽다.

하지만 큰 모터나 빠르게 회전하는 기계에서는 전원을 끊었다고 회전체가 즉시 멈추지 않는다.

회전자와 연결된 기계에는 이미 운동에너지가 저장되어 있기 때문이다.

엘리베이터가 하강하고 있을 수도 있고, 크레인의 화물이 모터축을 끌고 갈 수도 있다.

큰 팬과 원심분리기처럼 관성이 큰 회전체가 계속 돌려고 할 수도 있다.

이때 모터에 회전방향과 반대되는 전자기토크를 만들어주면 회전체는 감속한다.

그런데 이 과정에서 사라진 기계에너지는 없어지는 것이 아니다.

모터가 발전기처럼 동작하면서 기계에너지를 다시 전기에너지로 바꿀 수 있다.

이것이 회생제동의 핵심이다.

제동이라고 해서 에너지가 사라지는 것은 아니다

회전하고 있는 물체에는 운동에너지가 저장되어 있다.

회전체의 운동에너지는 개념적으로

Ek = 1/2 Jω²

로 나타낼 수 있다.

여기서

J는 회전체 전체의 관성모멘트,

ω는 기계적인 각속도다.

속도가 높을수록 저장된 운동에너지는 크게 증가한다.

특히 속도는 제곱으로 들어간다.

따라서 고속으로 운전되는 큰 회전체를 빠르게 감속하려면 상당한 에너지를 처리해야 한다.

제동이라는 것은 결국 이 에너지를 어디론가 이동시키는 과정이라고 볼 수 있다.

일반적인 마찰제동은 에너지를 열로 바꾼다

자동차의 디스크브레이크를 생각하면 이해하기 쉽다.

브레이크패드가 디스크를 누르면 마찰이 발생한다.

차량이 가지고 있던 운동에너지는 브레이크에서 열에너지로 바뀐다.

결국 주변으로 방출된다.

산업기계의 기계식 브레이크도 기본적으로 같은 방식이다.

반면 회생제동은 운동에너지를 바로 열로 버리지 않는다.

먼저 모터를 발전기로 동작시켜 전기에너지로 변환한다.

이 전기를 전원측으로 다시 돌려보내거나 다른 곳에서 사용할 수 있다.

그래서 Regenerative Braking, 즉 에너지를 회수하는 제동이라고 부른다.

회생제동에서도 가장 중요한 것은 토크의 방향이다

모터축이 정방향으로 회전하고 있다고 하자.

정상적인 전동운전에서는 전자기토크도 정방향으로 작용한다.

모터가 회전체를 끌고 간다.

하지만 제동하려면 상황이 반대가 되어야 한다.

회전자는 여전히 정방향으로 돌고 있지만 전자기토크는 역방향으로 발생해야 한다.

그러면 전자기토크가 회전을 방해하면서 속도가 감소한다.

중요한 것은 회전방향을 갑자기 반대로 만드는 것이 아니다.

현재 회전방향과 반대방향의 토크를 만드는 것이다.

기계적 전력의 부호로 보면 더 간단하다

회전기계의 기계적 전력은

Pm = Tω

로 생각할 수 있다.

여기서

T는 토크,

ω는 회전각속도다.

회전속도와 토크가 같은 방향이면 두 값의 부호가 같다.

따라서

Tω > 0

가 된다.

이것은 일반적인 전동운전이다.

반대로 회전속도는 정방향인데 토크가 역방향이라면

Tω < 0

가 된다.

전동기 운전을 양의 방향으로 정의했다면 기계적 전력이 음수가 된다는 것은 축에서 전기기계 내부로 에너지가 들어오고 있다는 의미다.

즉 발전운전이다.

왜 토크 방향이 바뀌면 제동이 될까?

유도전동기 토크 발생 원리에서 토크는 단순히 회전자를 돌리는 힘만을 의미하지 않는다.

토크에는 방향이 있다.

회전속도와 같은 방향의 토크는 회전체를 가속시키거나 부하를 끌고 간다.

반대로 회전속도와 반대방향의 토크는 회전체의 운동에너지를 감소시킨다.

이때 그 에너지가 전기기계 내부에서 전기에너지로 변환되면 회생제동이 된다.

따라서

회생제동 = 발전운전 + 감속

이라고 이해하면 가장 쉽다.

4사분면 운전으로 보면 회생제동이 명확해진다

전동기의 속도와 토크를 각각 +와 -로 나누면 운전상태를 네 영역으로 구분할 수 있다.

이를 4사분면 운전이라고 한다.

정회전 속도를 +라고 하자.

1사분면에서는

속도 +

토크 +

이므로 일반적인 정회전 전동운전이다.

3사분면에서는

속도 –

토크 –

이므로 역회전 방향의 전동운전이다.

반면 4사분면에서는

속도 +

토크 –

가 된다.

회전은 정방향인데 토크가 반대방향이므로 정회전 회생제동이다.

2사분면에서는

속도 –

토크 +

가 되어 역회전 중 회생제동이 된다.

결국 회생제동에서는 공통적으로

속도와 토크의 부호가 서로 반대

다.

그래서

P = Tω < 0

가 된다.

유도전동기에서는 어떻게 발전상태를 만들까?

유도전동기의 경우 회생제동을 이해하는 핵심이 유도전동기의 슬립이다.

슬립은

s = (Ns – Nr) / Ns

로 나타낸다.

정상적인 전동운전에서는

Nr < Ns

이므로 슬립이 양수다.

하지만 회전자가 회전자계보다 빠르게 움직이면

Nr > Ns

가 되고 슬립이 음수가 된다.

이 상태에서는 유도전동기의 전자기토크가 회전방향과 반대로 작용하고 기계에너지가 전기에너지로 변환된다.

즉 유도기가 발전영역으로 들어간다.

인버터는 실제 회전자속도보다 동기속도를 먼저 낮출 수 있다

상용전원에 직접 연결된 모터에서는 주파수가 거의 일정하기 때문에 동기속도도 거의 일정하다.

하지만 인버터 구동에서는 다르다.

동기속도는

Ns = 120f / P

로 결정되므로 인버터가 출력주파수를 낮추면 회전자계의 속도도 낮아진다.

예를 들어 회전자가 관성 때문에 아직 빠르게 돌고 있는데 인버터가 주파수를 빠르게 낮췄다고 하자.

회전자계의 동기속도는 먼저 떨어진다.

실제 회전자는 관성 때문에 바로 감속하지 못한다.

순간적으로

Nr > Ns

가 된다.

이렇게 음의 슬립이 만들어지면 유도전동기는 발전영역으로 들어가면서 회전방향과 반대되는 토크를 발생시킨다.

이 토크가 회전체를 감속한다.

회전자가 느려지고 있는데 어떻게 발전기가 될 수 있을까?

이 부분도 처음에는 헷갈릴 수 있다.

발전운전이라고 해서 회전속도가 반드시 증가하고 있어야 하는 것은 아니다.

중요한 것은 가속인지 감속인지가 아니라 현재 회전속도와 전자기토크의 방향관계다.

회전체가 정방향으로 1500rpm으로 돌고 있다고 하자.

제동 중에 속도가

1500rpm

→ 1400rpm

→ 1300rpm

으로 감소하고 있더라도

그 순간 전자기토크가 회전방향과 반대로 작용하고 있다면 기계에너지가 전기측으로 이동하고 있다.

즉 발전운전을 하면서 감속하는 것이다.

회생제동에서 에너지는 어디에서 나올까?

전원에서 새롭게 만들어지는 것이 아니다.

회전체가 이미 가지고 있던 운동에너지에서 나온다.

엘리베이터가 무거운 하중을 아래로 내릴 때는 중력 위치에너지도 들어올 수 있다.

크레인에서 화물이 내려가는 경우도 마찬가지다.

따라서 회생제동의 에너지원은 상황에 따라

회전체의 운동에너지,

높이 차이에 의한 위치에너지,

외부기계가 축을 미는 에너지

등이 될 수 있다.

엘리베이터는 왜 대표적인 회생부하일까?

엘리베이터는 모터가 항상 카를 끌어올리는 방향으로만 일하지 않는다.

카와 균형추의 무게관계에 따라 오히려 기계쪽에서 모터축을 밀 수 있다.

예를 들어 무거운 카가 아래로 내려가는 상황에서는 중력이 축을 구동하려 한다.

모터는 하강속도가 지나치게 증가하지 않도록 반대토크를 만들어야 한다.

이때 모터는 발전운전상태가 될 수 있다.

기계의 위치에너지가 전기에너지로 변환된다.

따라서 승강설비는 회생제동의 원리를 이해하기 좋은 예다.

크레인과 호이스트에서도 같은 현상이 생긴다

화물을 들어올릴 때는 모터가 전기에너지를 받아 기계적인 일을 한다.

반대로 무거운 화물을 내릴 때는 하중 자체가 모터를 돌리려 한다.

속도를 제어하기 위해 모터는 반대방향의 토크를 발생시킨다.

그러면 모터는 발전기로 동작한다.

이때 발생하는 전기에너지를 어떻게 처리하는가가 구동시스템 설계에서 중요하다.

큰 팬과 원심분리기는 왜 감속할 때 문제가 될까?

큰 팬이나 원심분리기는 회전체의 관성이 크다.

정상운전 중에는 많은 운동에너지가 저장되어 있다.

인버터가 운전주파수만 급하게 낮춘다고 해서 회전체가 즉시 감속하지 않는다.

회전체가 가진 관성이 모터축을 계속 돌린다.

모터는 발전영역으로 들어가고 회생에너지가 인버터측으로 되돌아온다.

이 에너지를 제대로 처리하지 못하면 DC 링크 전압이 올라갈 수 있다.

회생에너지는 인버터 안에서 어디로 갈까?

일반적인 인버터는 크게

전원측 정류부,

DC 링크,

모터측 인버터부

로 볼 수 있다.

전동운전에서는 에너지가 보통

교류전원 → 정류부 → DC 링크 → 인버터 → 모터

방향으로 흐른다.

회생제동에서는 반대다.

모터 → 인버터 → DC 링크

방향으로 에너지가 돌아온다.

문제는 그다음이다.

DC 링크로 들어온 에너지가 계속 빠져나갈 곳이 없다면 DC 링크 전압이 상승한다.

DC 링크 전압은 왜 올라갈까?

DC 링크에는 일반적으로 커패시터가 연결되어 있다.

커패시터에 저장되는 에너지는

E = 1/2 CV²

로 표현할 수 있다.

C는 DC 링크 커패시터의 정전용량,

V는 DC 링크 전압이다.

모터에서 회생된 에너지가 DC 링크로 들어오는데 전원측으로 빠져나가지 못하면 커패시터에 저장되는 에너지가 증가한다.

그러면 V가 상승한다.

따라서 감속 중 DC 링크 전압이 상승하는 것은 회전체의 기계에너지가 전기측으로 돌아오고 있다는 중요한 신호다.

일반적인 다이오드 정류기는 왜 회생전력을 계통으로 못 보낼까?

많은 범용 인버터의 입력측에는 6펄스 다이오드 정류회로가 사용된다.

다이오드는 기본적으로 한 방향으로 전류를 흐르게 한다.

그래서 정상운전에서는

교류전원 → DC 링크

방향으로 전력을 전달할 수 있다.

하지만 DC 링크에서 교류전원측으로 전력을 다시 밀어내는 양방향 전력변환은 할 수 없다.

따라서 모터에서 돌아온 회생에너지가 DC 링크에 쌓이게 된다.

감속할 때 인버터가 과전압 트립하는 이유

인버터 운전 중에는 정상적으로 잘 돌던 모터가 감속할 때만 과전압 트립하는 경우가 있다.

이런 경우 단순히 입력전압이 높다고만 생각하면 원인을 놓칠 수 있다.

감속시간이 너무 짧으면 모터는 강한 회생제동을 하게 된다.

회전체가 가지고 있던 많은 운동에너지가 짧은 시간에 DC 링크로 들어온다.

전원측으로 보낼 수도 없고 제동저항으로 충분히 소비하지도 못한다면 DC 링크 전압이 빠르게 상승한다.

인버터는 반도체와 DC 커패시터를 보호하기 위해 과전압으로 정지한다.

감속시간을 늘리면 왜 트립이 줄어들까?

같은 회전체가 가지고 있는 총 운동에너지를 처리하더라도 긴 시간에 걸쳐 감속하면 순간적인 회생전력이 작아질 수 있다.

회생전력은 개념적으로

P = dE/dt

로 생각할 수 있다.

같은 에너지 E를 더 긴 시간에 처리하면 평균적인 전력은 낮아진다.

따라서 감속시간을 늘리면 DC 링크 전압이 급격하게 상승하는 현상을 줄일 수 있는 경우가 많다.

다만 기계공정상 빠른 정지가 반드시 필요하다면 감속시간만 늘리는 것으로 해결할 수 없다.

회생에너지를 별도로 처리해야 한다.

제동저항은 무슨 역할을 할까?

회생전력을 계통으로 돌려보낼 수 없는 인버터에서는 제동저항을 사용할 수 있다.

DC 링크 전압이 일정 수준 이상 올라가면 제동유닛 또는 브레이크 초퍼가 동작한다.

그러면 DC 링크의 전기에너지가 제동저항으로 전달된다.

제동저항에서는

전기에너지 → 열에너지

로 변환된다.

그 결과 DC 링크 전압이 지나치게 올라가는 것을 막으면서 모터는 계속 제동토크를 발생시킬 수 있다.

제동저항을 사용하는 것도 회생제동일까?

용어를 정확하게 구분할 필요가 있다.

모터가 발전기로 동작하여 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 현상 자체는 회생상태라고 볼 수 있다.

하지만 만들어진 전기에너지를 제동저항에서 열로 버린다면 에너지를 전원으로 회수하는 의미의 진정한 계통회생은 아니다.

이 방식은 흔히 저항제동 또는 동적제동으로 구분한다.

따라서

모터의 발전운전

과

발전된 에너지를 실제로 재사용하는 계통회생

을 구분해서 이해해야 한다.

회생형 컨버터는 무엇이 다를까?

전원측에 양방향 전력변환이 가능한 회생형 컨버터를 사용하면 DC 링크에서 전원측으로 전력을 되돌려보낼 수 있다.

대표적으로 AFE, 즉 Active Front End 방식이 있다.

전동운전에서는

계통 → DC 링크 → 모터

방향으로 전력을 전달한다.

회생운전에서는

모터 → DC 링크 → 계통

방향으로 전력을 보낼 수 있다.

따라서 제동 중 발생한 에너지를 저항에서 열로 버리지 않고 다른 부하가 사용할 수 있도록 전력계통으로 돌려보낼 수 있다.

회생형 인버터는 왜 모든 설비에 사용하지 않을까?

장점만 있는 것은 아니다.

일반적인 다이오드 정류형 인버터보다 전력회로와 제어가 복잡하다.

비용도 증가할 수 있다.

설비에서 회생운전이 거의 발생하지 않는다면 추가 비용에 비해 회수되는 에너지가 크지 않을 수도 있다.

반대로 엘리베이터나 크레인, 시험설비처럼 회생운전이 반복되는 장치에서는 에너지회수의 효과가 커질 수 있다.

따라서 부하의 운전패턴을 보고 적용방식을 결정해야 한다.

공통 DC 버스를 사용하면 다른 모터가 회생에너지를 사용할 수도 있다

산업설비에는 여러 인버터의 DC 링크를 공통으로 연결하는 시스템도 있다.

예를 들어 한 축이 감속하면서 회생전력을 DC 버스로 보내는 동시에 다른 축이 가속하면서 전력을 소비한다고 하자.

회생축에서 발생한 에너지를 다른 전동축이 바로 사용할 수 있다.

그러면 전원측으로 돌려보내거나 제동저항에서 버려야 하는 에너지를 줄일 수 있다.

여러 축이 반복적으로 가속과 감속을 하는 설비에서 유용한 방식이다.

회생제동은 전기자동차에서도 같은 원리일까?

기본적인 에너지변환 원리는 같다.

주행 중인 차량에는 운동에너지가 저장되어 있다.

운전자가 감속을 요구하면 구동모터가 차량의 진행방향과 반대되는 토크를 발생시킨다.

모터는 발전기로 동작하고 차량의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다.

이 에너지가 배터리로 돌아가면 실제 에너지회수가 이루어진다.

다만 배터리의 충전상태나 온도, 허용충전전력 등에 따라 회생제동량은 제한될 수 있다.

PMSM도 회생제동을 할 수 있을까?

가능하다.

회생제동은 유도전동기만의 현상이 아니다.

PMSM이나 BLDC 같은 영구자석 모터도 인버터 제어를 통해 회전방향과 반대되는 전자기토크를 만들 수 있다.

정방향 회전 중에 음의 토크를 명령하면 모터는 발전운전영역으로 들어갈 수 있다.

기계에너지가 전기측으로 전달되어 DC 링크 또는 배터리로 돌아간다.

다만 유도전동기처럼 음의 슬립으로 발전상태를 설명하지는 않는다.

모터 종류에 따라 토크를 만드는 원리는 다르지만

회전방향과 반대토크 → 기계에너지 감소 → 전기에너지 생성

이라는 회생제동의 에너지 흐름은 같다.

직류전동기에서도 회생제동이 가능하다

직류전동기에서도 회전자가 돌면 역기전력이 발생한다.

발전상태를 만들 수 있는 조건에서는 모터에서 전원쪽으로 전류가 흐를 수 있다.

즉 직류전동기도 발전기처럼 동작하며 회생제동을 할 수 있다.

결국 회생제동은 특정 한 종류의 전동기에만 존재하는 기술이 아니라 회전 전기기계의 가역적인 에너지변환 성질을 이용하는 방법이다.

회생제동과 역상제동은 왜 다른가?

역상제동은 모터가 회전 중일 때 회전자계 방향을 반대로 만들어 강한 반대토크를 발생시키는 방식이다.

유도전동기에서는 상순서를 바꾸는 플러깅이 대표적이다.

이 경우 전원에서도 에너지가 공급될 수 있고 회전체가 가지고 있던 기계에너지와 함께 상당 부분이 열로 소모된다.

반면 회생제동에서는 모터 자체가 발전기로 동작한다.

따라서 기계에너지가 전기에너지로 변환되어 전기측으로 이동한다.

두 방식 모두 회전을 멈추게 하지만 에너지 흐름은 전혀 다르다.

직류제동도 회생제동과 다르다

일부 인버터에서는 정지할 때 모터 고정자에 직류를 인가하는 DC 제동 기능을 사용할 수 있다.

고정자에 정지된 자계를 만들고 회전자가 그 자계를 지나가면서 제동토크를 발생시키는 방식이다.

이 과정에서 회전자의 운동에너지는 주로 모터 내부에서 열로 소비된다.

전원으로 에너지를 회수하는 것이 아니다.

따라서

회생제동,

제동저항을 이용한 동적제동,

역상제동,

DC 제동

은 모두 감속에 사용될 수 있지만 원리와 에너지 흐름이 서로 다르다.

회생제동이 있으면 기계식 브레이크는 없어도 될까?

그렇지 않다.

이 부분은 현장에서 특히 중요하다.

회생제동은 모터와 인버터, 전원계통이 정상적으로 동작할 때 전자기적으로 제동토크를 만드는 방식이다.

전원이 상실되거나 인버터에 고장이 발생하면 원하는 제동토크를 만들지 못할 수 있다.

또한 회전체의 속도가 0에 가까워지면 회생할 수 있는 기계적인 전력

P = Tω

도 0에 가까워진다.

따라서 하중을 정지상태로 안전하게 유지해야 하는 크레인이나 호이스트, 엘리베이터 같은 설비에서는 기계식 브레이크가 여전히 중요하다.

회생제동은 기계식 브레이크를 무조건 대체하는 장치가 아니다.

회생제동은 정지시키는 기능과 유지하는 기능을 구분해야 한다

회생제동의 주목적은 움직이는 기계의 에너지를 빼앗아 감속시키는 것이다.

하지만 이미 완전히 정지한 하중을 계속 그 자리에 고정하려면 이야기가 달라진다.

속도가 0이면

P = Tω = 0

이다.

정지상태에서 모터가 토크를 만들 수 있는 제어방식은 존재하지만 이것은 회생에너지를 회수하는 것과 다른 문제다.

특히 중량물을 지지해야 하는 설비는 기계식 브레이크와 안전장치를 별도로 고려해야 한다.

회생제동이 강하면 무조건 좋은 것일까?

그렇지 않다.

강한 제동토크를 만들면 감속시간은 짧아진다.

하지만 동시에 더 큰 회생전력이 발생할 수 있다.

모터와 인버터의 전류도 증가할 수 있다.

DC 링크 전압도 빠르게 상승할 수 있다.

기계적으로는 축과 커플링, 감속기 등에 큰 토크가 걸릴 수 있다.

따라서 제동시간은 단순히 짧게 설정할수록 좋은 것이 아니다.

전기적인 용량과 기계적인 허용토크를 함께 고려해야 한다.

제동저항은 저항값만 맞으면 되는 것이 아니다

제동저항을 적용할 때는 단순히 Ω값만 보는 것이 아니다.

순간적으로 얼마나 큰 제동전력을 받아야 하는지,

한 번의 제동에서 얼마나 많은 에너지를 흡수해야 하는지,

제동이 얼마나 자주 반복되는지,

저항이 식을 수 있는 시간이 충분한지

등을 함께 봐야 한다.

저항 자체뿐 아니라 브레이크 초퍼의 전압과 전류 허용범위도 확인해야 한다.

따라서 실제 선정은 반드시 해당 인버터 제조사의 제동저항 선정기준을 따라야 한다.

제동저항이 끊어지면 어떤 현상이 나타날까?

회생이 많은 설비에서 제동저항이 단선되거나 브레이크 초퍼가 동작하지 않으면 회생에너지를 소비할 곳이 사라진다.

정상운전 중에는 문제가 없어 보일 수 있다.

하지만 감속하는 순간 DC 링크 전압이 상승하면서 과전압 트립이 반복될 수 있다.

따라서

“가속과 정속운전은 정상인데 감속할 때만 인버터가 트립한다”

면 제동회로도 점검대상에 포함할 필요가 있다.

감속 중 과전압이 나오면 무엇부터 봐야 할까?

먼저 입력전압 자체가 비정상적으로 높은지 확인해야 한다.

그다음에는 감속시간을 본다.

너무 짧게 설정되어 있지 않은지 확인한다.

관성이 큰 부하인지도 확인한다.

제동저항을 사용하는 설비라면

저항의 단선,

배선 이상,

제동유닛 상태,

브레이크 초퍼 동작 여부

등도 확인해야 한다.

회생형 컨버터를 사용하는 경우에는 전원측 회생장치가 정상적으로 운전 가능한 상태인지 확인해야 한다.

하강부하에서는 정속운전 중에도 회생할 수 있다

회생제동이라는 이름 때문에 감속할 때만 발전한다고 생각하기 쉽다.

하지만 반드시 그렇지는 않다.

크레인이 무거운 화물을 일정한 속도로 아래로 내리고 있다고 하자.

속도는 일정하므로 가속도는 0이다.

하지만 중력은 계속 화물을 아래로 끌어당기고 있다.

모터는 속도가 증가하지 않도록 반대토크를 발생시켜야 한다.

따라서 모터는 일정한 속도로 회전하면서도 계속 발전운전을 할 수 있다.

이 경우 회생은 단순한 감속이 아니라 속도제어의 일부다.

회생제동을 이해할 때 속도와 가속도를 혼동하면 안 된다

발전인지 전동인지 판단할 때 가속과 감속만 보는 것은 부족하다.

핵심은

회전방향,

전자기토크 방향,

전력의 흐름

이다.

속도가 감소하고 있다고 해서 항상 회생제동인 것은 아니다.

마찰이나 기계식 브레이크로 감속할 수도 있다.

반대로 속도가 일정하더라도 하강부하처럼 외부기계가 모터를 밀고 있고 모터가 반대토크를 만들고 있다면 발전운전이 가능하다.

회생제동에서도 손실은 존재한다

기계에너지 전체가 다시 전원으로 돌아가는 것은 아니다.

모터에는 동손과 철손이 있다.

인버터에는 반도체의 도통손실과 스위칭손실이 있다.

회생형 컨버터에도 손실이 발생한다.

배선과 리액터에서도 손실이 생길 수 있다.

따라서 실제 회수되는 에너지는 원래 회전체가 가지고 있던 기계에너지보다 작다.

회생제동은 손실이 없는 시스템이 아니라 버려질 에너지의 일부를 다시 사용할 수 있게 하는 시스템이다.

전원이 끊기면 회생제동도 할 수 있을까?

일반적인 계통회생 시스템에서는 전원과 전력변환장치가 정상적인 상태여야 한다.

정전되었다고 해서 모터가 자동으로 안전하게 회생제동을 계속해주는 것은 아니다.

전력변환장치가 동작할 수 없거나 에너지를 받아줄 곳이 없어질 수 있다.

따라서 사람이나 중량물이 관련된 설비에서는 전기적인 회생제동만을 안전정지 수단으로 생각하면 안 된다.

기계식 브레이크와 별도의 안전회로가 필요할 수 있다.

회생제동은 에너지 절감에 언제 유리할까?

회생이 거의 발생하지 않는 일정속도 부하에서는 효과가 크지 않을 수 있다.

반대로

가속과 감속을 반복하는 설비,

하강부하가 많은 설비,

관성이 큰 회전체,

반복적으로 속도를 바꾸는 설비

에서는 회수할 수 있는 에너지가 많아질 수 있다.

엘리베이터,

크레인,

호이스트,

원심분리기,

시험기,

일부 컨베이어와 이송설비

등에서 운전조건에 따라 회생에너지 처리가 중요해질 수 있다.

현장에서 회생상태를 어떻게 확인할까?

인버터나 드라이브에서 확인할 수 있는 값이 있다면

모터속도,

토크 지령,

실제 토크,

출력주파수,

유효전력,

DC 링크 전압

등을 함께 보는 것이 좋다.

정방향 회전 중인데 토크값이 반대부호로 나타나고 전력이 DC 링크 방향으로 이동한다면 회생상태일 가능성이 높다.

다만 제조사마다 모니터값의 +와 – 부호기준이 다를 수 있으므로 해당 드라이브의 매뉴얼을 확인해야 한다.

4사분면 인버터라는 말은 무슨 뜻일까?

모터를 정방향과 역방향으로 모두 구동할 수 있고 두 방향에서 모두 전동운전과 회생운전이 가능하다면 4사분면 운전이 가능하다고 표현한다.

즉

정회전 전동,

정회전 회생,

역회전 전동,

역회전 회생

을 모두 제어할 수 있다는 뜻이다.

하지만 모터측 인버터가 4사분면 토크제어를 할 수 있다는 것과 입력측으로 회생에너지를 실제 계통에 돌려보낼 수 있다는 것은 별개의 문제다.

전원측 회로 역시 양방향 전력변환이 가능해야 실제 계통회생이 가능하다.

회생제동의 가장 중요한 구분

회생제동을 이해할 때 다음 세 단계를 분리해서 보면 헷갈리지 않는다.

첫 번째는 모터가 발전기로 동작하는 단계다.

기계에너지가 전기에너지로 변환된다.

두 번째는 생성된 전기에너지가 DC 링크로 들어오는 단계다.

세 번째는 DC 링크에 들어온 에너지를 어떻게 처리하느냐다.

이 에너지를

전원으로 되돌려보낼 수도 있고,

다른 모터가 사용할 수도 있고,

제동저항에서 열로 버릴 수도 있다.

따라서 모터의 발전운전과 에너지의 최종 처리방식은 같은 개념이 아니다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 회생제동은 모터를 반대방향으로 돌리는 것이 아니다.

현재 회전방향과 반대되는 전자기토크를 만드는 것이다.

둘째, 회생제동에서는

P = Tω < 0

가 되는 운전영역이 중요하다.

셋째, 유도전동기에서는 회전자가 회전자계보다 빠르면 음의 슬립이 발생하고 발전운전이 가능하다.

넷째, 감속 중인 모터도 발전기가 될 수 있다.

속도가 감소하고 있는지보다 토크와 전력의 방향이 중요하다.

다섯째, 일반적인 다이오드 정류형 인버터는 DC 링크의 회생에너지를 그대로 교류계통으로 되돌려보내기 어렵다.

여섯째, 회생에너지가 빠져나갈 곳이 없으면 DC 링크 전압이 상승하고 인버터가 과전압 트립할 수 있다.

일곱째, 제동저항은 회생에너지를 전력계통으로 돌려보내는 것이 아니라 열로 소비한다.

여덟째, 실제 계통회생을 하려면 AFE와 같은 양방향 전력변환장치가 필요할 수 있다.

아홉째, 하강부하에서는 속도가 일정해도 모터가 계속 발전운전을 할 수 있다.

열째, 회생제동이 있다고 기계식 브레이크가 필요 없는 것은 아니다.

특히 중량물을 정지상태로 안전하게 유지해야 하는 설비에서는 전기제동과 기계제동의 역할을 구분해야 한다.

마무리

회생제동의 본질은 단순히 모터를 빠르게 멈추는 데 있지 않다.

회전체가 가지고 있던 기계에너지를 모터가 발전기로 동작하면서 전기에너지로 바꾸는 데 있다.

회전속도와 전자기토크가 같은 방향이면

P = Tω > 0

가 되어 일반적인 전동운전이 된다.

반대로 속도와 토크가 서로 반대방향이면

P = Tω < 0

가 되고 모터는 발전운전영역에 들어간다.

유도전동기에서는 인버터가 회전자계의 동기속도를 실제 회전자속도보다 낮게 만들면 음의 슬립이 발생하고 회생토크를 만들 수 있다.

이때 회전체의 운동에너지는

기계에너지 → 모터 → 인버터 → DC 링크

순서로 이동한다.

그다음 에너지를 어떻게 처리하느냐에 따라 시스템이 달라진다.

일반적인 다이오드 정류형 인버터에서는 계통으로 전력을 되돌려보내기 어렵기 때문에 제동저항을 이용해 열로 소비할 수 있다.

AFE나 회생형 컨버터를 사용하면 DC 링크의 에너지를 전원계통으로 되돌려보낼 수 있다.

여러 인버터가 공통 DC 버스를 사용하는 시스템에서는 한 축의 회생에너지를 다른 축이 사용할 수도 있다.

현장에서 감속할 때만 DC 링크 과전압이 발생한다면 단순한 입력전압 문제뿐 아니라 회생에너지를 제대로 처리하고 있는가를 함께 확인해야 한다.

회생제동을 제대로 이해하면 인버터의 감속시간, 제동저항, DC 링크 과전압, 회생형 컨버터가 각각 왜 필요한지도 하나의 에너지 흐름으로 연결해서 볼 수 있다.

다음 글에서는 회생제동과 같은 전력전자 제어를 이해하기 위해 많이 접하게 되는 BLDC 모터는 정말 직류전동기일까?를 살펴보고, BLDC의 구조와 전자정류 방식이 일반적인 직류전동기와 무엇이 다른지 알아본다.