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VFD 제동 솔루션은 모터 감속 또는 정지 시 발생하는 회생 에너지를 처리하여 DC 버스 전압의 과도 상승을 방지하고 시스템의 안전하고 효율적인 운전을 보장합니다. 일반적인 솔루션으로는 동적 제동과 회생 제동이 있으며, 부하 특성, 에너지 효율 및 비용 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다.
가변 주파수 속도 제어 시스템에서 모터의 감속 및 정지는 주파수를 점진적으로 낮추어 구현됩니다. 주파수가 감소하는 순간 모터의 동기 속도는 그에 따라 낮아지지만, 회전자 속도는 기계적 관성으로 인해 유지됩니다. 동기 속도 w_1이 회전자 속도 w보다 낮아지면 회전자 전류의 위상이 거의 180도 변하여 모터가 전동 상태에서 발전 상태로 전환됩니다. 동시에 모터 샤프트의 토크는 제동 토크 T_e가 되어 모터 속도를 급격히 감소시키며, 모터는 회생 제동 상태에 들어갑니다. 모터에서 회생된 전기 에너지 P는 프리휠링 다이오드를 통해 전파 정류되어 DC 회로로 피드백됩니다. DC 회로의 전기 에너지는 정류기 브리지를 통해 계통으로 피드백될 수 없으므로 인버터 자체의 커패시터에만 흡수됩니다. 다른 부품이 전기 에너지를 소비할 수 있지만, 커패시터는 단시간 동안 전하를 축적하여 ‘펌핑 전압’을 형성하고 DC 전압 Ud를 상승시킵니다. 과도한 DC 전압은 각종 부품을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 이 회생 에너지를 처리하기 위한 조치가 필요합니다. 당사는 다음과 같은 두 가지 솔루션을 제공합니다.
솔루션 A: 동적 제동
이 방식은 제동 저항기를 통해 회생 에너지를 소모합니다. 작동 원리는 초퍼(제동 유닛이라고도 함)를 사용하여 제동 저항기가 DC 회로 내에서 에너지를 흡수하도록 제어함으로써 신속한 제동을 구현하는 것입니다. 이 솔루션은 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 제동 토크가 높고 계통에 오염을 유발하지 않습니다. 그러나 회생 에너지를 회수할 수 없습니다. 표준 원심 분리기나 대패와 같이 비용에 민감하거나 계통 안정성 요구 사항이 낮은 환경에 적합합니다.
솔루션 B: 회생 제동
이 방식은 회생 에너지를 동일한 주파수와 위상의 AC 전력으로 변환하여 계통으로 피드백합니다. 능동 인버전 기술을 사용하여 에너지 재활용을 가능하게 하고 시스템 효율을 향상시키며 4상한 운전을 지원합니다. 그러나 안정적인 계통 전압(변동 폭 15% 이내)이 필요하며, 그렇지 않으면 정류 실패가 쉽게 발생할 수 있습니다. 또한 고조파 오염 위험이 있으며 제어 복잡성과 비용이 상대적으로 높습니다. 크레인 및 엘리베이터의 위치 에너지 부하와 같이 빈번한 제동이 필요하고 계통 공급이 안정적인 응용 분야에 적합합니다.
다이내믹 브레이킹(발전 제동)에 사용되는 방식은 인버터(VFD)의 DC(직류) 측에 방전 저항기를 추가하여 회생 에너지를 전력 저항기를 통해 소비함으로써 제동을 구현하는 것입니다(그림 참조). 이는 회생 에너지를 처리하는 가장 직접적인 방법으로, 저항기 내의 전용 다이내믹 브레이킹 회로를 통해 에너지가 열로 방출됩니다. 따라서 이를 “저항 제동”이라고도 하며, 제동 유닛(초퍼)과 제동 저항기라는 두 가지 구성 요소로 이루어집니다.
1.1. 제동 유닛 (Braking Unit)
제동 유닛의 기능은 DC 버스 전압 U_d가 미리 설정된 임계값(즉, 초핑 전압)을 초과할 때 에너지 소비 회로를 활성화하여, DC 회로가 제동 저항기를 통해 열 형태로 에너지를 방출할 수 있도록 하는 것입니다. 제동 유닛은 내장형과 외장형의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 전자는 저전력 범용 인버터에 적합하며, 후자는 고전력 인버터나 특별한 제동 요구 사항이 있는 운전 조건에서 사용됩니다. 원칙적으로 두 유형 사이에 차이는 없으며, 둘 다 제동 저항기를 연결하기 위한 “스위치” 역할을 하며 파워 트랜지스터, 전압 샘플링 및 비교 회로, 구동 회로로 구성됩니다.
1.2. 제동 저항기 (Braking Resistor)
제동 저항기는 모터의 회생 에너지를 열 형태로 방출하는 데 사용되는 부품입니다. 저항값과 전력 용량이라는 두 가지 주요 매개변수가 있습니다. 다양한 응용 분야에 따라 당사는 각기 다른 성능 특성을 가진 다양한 제동 저항기를 개발했습니다. 자세한 내용은 제동 저항기 비교표를 참조하십시오.
다이내믹 브레이킹의 과정은 다음과 같습니다.
2.1. 모터가 외력(부하에 의한 구동 포함)에 의해 감속하거나 역전하면 발전 상태로 동작하여 에너지를 DC 버스로 피드백하고 버스 전압을 상승시킵니다.
2.2. DC 버스 전압이 제동 유닛의 초핑 전압에 도달하면 제동 유닛의 파워 트랜지스터가 켜지며 전류가 제동 저항기를 통해 흐를 수 있게 됩니다.
2.3. 제동 저항기가 전기 에너지를 열로 소비하여 모터의 속도를 줄이고 결과적으로 DC 버스 전압을 낮춥니다.
2.4. DC 버스 전압이 제동 유닛의 차단 전압(Cut-off)까지 떨어지면 파워 트랜지스터가 꺼져 저항기를 통한 전류 흐름이 중단됩니다.
2.5. DC 버스 전압은 지속적으로 모니터링되며, 제동 유닛은 이 ON/OFF 과정을 반복하여 버스 전압을 조절함으로써 시스템의 정상적인 동작을 보장합니다.
다이내믹 브레이킹(저항 제동)의 장점은 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 제동 토크가 높고 전력망을 오염시키지 않는다는 점입니다. 그러나 회생 에너지를 회수할 수 없기 때문에 빈번한 제동 시 상당한 에너지 낭비가 발생하며 제동 저항기의 용량을 늘려야 합니다.
4.1. 먼저 제동 토크를 추정합니다.
일반적으로 모터 제동 시 모터 내부에서 정격 토크의 약 18%~22%의 내부 손실이 발생합니다. 따라서 계산 결과가 이 범위를 하회하면 제동 장치를 연결할 필요가 없습니다.
4.2. 다음으로 제동 저항기의 저항값을 계산합니다.
제동 유닛 동작 중 DC 버스 전압의 변동은 RC 시상수에 의존합니다. 여기서 R은 제동 저항기의 저항값이고 C는 인버터 내부 전해 콘덴서의 용량입니다. 일반적으로 제동 유닛 동작 전압은 710V로 설정됩니다.
4.3. 제동 유닛 선정 시 유닛의 최대 동작 전류가 유일한 기준이며 계산식은 다음과 같습니다.
4.4. 마지막으로 제동 저항기의 정격 전력을 계산합니다.
제동 저항기는 단시간 정격(Short-time duty)으로 동작하므로, 그 특성과 기술 사양에 따라 정격 전력은 연속 통전 시의 소비 전력보다 작아집니다. 일반적으로 다음 식을 사용하여 계산할 수 있습니다: 제동 저항기 정격 전력 = 경감 계수(Derating) × 제동 시 평균 소비 전력 × 제동 사용률(ED%).
다양한 제동 유닛 시리즈 비교표
| 주요 특성 | LN 시리즈 220V | LN 시리즈 400V | GN 시리즈 |
|---|---|---|---|
| 인버터 정격 출력 (Pr) | 7.5KW ~ 90KW | 7.5KW ~ 132KW | 37KW ~ 450KW |
| 최대 제동 전류 (I) | 50A ~ 200A | 40A ~ 200A | 75A ~ 450A |
| 반복 제동 전력 (Pm) | Pr 및 ED(%) 기준 | Pr 및 ED(%) 기준 | Pr 및 ED(%) 기준 |
| 사이클 타임 (요청 시 최대 600초) | 표준 120초 | 표준 120초 | 표준 120초 |
| 제동 사용률 (ED) (요청 시 40% 이상 가능) | 최대 20% | 최대 20% | 최대 40% |
| 전원 계통 전압 (U) @50/60Hz | 220/240V ±10% | 380/415V ±10% | 380/415V ±10% 480/500V ±10% 660/690V ±10% |
| 기본 동작 전압 (조정 가능) | DC 320V ±5V | DC 660V ±5V | DC 660 / 830 / 1150V ±5V |
| 내전압 (절연 내력) | AC 3000V @ 1분 | AC 3000V @ 1분 | AC 3000V @ 1분 |
| 절연 저항 | >20MΩ / 본체 | >20MΩ / 본체 | >20MΩ / 본체 |
| 저항기 유형 | 시리즈 번호 | 전력 범위 (W) | 저항값 | 케이스 재질 | 보호 등급 (IP) | 팬 유무 | 특징 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 권선형 저항기 | RXG20 | 50–15,000 | 주문 제작 | 없음 | IP00 | 아니요 | 낮은 IP 등급, 저렴한 비용, 방열성 양호 | 엘리베이터, 크레인, 일반 인버터 |
| 알루미늄 케이스 | RXLG | 20–11,000 | 주문 제작 | 없음 | IP21/IP65 | 아니요 | 높은 IP 등급, 컴팩트한 구조, 장시간 운전 부적합 | 엘리베이터, 크레인, VFD, 사출기, CNC, 로봇, 전기차 |
| 소형 알루미늄 | RXLG | IP21/IP65 | 아니요 | 컴팩트 구조, 대전류, 저저항 | 전기 스쿠터 | |||
| 방열판 저항기 | RAD | IP21 | 대전류, 알루미늄 방열판, 모듈식 | 협소한 공간 |
| 저항기 박스/캐비닛 유형 | 시리즈 번호 | 전력 범위 (KW) | 저항기 유형 | 캐비닛 재질 | 보호 등급 (IP) | 팬 유무 | 특징 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 멀티 유닛 알루미늄 박스 | ARXU | 15-50 | 알루미늄 저항기 | 냉연강판 | IP21/IP54 | 소형 팬 | 높은 IP 등급, 방수 정션 박스 | 엘리베이터, 크레인, 인버터 |
| STL 스테인리스 메쉬형 | STL | 6-250 | 스테인리스 메쉬 | 304/316 | IP54 | 예 (12KW 이상) | 방수 및 염해 부식 방지 | 항만 크레인, 타워 크레인 (실외) |
| STC 스테인리스 메쉬형 | STC | 6-250 | 스테인리스 메쉬 | 아연도금강판 | IP54 | 예 (12KW 이상) | 방수형, 염해 방지에는 부적합 | 중부하 실내/실외용 |
| 세라믹 저항기 캐비닛 | DBR | 9-100 | 권선형 | 아연도금강판 | IP54 | 아니요 | 컴팩트 구조, 대전류, 강력한 과부하 내성 | 고중량 부하 실내/실외 |
| 블레이드형 저항기 박스 | DBR | 1-200 | 블레이드형 | 아연도금강판 | IP00 | 옵션 | 컴팩트 구조, 긴 수명 | 중부하 실내 운전 |
| STB 스테인리스 격자 박스 | STB | 1-27 | 스테인리스 메쉬 | 냉연강판 | IP00 | 아니요 | 보호 등급 낮음, 우수한 방열성 | 실내 중부하 장시간 사용 |
| BRB 세라믹 저항기 박스 | BRB | 2-36 | 권선형 | 냉연강판 | IP00 | 예 (20KW 이상) | 내충격성 낮음, 방열성 양호 | 실내 중부하 장시간 사용 |
| 엘리베이터 전용 박스 | EVR | 3-9 | 스테인리스 메쉬 | 아연도금강판 | IP00 | 아니요 | 컴팩트 구조, 방열 양호, 부분 방수 | 엘리베이터 전용 |
회생 제동(Regenerative Braking)은 에너지 피드백 제동이라고도 하며, 액티브 인버전(Active Inversion) 기술을 사용하여 모터의 감속 또는 정지 시 발생하는 회생 에너지를 전력 계통의 주파수, 위상 및 전압과 일치하는 교류(AC) 전력으로 변환하는 기술입니다. 이 에너지는 전력망으로 직접 반환되어 에너지 재활용을 가능하게 하며, DC 버스(직류 중간 회로)의 전압 상승(Voltage Pumping) 문제를 근본적으로 해결함과 동시에 상당한 에너지 절감 효과를 제공합니다. 가변 주파수 드라이브(VFD) 시스템의 하이엔드 제동 솔루션으로서 모터의 4사분면 운전을 지원하며, 위치 에너지 부하 또는 빈번한 제동이 필요한 산업용 애플리케이션에 이상적입니다.
회생 제동 시스템은 크게 회생 유닛(액티브 인버터), 필터 회로, 검출 및 제어 회로, 보호 회로의 네 부분으로 구성됩니다. 고출력 인버터 환경에서는 이러한 핵심 모듈이 하나의 회생 제동 캐비닛으로 통합되어 구성되기도 합니다.
시스템의 핵심인 고출력 인버터 브리지(IGBT 등의 전력 반도체로 구성)는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역할을 합니다. 인버전 전압의 주파수, 위상 및 진폭을 전력망 파라미터와 일치하도록 정밀하게 제어합니다.
리액터와 커패시터 등의 부품을 포함하며, 인버전 과정에서 발생하는 고조파를 억제하여 전력망으로의 고조파 오염을 줄이고 피드백 전류를 안정화합니다.
전력망의 전압, 주파수, 위상 및 인버터의 DC 버스 전압을 실시간으로 감지합니다. 폐루프(Closed-loop) 제어 알고리즘을 통해 인버터 브리지의 동작 상태를 조정하여 에너지 회수의 동기화와 안정성을 보장합니다.
과전압, 과전류, 결상, 상순 에러 및 전력망 변동 이상에 대한 보호 기능을 갖추고 있습니다. 전력망 전압 변동이 15%를 초과하거나 고장이 발생하면 즉시 피드백 회로를 차단하여 전력 변환 실패, 장치 손상 및 사고 확산을 방지합니다.
1.1. 모터가 감속, 정지하거나 위치 에너지를 방출할 때(예: 크레인이 화물을 내리거나 엘리베이터가 하강할 때), 기계적 관성으로 인해 높은 회전 속도를 유지합니다. 이때 동기 속도가 로터 속도보다 낮아지면 모터는 발전기 상태가 됩니다. 발생된 회생 전력은 다이오드를 통해 정류되어 인버터의 DC 버스로 유입되며, 이로 인해 버스 전압 Ud가 상승합니다.
1.2. DC 버스 전압이 회생 유닛의 설정된 동작 임계값에 도달하면, 검출 회로가 전력망의 전압, 주파수 및 위상 신호를 실시간으로 캡처하고 컨트롤러가 회생 유닛의 인버터 브리지를 가동합니다.
1.3. 인버터 브리지는 DC 버스의 회생 에너지를 전력망과 동일한 주파수, 위상 및 진폭을 가진 3상 교류로 변환합니다. 필터 회로를 통해 고조파를 제거한 후 전력망으로 에너지를 반환하여 에너지 회수를 실현합니다.
1.4. DC 버스 전압이 정지 임계값까지 떨어지면 인버터 브리지는 동작을 멈춥니다. 전압이 다시 상승하면 이 과정이 반복되어 DC 버스 전압을 항상 안전 범위 내에서 안정적으로 유지합니다.
2.1. 에너지 생성: 모터가 회생 제동 상태로 운전되어 에너지를 VFD의 DC 회로로 반환하며 DC 버스 전압이 지속적으로 상승합니다.
2.2. 임계값 트리거: 버스 전압이 미리 설정된 시작 전압에 도달하면 검출 회로가 전력 파라미터 샘플링을 시작하고 제어 회로가 동작 상태로 진입합니다.
2.3. 액티브 인버전: 인버터 브리지가 샘플링 신호를 기반으로 DC 전력을 전력망 규격에 맞는 AC 전력으로 변환하고, 필터링을 거쳐 전력망으로 반환합니다.
2.4. 전압 안정화: 에너지가 반환됨에 따라 DC 버스 전압이 점차 낮아집니다. 정지 임계값에 도달하면 회생 유닛은 인버전 동작을 중단합니다.
2.5. 순환 모니터링: 시스템은 전압을 지속적으로 모니터링하며, 다시 시작 임계값에 도달하면 인버전 및 피드백 과정을 반복하여 VFD와 모터 시스템의 안전한 동작을 보장합니다.
3.1. 에너지 회수 및 고효율 절전: 회생 전력을 열로 버리지 않고 전력망으로 돌려보내 재사용하므로, 제동이 빈번하거나 관성이 큰 부하에서 현저한 절전 효과를 보입니다.
3.2. 열 손실 없음 및 장비 열 부하 감소: 제동 저항기를 사용하지 않으므로 대량의 열 발생이 없습니다. 이는 냉각 설비의 추가 필요성을 없애고 운영 환경을 개선하며 냉방 비용을 절감합니다.
3.3. 안정적인 제동 토크 및 4사분면 운전 지원: 제동 중에도 안정적인 토크를 출력하며, 정회전/역회전 및 구동/제동의 모든 모드를 지원합니다. 크레인, 엘리베이터, 광산용 권상기에 적합합니다.
3.4. 장기 운영 비용 절감: 초기 투자 비용은 높으나 에너지 절감을 통해 짧은 기간 내에 투자금을 회수할 수 있습니다. 또한 소모품인 저항기 교체가 필요 없어 유지보수 비용이 저렴합니다.
4.1. 선정 기준
4.2. 사용 주의사항
4.2.1. 설치 시 회생 유닛과 전력망 사이에 절연 차단기를 구성하십시오. 라인 손실을 최소화하기 위해 DC 버스 연결 배선은 충분한 굵기를 확보해야 합니다.
4.2.2. 전력 소자 및 검출 부품을 정기적으로 점검하고 노후 부품을 제때 교체하여 장치 고장이 전력망 사고로 이어지지 않도록 하십시오.
4.2.3. 전력망 전압이 불안정한 지역에서는 시스템 적응성을 높이기 위해 전압 안정기를 별도로 구성할 수 있습니다.
4.2.4. 간섭 방지를 위해 회생 제동 시스템의 접지는 인버터 접지 계통과 독립적으로 분리하여 설치할 것을 권장합니다.
회생 제동은 전력망이 안정적이고 빈번한 제동/역전 및 높은 절전 요구가 있는 산업 현장에 적합합니다. 주요 적용 분야는 다음과 같습니다.
5.1. 승강 및 운반 설비: 엘리베이터, 에스컬레이터, 크레인, 타워크레인, 광산용 권상기, 유압 리프트 등.
5.2. 고관성 전동 설비: 대형 원심 분리기, 압연기, 유전 펌핑 유닛(추동기), 항만용 갠트리 크레인 등.
5.3. 빈번한 정/역전 설비: 공작기계 주축(Spindle), 제철용 컨베이어, 광산용 스크레이퍼 컨베이어 등.
부적합 시나리오: 전력망 전압 변동이 극심하거나 고조파 오염이 심각한 환경, 제동 빈도가 낮아 절전으로 인한 비용 회수가 불투명한 일반 부하(소형 팬, 표준 펌프 등).
