회생제동이란? 모터 운동에너지 회수 원리

회생제동이란 감속하는 모터를 발전기처럼 동작시켜 회전체의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 방식입니다. DC Bus와 전원 회생, 제동저항 방식과의 차이를 알아봅니다.

회생제동이란 무엇이며 어떻게 모터를 감속할까?

회생제동(Regenerative Braking)은 회전하고 있는 Motor와 Load의 Mechanical Energy를 Electrical Energy로 변환하면서 감속 Torque를 발생시키는 제동방식입니다. Motor가 정상적으로 부하를 구동할 때는 전원에서 Electrical Energy를 받아 Mechanical Energy로 변환하지만 회생제동에서는 Energy Flow가 반대방향으로 바뀝니다. VFD가 Motor의 Electromagnetic Torque를 회전방향과 반대로 발생시키면 Motor가 Load의 회전을 억제하면서 Generator처럼 동작할 수 있습니다. 이때 Load가 가지고 있던 Rotational Kinetic Energy가 Electrical Energy로 변환됩니다. 회전체의 운동에너지는 기본적으로 E=1/2×J×ω²로 나타낼 수 있으며 J는 Total Moment of Inertia, ω는 Angular Velocity입니다. Speed가 높거나 Inertia가 큰 부하는 더 많은 Energy를 저장하고 있으므로 빠르게 감속할수록 처리해야 하는 Braking Power도 커질 수 있습니다. 따라서 회생제동은 단순히 Motor 전원을 차단하여 자연스럽게 멈추는 Coast Stop과 달리 Motor가 적극적으로 반대방향의 Torque를 만들어 감속시키는 방식입니다.

모터는 어떻게 발전기 상태로 바뀔까?

전동기와 발전기는 기본적인 Electromagnetic Energy Conversion 원리를 공유하기 때문에 운전조건에 따라 Energy Flow의 방향이 달라질 수 있습니다. Induction Motor를 VFD로 감속할 때 Output Frequency를 낮추면 Stator Rotating Magnetic Field의 Synchronous Speed도 낮아집니다. 그러나 Rotor와 Load는 Inertia 때문에 기존 Speed를 계속 유지하려고 하므로 일정 조건에서는 Rotor Speed가 새롭게 낮아진 Synchronous Speed보다 높아질 수 있습니다. 이때 Slip의 부호와 Torque 방향이 Motoring 영역과 달라지면서 Mechanical Energy가 Electrical Energy로 변환되는 Generating Operation이 형성됩니다. PMSM과 Servo Motor에서도 Drive가 q-axis Current 등을 제어하여 회전방향과 반대되는 Torque를 만들면 Regenerative Operation이 가능합니다. 이 과정에서 Motor가 만들어낸 Electrical Energy는 Inverter의 Power Semiconductor를 통해 DC Link 방향으로 전달됩니다. 따라서 회생제동의 핵심은 별도의 Mechanical Brake가 회전 Energy를 마찰열로 없애는 것이 아니라 Motor 자체를 Generator처럼 이용하여 Energy를 Electrical Side로 이동시키는 데 있습니다.

회생에너지가 DC Bus로 들어오면 어떻게 될까?

일반적인 VFD는 입력 AC를 Rectifier로 DC로 변환하고 DC Link Capacitor에 저장한 뒤 Inverter에서 다시 가변 Voltage와 Frequency의 AC를 만들어 Motor에 공급합니다. 회생운전에서는 Motor에서 발생한 Electrical Energy가 Inverter를 통해 DC Bus로 되돌아옵니다. 이 Energy가 DC Link Capacitor에 축적되면 E=1/2×C×V² 관계에 따라 DC Bus Voltage가 상승합니다. 문제는 일반적인 Diode Rectifier 방식의 VFD에서는 Energy Flow가 전원에서 DC Bus 방향으로 이루어지도록 구성되어 있어 회생에너지를 Utility Grid로 자유롭게 되돌려 보내기 어렵다는 점입니다. 감속 Energy가 작다면 Drive 내부 Loss 등으로 처리될 수 있지만 Energy가 계속 유입되어 DC Bus Voltage가 허용범위를 넘으면 Overvoltage Trip이 발생할 수 있습니다. 특히 Elevator의 하강운전, Crane의 하강부하, Centrifuge와 고관성 Flywheel처럼 회생 Energy가 크거나 반복적으로 발생하는 설비에서는 DC Bus의 Energy Management가 매우 중요합니다.

회생제동과 제동저항 방식은 무엇이 다를까?

산업현장에서 ‘회생제동’이라는 표현은 넓게 사용되지만 Energy가 최종적으로 어디로 이동하는지를 구분할 필요가 있습니다. 일반 VFD에서 Motor의 회생에너지가 DC Bus로 들어온 뒤 Braking Transistor를 통해 Braking Resistor에서 Heat로 소모된다면 이를 일반적으로 Dynamic Braking 또는 저항제동이라고 합니다. Motor는 발전상태로 감속하지만 Energy 자체를 전원계통에서 다시 활용하는 것은 아닙니다. 반면 진정한 의미의 Line Regeneration에서는 Active Front End, Regenerative Converter 또는 Regenerative Drive를 이용하여 DC Bus의 Energy를 AC Grid 방향으로 다시 전달합니다. 이 방식은 반복적인 제동 Energy가 큰 설비에서 에너지를 재사용할 수 있다는 장점이 있지만 Converter 구조와 제어가 복잡해지고 비용도 증가합니다. 따라서 모든 VFD가 회생에너지를 전력망으로 반환할 수 있는 것은 아닙니다. 일반적인 Diode Front End VFD에 Braking Resistor가 설치된 시스템과 전원회생형 Drive는 Energy 처리방식이 명확하게 다릅니다.

회생제동은 어떤 산업설비에서 효과적일까?

회생제동은 Motor가 빈번하게 감속하거나 Load 자체가 Motor를 끌고 가는 Overhauling Load에서 특히 유용합니다. Elevator가 무거운 방향으로 하강하거나 Crane이 화물을 내리는 경우, Unwinder가 장력을 유지하면서 회전하는 경우에는 Motor가 지속적으로 Braking Torque를 발생시키며 발전상태로 운전할 수 있습니다. 또한 Centrifuge, Test Bench, High-inertia Machine처럼 반복적으로 가속과 감속을 수행하는 설비에서도 회수 가능한 Energy가 커질 수 있습니다. 반대로 정속운전이 대부분이고 정지가 드문 Pump나 Fan에서는 전원회생장치를 추가했을 때 얻을 수 있는 경제적 효과가 상대적으로 작을 수 있습니다. 회생시스템을 선정할 때는 Motor Power만 볼 것이 아니라 한 번의 감속에서 발생하는 Energy, Peak Regenerative Power, 제동빈도와 Duty Cycle을 함께 계산해야 합니다. 결국 회생제동은 모터를 발전기로 동작시켜 회전체의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이며, 이 Energy를 저항에서 소모할지 DC Bus에서 공유할지 전력망으로 반환할지에 따라 전체 Drive System의 구조가 달라집니다.