휠인 모터가 탑재된 AGV와 AMR의 애플리케이션 추세가 다음과 같이 변하고 있다.
- 실내 서비스 → 야외 배송 및 순찰 로봇
- 서빙 로봇 → 창고 물류 로봇
- 저속 주행 → 고속 주행/ 급가감속
- 저가반하중(70~150kg) → 고가반하중(200~500kg)
따라서 모터가 회전할때는 회전량에 비레하여 역기전력(B-emf: Back Electro Magnetic Force)이 발생하는데, 이는 사용하는 배터리 전압과 속도가 증가함에 따라 커지므로, 시스템 보호를 위해 이를 제어하는 기술이 필요하다.(아래 이미지 참조)
에너지 효율의 혁신, 회생저항 제어 기술
지속되는 산업 자동화 및 전자 시스템의 고도화로 에너지의 효율화와 시스템 보호는 필수적 기술로 자리잡고 있다. 특히, AGV 및 AMR과 같은 주행로봇의 경우 고속 주행 및 빈번한 가감속의 사용을 요구하는 환경으로 인해 효율적인 에너지 관리 기술이 절실하다. 이러한 수요에 대응하는 핵심 기술이 바로 회생저항 제어 기술이다.
회생저항 제어 기술은 급가속 및 급정지 시 발생하는 모터의 역기전력을 안정적으로 제어해 시스템 손상을 사전에 방지하고 에너지를 보다 효율적으로 활용하는 기능을 일컫는다. 본 기술을 배터리 수명을 증가시키고 로봇의 운용비용을 절감해 자동화 솔루션의 안전성과 신뢰성을 강화하는 효과를 얻을 수 있다.
모터가 회전하거나 감속할 때 운동 에너지가 발생하며 이는 역기전력으로 변환된다. 이러한 상황에 시스템 전압이 급격히 상승하면 로봇 내에 탑재된 드라이버 회로와 모터 손상을 초래할 수 있다. 회생저항 제어 기술은 이 같은 상황을 제어해 과잉 에너지를 열로 방출하거나 배터리를 재충전하는 방식으로 불필요한 에너지 낭비를 최소화하며 과도한 전압 상승으로 인한 드라이버 및 모터 손상을 방지한다.
회생저항 제어 모듈 및 회로 / 자료. 모터114
회생저항 제어 기술의 이점
· 에너지 효율성 향상(Efficiency)
AGV와 AMR은 다양한 작업을 수행하며, 이동 중에 소모되는 에너지가 상당하다. 회생저항 기능은 주행 시 발생하는 운동 에너지를 회수해 배터리로 다시 저장함으로써 전체 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한 이로 인해 주행로봇의 운영 시간을 늘릴 수 있고, 배터리 충전 간격을 늘릴 수 있다.
· 운영비용 절감(Operating Cost)
에너지를 회수해 사용하는 방식의 또 다른 장점은 운영비용을 크게 절감할 수 있다는 점이다. AGV와 AMR이 배터리 충전을 자주 하지 않고도 더 오랜 시간 작동할 수 있다는 사실은 전반적인 운영비용을 줄일 수 있다는 의미이다. 특히 대규모 물류 센터나 제조 시설에서는 이러한 비용 절감이 상당한 이점을 제공한다.
· 모터 및 기계적 구성 요소 보호(Reliability)
회생저항은 모터와 다른 기계적 구성 요소에 긍정적인 영향을 미친다. 급제동 및 가속 시에 발생하는 에너지를 회수해 전체적인 반응 속도와 기동성을 개선할 수 있다. 회생저항의 작동으로 이 에너지를 회수해 시스템 내에서 활용할 수 있으므로, 기계적 마모와 손상을 줄이는 데 도움이 된다.
· 안전성(Safety) 증대
회생저항 제어 기능은 AGV와 AMR의 제동 시스템과 밀접하게 연관되어 있다.
회생저항이 제대로 작동하면, 제동 시 발생하는 에너지를 효과적으로 처리하고 차량의 속도를 안전하게 줄일 수 있다. 이는 특히 사람이나 다른 물체와의 충돌을 피하는 데 중요한 요소이다.
회생저항 회로 모듈 배선 사진 / 사진. 모터114
제품명. Braker-V1.0(24V) / Braker-V1.0(36V) / Braker-V1.0(48V)
적용 배터리 전압 사양별 회생저항모듈 / 자료. 모터114
다양한 산업에서의 적용 사례
회생저항 제어 기술은 지속 가능한 시장을 위한 미래 산업 혁신의 핵심 기술로 평가받고 있다. 특히 AMR, AGV와 같은 자동화 시스템을 비롯해 모빌리티 산업에서 에너지 효율성을 극대화하고 시스템 안전성을 보장하는 데 큰 역할을 한다. 이 외에도 스마트 그리드, 산업용 로봇, 건물 관리 시스템 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
· 전기차 및 하이브리드 차량
전기차와 하이브리드 차량은 감속 시 발생하는 운동 에너지를 회생저항 제어 기술로 회수해 배터리를 재충전한다. 이를 통해 연료 절감과 배터리 효율성을 극대화하며, 환경오염을 줄이는 데 기여한다.
· 산업용 로봇
산업용 로봇은 회생 저항을 통해 작업 중 발생하는 에너지를 회수함으로써 작업 효율성을 높일 수 있다. 로봇이 특정 작업을 수행하면서 생성되는 에너지를 활용하면, 에너지 소비를 줄이고 전반적인 운영비용을 절감할 수 있다. 또한, 로봇의 성능 향상과 함께 안정성을 높여주는 역할도 한다.
· 승강기
엘리베이터와 에스컬레이터는 하강 시 발생하는 에너지를 회생저항 회로를 통해 회수한다. 이를 통해 에너지 낭비를 줄이고 건물 운영비용을 절감할 수 있다. 또한 지속 가능한 건물 운영을 가능하게 한다.
· 전기 기계 및 공작기계
전기 기계와 공작기계에서도 회생저항은 중요한 역할을 한다. 이러한 기계들은 가공이나 작업 과정에서 발생하는 회전 에너지를 회수·재사용함으로써, 전체 시스템의 에너지 효율성을 높이고 생산 비용을 절감할 수 있다.
· 스마트그리드 에너지 저장 시스템
스마트그리드와 에너지 저장 시스템에서는 회생저항 기술이 에너지의 효율적인 관리와 분배를 가능하게 한다. 회생 에너지를 저장해 필요할 때 사용할 수 있도록 함으로써, 에너지 낭비를 줄이고 전반적인 시스템 효율성을 향상시킨다. 이는 특히 재생 가능 에너지 자원이 증가하는 상황에서 더욱 중요해진다.
회생저항 계산 방법
AGV와 AMR의 고속화 및 고부하 적용이 확대되면서 회생저항 제어 기술이 핵심 요소로 떠오르고 있다. 해당 시스템의 성능과 안전성을 높이기 위해 회생 제어 모듈의 동작 원리와 구체적인 계산 방법을 이해하는 것이 중요하다. 회생저항 제어 모듈은 모터 드라이버의 DC 링크에 연결돼 발생되는 과잉 에너지를 열로 방출하며 시스템의 전압을 안정적으로 유지하는 역할을 한다.
회생저항을 정확히 설계하기 위해서는 시스템의 전력 요구 사항, 모터와 부하의 관성, 그리고 회생 전류를 고려해야 한다. 기본적인 계산 과정은 다음과 같다.
회생 에너지(E) 계산은 감속 또는 정지 시 발생하는 에너지는 다음의 사진의 공식을 통해 구할 수 있다. 여기서 J는 시스템의 관성 모멘트이고, w는 각속도(라디안/초)이다. 이 계산을 통해 시스템이 감속할 때 발생하는 총 에너지를 알 수 있으며, 이 에너지가 회생저항에 의해 방출돼야 한다.
그림1. 회생 에너지(E) 계산 공식
한편, 회생 전류(I) 계산의 경우, 회생저항이 흡수할 전류는 회생 에너지의 크기에 따라 결정되며 공식은 다음과 같다. 여기서 V는 DC링크 전압, t는 회생 시간이다. 이 회생 전류를 기반으로 회생저항이 견딜 수 있는 전력 용량을 계산해야 한다.
그림2. 회생 전류(I) 계산 공식
마지막으로, 저항값(R) 계산의 경우 드라이브의 DC링크 전합에 따라 저항 값이 설정되며, 일반적으로 방출 전력을 고려해 저항 값을 결정한다. 저항값 계산의 공식은 다음과 같으며, Vdc는 DC링크 전압, P는 회생저항이 방출해야 하는 최대 전력이다.
그림3. 회생저항값(R) 계산 공식
한편, 회생저항의 용량(P)은 시스템 주파수에 따라 적절히 결정돼야 한다. 특히, 고속 가감속이 빈번한 환경에서는 열 축적이 많이 일어나기 때문에 회생저항 용량을 높게 설정하는 것이 중요하다. 따라서, 방출전력에 여유를 두고 회생저항을 선택해야 한다.
회생저항 선정 시 고려 요소
· 열 방출 관리
회생저항은 모터 제동 시 발생하는 전류를 열로 변환해 방출하는 역할을 한다. 따라서 높은 전류를 다룰 때 발열이 크게 발생하게 된다. 만약 방열 대책이 충분히 마련되지 않으면 회생저항이 과열돼 시스템에 손상을 줄 수 있다. 이를 방지하기 위해 방열판이나 냉각 시스템 등을 적극적으로 도입해야 한다.
· 주기적인 유지보수
회생저항은 고온 환경에서 장시간 사용되면 저항 값이 변하거나 열화될 수 있다. 이는 시스템의 성능 저하와 직결되므로, 정기적인 점검을 통해 저항의 상태를 확인하고 필요 시 교체하는 것이 필수적이다. 특히, 산업용 로봇이나 물류 시스템처럼 빈번히 가동되는 장비에서는 유지보수 계획을 체계적으로 수립해야 한다.
· 드라이버와의 호환성
모터 드라이버와 회생저항 간의 호환성은 시스템 안정성에 큰 영향을 미친다. 제조사가 권장하는 회생저항 값을 준수하는 것이 중요하며, 일부 드라이버는 이미 내장된 회생 회로를 포함하고 있을 수 있다. 이 경우 별도의 회생저항이 필요하지 않을 수 있으므로 드라이버 사양을 반드시 확인해야 한다.
필자
(주)모터114 기술연구소 전용철 상무
