저작자표시

저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

電 氣 工 學 科

徐 東 洙

2021年 2月 博士學位 論文

Blower-BLDCM 일체형 시스템 설계에 관한 연구

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

徐 東 洙

[UCI]I804:24011-200000373757

[UCI]I804:24011-200000373757

[UCI]I804:24011-200000373757

[UCI]I804:24011-200000373757

Blower-BLDCM 일체형 시스템 설계에 관한 연구

A Study on the Design of the Blower-BLDC Motor Integrated Systems

2020年 2月 25日

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

徐 東 洙

Blower-BLDCM 일체형 시스템 설계에 관한 연구

指導敎授 崔 然 玉

이 論文을 工學博士學位 申請論文으로 提出함 2020年 10月

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

徐 東 洙

목 차

ABSTRACT

Ⅰ. 서 론 ···1

A. 연구 배경과 필요성···1

B. 연구 내용···3

Ⅱ. 이론적 고찰 ···5

A. Blower 구조 및 설계 이론···5

1. Blower 파라미터···5

2. Blower 구조와 종류···11

3. Blower 설계 이론···17

B. BLDC 전동기 제어 및 설계 이론···28

1. BLDC 전동기···28

2. BLDC 전동기 제어 ···34

3. BLDC 전동기 설계 이론···41

Ⅲ. 제안한 Blower-BLDCM 일체형 시스템 ···53

A. Blower-BLDCM 일체형 구조와 시뮬레이션···53

1. Blower-BLDCM 일체형 구조···53

2. 시뮬레이션···59

B. BLDCM 제어기와 시뮬레이션···67

1. BLDCM 제어기···67

2. 시뮬레이션···76

Ⅳ. 실험 및 결과고찰 ···85

A. 실험 구성···85

1. Blower-BLDCM 일체형 시스템···85

2. BLDCM 제어기···88

B. 실험 및 결과···90

1. Blower-BLDCM 일체형 구조의 공기 유동 해석···90

2. Blower-BLDCM 제어기 및 부하효율···95

3. Blower-BLDCM 일체형 시스템의 풍속·풍량 및 리플저감실험·· 102

C. 결과고찰···108

Ⅴ. 결 론 ···112

참 고 문 헌

List of Tables

Table 2-1. Blower Classification ···11

Table 2-2. Margin Ratio ···24

Table 4-1. BLDCM Parameter ···86

Table 4-2. Dehydration Rate ···94

Table 4-3. Air Flow Measurement Value ···108

Table 4-4. Blower-BLDCM Driving Experiment Measurement Results ···109

Table 4-5. Waveform, Wind speed, Air Volume According to Power ··· 110

List of Figures

Fig. 2-1. Static Pressure, Dynamic Pressure, Total Pressure ···6

Fig. 2-2. Static Pressure Recovery ···7

Fig. 2-3. Specific Speed and Efficiency by Centrifugal Blower Type ···10

Fig. 2-4. The Shape and Characteristics Curve of a Multi-Wing Blower ···12

Fig. 2-5. The Shape and Characteristics Curve of a Radial Blower ···13

Fig. 2-6. The Shape and Characteristics Curve of a Rear Bend Blower ···13

Fig. 2-7. The Shape and Characteristics Curve of a Airfoil Blower ···14

Fig. 2-8. Type of Axial Fan Impeller ···14

Fig. 2-9. Propeller Blower Type and Characteristic Curve ···15

Fig. 2-10. Tube Axial Blower Type and Characteristic Curve ···15

Fig. 2-11. Type of Vane Axial Flow Fan ···16

Fig. 2-12. Speed ​​Diagram of Centrifugal Fan Rotor ···17

Fig. 2-13. Blower Performance Curve ···19

Fig. 2-14. Energy Saving Effect ···21

Fig. 2-15. Main Speed Factor of Rear Bend Fan ···23

Fig. 2-16. Standard Fan Curve ···25

Fig. 2-17. Speed ​​Control and rpm ···26

Fig. 2-18. BLDC Motor ···28

Fig. 2-19. Structure of BLDC Motor ···29

Fig. 2-20. BLDC Motor Drive System ···30

Fig. 2-21. BLDC Motor Driving Process and Driving Waveforms ···31

Fig. 2-22. Current Fluctuation in Phase Change ···33

Fig. 2-23. BLDC Motor Drive System ···34

Fig. 2-24. Speed ​​Control System with Current Controller ···35

Fig. 2-25. PWM Technique ···37

Fig. 2-26. Bipolar PWM Method···37

Fig. 2-27. Type of Unipolar PWM Driver ···38

Fig. 2-28. Back EMF and Phase Transition Time ···39

Fig. 2-29. Back EMF Detection Circuit ···40

Fig. 2-30. Equivalent Circuit of a Y Connection BLDC Motor ···41

Fig. 2-31. Relation Diagram of Back EMF and Current ···42

Fig. 2-32. Block Diagram of BLDC Motor ···43

Fig. 2-33. Waveform of Back EMF and Phase Current ···46

Fig. 2-34. The Zero Crossing Error by Speed ···48

Fig. 2-35. The Error of Indirect Rotor Position Detection ···49

Fig. 2-36. BLDC Motor Back Electromotive Force According to Speed Change · 51 Fig. 2-37. When Terminal Voltage is Detected Based on ZCP ···52

Fig. 3-1. Blower-BLDCM Integrated Structure ···53

Fig. 3-2. Backward Vand Impeller ···54

Fig. 3-3. Blower-BLDCM Body 2D and 3D Drawings ···54

Fig. 3-4. Air Injection Nozzle Design ···55

Fig. 3-5. Water Separator Structure 2D and 3D Drawings ···56

Fig. 3-6. Blower-BLDCM Integrated Structure 2D and 3D Drawing ···57

Fig. 3-7. Shape Analysis and Boundary Conditions ···57

Fig. 3-8. Speed Contour Z Axis···61

Fig. 3-9. Speed Contour X Axis···62

Fig. 3-10. Vector Y Axis···62

Fig. 3-11. Speed ​​Comparison between Nozzles···63

Fig. 3-12. Stream Line Analysis ···64

Fig. 3-13. Air Fluid Flow According to the Location of the Outlet ···64

Fig. 3-14. Wind speed of the Nozzle Cylinder cross Section from No. 1 to No. 8 ··· 65

Fig. 3-15. Water Separator and Simulation ···65

Fig. 3-16. BLDCM Controller Block Diagram ···67

Fig. 3-17. Back-EMF Sensing and Zero Crossing ···68

Fig. 3-18. Main Controller Circuit ···69

Fig. 3-19. Main Controller PCB Layout ···69

Fig. 3-20. Start the Motor Under Different Initial Conditions ···70

Fig. 3-21. BLCDM Starting-Up Flow ···71

Fig. 3-22. Switchboard Circuit ···73

Fig. 3-23. Switchboard Circuit PCB Layout ···73

Fig. 3-24. BLDCM Driver Circuit ···75

Fig. 3-25. BLDCM Driver PCB Layout ···75

Fig. 3-26. BLDCM Sensorless System using PSIM Simulation ···76

Fig. 3-27. BLDCM Sensorless System using Proposed PSIM Simulation ···77

Fig. 3-28. Simulation Result Waveforms of Controller at 3,300rpm ···78

Fig. 3-29. Simulation Result Waveforms of Controller at 6,600rpm ···79

Fig. 3-30. Simulation Result Waveforms of Controller at 9,900rpm ···80

Fig. 3-31. Simulation Result Waveforms of Controller at 14,000rpm ···81

Fig. 3-32. Simulation Result Waveforms of Controller at 15,000rpm ···82

Fig. 3-33. Simulation Result Waveforms of Controller at 16,000rpm ···83

Fig. 3-34. Simulation Result Waveforms of Controller at 18,000rpm ···84

Fig. 4-1. Block Diagram of System Configuration ···85

Fig. 4-2. Blower-BLDCM ···86

Fig. 4-3. Water Separator Structure ···87

Fig. 4-4. Switch Board PCB and Component Mounting ···89

Fig. 4-5. Main Board PCB and Component Mounting ···89

Fig. 4-6. BLDCM Driver Board PCB and Component Mounting ···89

Fig. 4-7. Block Diagram of Air Flow Test ···90

Fig. 4-8. Air Flow Test ···91

Fig. 4-9. Measurement Results of X-Axis Wind Speed ···92

Fig. 4-10. Measurement Results of Y-Axis Wind Speed ···93

Fig. 4-11. Blower-BLDCM Experiment Block Diagram ···95

Fig. 4-12. Blower-BLDCM Experiment ···95

Fig. 4-13. Measurement Results Accroding to Variable Command Valtag ··· 97

Fig. 4-14. BLDCM Controller Performance Evaluation Test Configuration ···100 Fig. 4-15. Dynamometer BLDCM and Dontroller Performance Measurement Results · 101

Fig. 4-16. Blower-BLDCM Integrated Systems Block Diagram ···102

Fig. 4-17. Blower-BLDCM Integrated Systems ···103

Fig. 4-18. Wind Speed, Air Volume, Waveform According to Power ···106

Fig. 4-19. PWM Sensorless Controll and Ripple Experiment ···107

ABSTRACT

A Study on the Design of Blower–BLDC Motor Integrated Systems

Dong Soo Seo

Advisor : Prof. Youn-Ok Choi, Ph.D.

Department of Electrical Engineering Graduate School of Chosun University

Recently, air-electronic appliances have been gaining increased attention as their applications are increasing. These appliances are products or systems that purify polluted air or provide convenience functions using air, e.g., air conditioners, air purifiers, humidifiers, dehumidifiers, air circulators, dryers, clothing stylers, and blowers. The blower is a machine that obtains air volume and pressure by applying energy to the air through impeller rotation;

its pressure ratio is generally 1.1–2.0 between the inlet and outlet less than 1.1 at the fan. These are collectively referred to as the blowers, but it is set to the limited range of the blower in this thesis.

The appropriate selection and control of the motor is crucial to obtain high-speed and high-volume airflow in a blower. Therefore, the motor is typically separated from the other components of the blower. The brushless direct current (BLDC) motor is gaining popularity because it can be used semi-permanently at high speeds as the motor for the blower of electronic appliances. Although the electrical properties of the BLDC motor are similar

to those of direct current (DC) motors, the BLDC motor utilizes electronic DC devices without brushes or commutators, which lowers its maintenance requirements, increases longevity and efficiency, and greatly enhances its vibration and noise characteristics. However, while it can maintain a constant torque, it is challenging to apply high-performance precision control to a BLDC motor owing to torque ripple.

In this thesis, computer simulators including SC/Tetra and PSIM were employed to model the airflow of blower–BLDC motor integrated systems and the performance of BLDC motor controllers; subsequently, their feasibility was demonstrated through experimental verification. The main components of the blower–BLDC motor integrated system consisted of a blower, a main body, a pressurizer with a cover plate, an airflow transport path, a plate, and the BLDC motor, designed and manufactured using 2D and 3D models. Eight discharge units were developed to render the airflow into a vortex with a rotation angle of 45° and separate the moisture using the centrifugal force from the difference in specific gravity of the air through a high-speed centrifugal-separation method.

The result of the airflow analysis for the blower in the blower–BLDC motor integrated system with the shape and boundary conditions of 120 m/s input in the discharge units, which was performed through SC/Tetra simulation, confirmed that high-speed centrifugation was realized from the vortex-formation of the airflow in the discharge units. The physical airflow experiments were also conducted by measuring the air volume and airflow speed, which revealed that the values were identical to those of the simulation. In addition, the results were represented in terms of the moisture-removal rate by adding water to verify that high-speed centrifugation could be achieved by removing approximately 95.05% of moisture.

To reduce the existing zero cross point (ZCP) error that occurs in the

BLDC motor while mitigating the torque ripple of the BLDC motor controller in the blower-BLDC motor integrated system, a novel ripple-reduction method was proposed in this thesis. The proposed method detects the back electromotive force, deploys an integrator to linearize the signals of the back electromotive force sensor and remove the signals from the upper and lower parts of the unnecessary back electromotive force, and uses zero-crossing signals to reduce the ripple. As a result, the ZCP error in the controller due to the sampling-position error and speed-variation error of the motor was rectified through the results of both the PSIM simulations and experiments.

Through this thesis, further research on airflow analysis and improvement of BLDC-motor controllers of electronic-appliance blowers can be conducted more actively, and consequently, the quality and features of various appliances, such as dryers, dehumidifiers, moisture removers, clothing stylers, air showers, and dustproof facilities, can be improved.

Ⅰ. 서 론

A. 연구 배경과 필요성

송풍기는 전동기로 임펠러를 구동하고 많은 양의 공기를 공급해주는 산업용 유체기계로 발전, 시멘트, 철강, 반도체, 석유화학, 섬유, LCD, 식품 등 산업전반 에 광범위하게 사용된다. 산업용 송풍기는 연중 가동률이 높아 전기 에너지를 소비가 크고, 대용량일수록 가동시간이 많고 전기 에너지 소비가 큰 기기이다[2].

또한, “에어가전은 악화된 공기를 정화하거나 공기 흐름을 활용해 편의 기능을 제공하는 제품” 또는 시스템으로 에어컨, 공기청정기, 가습기, 제습기, 공기순환 기, 건조기, 송풍기, 스타일러 등을 포함한다[1].

송풍기는 공기의 임펠러축과 이송방향이 이루는 각도와 임펠러의 형상 및 구 조에 따라 원심송풍기와 축류송풍기로 구분한다. 송풍장치는 Blower에서 생성된 공기의 유체를 제어할 수 있는 구조가 필요하며 공기역학을 통해 전산유체역학 CFD(Computational Fluid Dynamic) 프로그램을 이용하여 공기흐름, 밀도, 유동 해석 등의 연구가 필요하다. 또한, Blower의 원동기를 BLDCM(Brushless Direct Current Motor)를 이용하여 고속 회전에 의해 풍량을 만들고 최종 토출부에 에 너지가 전달되도록 구조 설계가 필요하다. 고속의 풍속과 다량의 풍량을 만들기 위해서는 원동기 선택과 제어도 중요한 요소이다. 원심송풍기용 전동기는 송풍기 시스템에서 송풍기에서 생성된 풍속과 풍량의 공기 유체가 공기 토출부에 전달 될 수 있도록 용량과 효율을 반영하여 설계의 중요성이 강조되고 있다[2].

Blower는 고속의 풍속과 다량의 풍량을 얻기 위해서 원동기의 선택과 제어가 중요한 요소이다. 따라서 일반적으로 Blower와 원동기는 각기 분리된 구조의 형태 를 갖고 있다. 하지만, 최근 에어가전 제품의 Blower의 원동기로 반영구적으로 사 용할 수 있으며 고속인 BLDC Motor(BLDCM)의 활용 범위가 점차 확대되고 있 다. 이는 BLDCM는 DC 전동기와 전기적인 특성은 유사하지만 브러시와 정류자가 없이 전자적인 직류 장치를 사용하여 유지 보수가 거의 필요 없고 장수명, 높은 효율의 장점과 진동 및 소음 특성이 우수한 특성 때문이다[3][4]. 하지만 BLDCM

적용하기 어려운 단점이 있다

따라서, 본 논문에서는 Blower-BLDCM 일체형 시스템의 Blower의 공기 유동과 BLDCM 제어기의 성능을 검증하고자 컴퓨터 시뮬레이션인 SC/Tetra 및 PSIM 프로그램을 사용하여 수행하고 Blower-BLDCM 일체형 시스템을 제작하여 시뮬레 이션과 실험을 통하여 타당성을 입증하고자 한다

B. 연구 내용

에어가전 송풍장치는 건조기, 제습기, 핸드 드라이기, 자동세차 수분제거, 송풍 장치, 스타일러에 사용된다. 에어가전 송풍장치의 주요 목적은 고속의 풍속 풍량 을 생성하고 수분과 먼지를 제거하여 공기의 질을 개선 하는데 있다. Blower의 고속의 풍량을 만들기 위해서는 전동기 선정, 제어, 구조 설계가 중요하다. 최근 에너지 측면에서 송풍장치에 기존의 DC 전동기를 대체하여 브러시와 정류자가 없는 구조를 갖으며 전동기 내부에 기계적 마찰부가 없어 반영구적인 수명과 고 효율의 장점을 갖고 있는 BLDCM(Brushless Direct Current Motor)의 활용 범 위가 점차 늘어나고 있다[5].

BLDCM는 직류 전동기와 전기적인 특성은 유사하고 전자적인 DC 장치를 사 용하여 유지보수가 거의 불필요하다. Blower-BLDCM의 고속 회전력으로 생성된 풍속과 풍량이 최종 토출부까지 에너지가 전달되도록 Blower-BLDCM의 구조의 최적 설계와 풍속 조절에 관한 연구를 수행하고자 한다. Blower 구조 설계를 위 해서는 공기 유동이 중요하므로 공기 유동은 풍량·풍속, 공기밀도, 공기흐름 등 의 파라미터를 이용하여 해석이 가능하다.

본 논문에서는 워터세퍼레이터 원리를 적용하여 Blower-BLDCM 일체형 구조 의 최적 설계와 BLDCM 제어기의 토크리플을 저감하는 알고리즘을 제시하여 다 음과 같은 연구를 수행하고자 한다

1. Blower-BLDCM 일체형 구조설계 및 실험은 워터세퍼레이터 원리를 적용한 구조설계를 제안하고 공기의 유동 해석은 전산유체역학 CFD(Computational Fluid Dynamic)의 시뮬레이션 프로그램을 통해 풍속, 풍량, 풍압, 와류, 공기밀 도, 공기 유동 등을 모의실험 하였다. 실험 및 고찰 에서는 회전속도, 회전력, 풍 속, 풍량, 공기유동, 수분제거 등의 실험을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험 결과 를 반영하여 Blower-BLDCM 일체형의 구조설계와 샘플의 보완했으며 공기 유 동 해석을 통해 에어 가전 Blower-BLDCM 일체형 시스템을 제작 및 실험을 수 행하고자 하였다.

2. BLDCM 제어기 설계 및 실험은 에너지 절감 효과가 큰 속도제어(Speed Control) 방식을 중 활용 범위가 높은 BLDCM 센서리스 제어와 개선된 알고리

에서 지령 전압과 PWM 및 센서리스 제어에 따른 전기적 특성실험, 회전속도, 부하효율을 증가키고 역기전력 검출방법과 Zero crossing을 개선하여 시스템의 토크 리플을 줄일 수 있는 방법을 제안하고 시뮬레이션과 실험을 수행하여 타당 성을 입증하고자 하였다.

3. 본 논문에서 Blower-BLDCM 일체형 구조와 BLDCM 제어기를 이용한 시 스템 연구를 진행하여 공기 유동 해석, 수분제거율, Blower-BLDCM 제어기의 전기적 특성 실험, 부하효율실험, 시스템 리플저감, 회전속도, 회전력, 풍속·풍량 실험 등을 시뮬레이션과 병행하고자 하였다.

결과적으로 Blower-BLDCM 일체형 시스템에서 워터세퍼레이터 원리를 적용 하여 공기의 흐름을 전산유체역학 CFD(Computational Fluid Dynamic)의 시뮬레 이션과 실험을 통해 공기 유동 해석, 수분제거 타당성을 증명하고자 한다. 또한, BLDCM 제어를 위해 PWM 센서리스 제어, 역기전력검출과 ZCP검출방법, 알고 리즘을 설계하여 시뮬레이션과 실험을 통하여 BLDCM 구동회로를 설계 및 제작 하여 에어가전용 송풍장치에 적용 가능한 실험 데이터를 확보하고 응용분야에 적용가능성을 확인하고자 하였다.

Ⅱ. 이론적 고찰

A. Blower 구조 및 설계 이론 1. Blower의 파라미터

a. Blower

송풍기(Blower)는 공기를 사용 목적에 따라 이송시키는 기계로써 산업발전과 더 불어 사용이 점차 증가하고 있다. 송풍기는 일반 제조공정, 보일러 및 발전설비의 공기공급용, 터널 및 광산의 급배기용, 에에 가전 송풍장치, 건물의 공기정화 등으 로 사용 용도가 매우 광범위하며, 구조에 따라 에너지 절감효과가 있고 제어 방식 에 의해 에너지 소비량이 감소 시킬 수 있는 기대되는 기계이다.

송풍기는 사용 목적에 따른 설계와 설치 또는 선정 운영 등을 통하여 에너지를 절약하기 위한 구조 설계와 제어 방식의 중요성이 점차 증가되고 있다. 본 절에서 는 송풍기의 설계에 있어 중요한 제반 사항의 검토에 앞서 송풍기에 관련된 이론 을 설명한다. 또한, “송풍기의 파라미터, 송풍기의 종류별 특성, 송풍기의 설계에 관한 설명과 원심송풍기의 외형설계방법 및 송풍기에 적용되는 기본법칙들에 관한 전반적인 사항”을 서술하였다[5].

b. Blower의 파라미터 

송풍기는 공기에 에너지를 전달하여 유로를 통해 유동할 수 있도록 하는 기계이 다. 공기의 유동으로 생성되는 현상을 나타낼 수 있는 변수와 송풍기의 외형 및 운전상태를 표현할 수 있는 변수가 필요하다. 유체역학의 가장 기본적인 내용은 유체정역학, 연속방정식, 베르누이 방정식(에너지 방정식), 운동량 정리[8]와 이러 한 변수들은 공기, 가스, 유량, 수량 등의 유체에도 적용 가능한 변수는 다음과 같 다[6].

(1) 정압과 동압

“송풍기가 구동됨에 따라 이송 공기가 갖는 정압은 공기가 흐르고 있는 장치나

장치 등에서 발생하는 유동 저항을 극복하는데 필요한 압력으로”[5] 관로 손실 또 는 관로 저항이라고 한다. 송풍기 성능 평가 시 제공되는 압력은 보편적으로 정압 을 나타낸다. 또한, 동압은 공기의 이송속도에 의해 생성하는 압력으로 이송되는 공기량과 밀접하다. 만약 운전 중인 송풍기의 토출구가 댐퍼 의해 봉인 되었다면 공기의 이동과 동압은 발생하지 않고 이 경우에 나타나는 압력은 모두 정압으로 나타나지만 댐퍼가 열려 있을 경우는 공기가 이동 흐름이 발생되면 동압과 정압은 동시에 발생하게 된다. 그림 2-1에서 Ⓐ는 정압을 의미한다. 정압은 송풍 저항에 대응하는 압력이다. 이는 기체의 흐름에 평행인 물체의 기체가 수직으로 미치는 압력으로 그 표면에 수직 구멍을 통해 측정이 가능하다. 그림 2-1에서 Ⓑ는 동압 을 낸 것으로 바람의 속도에 의해 생기는 압력이다. 그림 2-1에서 Ⓒ는 전압을 나 타내며 정압과 동압을 가하여 합한 것을 의미하며 송풍을 가능하게 하기 위해서는 전압이 필요하다. 공기의 흐름에 있어서 동압과 정압은 상호 변환이 가능하며, 이 는 송풍기의 사용,설치, 설계에 있어서 중요한 요소가 된다.

그림 2-2는 정압회복을 나타낸 것으로 공기가 관로을 따라 이동하다가 관로의 단면적이 늘어나면 속도는 감소와 동압은 감소하게 된다. 따라서, 동압의 감소는 정압을 증가시키게 된다.

Fig. 2-1. Static Pressure, Dynamic Pressure, Total Pressure

Fig. 2-2. Static Pressure Recovery

이러한 현상을 정압회복이라 한다. 그러나 관로의 단면적이 변화하면 관내에서 손실이 발생되고 동압의 감소량이 전부 정압으로 변하지 않는다. 정압회복의 정도 는 관로의 형태에 많이 좌우되고 송풍기의 설치 및 사용과 유체 흐름, 배치에는 이러한 사항들을 적절히 고려해야 한다.

(2) 공기량

송풍기의 공기량이란 단위시간 동안에 흡입한 공기량을 의미한다. 공기량은 송 풍기의 토출구로부터 배출되는 공기량을 의마하는 것이 아니므로 특히 흡입구에서 의 압력, 습도, 온도의 상태로 환산한 흡입공기량을 나타낸다.

송풍기가 “절대압력 760mmHg 또는 10,333mmAq, 상대습도 65%, 온도 20℃인 공기를 흡입할 경우를 표준흡입상태라 한다. 공기량이 표준흡입상태로 주어지는 경우 실제로 송풍기가 흡입하는”[5][15] 공기의 온도, 압력, 습도의 상태로 치환하 고 공기량을 기준으로 송풍기의 임펠러의 크기나 동력 등을 계산하여야 한다[8].

(3) 공기의 비중량

공기의 비중량은 공기의 단위 체적당 유체의 중량으로 밀도에 중력 가속도를 곱 한 값을 의미한다.

 _{ }



 _

(2.1)

여기서,  : 습한 공기의 절대압력(mmHg),  _{: 상대습도,} _{ : 증기압}

식 (2.1)에서 표준상태의 공기 비중량 _을 이용하여 식 (2.2)과 같이 계산하며 상태에 민감하게 변한다.

  _  



_

__

(2.2)

여기서, _{ : 정압,} _{ : 대기압,}  : 취급공기의 온도(℃), _{ : 취급공기} 의 표준흡입상태에서의 비중량(1.29kg/㎥)을 의미한다.

(4) 수두

송풍기의 토출구과 흡입구 사이의 임펠러의 영향으로 단위 중량의 공기에 가하 여지는 압력을 공기 기둥의 높이로 나타낸 것을 수두라 하며, 다음 식 (2.3)와 같 이 나타된다.

 _{ }

_

_

(2.3)

여기서,  _{: 수두(m),} _ : 전압(mmAq), _ : 흡입공기의 비중량(kg/㎥)을 의미한다.

식 (2.3)은 “토출절대압력과 흡입절대압력의 비, 즉 압력비가 약 1.03 이하인 경 우에 적용”[5]한다. 압력비 1.03 이란 __  _{이므로 흡입절대압력} _을 760mmHg(10,333mmAq)라 하면 토출절대압력 _   ×   _이므로 토출절대압력과 흡입절대압력의 차는 310mmAq가 된다. 압력이 높은 경우에는 식 (2.4)와 같은 단열수두를 사용한다.

_{  }

  

 _

_

_

_

^{  }   (2.4)

여기서, _{ : 단열수두(m),}  : 비열비(공기의 경우에는 1.4), _{ : 토출절}

대압력(mmAq), _ : 흡입 절대압력(mmAq)이다.

(5) 이론공기동력

송풍기를 구동하는데 필요한 이론공기동력은 압력비 _/_이 1.03 미만의 경우 에는 다음과 같은 식 (2.5)와 같이 계산한다.

 _{ }



_

(2.5)

여기서,  : 공기량(㎥/min), _ : 전압(mmAq)을 의미한다.

압력비가 1.03 이상인 경우에는 다음과 같은 식 (2.6)을 사용한다..

 _{ }

  

 

_

_

_

^{  }   (2.6)

(6) 송풍기 효율

“송풍기 효율은 구분은 정압효율과 전압효율”[5]로 구분되며. 다음과 같은 식 (2.7)과 같이 축동력에 따른 이론공기동력의 비로 정의된다.

_ _

 (2.7)

여기서,  : 이론공기동력(kW), _ : 축동력(kW)을 의미한다.

송풍기의 정압효율 산정 할 경우 압력비가 1.03 미만일 때에는 식 (2.7)의 이론 공기동력으로 식 (2.5)를 사용하고 압력비가 1.03 이상일 때에는 식 (2.6)을 이용한 다.

(7) 비속도

비속도(Specific Speed)는 형식, 임펠러의 선정, 팬의 특성, 동일 팬 기종 상호 간의 비교 시 중요한 파라미터이다[9]. 비속도는 보통 최고 효율점의 성능에 대하 여 구해지고, 상사형 송풍기의 공기역학적 “상사법칙에서 유도된 수치로 공기량 1

㎥/min 또는 1㎥/sec 및 수두 1m로”[5] 나타낼 때 임펠러직경 _{, 회전수 비속도}

_인 송풍기와의 관계를 나타내는 것으로 다음의 식 (2.8)과 같이 정의된다.

_{  }

^

^

(2.8)

여기서, _{ : 비속도,}  : 회전수(rpm),  : 공기량(㎥/min, ㎥/sec),  _{: 수} 두 또는 양정(m) 이다.

일반적으로 경우 압력이 낮으면 비속도가 커지고 압력이 높고 공기량이 적으면 비속도가 작아진다. 임펠러가 비속도가 크면 직경에 비해 임펠러 출구폭이 넓고, 비속도가 작은 임펠러는 출구폭이 좁은 형상이 된다. 그림 2-3은 원심송풍기의 임 펠러 종류와 형상에 따른 비속도와 효율의 변화를 나타낸 것이다.

Fig. 2-3. Specific Speed and Efficiency by Centrifugal Blower Type

2. Blower 구조와 종류

“송풍기는 임펠러의 회전운동으로 공기에 에너지를 가하여 공기량과 압력을 얻는 공기기계로써 흡입구와 토출구의 압력비가 1.1 미만인 것을 팬(Fan)이라 하 고 압력비가 1.1 이상 2.0 미만인 블러워(Blower)로 분류[5]하며, 이를 통칭하여 송풍기”라 한다[5]. 송풍기는 유체의 수송 및 압축작용을 하는 방식에 따라 원심 형과 축류형으로 구분된다[10]. 공기의 이송 방향과 임펠러 축이 이루는 각도에 따라 표 2-1과 같이 세분된다. 

a. 원심송풍기

원심송풍기는 공기가 임펠러의 회전반경 방향으로 이송되고 공기량과 압력을 생성시키는 송풍기로써 임펠러깃의 모양과 설치 기울기에 의해 특성이 변한다.

원심송풍기의 형태와 특성은 다음과 같다.

(1) 다익송풍기

다익송풍기는 그림 2-4의 (a)와 같이 넓은 폭의 깃 통로의 길이가 짧고 회전 방 향에 앞쪽으로 기울어진 깃을 갖는 임펠러로 구성된 송풍기이다. 일반적으로 시로 코송풍기라고불리며, 그림 2-4의 (b)는 다익송풍기의 특성곡선을 나타낸다.

Table 2-1. Blower Classification

대분류 중분류 소분류 최대정압효율(%) 공기량(%)

송풍기

원심송풍기

다익송퐁기 68 30 ~ 80

레이디얼송퐁기 70 35 ~ 80

뒷쪽굽움깃송퐁기 80 40 ~ 85

익형송퐁기 86 50 ~ 85

축류송풍기

프로펠러송퐁기 50 65

튜브축류송퐁기 75 65

베인축류송충기 85 55 ~ 90

(a) Type (b) Characteristic Curve Fig. 2-4. The Shape and Characteristics Curve of a Multi-Wing Blower

다익송풍기는 다른 종류의 송풍기에 비해 낮은 속도에서 운전되고 낮은 압력에 서 다량 공기량이 요구될 때 주로 사용한다.

다익송풍기는 그림 2-4의 (b)와 같이 공기량의 범위가 30~80%로 넓은 범위로 구 동되고 일반적으로 정압이 최대점에서 정압효율이 최대가 된다. 최대정압효율은 범 위는 60~68% 정도이다. 다익송풍기는 운전범위가 넓고 제작 가격이 저렴하며, 같은 공기량과 압력에 대하여 타 종류의 원심송풍기에 비해 임펠러의 직경이 작다. 따라 서, 설치공간을 최소화할 수 있고 건물의 공기조화 및 환기용으로 많이 사용된다.

그러나 다익송풍기는 깃의 형태와 구조가 취약하여 물질 이동용으로는 부적합하다.

(2) 레이디얼송풍기

레이디얼송풍기는 그림 2-5의 (a)와 같은 형태로 “송풍기의 반경 방향의 깃을 갖 는 임펠러로 구성된 송풍기”[5]이며, 그림 2-5의 (b)는 특성곡선을 나타낸다.

레이디얼송풍기는 일반적으로 다른 종류의 송풍기에 대해 임펠러 폭이 좁다. 따라 서 주어진 용량에 의해 임펠러의 직경이 커진다. 이러한 특징은 제작가격이 비싸지 는 주요 원인이다. 용량에 비해 임펠러의 직경이 켜서 공기조화용으로 거의 사용되 지 않는다. 레이디얼송풍기는 고압력에서 소량의 공기를 이송하거나 물질운반에 적 합하다. 또한 서지(Surge) 현상이 없으며 공기량 변화에 의해 축동력이 선형적으로 증가한다. 따라서 축동력의 변화하는 장점은 송풍기의 제어에 용이하다.

(a) Type (b) Characteristic Curve Fig. 2-5. The Shape and Characteristics Curve of a Radial Blower

(3) 뒤쪽굽음깃송풍기

뒤쪽굽음깃송풍기는 그림 2-6의 (a)와 같은 형태로 “회전 방향에 대해 뒤로 기울 어진 깃을 갖는 임펠러로 구성된 송풍기”[5]이며, 그림 2-6의 (b)는 송풍기의 특성 곡선을 나타낸다. 뒤쪽굽음깃송풍기는 운전속도가 다익송풍기에 비해 약 2배 정도 빠르고, 공기량 범위가 40~85%의 넓게 운전된다. 일반적으로 80% 정도의 정압효율 을 가진다. 뒤쪽굽음깃송풍기는 고효율이며 과부하 특성이 없어 구조가 강하다. 따 라서 보일러의 공기압, 에어가전 송풍장치 등 여러 용도에서 사용된다.

(a) Type (b) Characteristic Curve Fig. 2-6. The Shape and Characteristics Curve of the Rear Bend Blower

(4) 익형송풍기

익형송풍기는 그림 2-7의 (a)와 같은 형태로 같이 “뒤쪽굽음깃송풍기 처럼 깃이 회전 방향에 대해 뒤로 기울어진 구조이나 깃의 단면이 익형(Airfoil)으로 된 임펠 러로 구성된 송풍기”[5]이다. 그림 2-7의 (b)는 익형송풍기의 특성곡선을 나타낸다.

익형송풍기는 뒤쪽굽음깃송풍기의 깃을 익형으로 교체한 형태로 정압효율이 86%

정도로 원심송풍기 종류에서 정압효율이 가장 높다. 운저시 저소음이므로 청정한 공기이송에 많이 사용된다.

(a) Type (b) Characteristic Curve Fig. 2-7. The Shape and Characteristics Curve of the Airfoil Blower

b. 축류송풍기

축류송풍기는 공기를 임펠러의 축방향과 동일한 방향으로 이송시키는 송풍기로 써 그림 2-8과 같은 프로펠러형상의 임펠러로 모양이며, 임펠러깃은 익형으로 된 구조이다.

Fig. 2-8. Type of Axial Fan Impeller

(1) 프로펠러송풍기

그림 2-9는 프로펠러송풍기의 형태와 특성곡선을 나타낸다. 프로펠러송풍기는 적은 압력에서 다량의 공기량을 이송할 때 널리 사용되며, 냉각탑, 실내 환기용 등에 사용된다. 튜브가 없는 송풍기로써 축류송풍기 종류에서 구조가 가장 간단 하다.

(a) Type (b) Characteristic Curve Fig. 2-9. Propeller Blower type and Characteristics Curve

(2) 튜브축류송풍기

튜브축류송풍기는 그림 2-10의 (a)에서 임펠러가 튜브 안쪽에 설치되어 있는 송풍기이며, 그림 2-10의 (b)는 이의 특성곡선을 나타낸다.

(a) Type (b) Characteristic Curve

(3) 베인축류송풍기

베인축류송풍기는 그림 2-11과 같이 튜브축류송풍기와 베인(안내깃)을 결합한 송풍기로써 베인을 제거하면 튜브축류송풍기와 같다. 베인축류송풍기의 베인은 임펠러 후류의 선회유동을 방지하기 때문에 튜브축류송풍기보다 효율이 높고 더 높은 압력을 발생시킨다. 축류송풍기는 공기량 범위가 약 55~90%에서 운전되고, 산업용 축류송풍기의 최대정압효율은 약 85% 정도이다. 축류송풍기는 배관이 간 단하고 경량, 소형이라는 것이 장점이 있지만, 원심송풍기에 비해 소음이 큰 단 점이 있다.

Fig. 2-11. Type of Vane Axial Flow Fan

3. Blower 설계 이론

송풍기에 관한 일반적인 “설계는 송풍기의 흡입구에서 토출구까지의 모든 과정 에 대한 공기역학적인 설계와 이에 따른 기계적 구조설계로 크게 구분 할 수 있 다. 또한, 공기역학적인 측면에서 설계를 고려하더라도 토출구에서의 흐름, 송풍기 의 흡입구를 통과하는 흐름, 임펠러 깃을 통과하는 흐름”[5][15] 등은 공기역학적 으로 다양한 흐름현상이 발생한다. 따라서 송풍기에 대한 설계는 다소 복잡하고 어려운 일이다. 하지만 엔지니어링 측면에서 설계 및 해석, 토출압력과 흡입량 등 에 관한 현상이 중요하므로 본 장에서는 원심송풍기의 외형설계 방법을 제시하고 산업체에서 많이 사용되는 뒤쪽굽음깃송풍기에 대한 설계 방법을 서술한다.

원심 송풍 회전차의 속도선도로 원심 Blower의 이론 양정을 구하기 위해서 회 전차 깃의 두께는 무한히 얇고 깃수가 무한히 존재한다. 따라서 회전차 속의 유선 과 깃의 모양이 동일한 경우를 가정하여 속도선도를 그린다[11].

Fig. 2-12. Speed ​​Diagram of Centrifugal Fan Rotor

그림 2-12는 회전차의 속도선도를 나타낸다. 회전하고 있는 회전차내의 유동의 유선은 전체 깃은 곡선 형태이므로 유선에 대한 방정식은 해석이 가능하고 유동해 석이 가능하다 회전차에 의해서 단위 무게의 유체에 주어지는 에너지, 양정(수두) 을 깃수 무한인 경우의 이론수두이라 하고 _{∞로 표시한다.}

회전차가 회전속도  rpm으로 회전할 경우 회전차 내의 깃에 따른 회전에너지 의 일부분은 유체에 전달되고, 나머지 일부 공기 흐름의 에너지는 유체를 교란하 게 되어 에너지로 손실된다. 이 시점에 유체에 주어지는 에너지는 2가지로 구분되 는데 동적에너지(속도에너지)와 정적에너지(위치에너지 및 압력에너지)이다.

그림 2-12에서 _{는 회전차의 반경,} _{는 날개의 각도,} 는 회전차의 원주속도,

는 유체입자의 절대속도, 는 유체입자의 회전차에 대한 상대속도, _는 _와 _와 의 사이각을 나타낸다. _{은 유입각,} _{은 깃입구각,} _{은 입구원주속도,} _  _ 은 회전차와의 깃입구상대속도, _는 지면과의 상대속도 또는 깃절대속도를 의미 하며 _{는 유입각,} _{는 깃입구각,} _{는 입구원주속도는} _  _{은 회전차와의} 깃입구상대속도, _는 지면과의 상대속도 또는 깃절대속도를 의미한다.

원심 송풍기의 이론양정에 대한 원리는 각운동량원리 또는 운동량 모멘트원리로 부터 회전차의 입구의 유로에서 출구를 통과하는 유로의 유체의 질량에 적용하면 구할 수 있다.

b. Blower 운전

송풍기의 동력은 다음과 같은 식 (2.9)와 같다.

_{ }

 × ×

_

_{ }

 ×

_

 (2.9)

여기서, _ : 전압(풍압)[mmAq. mmHg]. Q : 공기량(㎥/min).  _{: 전 효율.}

 _{: 여유율이다.}

운전 특성의 변화요소에는 풍량비, 전압비, 축동력비로 있다. 회전수에 따른 운 전특성으로 다음과 같다. 풍량은 회전수에 비례하여 증가하고, 전압은 회전수의 제 곱에 비례하여 증가하고 축동력은 회전수의 세제곱에 비례하여 증가한다[5].

c. Blower의 풍량조절

송풍기의 저항손실의 불균형이 발생되거나 송풍기 설계 풍량보다 여유가 있을 경우 여러 방식의 풍량 제어 방법을 고려해야 된다. 최근 송풍기의 풍량조절의 필 요성이 강조되면서 대용량의 공조에는 가변풍량(Variable Air Volume) 공조방식이 주로 사용된다. 공조방식은 공조하고자 하는 공간에 대하여 열부하의 변동에 따른 송풍량을 조절하여 설정과 근사한 온도를 유지하는 공조 방식이다. 급기와 배기의 양이 수시로 변하는 가변풍량 시스템에서는 송풍기의 공기량의 변동을 제어가 가 능하여 동력 절감을 얻을 수 있다.

(1) 송풍기의 성능곡선

그림 2-13과 같이 송풍기의 성능곡선에서 송풍기의 운전점인 공기의 유동은 팬 곡선과 시스템 곡선과 만나는 점으로 결정하고 운전상태를 미리 예측할 수 있는 선도를 송풍기의 성능곡선이라 한다. 만일 송풍기의 풍량과 풍속에 변화가 있으면 Blower의 특성곡선 또는 시스템 곡선의 변동이 생기게 된다.

Fig. 2-13. Blower Performance Curve

(2) 풍량 조절

송풍기의 풍량조절방법은 크게 2가지로 팬 곡선과 시스템 곡선을 조절하는 방법 으로 구분된다.

팬 곡선을 조절하는 방법으로는 송풍기의 흡입 베인 제어(Inlet vane control), 송풍기의 회전수제어(Speed control), 축류 송풍기의 가변피치제어(Blade pitch control) 제어가 있다.

흡입베인에 의한 제어방식은 송풍기의 흡입측에 방사형의 가동익을 설치 후 각 도를 조절한다. 베인 입구의 절대속도 선회량을 변화를 주어 풍압, 풍량을 가감한 다. 중·대형 건물에 적합하며 동력이 절감되며, 제어에 대한 설비가 저렴하다.

송풍기의 회전수 제어는 송풍기의 회전수를 변화를 주어 풍량, 압력, 축동력이 변화된다. 송풍기의 회전속도를 변경하면 회전수에 의해 특성곡선이 변화하여 항 상 최고 효율점 근처에서 운전이 가능하다. 따라서 회전수 _을 _{로 변화시키면} 풍량(_{), 압력(}_{), 축동력(})의 관계는 식 (2.10)과 같다.

_

_

 _

_

_

_







_

_





_

_







_

_





축류송풍기의 가변피치제어는 주속도가 일정할 경우 날개의 취부각을 변화를 주 어 축류속도와 영각을 변경하여 압력 유량 특성을 변화시키는 제어 방식이다.

시스템 곡선을 조절하는 방법으로는 토출구 댐퍼에 의한 제어(Damper control), 바이패스제어(By-Pass control)가 있다.

토출구 댐퍼에 의한 제어는 Blower의 토출측 댐퍼를 조절하여 풍량을 감소시키 는 것으로 설비비가 저렴하나 특성 곡선의 한계점을 넘어서까지 풍량을 감소시키 면 서징 현상이 일어날 가능성 있다. 바이패스제어는 시스템 곡선을 조절하는 방 식으로 송풍기의 위치를 변화시킨다. 토출부에서 흡입부로 바이패스덕트를 설치하 고 안쪽에 풍량조절용 바이패스댐퍼를 부착하여 이를 조절하여 토출부 공기 중의 일부를 흡입부으로 바이패스댐퍼로 조절하여 풍량을 제어하는 방법이다. 송풍기의 동력에너지 절감 측면에서 볼 때 최소 부하 일 경우에도 송풍기는 일정 운전을 계 속하므로 동력 에너지 절감은 거의 할 수 없다.

그림 2-14에서 에너지 절감 측면에서 송풍기의 풍량 제어 방식을 비교해 보면 속도제어방식이 공기흐름 제어가 용이하고 효율이 높아 많이 사용된다.

Fig. 2-14. Energy Saving Effect

d. 외형 설계순서

사용 목적에 적합한 송풍기의 성능과 제원을 산출하기 위해서는 최소 비중 량을 가정해야 하므로 최소한의 공기 비중량은 식 (2.1) 의해   ^ 적용하고 설계를 수행한다.

(1) 송풍기의 토출구에서의 속도를 가정하고 동압 결정

송풍기의 종류에 따라 약간의 차이는 존재하지만 대략 토출구에서의 _{ 토출속} 도는 25~35m/sec로 가정하는 것이 일반적이며, 요구 조건에 따라 초과하여 설계가 가능하다. 토출부 속도는 최종적으로 케이싱의 단면적이나 크기를 결정하고 역으 로 계산하여 송풍기 성능을 검토할 경우에 필요하다. 토출구 시작 위치에서 토출 속도 _로 가정하면, 동압은 식 (2.11)과 같이 구해진다.

_{  }



_^

(2.11)

(2) 전압수두 위치에서 비속도 결정

전압은 정압과 동압의 합이다. 따라서 전압은 식 (2.12) _와 같고, 전압수두는 식 (2.13)와 같이 구해진다.

_ __{ (2.12)}

_{  }

_

_

(2.13)

여기서, _{는 전압수두이다.}

비속도는 식 (2.14)와 같이 비속도를 계산한다.

_{  }

_

^

(2.14)

“비속도는 요구되는 공기량과 전압수두가 결정되어도 임펠러의 회전수 _{에 따} 라 변하는 값”[5]으로 표시된다. 임펠러의 회전속도는 사용자가 임의로 설계가 가 능하나, 임펠러 구동 전동기의 회전수를 고려함으로써 비속도를 결정할 수 있다.

(3) 임펠러의 직경결정

“임펠러의 직경을 결정하기 위해서는 주속도를 구하여야 한다. 주속도를 구하는 방법은 여러 가지가 있지만”[5] 여기에서는 식 (2.15)를 사용한다

_

_^ _(2.15)

여기서, _는 주속계수를 나타낸다.

그림 2-15에서 해당 비속도의 주속계수를 구할 경우 주속계수는 1.0~1.25 사이에 범위에 있다. 주속계수의 상한값 1.05로 적용하면 식 (2,157)로부터 임펠러의 주속

도는 식 (2.16)과 같이 _{ 로 구해진다.}

_  × ×^× 

 (2.16)

주속도를 이용하여 임펠러 직경 _은 식 (2.17)에 같이 계산한다.

_{ }



_

(2.17)

주속계수는 설계 압력에 여유가 있는 경우는 하한값을 사용이 가능하며 전동기 출력에 여유가 충분한 경우에는 상한값을 사용한다. 따라서 주속계수의 값을 크게 적용하면 주속도는 커지며, 임펠러 직경도 커지므로 압력은 요구하는 것보다 높게 된 만큼 축동력이 증가된다. 반대로 주속계수를 작게 적용한 만큼 축동력은 감소 되고 요구압력을 충족하지 못하는 상태가 발생한다. 주속계수는 Blower의 종류 및 형태, 비속도, 임펠러의 깃의 각도 등에 따라 상이한 값을 갖는다.

그림 2-15는 임펠러의 출구 깃의 각이 45°인 뒤쪽굽음깃송풍기의 경우 비속도에 의한 주속계수의 변화를 나타내고 곡선은 깃의 상한과 하한을 나타낸 것이다.

Fig. 2-15. Main Speed Factor of Rear Bend Fan

(4) 축동력과 전동기 출력 결정

전동기 출력에서 송풍기 공기량과 전압을 얻기 위한 이론공기동력은 식 (2.5) 또 는 식 (2.6)과 같으며, 실제 송풍기에 요구되는 축동력은 송풍기의 효율이 포함하 기 때문에 효율은 식 (2.18)과 같이 구해진다.

_{  }



   ×

×_

(2.18)

축동력의 여유율은 Blower의 용량에 따라 약간의 차이가 있으나 Blower에 적용 하는 일반적인 값은 표 2-2와 같다. 뒤쪽굽음깃 Blower의 비속도에 따른 효율을 예측하면 80% 정도 효율이다. 따라서 식 (2.19)에서 축동력을 구하면 전동기출력 을 구하기 위해 표 3-1에서 여유율을 0.25로 취하면 전동기 출력은 _{ =}  _가 되므로 전동기 출력은 1.25배 이상의 전동기를 선택하면 된다.

_    _(2.19)

Table 2-2. Margin Ratio

전동기 용량 여유율

20(kW) 미만 0.25

20~60(kW) 미만 0.15

60(kW) 이상 0.1

소출력 엔진 0.15 ~ 0.25

e. 원심송풍기용 전동기 선정

원심송풍기용 전동기는 송풍기 시스템에서 풍량과 풍압의 공기유체가 최대 수요 를 충족시킬 수 있도록 용량을 반영하여 설계해야 한다. 원심송풍기용 전동기는 원심력에 의해 공기의 에너지를 전달한다. 따라서 송풍기 출구에서 공기 흐름이 발생되며 CFM(Cubic feet per min) m³/min를 사용한다. 그림 2-16은 표준 팬곡으 로 유체가 정적일 때 공기 흐름은 없으나 전동기 출구 압력은 가장 크게 발생한 다. 표준 송풍기는 그림 2-16과 같으며 전동기에 따라 여러 곡선이 표시된다. 또 한 성능곡선은 전동기속도, 효율, 전원요구 사항에 따라 달라진다. 송풍기용 전동 기를 선정하고 용량을 결정 할 때는 표준 팬곡선을 적용한다. 송풍기의 풍량 조절 방법은 여러 가지가 있으며 에너지 절감 효과 가 가장 큰 속도 제어을 적용한다.

그림 2-17은 전력이 증가할수록 전동기의 속도와 유량이 비례하는 것을 볼 수 있 다. 따라서, Blower의 속도 제어가 용이한 전동기에서 전동기 용량 산정법에는 토 크, 회전속도, 관성·관성비, 샤프트 직경 등이 고려되어야 한다[5].

Fig. 2-16. Standard Fan Curve

Fig. 2-17. Speed ​​Control and rpm

토크 고려시 최대 토크는 동작 중(주로 가감속 시)모터에 필요한 최대 토크로 모터 최대 토크의 80% 이하가 기준이 된다. 토크가 마이너스가 되는 경우에는 회 생 저항이 필요할 수 있다. 실효 토크는 식 (2.20)과 같은 구성 요소를 반영하어야 한다.

_s 



_^× _×_^ × _×_^× _

(2.20)

여기서, _{는 가속 시 토크} ∙_, _{는 가속 시간} _, _{는 사이클 시간}  나타낸다. 따라서 운전시간과 정지시간을 합을 의미하고, _{은 주행 토크}

∙_, _{는 일정 시간} _, _{는 감속 시 토크} ∙_, _{는 감속 시간} _이다.

동작·정지 모두에 필요한 토크를 제곱 평균해서 단위 시간당 값을 구한 것으로, 모터 정격 토크의 80% 이하가 기준이 된다. 회전 속도는 운전시의 모터 최대 회 전속도는 정격 회전속도 이하가 기준이 된다. 모터의 최대 회전속도까지 사용할 때는 토크와 온도 상승에 주의해야 한다.

관성이란 현재의 상태를 지속시키려고 하는 힘과 같은 것이며 관성비란 부하 관 성모멘트를 모터의 로터 관성모멘트로 나눈 것이다. 일반적으로 750W 이하는 20 배 이하, 1,000W 이상은 10배 이하가 기준이 된다. 원판이 회전할 경우는 다음의 식 (2.21)와 같이 관성모멘트  를 구한다[5][20].

 _{ }



 ^ ∙^ _(2.21)

여기서,  _{는 관성모멘트,}  는 회전체의 질량 kg,  는 회전직경 m이다.

B. BLDC 전동기 제어 및 설계 이론 1. BLDC 전동기

BLDC 전동기란 “브러시리스 모터(Brushless motor)는 DC모터에서 브러시, 정 류자 등의 기계적인 접촉부를 없애고 이것에 전자적인 정류기구를 설치한 직류모 터로 브러시리스 모터를 무정류자 모터라고도 한다”[6].

“직류전동기는 기계적인 접촉 구조인 정류자와 브러시를 이용하여 회전에 따라 전기자 전류의 극성을 바꾸어 주어야만(이를 기계적인 정류라고 함) 일정한 방향 으로 토크가 발생하게 되어 연속적인 회전이 가능하다. 이러한 기계적인 정류 기 구는 전자기적 잡음과 기계적 소음을 발생시킨다”[6]. 정류 시에 발생하는 전기적 섬락과 마찰에 의한 마모는 정류자와 브러시의 정기적인 유지보수가 필요하다. 통 상 소형 정류기는 바깥지름이 φ25 ~ φ35까지는 약 1000시간, φ37 ~ φ60까지는 약 2000시간 정도 사용이 가능하다. “직류 전동기와 전기적인 특성은 유사하고 전자 적인 정류 장치를 사용하여 유지보수가 필요한 기계적인 접촉 구조의 정류 장치를 제거하여 신뢰성을 향상시킨 전동기가 그림 2-18과 같은 브러시리스 DC 전동기 (BLDC Motor)”[6][21][24]이다.

Fig. 2-18. BLDC Motor

a. BLDC 전동기의 구조

그림 2-19는 직류 전동기와 BLDC 전동기의 구조를 나타낸 것으로 직류 모터 구성 요소는 고정자, 회전자, 정류자, 브러시로 구성되어 있고 BLDC 모터의 구성 요소는 영구자석과 로터, 3상 또는 4상 권선을 갖는 고정자, 로터 위치 센서, 회전 자 권선의 위상을 제어하는 ​​반도체스위치로 구성되어 있다. DC 전동기에의 구성 은 “브러시(전압 인가)와 정류자(전압 인가되는 코일), 영구자석으로 구서된고 브 러시에 + , - 전기(전압 + 전류)를 인가하면, 전기가 정류자에 인가되어, 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전류가 흐르면서 자기장이 발생한다”[6]. 전류에 의해 생긴 자기 장은 영구자석에 의해 강한 자기장으로 변화가 되므로 모터 회전이 더 강하게 된 다. BLDC 전동기는 DC 전동기와는 다르게 브러시가 없다. “DC전동기의 가장 큰 단점인 브러시가 닳는다는 것을 보완한 것이 BLDC 모터이다. BLDC 모터의 기본 구조를 보면 DC 전동기와는 달리 정류자(코일)이 고정되어 있으며 자석이 움직이 는 구조”이다. 여기에 DC 모터는 브러시를 이용하여 전원 인가를 하는 대신하는 BLDC 전동기는” FET(TR) 반도체 스위치를 이용하여 전원을 인가하여 회전을 하는 방식이다[6][28][29].

Fig. 2-19. Structure of BLDC Motor

b. 구동 원리

3상 2극 BLDC 전동기의 Y 결선 구동 시스템은 그림 2-20과 같이 구성된다.

BLDC 전동기에서 정류자와 브러시의 기능을 반도체 스위치로 구현하려면 회전자 의 위치를 반듯이 알아야 한다. 회전자는 일반적으로 영구자석이므로 홀 소자(Hall Element)와 같은 자속 검출센서를 사용하여 그 위치를 감지한다. BLDC 전동기 홀 소자는 120°(전기각) 간격으로 배치되므로 홀 소자 센서 신호에서 회전자의 위 치를 6개 구간으로 구별하여 검출한다. 이렇게 검출된 회전자의 위치 정보를 사용 하여 회전을 연속적으로 구동하기 위해 필요한 두 상(Phase)의 전류를 인버터를 통하여 흘려준다. BLDC 전동기를 위한 인버터는 일반적으로 어느 시점에 두 개의 스위칭 소자가 동작하는 2상 여자 방식으로 구동된다. 각 스위칭 소자는 120°씩 통전하고, 암(Arm) 단락 방지를 위한 데드 타임(Dead Time)이 필요 없다. BLDC 전동기의 구동 과정은 한 주기의 스위칭 시퀀스(Sequence)는 120°(전기각) 간격으 로 6개 구간으로 구성된다[30]-[33].

그림 2-21과 같이 6개의 모드에서의 역기전력과 홀 소자의 검출 신호 (___) 및 이 신호에 따른 각 상 전류와 토크를 나타낸다. 여기서 홀 소자는 N극을 검출 할 경우는 1을, S극을 검출 할 경우는 0을 출력한다고 가정하고 역방 향 회전을 위해서는 스위치가 온/오프(On/Off) 하는 시퀀스를 변경해야 한다[6].

Fig. 2-20. BLDC Motor Drive System

Fig. 2-21. BLDC Motor Driving Process and Driving Waveforms

c. BLDC 전동기의 전압 방정식

그림 2-21의 3상 2극 BLDC 전동기에서 고정자의 전압 방정식은 다음과 같이 표현된다. 유도 전동기나 동기 전동기와는 달리 BLDC 전동기에서는 제어를 위해 d-q축 좌표 변환을 적용하지 않고 abc 상변수 식 (2.23), 식 (2.24), 식 (2.25)와 같 이 직접 사용한다[34]-[37].

___ __



_

 _ (2.23)

___ __



_

 _ (2.24)

___ __



_

 _ (2.25)

여기서, _, _, _는 각각 고정자 전압, 전류, 역기전력이며, _{는 고정} 자 저항, _{는 자기 인덕턴스,} 은 상호 인덕턴스이다.

BLDC 전동기의 토크는 출력전력 _{와 회전자의 각속도} _으로부터 식 (2.26) 과 같다.

_{  }

_

_

 _

__ __ __

(2.26)

여기서, _은 기계 각속도이다.

그림 2-21에 보이는 동작에 따른 식 (2.27)의 토크는 단순히 역기전력 크기  와 전류크기  의 산술적인 곱으로 표현된다.

_{  }

_

_

 _

__ __ __

 _

 (2.27)

즉,  _와  가 일정하면 일정한 토크를 만들 수 있지만, 역기전력이 이상적인 사다리꼴이 아닐 경우 구형파의 일정한 전류를 흘리더라도 토크에는 리플이 발생 하게 된다. 또한, “역기전력이 이상적이라도 상전류 전환 시에 전류에 리플이 존재 하여 토크 리플이 발생할 수 있다. 이러한 토크 리플로 인해 BLDC 전동기를 고성 능 정밀 제어가 어렵다”[6]. 상전류 전환 시 토크 리플이 발생하게 된다. 동작모드 가 변경되므로 전류가 흐르는 권선은 a상에서 b상으로 전환되는데(Commutation), a상전류 _는 영으로 감소하고 b상전류 _는  로 증가한다. 이 때 만일 두 전류의 감소율과 증가율이 같다고 가정하면  _ _{가 되고 비전환 전류} (Non-commutation)인 c상전류 _{는 -} 로 일정하게 되므로 출력 토크는 리플 없 이 일정하게 된다. 그러나 실제의 경우 대부분 그림 2-22에서 나타내듯이 전환 전 류의 증가율과 감소율은 “권선의 시정수, 직류 링크(Link) 전압과 역기전력과의 전 위차 등에 의해 다르게 된다. 이로 인해 비전환 전류의 크기에 변동이 발생하게 되고 출력 토크에 리플이 발생한다. 상 전환 시마다 이러한 현상은 반복되므로 운 전 주파수 한 주기에 6번 토크 리플”이 발생 한다. 이러한 토크 리플은 소음을 발 생시키거나 속도 제어 특성을 저하시킨다. 이를 제거하기 위한 많은 방법이 연구 되고 있다[6][22].

2. BLDC 전동기 제어

BLDC 전동기는 직류 전동기와 비슷하게 회전속도가 인가 된 전압에 비례하기 때문에 인가 전압을 제어하여 속도를 제어할 수 있다. 따라서 원하는 속도 지령을 추종하는데 필요한 지령 전압을 발생하도록 하는 속도 제어기를 사용하여 BLDC 전동기의 속도 제어 시스템을 간단히 구성할 수 있다. 브러시리스 서보모터의 구 동시스템은 그림 2-23과 같이 컨버터, 인버터와 제어기 그리고 서보모터로 구성되 어 있다. 브러시리스 서보모터는 앞 절에서 설명한 바와 같이 DC 서보모터와는 달리 고정자에 3상의 전류를 회전자의 자극과 동기시켜 회전시키는 구동방법을 사 용한다[6]. 따라서, 센서로는 서보모터를 구동하기 위한 회전자의 위치를 검출해 회전자의 현재 위치에 맞는 전류를 공급하기 위해, 위치를 검출할 수 있는 엔코더 (Encoder), 혹은 레졸버(Resolver)를 주로 사용한다. 그리고 속도를 검출하는 센서 로는 타코(Tacho)센서를 주로 사용하지만, 브러시리스 서보모터, 즉 AC서보모터 는 회전자의 위치를 검출해야 하므로 타코센서가 잘 사용되지 않고 내부에서 연산 해 위치를 검출한다. 최근에는 센서 없이, 모터에 흐르는 전류와 모터에서 검출되 는 전압으로 구동하는 센서 없는 구동법, 즉 센서리스 제어방법으로 서보모터를 구동하기도 한다.

Fig. 2-23. BLDC Motor Drive System

서보시스템에서는 서보모터에 흐르는 전류를 제어해 모터에서 발생하는 토크를 제어하고 전류를 검출하기 위한 전류센서를 가지고 있다. 전류센서로는 홀센서 혹 은 선간저항에 의한 전압의 차이를 검출하는 센서가 이용되기도 한다.

브러시리스 서보모터의 전류제어는, 모터에 인가되는 전류가 검출된 후에 제어 기의 전류명령과 전류제어 상변환기의 출력으로 인한 연산전류의 에러값이 구해지 고, 제어이득(Control Gain)이 곱해져 인버터에 입력되면, 인버터에서는 DC 전원 을 입력받아 PWM 제어를 통해 모터에 전력을 공급하도록 구성된다.

모터의 제어는 모터에 공급되는 전류에 의해 모터에서 발생하는 토크를 제어함 으로써 이뤄지게 된다. 따라서 서보모터에서 제어의 핵심이 되는 부분은 전류가 제어되는 전류제어계라고 할 수 있으며, 이를 토크제어라고도 한다.

a. 속도 제어(Speed Control)

속도 제어기에서 출력된 지령 전압은 PWM 기법을 통해 생성되어 전동기에 인 가된다.

Fig. 2-24. Speed ​​Control System with Current Controller

이와 같은 방법은 간단하기는 하지만 전동기의 전류가 적절한 범위 내로 제어되 기 어렵기 때문에 과전류가 발생하기 쉬워 시스템이 정지(Shut Down)될 수 있으 며 좋은 동특성을 얻기 어렵다. 우수한 속도 제어 특성을 얻기 위해서는 토크 또 는 전류를 직접 제어할 필요가 있다. BLDC 전동기의 토크를 직접 제어하여 속도 를 제어하기 위해 내부에 전류 제어기를 갖는 속도 제어 시스템은 그림 2-24에 나타낸다. 순시 토크를 제어하기 위해 3상 전류의 크기와 위상을 동시에 제어(벡 터 제어)하는 교류 전동기와는 다르게 BLDC 전동기에서는 전류의 크기만을 제어 하면 된다. 식 (2.26)에서 출력 토크는 상전류의 크기에만 비례하기 때문이다. 또한 상전류 크기는 인버터의 직류 입력 전류 _^에 비례하므로 식 (2.28)과 같이 비례 적분 제어를 사용하는 속도 제어기를 구성한다.

_^  _ 

_

  _^  _ (2.28)

여기서, _와 _는 각각 비례 이득과 적분 이득으로 이 값 들은 직류 전동기 에서 같은 방법으로 결정하면 된다.

3상 전류를 측정해야(실제는 두 상만 측정) 하는 교류 전 동기에서와는 달리 BLDC 전동기 구동 시스템에서는 직류 입력 전류 하나만을 측정하여 제어해도 되 므로 시스템이 단순해진다. 속도 제어기에서 지령 속도 추종에 필요한 지령 전류 가 출력되면, 이 전류를 흘려주기 위해 전류 제어기에서 게이팅 신호를 발생하여 전동기의 인가전압을 제어하는데, 그 제어 방법으로는 히스테리시스(Hysteresis) 기법과 삼각파 비교 PWM 기법이 주로 사용된다[6].

b. PWM 기법

“히스테리시스 기법은 구현이 간단하고 제어 응답성이 우수 하나 히스테리시스 밴드(Band) 폭과 역기전력의 크기 등에 따라 스위칭 주파수가 변동한다는 단점이 있다. 반면에 삼각파 비교 PWM 기법은 제어 응답성은 조금 떨어지지만, 스위칭 주파수를 일정하게 유지할 수 있다는 장으로 인해” 현재 주로 사용되고 있다. 이