본문내용
1. 전기, 전자, 반도체 회로
1.1. 역률
역률(力率)은 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 나타내는 지표이다. 즉, 전력계통에 공급되는 전력 중에서 실제 사용되는 유효전력과 피상전력의 비율을 의미한다.
전력 공급 시스템에서는 유효전력과 무효전력이 함께 공급되는데, 유효전력은 실제 부하에 공급되어 일을 하는 전력이며, 무효전력은 유도성 또는 용량성 부하에 의해 발생하는 전력이다. 무효전력은 전력 전송 과정에서 손실을 초래하므로, 이를 줄이는 것이 중요하다.
역률은 다음과 같이 정의된다:
역률 = 유효전력(P) / 피상전력(S)
= cosθ
여기서 θ는 전압과 전류의 위상차 각도를 나타낸다.
역률이 높을수록 유효전력 사용 효율이 높아지며, 낮을수록 무효전력의 비율이 높아져 전력 전송 효율이 낮아진다. 이상적인 역률은 1.0이며, 실제로는 0.8~0.95 정도의 범위에서 운영된다.
역률 개선의 주요 효과는 다음과 같다:
1. 변압기와 배전선의 전력손실 감소: 전력손실은 역률의 제곱에 반비례하므로, 역률 향상으로 전력손실을 줄일 수 있다.
2. 전압 강하 감소: 역률이 높을수록 전압 강하가 감소한다.
3. 설비 용량 여유 증가: 역률 향상으로 피상전력이 감소하여 동일한 설비 용량으로 더 많은 부하를 감당할 수 있다.
4. 전기 요금 감소: 대부분의 전기 요금 체계에서 역률 기준을 두고 있어, 역률 향상으로 요금을 절감할 수 있다.
역률 개선을 위해서는 주로 콘덴서를 설치하여 무효전력을 보상하는 방식이 사용된다. 그러나 과보상 시에는 오히려 문제가 발생할 수 있으므로 적절한 수준의 역률 관리가 필요하다.
1.2. 스텝핑 모터, 서보 모터, 일반 모터
스텝핑 모터, 서보 모터, 일반 모터의 차이점
스텝핑 모터는 전기를 인가하면 정해진 각도만큼 회전하는 특징을 가지고 있다. 즉, 회전 각도를 제어할 수 있는 모터이다. 스텝핑 모터의 경우 전기를 순차적으로 인가하면 각 상에 자기장이 형성되어 회전자가 단계적으로 회전하게 된다. 따라서 스텝핑 모터는 회전수나 위치를 정밀하게 제어할 수 있어 산업용 장비, 로봇, 프린터 등에 많이 활용된다. 하지만 스텝핑 모터는 전기를 순차적으로 인가하지 않으면 토크가 떨어지거나 자려현상이 일어날 수 있다는 단점이 있다.
서보 모터는 위치 제어가 가능한 모터로, 외부에서 제어 신호를 인가하면 정해진 위치로 정확하게 회전할 수 있다. 서보 모터는 위치 검출 센서를 내장하고 있어 실시간으로 위치를 피드백 받아 제어할 수 있다. 따라서 정밀한 위치 제어가 필요한 로봇, 자동화 기계 등에 사용된다. 서보 모터는 스텝핑 모터에 비해 가격이 비싸지만 토크 특성이 우수하고 정밀한 위치 제어가 가능하다.
일반 모터는 전기를 인가하면 회전력이 발생하지만 회전 각도나 위치를 제어하기 어렵다. 일반 모터는 주로 단순한 구동 용도로 사용되며, 스텝핑 모터나 서보 모터에 비해 가격이 저렴하다. 하지만 정밀한 위치 제어가 필요한 응용 분야에는 적합하지 않다.
요약하면, 스텝핑 모터는 정밀한 위치 제어가 가능하고 서보 모터는 보다 정밀한 위치 제어가 가능하며, 일반 모터는 단순 구동 용도로 사용된다고 할 수 있다. 각 모터의 특징에 따라 응용 분야가 다르게 나타난다.
1.3. 피드백
피드백은 제어 시스템에서 출력 신호를 입력 신호와 비교하여 오차를 검출하고, 이를 보상하여 제어 대상의 동작을 원하는 상태로 유지하거나 안정화시키는 기능을 합니다. 피드백 제어는 입력 신호와 출력 신호 사이의 오차를 감지하여 이를 제어 입력에 반영함으로써 출력을 안정화시키고자 하는 것입니다.
피드백 제어 시스템은 대상 시스템의 출력 신호를 감지하여 입력 신호와 비교하고, 그 오차를 줄이기 위한 제어 입력을 생성합니다. 이를 통해 외란이나 변화에 대한 시스템의 안정성과 정확성을 높일 수 있습니다. 피드백 제어의 장점은 다음과 같습니다.
첫째, 피드백을 통해 시스템의 출력을 안정화시킬 수 있습니다. 출력이 원하는 목표값에서 벗어나더라도 피드백을 통해 이를 감지하고 보정함으로써 출력을 안정적으로 유지할 수 있습니다.
둘째, 외란이나 매개변수 변화에 대한 시스템의 강건성이 향상됩니다. 피드백 제어는 이러한 변동 요인을 감지하고 보상함으로써 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있습니다.
셋째, 제어 시스템의 정확성이 개선됩니다. 피드백을 통해 오차를 지속적으로 감지하고 보정함으로써 출력을 정확하게 제어할 수 있습니다.
넷째, 비선형 시스템이나 복잡한 시스템에서도 피드백 제어를 활용할 수 있습니다. 피드백 제어는 이러한 시스템에서도 안정성과 정확성을 확보하는 데 효과적입니다.
이처럼 피드백 제어는 다양한 시스템에서 널리 활용되며, 시스템의 안정성, 강건성, 정확성 등을 향상시키는 데 기여합니다.
1.4. PID 제어기
PID 제어기는 실제 응용분야에서 가장 많이 사용되는 대표적인 형태의 제어기법이다. PID 제어기는 기본적으로 피드백(feedback)제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.
표준적인 형태의 PID 제어기는 아래의 식과 같이 세 개의 항을 더하여 제어값(MV:manipulated variable)을 계산하도록 구성이 되어 있다. 이 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(derivative)에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기 (Proportional?Integral?Derivative controller)라는 명칭을 가진다. 이 세 개의 항들의 직관적인 의미는 다음과 같다.
비례항: 현재 상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어작용을 한다.
적분항: 정상상태(steady-state) 오차를 없애는 작용을 한다.
미분항: 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stability)을 향상시킨다.
PID 제어기는 위와 같은 표준식의 형태로 사용하기도 하지만, 경우에 따라서는 약간 변형된 형태로 사용하는 경우도 많다. 예를 들어, 비례항만을 가지거나, 혹은 비례-적분, 비례-미분항만을 가진 제어기의 형태로 단순화하여 사용하기도 하는데, 이때는 각각 P, PI, PD 제어기라 불린다.
한편, 계산된 제어값이 실제 구동기(actuator)가 작용할 수 있는 값의 한계보다 커서 구동기의 포화(saturation)가 발생하게 되는 경우, 오차의 적분값이 큰 값으로 누적되게 되어서, 정작 출력값이 설정값에 가까지게 되었을 때, 제어값이 작아져야 함에도 불구하고 계속 큰 값을 출력하게 되어 시스템이 설정값에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리게 되는 경우가 있는데, 이를 적분기의 와인드업이라고 한다. 이를 방지하기 위해서는 적절한 안티 와인드업(Anti-windup) 기법을 이용하여 PID 제어기를 보완해야 한다.
위의 식에서 제어 파라메터 Kp,Ki,Kd를 이득값 혹은 게인(gain)이라고 하고, 적절한 이득값을 수학적 혹은 실험적/경험적 방법을 통해 계산하는 과정을 튜닝(tuning)이라고 한다. PID 제어기의 튜닝에는 여러 가지 방법들이 있는데, 그중 가장 널리 알려진 것으로는 지글러-니콜스 방법이 있다.
요약하면, PID 제어기는 시스템의 감쇠비를 증가시키고 동시에 정상상태 오차도 개선시킬 수 있는 뛰어난 제어 성능을 가지고 있어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 과도응답 특성과 정상상태 응답을 모두 개선할 수 있다는 점에서 매우 유용한 제어기법이라고 할 수 있다.
1.5. 단상과 3상
단상 전원과 3상 전원은 전력 공급 방식에 있어 차이가 있다. 단상 전원은 전압과 전류가 단일 파형으로 변화하는 반면, 3상 전원은 각 상 간에 120도의 위상 차이를 가지는 3개의 파형으로 구성된다.
단상 전원은 주로 가정용이나 소용량 기기에 사용되며, 전압이 220V로 공급된다. 단상 전원은 구조가 단순하고 가격이 저렴하지만, 전력 전달 효율이 낮은 편이다. 단상 모터의 경우 기동 토크가 약하고 회전 방향을 바꾸기 어려운 단점이 있다.
반면 3상 전원은 380V로 공급되며, 주로 공장이나 대형 기기에 사용된다. 3상 전원은 각 상 간 120도의 위상차로 인해 전력 전달 효율이 높고, 전력 변동이 적다는 장점이 있다. 또한 3상 모터는 기동 토크가 크고 회전 방향 전환이 용이하다. 따라서 단상 전원보다 3상 전원이 전력 시스템에서 더 효율적이다.
종합하면, 단상 전원은 소용량 기기에, 3상 전원은 대용량 기기에 주로 사용되며, 3상 전원이 전력 전달 및 모터 구동 측면에서 더 효과적이라고 할 수 있다.
1.6. PLC 제어
PLC 제어는 Program Logic Controller의 약어로, 입력 신호와 프로그램 논리에 따라 출력 신호를 제어하는 장치이다. PLC는 마이크로프로세서와 입출력 장치로 구성되어, 주어진 프로그램에 따라 자동적으로 기계나 플랜트를 제어할 수 있다.
PLC는 크게 세 부분으로 구성된다. 첫째, 센서와 스위치 등의 입력 장치로부터 신호를 받아들여 처리하는 입력부, 둘째, 수집된 입력 신호를 처리하여 출력 신호를 생성하는 중앙처리장치(CPU)부, 셋째, 모터나 램프와 같은 출력 장치를 구동시키는 출력부로 이루어져 있다. PLC는 이러한 구성 요소들을 통해 자동화 시스템을 제어할 수 있다.
PLC의 프로그래밍은 사다리 회로도(ladder diagram) 형식으로 구현된다. 사다리 회로도는 입력 신호를 받아 논리 연산을 수행하고 출력 신호를 생성하는 구조를 직관적으로 보여준다. 이러한 사다리 회로도 프로그래밍을 통해 PLC는 제어 대상의 동작을 자동화할 수 있다.
PLC를 사용하면 유연성과 확장성이 뛰어나다는 장점이 있다. 프로그램의 변경이나 보완이 쉽고, 다양한 입출력 장치를 추가할 수 있어 제어 대상의 변경에 신속하게 대응할 수 있다. 또한 고장 진단 기능이 있어 오류 발생 시 원인 파악과 빠른 수리가 가능하다. 이러한 PLC의 특성으로 인해 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.
산업 자동화, 생산 라인 제어, 건물 관리 시스템 등 다양한 분야에서 PLC가 활용되고 있다. 특히 PLC는 제조 공정의 자동화와 생산성 향상에 크게 기여하고 있다. 공정 제어, 배치 관리, 품...
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