HVAC 가스 밸브 액추에이터에 대한 모터 선택

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이 문서는 HVAC(가열, 환기 및 에어컨: Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템에 사용되는 가스 밸브 작동에 사용할 수 있는 모터 기술을 살펴보고 비교하기 위해 작성되었습니다. HVAC 시스템에는 유체 흐름 변조 및 차단 목적으로 사용되는 낮은 비용의 전자 제어식 밸브가 포함되어 있으며, 일반적으로 저속에서 중간 토크가 필요합니다. 이러한 밸브를 구동하는 데 사용할 수 있는 모터 기술은 특정 작업 요구 사항에 따라 유리할 수 있는 색다르고 본질적인 특성을 가지고 있습니다.

소개

HVAC 시스템은 밀폐된 지역의 온도 및 공기 품질을 조절하기 위해 사용되며, 겨울에는 따뜻하고 여름에는 서늘하게 유지합니다. 난방 시스템에는 일반적으로 천연가스의 연소로 공간 내에서 순환하면서 조절되는 공기 또는 물을 가열하여 구동되는 보일러, 펌프, 라디에이터, 미터 및 기타 부품이 포함되어 있을 수 있습니다.

HVAC 시스템은 감지 및 조절 요소를 통한 가스/액체 흐름의 정확한 제어 및 계량을 중심으로 작동됩니다. 변조 요소는 일반적으로 일종의 흐름 제어 밸브 및/또는 분리(차단) 밸브의 일부 형식을 사용하여 다양한 방식으로 구현할 수 있습니다.

유체 흐름 제어 밸브의 기본 작동 원리

흐름 제어 밸브의 사례에서 밸브 스템은 밸브 본체 내부에서 위 또는 아래로 이동합니다. 이로 인해 스템 끝의 니들 또는 씰링 요소가 유체의 흐름을 원하는 수준으로 제한합니다. 밸브 축을 중심으로 회전하는 스탬앤볼 설계 밸브에는 컷아웃이 있어 한 가지 포지션에서 완전 흐름을, 스템이 정지 위치로 회전할 때 가변 흐름을 허용합니다.(그림 1)

밸브 스템의 움직임은 수동 작동(스크류 니들 위치를 조정하는 작업자)이나 액추에이터가 모터 및 구동 시스템에 의해 제어되는 스템을 움직이는 전자 구동 버전으로 설계할 수 있습니다.

가스 밸브 액추에이터용 전기 모션 시스템 유형

가스 밸브 액추에이터의 성능 및 비용 요구 사항에 적합한 가능한 모션 기술은 브러시 또는 DC 스테퍼 모터로 좁혀집니다. 두 기술 모두 애플리케이션에 필요한 토크 및 속도 기능을 갖추고 있지만, 완전한 모션 솔루션을 개발하려면 설계자가 전체 시스템의 구성을 결정해야 합니다. 더 넓은 수준에서 전기 모션 시스템은 모터 및 위치 시스템으로 구성됩니다. 다음은 시스템 설계 의도에 따라 선택해야 하는 옵션입니다.

전체 시스템 구성에 사용할 수 있는 옵션

모터 기술	브러시 DC
	스테퍼
액추에이터 모션 유형	회전
	선형
시스템 배치	폐쇄 루프 제어
	개방 루프 제어

가스 밸브 액추에이터의 경우, 이전 테이블 옵션의 모터 기술, 모션 유형 및 위치 시스템의 조합으로 전체 모션 솔루션의 복잡성과 비용이 결정됩니다. 전기 모션 시스템의 다양한 옵션은 다음과 같습니다.

•	브러시 DC 모터는 외부 리드 스크류를 추가하여 회전 모션 또는 선형 모션을 제공합니다(회전을 선형 모션으로 변환). 두 경우 모두 포지셔닝 요구 사항에 따라 인코더가 있어야 폐쇄 루프 작업을 수행할 수 있습니다.
•	스테퍼 모터는 외부 리드 스크류를 추가하여 회전 모션 또는 선형 모션을 제공합니다. 두 경우 모두 드라이버로 직접 개방 루프 제어를 수행할 수 있습니다. 폐쇄 루프 제어가 필요한 경우 인코더도 필요합니다.
•	선형 스테퍼 모터는 통합형 리드 스크류를 하나의 견고한 패키지로 제공하여 드라이버로 개방 루프 제어를 통해 직접 선형 모션 출력을 할 수 있습니다.

두 모터 기술에 대해 가능한 시스템 구성

모터 기술	브러시 DC	스테퍼/선형 스테퍼
모션 유형	회전 또는 외부 선형	회전, 외부 선형 또는 선형 통합
시스템 배치	폐쇄	폐쇄/개방 루프
토크/속도	매우 넓은 범위	제한된 범위
비용	중간~ 높음	낮음

가스 밸브 액추에이터에 대한 모터 선택

DC 모터

DC 모터는 DC 전원이 인가되면 회전하는 간단한 전기 기계입니다.(그림 2) 모터를 구동하는 데 복잡한 전자 장치가 필요하지 않습니다. 그러나 애플리케이션에 선형 모션이 필요한 경우 DC 모터 솔루션에는 회전을 선형 모션으로 변환하는 추가 리드 스크류 및 기어 시스템이 필요합니다. DC 솔루션은 선형 위치를 정확하게 제어하기 위해 광학 센서 또는 인코더 형식의 피드백 메커니즘도 필요합니다. 일부 설계자들은 모터 로터의 높은 관성으로 인해 포지셔닝 정확도를 높이기 위해 제동 시스템을 추가할 수도 있습니다.

일반적으로 DC 모터(가스 밸브 작업에 이상적)는 출력 속도가 1,000 ~ 10,000rpm이며 최대 160mNm의 토크를 제공합니다. 애플리케이션의 작업 부하 지점에 따라 기어박스 및/또는 리드 스크류 시스템을 추가할 수 있습니다.

스테퍼 모터
스테퍼 모터는 스텝이라고 하는 여러 개의 작고 동일한 개별 증분을 통해 회전하는 DC 전기 모터입니다.(그림 3) 스테퍼 모터를 구동하려면 전용 제어 장치가 필요합니다. 스테퍼 모터는 구조 및 설계로 인해 애플리케이션에 유리할 수 있는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 모터의 크기가 적절하다면 모터가 개방 루프로 작동할 수 있으므로 스테퍼 모터에 포지셔닝 제어 기능(개별 스텝)이 내장되게 됩니다. 또한 스테퍼 모터 설계를 통해 디텐트 토크를 사용하여 위치를 고정시킬 수 있으며, 애플리케이션을 시작, 정지 및 되돌릴 때 뛰어난 반응을 제공합니다.

애플리케이션에 선형 동작이 필요한 경우 스테퍼 모터 솔루션에는 회전 모션을 선형 모션으로 변환하는 추가 리드 스크류 및 기어 시스템이 필요합니다.

일반적으로 스테퍼 모터는 최대 1,000rpm의 출력 속도에 사용할 수 있으며 최대 170mNm의 토크를 제공합니다. 실제 토크 및 속도는 구동 모드(전체 스텝, 절반 스텝 또는 마이크로 스텝)에 따라 달라집니다. 애플리케이션의 작업 부하 지점에 따라 기어박스 및 리드 스크류 시스템을 추가할 수 있습니다.

스테퍼 선형 액추에이터
스테퍼 선형 액추에이터는 나사형 로터가 있는 캔 스택 스테퍼 모터와 소형 패키지에 직접 선형 모션을 제공하는 통합형 리드 스크류로 구성됩니다.(그림 4) 스테퍼 선형 액추에이터 리드 스크류는 전기 펄스가 적용될 때 개별 스텝 증분으로 위아래로 이동합니다. 스테퍼 선형 액추에이터의 중요한 이점 중 하나는 개방 루프 시스템에서 정확하게 제어될 수 있으므로 포지셔닝에 값비싼 피드백 장치 또는 제동 시스템이 필요하지 않다는 점입니다.

일반적으로 선형 액추에이터는 최대 80mm/s의 출력 속도에 사용할 수 있으며 최대 100N의 힘을 제공합니다. 실제 힘과 속도는 리드 스크류 효율 및 구동 모드(전체 스텝, 절반 스텝 또는 마이크로 스텝)에 따라 달라집니다. 애플리케이션의 작업 부하 지점에 따라 기어박스를 추가할 수 있습니다.

결론

모션 솔루션 비교

매개변수	DC 모터 솔루션	스텝 모터 솔루션
속도	***	**
힘/토크 (저속)	***	**
작동 온도	**	**
수명	**	***
비용 효율성	*	***
간편한 모터 작동	***	**
위치 제어 용이성	*	***
효율성	***	*

HVAC 애플리케이션에서 밸브 작동을 위한 모터 선택을 위한 주요 고려 사항:
가스 밸브 애플리케이션은 밸브 스템 유형과 원하는 작동 및 정밀도에 따라 달라집니다. 최상의 솔루션을 결정하는 다양한 애플리케이션 요구 사항은 다음과 같습니다.

•	최대 및 작동 토크/힘 필요
•	속도 요구 사항: 일반적으로 밸브 애플리케이션을 위해 낮은 속도에서 힘/토크 요구 사항이 필요합니다.
•	완벽한 솔루션의 가격
•	제어 시스템: 일반적으로 폐쇄 루프 제어가 필요하지 않습니다
•	애플리케이션 환경의 작동 온도
•	작동에 필요한 모션 유형(회전 또는 선형 모션)
•	교체 전의 예상 솔루션 수명
•	선형 또는 회전 해상도 필요
•	사용 가능한 최대 전류 및 전압