개념 한 쪽
승강기기사 블록다이어그램 — 제어기기 분류와 회로 특성
블록다이어그램은 제어계 구성 요소의 역할과 신호 흐름을 도식화하는 수단이다. 센서·변환기·증폭기·조작기 등의 분류를 이해하고, 회로 연결 방식에 따른 전압·전류·전력 분배 특성을 파악해야 한다.
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뜻
블록다이어그램은 제어 시스템을 입력-처리-출력의 관점에서 나누어 표현하는 방법이다. 검출기는 물리량을 전기 신호로 변환하고, 변환기는 신호 형태를 바꾸며, 증폭기는 신호 세기를 키우고, 조작기기는 최종적으로 기계적 동작을 만들어낸다. 서보전동기는 전기 신호를 받아 위치나 속도를 정밀 제어하는 출력 장치이므로 조작기기에 속한다.
센서와 변환 소자의 변환 원리를 구분해야 한다. 예컨대 측온저항(RTD)은 온도의 변화에 따라 저항값이 변하여 온도를 임피던스 성분으로 변환한다. 광전소자는 빛을 전기 신호로 변환하고, 전자석은 전류를 자기장으로 변환하므로 서로 다른 물리량 변환 원리를 갖는 점을 혼동해서는 안 된다.
회로 연결 방식에 따른 전력 분배 특성은 흔히 출제되는 내용이다. 직렬회로에서는 전류가 동일하므로 P=I²R를 사용해 저항이 큰 소자일수록 더 많은 전력을 소모하여 밝거나 더 큰 에너지를 사용한다는 결론이 도출된다. 반대로 병렬회로에서는 전압이 동일하므로 P=V²/R를 사용하여 저항이 작은 쪽이 더 많은 전력을 소모한다.
제어기 설계에서는 제어기 종류별 특성도 이해해야 한다. PI 제어기는 적분 작용으로 정상 상태 오차를 제거하는 장점을 가지나, 적분에 의한 위상 지연으로 인해 이득 교점 주파수가 낮아지고 대역폭이 감소하는 특성이 발생한다. 이러한 장단점을 파악하여 시스템 요구에 맞는 제어기를 선택해야 한다.
예제
예 1) 두 전구의 밝기 비교 문제에서는 직렬 연결임을 확인한 뒤 전구의 정격 전력과 정격전압으로부터 저항을 계산한다. 전구 저항은 R=V²/P로 구할 수 있으므로 100V, 30W 전구의 저항은 약 333Ω, 60W 전구는 약 166Ω가 된다. 직렬에서 전류는 같으므로 P=I²R를 적용하여 저항이 더 큰 30W 전구가 더 큰 전력을 소모하여 더 밝게 빛난다.
예 2) 정격 출력이 600W인 전열기에 정격 전압의 80%만 인가되면 전열기는 저항성 부하로 가정하므로 전력은 전압의 제곱에 비례한다. 따라서 전력은 0.8²=0.64배가 되어 600W×0.64=384W가 된다.
자주 묻는 물음
- 블록다이어그램에서 서보전동기는 어떤 분류인가?
- 서보전동기는 전기 신호를 받아 기계적 위치나 속도를 생성하는 출력 장치이므로 조작기기에 해당한다.
- 온도를 전기 신호로 변환하는 소자는 무엇인가?
- 측온저항(RTD)은 온도에 따라 저항값이 변하여 온도를 임피던스 성분으로 변환한다.
- 직렬과 병렬 회로에서 전력 비교는 어떻게 다른가?
- 직렬회로는 전류가 동일하므로 P=I²R로 저항이 큰 쪽이 더 많은 전력을 소모한다. 병렬회로는 전압이 동일하므로 P=V²/R로 저항이 작은 쪽이 더 많은 전력을 소모한다.
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