전기

액츄에이터란 무엇인가?

1. 액츄에이터의 정의 

배관내 유체의 유량, 압력, 온도를 조절하기 위한 목적으로 유체의 통로를 열거나 닫도록 하는 기계를 밸브라 하며 이러한 밸브에 설치하여 동력을 공급받아 이 동력을 힘 또는 토오크 등의 기계적 출력으로 변환하여 밸브의 부하를 원격운전(Remote Operation) 혹은 자동제어(Automatic Control)할 수 있도록 하는 기계를 액츄에이터(Actuator)라 말한다. 

이러한 액츄에이터는 여러 가지 동력을 이용하여 작동되는 것으로 사용하는 동력에 따라 액츄에이터의 구조가 크게 달라지므로 동력에 따라서 크게

전동식 액츄에이터(Electric Actuator),

공압식 액츄에이터(Pneumatic Actuator),

유압식 액츄에이터(Hydraulic Actuator) 등으로 분류하고 있다.

이것은 유체압력과 마찰에 의해 발생하는 밸브의 조작부하에 대하여 전력을 사용하여 전동기를 돌려 회전력(Torque)과 추력(Thrust)을 출력하도록 하는 것을 전동식 액츄에이터라 하고, 압축공기 혹은 압축가스를 사용하여 실린더 또는 베인 모터(Vane Motor) 등의 장치를 통하여 구동력을 출력하도록 하는 것을 공압식 액츄에이터, 압축오일의 물리적 에너지를 사용하는 것을 유압식 액츄에이터라고 말한다. 

각각의 액츄에이터는 장단점 및 특징이 있어 사용목적, 용도, 제어성, 안전성 및 원가 등을 고려하여 선정한다. 이밖에 이러한 동력을 복합적으로 사용하는 전동공압식, 전동유압식 엑츄에이터 등이 있다. 

밸브의 구동부인 액츄에이터는 크게 손으로 작동하는 수동식과 외부로부터 힘을 받아 작동하는 자동식, 그리고 유체의 흐르는 힘과 밸브내에 설치된 스프링이나 파이롯트 밸브장치에 의해 작동되는 자주식으로 나뉜다. 

수동식(Manual Actuator)은 크게 레버식, 휠식, 기어식으로 나눌수 있다. 레버식은 대개 작은 크기의 버터플라이 밸브나 볼밸브, 플러그 밸브등 90 회전하는 밸브에 많이 사용되고 휠식은 수직형으로 움직이는 게이트, 글로브 밸브 중 큰 사이즈의 밸브에 사용한다. 

또한 기어식은 밸브의 크기가 커서 직접 핸들휠로는 작동이 곤란할 때 감속기어를 사용하여 휠로 작동한다. 감속기어에는 감속 비율을 크게 할 수 있는 웜(Warm)기어와 감속 비율이 낮은 베벨기어(Bevel Gear)가 있다. 

액압 펌프식은 힘을 많이 필요로 하고 작동이 빈번하지 않은 밸브에 유압 기기를 설치, 유압에 의해서 개폐한다. 

자동식(Automatic Actuator)은 공기식 다이아후램, 피스톤(실린더)식, 전기 유압식, 고정도 서보(High Performance Servo Actuator), 일렉트로 메카니칼식, 자기구동부 등으로 나눌수 있다. 

2. 액츄에이터의 선택 

자동밸브에서는 어떤 액츄에이터를 사용할 것인가는 계기의 신호가 어떠한 신호를 나타내는가에 따라서 다르다. 계기 신호에는 미세한 전기신호, 유압신호와 공기신호가 있는데 이 신호란 제어하고자 하는 기준치와 제어변이의 변차를 자동으로 기준치에 접근하도록 보내지는 편차 조정 신호를 말한다. 

이중 유압신호나 공기압 신호에는 밸브 액츄에이터에 직접 전달되어 최종 제어장치인 밸브를 작동하는 것도 있다. 구체적으로 액츄에이터를 선택하기 위해서는 다음 사항을 검토해야 한다. 

액츄에이터를 움직이는 에너지 공급원이 공기, 전기, 유압이냐에 따라서 액츄에이터를 선정한다. 

필요한 최저의 힘(Thrust)은 액츄에이터에 따라 다르며 같은 크기라면 유압식 액츄에이터의 힘이 가장 크고 전동식 구동부가 힘이 작다. 

그리고 공정라인 압력에 따라서 밸브를 제어하고자 하는 위치에서 시스템을 견고하게 유지할 수 있는 힘이 있는가를 검토한다. 

액츄에이터는 에너지 공급이 중단되었을 때 필요로 하는 밸브 위치(구동부) 따라서 프러그의 위치(Open, Close, Hold)를 점검해야 하며 필요로 하는 작동시간, 안전성 및 신뢰도, 그리고 가격적인 면도 고려해야 한다. 

1) 공압식 액츄에이터 

자동 밸브에 가장 많이 사용되는 액츄에이터로서 다른 액츄에이터에 비하여 구조가 간단하고 고장률이 낮고 작동속도가 빠르며 전기가 필요없어 가스폭발 등에 안전하다. 또한 강력한 힘을 발생하면서도 가격이 저렴한 특징을 가지고 있으나 항상 압축공기가 필요하여 파이프 라인과 같은 밸브가 멀리 떨어져 있는 밸브에는 비경제적이다. 

2) 전동식 액츄에이터 

전동식 액츄에이터는 동력을 이용하기 쉽고, 위치결정 정도가 높으며 작은 구조로 대용량의 출력을 얻을 수 있고 모든 종류의 밸브에 사용할 수 있다. 게다가 여러 가지 특수한 기능을 제공하고 속도 및 출력 조절이 용이하며 장거리의 원격제어가 가능한 장점을 지니고 있다. 

그러나 전동식 액츄에이터는 다른 액츄에이터에 비해 가격이 비싸고 작동속도가 공압식에 비해 늦으며 기계적인 기어박스 및 전기적인 배선등이 복잡하여 공압식에 비해 고장이 많고 수리시에도 많은 비용과 시간이 소요된다. 

3) 유압식 액츄에이터 

유압식 액츄에이터는 토오크 관성비가 크고 고속응답을 용이하게 얻을 수 있으며 출력에 대한 중량 및 크기의 비가 높고 유압 유니트가 상당한 공간을 차지한다. 또한 강성이 높으므로 고정도의 위치제어가 가능하나 에너지원으로 기름을 사용하기 때문에 화재의 위험이 높고 힘제어가 곤란하며 가격이 높다는 것이 단점으로 지적된다. 

4) 전동유압식 액츄에이터 

전동유압식 액츄에이터는 전기 모터로 유압펌프를 작동시켜 이 유압에 의해 실린더를 움직이도록 되어 있는 장치로서 유압식이기 때문에 토오크가 크고 작동시간이 빠르며 미세한 제어도 할 수 있어 압력이 높고 미세한 제어와 빠른 작동이 요구되는 중요한 밸브에 사용되지만 전기모터가 언제나 움직이기 때문에 전기소모가 많고 정전시에는 작동할 수가 없으며 가격이 다른 액츄에이터에 비하여 비싸다.