산업 자동화 및 에너지 효율화 노력으로 인해 컨베이어, 펌프, 산업용 로봇과 같은 모터 시스템에서 가변 주파수 드라이브(VFD)의 사용이 증가하고 있습니다. 이러한 유형의 모터에 대한 케이블 선택은 부하 전류를 기준으로 와이어 게이지를 결정하고 작동 전압을 기준으로 절연 수준을 결정하는 것보다 훨씬 더 복잡합니다.
최신 VFD 모터 시스템은 스위칭 모드 전력 전자 장치를 사용하여 에지가 매우 빠른 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 생성합니다. 이러한 빠른 과도 현상은 케이블과 모터 단자 사이의 임피던스 불일치로 인한 신호 반사를 증가시켜 케이블 전체의 전압 스트레스를 증가시키는 정재파를 생성합니다. 또한 케이블의 라인-라인 및 라인-접지 정전용량은 드라이버 성능에 영향을 미치고 충전 전류를 증가시킵니다. VFD PWM 신호에는 다수의 고주파 고조파가 포함되어 있으므로 모터 케이블을 효과적으로 차폐하여 전자기 간섭(EMI)을 줄여야 합니다.
이 문서에서는 VFD에 대해 간략하게 설명하고 올바른 작동에 필요한 기능, 신뢰성 및 안전성을 보장하기 위해 VFD 모터 케이블을 선택할 때 설계자가 직면하는 과제에 대해 논의합니다. 그런 다음 LAPP의 VFD 케이블을 소개하고 EMI 방사를 줄이면서 열악한 환경에 대한 민감성을 줄이면서 안정적인 전력 및 제어 신호를 제공하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다.
VFD 소개
산업 자동화에서는 모터가 안정적이고 효율적으로 작동하고 최대 속도 범위 내에서 어떤 방향으로든 작동할 수 있어야 합니다. 거버너 드라이버라고도 하는 VFD는 모터의 전원 입력 주파수, 전압 및 듀티 사이클을 변경하여 AC 유도 모터(ACIM)의 속도와 토크를 조절하는 모터 컨트롤러입니다. VFD의 작동 원리는 AC 정류 입력과 DC 출력을 사용하여 모터를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 것입니다. 이러한 펄스 신호의 주파수, 폭 및 진폭을 조정함으로써 다양한 모터 구동 시스템에서 모터 속도 및 출력 토크를 제어할 수 있습니다.
기능을 실현하기 위해 VFD는 세 가지 주요 구성 요소(그림 1), 즉 AC를 DC로 변환하는 정류기, DC를 PWM 흐름으로 변환하는 인버터, VFD 컨트롤러로 구성됩니다.
VFD는 AC 입력을 정류하고 DC를 사용하여 PWM 신호를 생성합니다(증폭 클릭).
그림 1: VFD는 AC 입력을 정류하고 DC를 사용하여 PWM 신호를 생성하여 모터 속도와 출력 토크를 제어합니다. 사진출처 : 아트피니)
컨트롤러는 다양한 센서를 통해 모터 작동을 모니터링하여 중요한 모터 매개변수를 제어합니다. 이러한 센서에는 회전식 변압기/인코더 피드백, 회전 속도계, 온도 및 진동 센서가 포함됩니다.
이 정류기는 기존 다이오드와 필터를 사용합니다. 인버터는 전력 전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 채택합니다. 이러한 트랜지스터는 VFD 컨트롤러에 의해 중앙에서 제어되는 절연된 고전압 게이트 드라이버에 의해 구동됩니다.
VFD는 구동 모터의 신호가 사인파가 아니라 PWM 펄스라는 점에서 기존의 3상 AC 작동과 다릅니다(그림 2).
VFD의 PWM 펄스는 정현파 전류 응답을 생성합니다.
그림 2: VFD의 PWM 펄스는 모터 권선에서 정현파 전류 응답을 생성합니다. 사진출처: LAPP)
PWM 신호 주파수는 일반적으로 2kHz ~ 20kHz입니다. 인버터는 모터를 AC 버스의 양극과 음극 및 DC 공통 전압에 교대로 연결합니다. DC 버스 전압은 피크 AC 버스 전압에 가깝습니다. 사용된 VFD PWM 파형은 모터 속도와 토크를 제어하기 위해 정현파 전류 응답을 생성합니다.
PWM 파의 특성으로 인해 VFD를 모터에 연결하려면 특수 케이블이 필요합니다. 이 파형은 스펙트럼이 넓고 고조파가 풍부한 직사각형 펄스입니다. VFD 케이블은 이러한 고주파 신호의 방사를 줄이기 위해 특별히 설계되었습니다. 또한, 인버터 스위칭 소자의 스위칭 손실을 최소화하고 시스템 효율을 극대화하기 위해서는 펄스 호핑 속도를 최대한 빠르게 설정해야 한다. 이로 인해 펄스 에지에서 매우 높은 전압 변화율(dV/dt)이 발생합니다. 빠른 에지 및 고주파수 스펙트럼 구성 요소와 결합된 이러한 기능은 높은 수준의 전자기 간섭을 초래합니다. 또한 빠른 에지는 케이블 임피던스가 변하는 전송선 반사를 생성합니다. 이러한 반사는 케이블에 정재파를 생성하여 케이블의 전압을 증가시키고 VFD 케이블의 정격 전압이 더 높아야 합니다.
금속 도체 사이의 케이블 정전 용량도 또 다른 문제입니다. 인버터 스위치가 케이블을 DC 버스에 연결하면 케이블의 정전 용량을 충전하는 전류 서지가 생성됩니다. 이로 인해 순간 전류 레벨이 증가하고 케이블이 손상될 수 있습니다. 이 공통 모드 전류는 위상 간 또는 위상에서 접지로 흐를 수 있습니다. 이 전류는 모터 프레임을 통해 접지 루프로 들어가고 모터 베어링을 통과할 수도 있습니다. 베어링에 흐르는 전류는 베어링 표면에 공식을 발생시켜 모터의 수명을 단축시킵니다. 이러한 문제는 일반적으로 전압이 높고 모터 정격(HP)이 높으며 케이블 길이가 긴 VFD 시스템에서 발생합니다.
모든 전선 및 케이블과 마찬가지로 전류는 케이블의 DC 저항을 통해 흐르므로 전력 손실이 발생합니다. 또한, PWM 신호의 스펙트럼 대역폭이 넓기 때문에 표피 효과로 인해 케이블 저항이 증가할 수 있습니다. 이러한 저항 효과는 케이블 길이에 따라 달라집니다.