특수 케이블로 VFD 및 모터 잡음 해결

가변 주파수 구동(VFD)은 자동화된 기계의 여러 전기 모터 유형에 정밀하게 전원을 공급합니다. 본질적으로 전기 및 전자 전력 공급 부품인 이러한 VFD는, 모터 속도 및 (벡터 제어 사용 시) 출력 토크의 정밀한 제어를 제공하기 위해 모터 권선에 전압을 전송합니다. 문제는 이러한 방식의 전원 공급 장치와 관련되어 제어되지 않은 전류 및 기타 전기 현상이 있을 수 있다는 것입니다. 그리고 이러한 현상이 완화되지 않으면, 대부분 VFD 주변의 자동화 부품 및 시스템에 손상을 줄 수 있습니다.

그림 1: 3G3MX2-A2015-V1과 같은 VFD는 다양한 공정 및 이산 자동화 응용 제품에 필수적이며, 전기 모터 구동 축에 정밀한 제어와 안전 및 최적의 효율성을 제공합니다. 한 가지 주의할 점은 VFD 작동은 자연스럽게 EMI를 생성하는데, (이 문제가 해결되지 않은 경우) 주변의 제어 및 피드백 통신을 저하시키고 인접한 기계 부품을 손상시키며, 다양한 불필요한 트립과 기타 시스템에 부적합한 문제를 일으킬 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation and Safety)

VFD로 인해 설계가 최적화되지 못할 수도 있는 이유 및 VFD가 구동하는 모터와 다른 주변 장비에 문제를 일으킬 수 있는 이유를 알아보기 위해 VFD의 작동 방식을 살펴보세요. 간단히 말해 VFD의 역할은 다음과 같습니다.

• AC 유틸리티 전력의 정현파 전류를 입력으로 받아들인 다음
• 라인 전력을 직류로 정류(변환)
• 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하여 DC 전류 변환(AC로 다시 변환). 즉, 정밀하게 변조된 펄스 트레인으로 변환

기본적으로 구동 스위치는 끊긴 전류에 대해 전압을 끄고 켜며 모터가 부드럽게 변조된 전류의 사인파를 받는 것처럼 회전하도록 명령합니다. 펄스 폭 변조 또는 PWM이라고 하는 이러한 구동 형식에서 출력 속도는 궁극적으로 전류 펄스의 주파수에 따라 달라집니다.

실리콘 제어 정류기(SCR) 또는 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 통해 이 프로세스를 실행했던 기존 VFD는 오늘날의 IGBT 기반 VFD보다 느린 스위치였습니다. 모터를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있는 IGBT의 높은 스위칭 주파수이지만, 전도성 및 복사성 전자파 장해(EMI) 및 무선 주파수 장해(RFI)의 형태로 문제를 일으킬 수도 있습니다.

모터, 제어 장치 및 드라이브 자체에 대한 VFD 소음의 영향

EMI 문제는 드라이브가 모터에 저속으로 작동하도록 전원을 공급하는 경우에도 각 전기 펄스가 버스 전압 진폭이 있는 방형파인 방식은 모터로 전송되는 전력이 dV/dt 전압 상승 시간을 과도하게 상승시킨다는 것을 의미하기 때문에 전자기 간섭 문제가 발생합니다(μsec 또는 μsec의 분수로 표시).

이러한 문제 중 하나인 전압의 반사파 문제를 알아보겠습니다. 시동 시에 전기 모터의 고정자 권선은 점차적으로 자기장을 생성하고 전류를 전달하는 인덕터처럼 동작합니다. VFD의 전력을 모터에 공급하는 케이블은 모터 접합부에서 임피던스 불균형을 확인합니다. 이 경우, 앞서 언급한 오버슈트는 케이블과 모터의 고임피던스 연결에서 전압 파형의 일부 시작 쪽 가장자리를 다시 케이블로(구동 전자 장치쪽으로) 반사하는 반사파를 유발합니다.

반사된 전압파는 PWM의 과도한 dV/dt로 인한 전압 오버슈트에서 발생합니다.

이 현상을 악화시킬 수 있는 요인은 드라이브와 모터 사이의 과도하게(어떤 경우에는 불가피한) 긴 케이블 길이입니다. 긴 케이블은 유도 용량이 높고 짧은 케이블보다 전압 스파이크 및 반사파의 축적 가능성이 더 높습니다. 복합 파형(위상화된 파형)은 기존 파형의 전압과 전류의 합을 갖는 새로운 파형을 효과적으로 형성하기 때문에 특히 유해합니다.

그림 2: 버스 전압 진폭에서 VFD 전기 펄스의 방형파형은 dV/dt 전압 상승 시간을 과도하게 상승시켜 (이 문제가 해결되지 않으면) 다양한 전자기 문제를 일으킬 수 있습니다. (이미지 출처: Design World)

VFD와 마찬가지로 모터도 반사파와 전압 스파이크로 인해 손상될 수 있습니다. 이것이 오늘날 많은 자동화된 설치에 인버터 모터를 포함시키는 이유입니다. 이러한 모터에는 고성능 절연 및 기타 소자를 특징으로 하는 고정자 권선이 있어 전압 스파이크가 발생할 때 전체 열 용량과 복원력(대부분의 경우)을 향상시킵니다. 정격은 서지 전압의 크기와 지속 시간에 따라 구성되며, 상승 시간이 더 긴(급격하지 않은)설계일 수록 저 높은 정격을 갖춥니다. 물론 인버터 듀티 사양에 맞게 제작되지 않은 모터는 VFD로 구동할 수 있습니다. 그러나 이처럼 견고성이 떨어지는 모터를 사용할 응용 제품은 일반적으로 파라미터가 덜 까다로운 자동화된 장비로만 제한되어야 합니다. 또한 VFD로 구동되는 이러한 모터에는 짧은 케이블과 라인 리액터 및 기타 보호 부품이 포함되어야 할 수도 있습니다.

VFD용으로 특별히 설계된 고유한 케이블로 문제 해결

VFD를 위협하는 것 외에도 매우 높은 전압의 동위상 복합 파형은 부적절하게 사용된 범용 케이블을 손상시킬 수 있습니다. 특히 VFD 작동과 관련된 고전압 스파이크로 인해 케이블 절연에 스트레스와 열이 가해지고 심지어 구멍이 날 수도 있습니다. 다음은 이 문제를 방지하기 위해 VFD와 함께 사용하도록 특별히 설계된 케이블의 예입니다.

• 예상되는 모든 피크 전압을 전달하도록 정격된 고중량(소형 AWG) 컨덕터
• 충분히 두꺼운 인터페이스와 특별히 설계된 가교 폴리에틸렌 또는 (일부 경우는 차선책으로) 폴리염화비닐 절연체
• VFD에 의해 생성된 스파이크 및 잡음을 분산하고 접지하기 위한 시스 및 기타 요소

그림 3: Alpha Wire의 VFD용 케이블에는 전자기 코로나 저항을 위한 가교 폴리에틸렌 절연, 낮은 정전 용량(더 긴 케이블에서도 가능) 및 우수한 저온 성능이 포함됩니다. (이미지 출처: Alpha Wire)

반사파에 대한 케이블의 저항을 정량화할 수 있는 측정 값은 코로나 인셉션 전압이며, 종종 kV로 측정됩니다. 기본 물리학 교육에서 학습하듯이, 코로나(희미한 빛의 왕관 모양을 따서 명명됨)는 매우 국부화된 전압을 둘러싼 공기의 갑작스런 이온화를 의미합니다. 이러한 이온화는 컨덕터 주변이 충분한 절연으로 방지되지 않는 경우, 부적절하게 사용된 케이블을 빠르게 손상시킬 수 있는 오존 및 다양한 질소 화합물을 생성할 수 있습니다. 따라서 VFD 등급의 두꺼운 절연 케이블을 사용해야 합니다. VFD 제조업체가 명시한 구성 요구 사항을 충족하거나 초과하고 범용 고온 열가소성 플라스틱 고열 나일론 코팅(THHN) 전선에 대한 국가 전기 코드(NEC)의 표준을 훨씬 초과하는 케이블을 사용해야 합니다. VFD 장치가 실외 또는 기타 습한 장소에서 작동하는 경우 엔지니어링된 폴리에틸렌 절연이 가장 적합할 수 있습니다. 유입 전류 및 공통 모드 전류를 포함하여 VFD 구동 설계 및 해당 케이블에 영향을 미치는 기타 현상에 대한 자세한 내용은 산업용 응용 제품에 적합한 케이블이라는 DigiKey 기사를 참조하세요.

VFD 케이블링 모범 사례

가능한 경우, VFD 케이블 길이를 최소 50ft 미만으로 유지하는 것 외에도 제어 및 기계 패널을 포함한 모터 구동 장비의 모든 부품을 적절하게 접지해야 합니다. 여기에는 기계의 다양한 지점과 접지 사이의 전압 전위로 인한 접지 루프의 유해한 영향을 방지하는 공통 접지 블록 또는 마스터 전위 장치의 사용이 포함됩니다. 이는 기계의 피드백이 전압 기준 값에 의존할 때 특히 그렇습니다. 즉, 우발적인 접지 전류로부터 보호되지 않는 경우는 잘못된 값을 나타낼 수 있습니다. 이 주제는 DigiKey 기사 고전압에서의 소신호 측정 및 센서 접지 루프 방지에서 더 자세히 설명되어 있습니다.

실제로 많은 설계에서는 EMI를 완전히 처리하기 위해 필터, 케이블 측 페라이트 링, 모터 샤프트 접지 링 및 차폐와 같은 하위 부품도 추가해야 합니다. 구체적인 예: 접지 스트립이라는 간단한 보완 부품은 보통 VFD 설치에 필수적입니다. 이 평평한 부품은 각 끝에 링 단자가 있는 주석 도금의 편조 스트립으로 구성됩니다. 모터 구동식 설계에 통합되면 접지 스트랩은 드라이브의 보호 접지 단자(모든 VFD에 포함)를 접지에 연결하고 고주파 전기 잡음을 원형 접지선보다 훨씬 더 잘 전달합니다. 표면적이 상대적으로 넓어 AC 전력(특히 고주파에서)이 컨덕터의 표면이나 스킨에서 흐르고자 하는 방향을 수용할 수 있습니다. 따라서 스킨 효과라는 용어는 이 동작을 나타냅니다.

그림 4: 주석 도금 접지 스트랩은 부식에 강하고 유연하며 RoHS를 준수합니다. 이 스트랩은 고주파 잡음이 컨덕터 표면을 가로질러 이동하는 경향을 수용하므로 VFD 설치의 일부를 접지하는 데 유용합니다. (이미지 출처: Falconer Electronics)

그러나 또 다른 주의 사항은 전도성 EMI에 대한 보호 외에도 고주파에서 전송되는 용량성 결합 잡음으로부터 설계를 보호해야 한다는 것입니다. 여기에는 접지 스트랩 및 금속 도관의 차폐되지 않은 모터 케이블과 같은 요소를 통해 VFD 모터 회로에 들어갈 수 있는 잡음이 포함됩니다. 이 둘 모두 쉽게 EMI를 수행하고 잡음 접지 루프를 생성합니다. 용량성 결합 잡음을 완화해야 하는 또 다른 영역은 VFD 구동 모터 권선과 프레임 접지 사이입니다.

그림 5: 이 표는 digikey.com에서 다운로드할 수 있는 교육용 PDF로, VFD에 적합한 산업용 케이블 3종류의 설계 구조를 비교합니다. (이미지 출처: Belden Inc.)

결론

VFD는 HVAC, 오일 및 가스, 일반 펌프, 압축기 및 보일러 작동의 프로세스 유형의 응용 제품에 주로 사용됩니다. VFD는 컨베이어, 제분소, 엘리베이터에서 이동하는 축을 구동하기 위해 전기 모터를 사용하는 일련의 개별 산업 자동화 시스템 및 효율성 증대의 이점을 활용할 수 있는 기타 장비에도 필수적입니다.

이러한 구동 적용의 성공 여부는 연결된 부품, 인접한 부품 및 시스템에 대해 잠재적으로 위험한 전기 및 전자 효과를 고려하는 데 달려 있으며, 실제로 VFD를 사용하려면 일반적으로 특수 전기 필터, 종단, VFD 전용 접지 시스템 및 케이블이 포함되어야 합니다.