신뢰할 수 있는 VFD 모터 제어 및 센서 피드백을 위한 케이블을 선택하는 방법

산업 자동화 및 에너지 효율 향상을 위한 노력으로 컨베이어, 펌프, 산업용 로봇과 같은 모터 시스템에서 가변 주파수 구동기(VFD) 사용이 증가하고 있습니다. 이러한 모터를 위한 케이블을 선택하는 것은 단순히 부하 전류 및 전압에 대한 절연 정격을 기반으로 전선 게이지를 선택하는 것보다 복잡합니다.

현대 VFD 모터 시스템은 매우 빠른 에지를 갖는 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 생성하는 스위치 모드 전력 전자 부품을 사용합니다. 이러한 빠른 전환 시간은 케이블과 모터 단자 사이의 임피던스 불일치로 인한 반사를 악화시켜 케이블을 따라 전압 응력을 높이는 정재파를 유발할 수 있습니다. 또한 라인 간 및 라인 접지 간 케이블 정전 용량은 구동기 성능에 영향을 미치고 충전 전류를 증가시킬 수 있습니다. VFD PWM 신호는 고주파 고조파가 풍부하기 때문에 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 모터 케이블을 효과적으로 차폐해야 합니다.

이 기사에서는 VFD에 대한 간략한 개요를 제공하고 설계자가 적절한 기능, 신뢰성 및 안전을 보장하기 위해 VFD 모터 케이블을 선택할 때 직면하는 문제를 살펴봅니다. 그런 다음 LAPP의 VFD 케이블을 소개하고, 열악한 환경에서 EMI 방출과 민감도를 줄이면서 안정적인 전력 및 제어 신호를 제공하기 위한 활용 방법을 보여줍니다.

VFD 소개

산업 자동화 분야에는 전체 속도 범위에서 어느 방향으로든 작동할 수 있는 안정적이고 효율적인 모터가 필요합니다. 가변 속도 구동기라고도 하는 VFD는 모터의 전력 입력 주파수, 전압 및 듀티 사이클을 변경하여 AC 유도 모터(ACIM)의 속도와 토크를 조절하는 모터 컨트롤러입니다. VFD는 AC 입력을 정류하고 DC 출력을 사용하여 모터를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방식으로 작동합니다. 이러한 펄스의 주파수, 폭, 진폭을 조정하여 다양한 모터 구동 시스템에서 모터의 속도와 출력 토크를 제어할 수 있습니다.

VFD는 기능 수행을 위해 AC를 DC로 변환하는 정류기, DC를 PWM 스트림으로 변환하는 인버터, VFD 컨트롤러의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다(그림 1).

그림 1: VFD는 AC 입력을 정류하고 DC를 사용하여 PWM 신호를 생성하여 모터의 속도와 출력 토크를 제어합니다(이미지 출처: Art Pini).

컨트롤러는 리졸버/인코더 피드백 장치, 타코미터, 온도 및 진동 센서 등의 센서를 통해 모터 작동을 모니터링하여 주요 모터 파라미터를 관리합니다.

정류기는 일반적인 다이오드를 사용하며, 후단에 필터가 배치되어 있습니다. 인버터는 전력용 전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용합니다. 이는 VFD 컨트롤러로 관리되는 절연 고전압 게이트 구동기로 구동됩니다.

VFD 작동은 모터를 구동하는 신호가 사인파가 아니라 PWM 펄스라는 점에서 기존의 3상 AC 작동과 구별됩니다(그림 2).

그림 2: VFD의 PWM 펄스는 모터 권선에서 정현파 전류 응답을 생성합니다(이미지 출처: LAPP).

PWM 신호 주파수의 범위는 일반적으로 2kHz ~ 20kHz입니다. 인버터는 모터를 양극 및 음극 DC 버스와 DC 공통 전압에 교대로 연결합니다. DC 버스 전압은 피크 AC 주전원 전압에 가깝습니다. 인가된 VFD PWM 파형은 모터의 속도와 토크를 제어하는 정현파 전류 응답을 생성합니다.

VFD를 모터에 연결하는 데 특수 케이블이 필요한 이유는 PWM 파형의 특성 때문입니다. 직사각형 펄스인 이 파형은 고조파가 풍부한 넓은 주파수 스펙트럼을 가지고 있습니다. VFD 케이블은 이러한 고주파 신호의 방사를 줄이도록 설계되었습니다. 또한 인버터 스위치의 스위칭 손실을 최소화하고 효율성을 극대화하기 위해 펄스 전이는 가능한 한 빠르게 이루어집니다. 이로 인해 높은 전압 변화율(dV/dt)을 갖는 펄스 에지가 형성됩니다. 이러한 특징은 빠른 에지 및 높은 스펙트럼 콘텐츠와 결합되어 높은 수준의 EMI를 발생시킬 수 있습니다. 빠른 에지는 또한 케이블을 따라 임피던스가 변할 때 전송선 반사를 일으킬 수 있습니다. 반사는 케이블에 정재파를 생성하여 케이블 길이를 따라 전압을 증가시키고 VFD 케이블에 더 높은 전압 정격을 요구합니다.

금속 컨덕터 사이의 케이블 정전 용량도 중요한 고려 사항입니다. 인버터 스위치가 케이블을 DC 버스에 연결하면 전류 서지가 발생하여 케이블의 정전 용량이 충전됩니다. 이렇게 하면 순간 전류 레벨이 높아져 케이블이 손상될 수 있습니다. 이 공통 모드 전류는 위상 간에 또는 위상에서 접지로 흐를 수 있습니다. 또한 모터 프레임을 통해 모터의 베어링을 통과하는 접지 리턴을 찾을 수도 있습니다. 베어링을 통과하는 전류는 표면에 피팅을 유발하여 모터 수명이 단축될 수 있습니다. 이러한 문제는 일반적으로 더 높은 전압에서 작동하는 VFD, 더 높은 모터 마력(HP) 정격, 더 긴 작동 길이에서 나타납니다.

모든 전선 및 케이블과 마찬가지로 케이블의 DC 저항을 통해 흐르는 전류로 인해 전력이 손실될 수 있습니다. 또한 PWM 신호의 스펙트럼 대역폭이 더 넓기 때문에 스킨 효과로 인해 케이블의 저항이 증가할 수 있습니다. 이러한 저항 효과는 케이블 길이에 따라 달라집니다.

연결 문제를 직접적으로 해결하는 VFD 케이블

LAPP ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 케이블 제품군(그림 3)은 산업 환경에서의 VFD 서비스, 고정 설치, 경우에 따라 굽힘이 요구되는 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 이 제품은 VFD 서비스에서 발견되는 많은 문제를 해결합니다.

그림 3: VFD 응용 분야와 관련된 주요 설계 특징을 보여주는 일반적인 ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 케이블의 두 가지 뷰가 표시되어 있습니다(이미지 출처: Art Pini, LAPP 자료 기반).

가장 기본적인 특징은 전력 컨덕터의 구조입니다. 케이블 연선 구조는 케이블의 유연성과 전류 용량에 영향을 미칩니다. 이 LAPP VFD 케이블 제품군은 북미 및 유럽 클래스 5 케이블 연선 표준을 충족합니다. 클래스 5 컨덕터는 고유연 케이블을 생성할 수 있도록 매우 얇은 여러 개의 주석 도금 구리선이 배열되어 있습니다. 원형 Mil 면적(CMA)은 동등한 미국 전선 게이지(AWG) 크기를 초과할 수 있습니다. 이로 인해 DC 저항이 낮아지고 케이블의 전압 강하가 줄어들며 전력 손실이 감소합니다. 신호 전선 쌍은 지름이 더 작으며 클래스 K 연선 구조를 따릅니다.

각 케이블에는 인쇄된 위상 레이블을 가진 검은색 절연 전원선 3개, 녹색/노란색 줄무늬 접지선 1개, 2심 차폐 트위스트 페어 신호 케이블 1개가 포함되어 있습니다.

케이블 내부의 전선은 열, 습기 및 화학 물질에 대한 내성을 가진 열경화성 플라스틱인 가교 폴리에틸렌(XLPE)으로 개별적으로 절연되어 있습니다. XLPE는 열기계적 속성이 뛰어나 과전류 조건에서 발생하는 열을 견딜 수 있습니다. 또한 유전율이 낮아 케이블 정전 용량을 줄이고 충전 및 공통 모드 전류를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 유전율이 낮을수록 절연 컨덕터 사이의 간격이 좁아져 케이블의 지름은 줄고 최대 작동 전압은 증가합니다.

케이블의 외부 재킷은 특수 제조된 열가소성 엘라스토머(TPE)로 만들어졌습니다. TPE는 플라스틱과 고무의 특성을 결합한 유연하고 내구적인 재료로, 열, 기름, 화학 물질, 자외선, 오존에 대한 내성이 뛰어나 산업 환경에 적합합니다.

ӦLFLEX VFD 2XL 제품군은 금속 차폐를 통해 방사성 EMI를 최소화합니다. 기본 실드는 100% 커버리지를 제공하는 3중 라미네이트 호일 테이프입니다. 보조 실드는 85% 커버리지의 주석 도금 구리 브레이드로 구성됩니다. 배리어 테이프는 실드 계층 아래의 절연 코어 전선을 보호합니다. 적절하게 접지될 경우 이러한 실드는 케이블 내부로의 외부 간섭 유입을 차단하고 케이블 자체에서의 방사를 줄임으로써 EMI를 보호합니다. 전체 케이블 길이를 따라 차폐 접지 드레인 전선이 배치되어 있어 유연한 접지 옵션을 제공합니다.

더 작은 전선 게이지를 가진 트위스트 신호 페어는 브레이크 제어 또는 온도 센서와 같은 제어 또는 센서 연결에 사용됩니다. 이 신호 페어는 또한 호일 테이프로 차폐되어 있으며 자체적인 드레인 전선을 포함하고 있습니다.

ӦLFLEX VFD 케이블 선택

VFD 모터 시스템의 전반적인 성능은 올바른 VFD 케이블 선택에 따라 크게 달라집니다. ӦLFLEX 2XL VFD with Signal 제품군은 다양한 모터 크기에 맞는 여러 전선 게이지를 제공합니다. 16AWG(1.5mm²) ~ 2AWG(33.7mm²)의 케이블이 포함되어 있으며, 중간 게이지 14AWG, 12AWG, 10AWG, 8AWG, 6AWG 및 4AWG를 제공합니다. 이 케이블은 4심 전력 컨덕터(3개의 위상 라인과 1개의 접지 라인)와 2선 트위스트 페어 신호 케이블을 포함합니다. 모든 케이블은 UL(Underwriters Laboratories) 트레이 케이블 표준에 따라 최대 2,000V_AC rms를 처리할 수 있도록 정격화되었습니다. 적절한 전선 게이지는 최대 부하 전류(FLC)와 관련된 모터 HP와, 케이블의 길이 및 허용 가능한 전압 강하에 따라 달라집니다(그림 4).

그림 4: 특정 모터 HP에 필요한 VFD 케이블 전선 게이지가 표시되어 있습니다(이미지 출처: LAPP).

전선 크기는 AWG 또는 수천 원형 Mil(KCMIL) 단위의 면적으로 표시됩니다. 원형 Mil은 0AWG 이상의 전선 게이지에 사용됩니다.

예를 들어, 16AWG 전력 컨덕터 4심과 18AWG 신호선 2심으로 구성된 VFD 케이블인 LAPP 700710을 생각해 보겠습니다. 이 제품은 ӦLFLEX VFD 2XL 제품군 중 가장 작은 VFD 케이블로 지름이 0.652"(16.6mm)입니다. 이 케이블 지름에 따라 케이블 지름의 7.5배인 4.9"(124mm)의 최소 굽힘 반지름이 결정됩니다. 또한 이러한 케이블은 1,000피트당 약 200파운드(lb)의 무게를 지정합니다. 케이블 트레이와 같은 지지 구조물을 설계할 때 케이블 무게는 중요합니다. 차트에 따르면 이 케이블은 세 가지 라인 전압 모두에 대해 ½HP ~ 2HP 범위의 모터에 사용할 수 있습니다. 또한 460V 및 575V 라인에서 3HP ~ 5HP 모터와 함께 사용할 수 있습니다.

LAPP 700713은 지름 0.798"(20.3mm)의 6심(10AWG 4개, 18AWG 2개) VFD 케이블입니다. 이 케이블은 460V에서 작동하는 15HP ~ 20HP 모터, 575V에서 작동하는 20HP 모터, 230V에서 작동하는 7½HP ~ 10HP 모터에 적합합니다.

이 계열 중 가장 큰 케이블은 6심(2AWG 4개, 14AWG 2개) VFD 케이블인 LAPP 700717입니다. 이 케이블은 1.4"(35.6mm)의 지름과 1,000피트당 1580lb의 무게를 가집니다. 또한, 230V에서 작동하는 50HP 모터, 460V에서 작동하는 100HP 모터 또는 575V에서 작동하는 125HP 모터와 호환됩니다.

결론

VFD 배포가 가속화됨에 따라 설계자는 프로젝트의 성공을 보장하기 위해 적절한 연결 케이블을 신중하게 선택해야 합니다. LAPP ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 케이블 제품군은 다양한 VFD 구동기 및 모터 응용 분야를 지원합니다. 다중 차폐 설계는 잡음이 심한 산업 환경에서도 신뢰할 수 있는 성능을 보장하고, 내구성이 뛰어난 산업용 외부 재킷은 물, 기름, 독한 화학 물질을 견딜 수 있습니다.