특수 VFD 케이블로 경공업용 모터 보호

가변 주파수 구동기(VFD)는 뛰어난 효율성 및 정밀 제어로 인해 경공업용 응용 분야에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 많은 콤팩트형 VFD는 잡음이 많은 출력을 생성하므로 모터 전원 케이블 선택 시 큰 영향을 미칩니다. 잘못된 케이블을 선택하면 진단이 어려운 가동 중단, 조기의 모터 고장 및 안전 문제 위험 등 복잡한 문제을 일으킬 수 있습니다.

이러한 문제 중 대부분은 VFD의 기반이 되는 빠른 스위칭 기술과 관련이 있습니다. 고주파 스위칭은 모터, 인접 시스템 및 케이블 자체에 손상을 미칠 수 있는 상당한 전압 스파이크, 전자기 간섭(EMI), 부유 전류를 발생시킵니다.

이 기사에서는 VFD 사용 시 설계자가 직면하는 케이블링 문제에 대해 논의합니다. 이어서 Belden VFD 케이블을 소개하고, 이러한 문제를 해결하기 위해 해당 케이블을 사용하는 방법을 설명합니다.

경공업 모터용 VFD의 과제

VFD는 팬, 펌프, 컨베이어, 압출기, 혼합기, 프레스, 밀링 장비와 같은 경공업 응용 분야에서 어려운 설계 절충 문제를 안겨 줍니다. 이러한 응용 분야에서는 모터가 수십 또는 수백 개 배치되는 경우가 많으며, 이러한 설치 규모로 인해 최저 비용 솔루션을 사용해야 한다는 압박이 커집니다.

결과적으로, 이러한 응용 분야에서는 실리콘(Si) 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)를 기반으로 하는 엔트리급 범용 콤팩트형 VFD가 주로 사용됩니다. 이러한 구동기의 일반적인 특성에는 다음이 포함됩니다.

• 1HP ~ 30HP(0.74kW ~ 22kW) 범위의 정수 마력(HP)
• 200V ~ 575V의 3상 저전압 출력 범위
• 2kHz ~ 16kHz 범위의 스위칭 주파수

중간 수준의 전력 레벨 및 비용 절감에 대한 압력을 고려하여, 이러한 구동기에 시설 내 다른 곳에 사용되는 케이블을 그대로 사용하려고 할 수 있습니다. 응용 분야에 따라 여기에는 TECK90 강화 케이블, 연속 주름 용접(CCW) 케이블 또는 표준 건축 전선(예: 열가소성 내열 나일론 코팅)이 포함될 수도 있습니다. 그러나, 이러한 옵션은 VFD의 고유한 특성을 적절하게 처리할 수 없습니다.

VFD에 특수 케이블이 필요한 이유

엔트리급 VFD는 출력이 두 단계 사이를 신속하게 토글하는 2레벨 펄스 폭 변조(PWM)를 사용합니다(그림 1). 이러한 구동기의 구형파 출력은 가파른 전압 상승 시간(dV/dt)을 가져, 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.

그림 1: 엔트리급 VFD 그래프는 사인파를 근사화하기 위해 2레벨 PWM 출력을 사용합니다(이미지 출처: Wikipedia).

먼저, VFD에서 생성된 구형파는 모터 전 케이블에 고주파 고조파 잡음을 유입시킵니다. 이러한 파형은 케이블 종단부에서와 같이 임피던스 불일치가 발생할 경우 반사될 수 있습니다. 이러한 파형의 보강 간섭으로 인해 공칭 전압의 2배 또는 3배의 전압 스파이크가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 460V 모터를 구동하는 VFD의 경우 1kV보다 훨씬 높은 스파이크를 쉽게 확인할 수 있습니다.

이러한 높은 전압은 코로나 개시 전압(CIV)을 초과하여, 표준 케이블 절연 재료(예: 폴리연화비닐(PVC))를 손상시킬 수 있는 코로나 방전을 생성할 수 있습니다. 이는 장비 고장 및 감전 위험으로 이어질 수 있습니다.

두 번째로, 급속한 전압 변화는 과도한 EMI를 일으켜, 추적하기 어려운 작동 오류를 발생시킬 수 있습니다. 예를 들어, 이 잡음은 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러(PLC) 및 인접한 다른 제어 시스템의 작동에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 모터 전원 케이블을 다른 케이블에 가까이 배치해야 할 경우 특히 문제가 될 수 있습니다. 장해 발생 시 네트워크 및 센서 신호에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

세 번째로, 신속한 스위칭은 3상 전압의 불균형을 일으켜, 위상 전선 외부의 귀환 경로를 필요로 하는 부유(Stray) 전압이 생성됩니다. 적절하게 방지하지 않을 경우, 생성된 공통 모드 전류(CMC)가 모터 베어링을 통해 방전되는 경우가 많으며, 미세한 용융과 피팅(Pitting)을 일으켜 모터 수명을 크게 단축시킬 수 있습니다.

경우에 따라, CMC는 VFD 인클로저 또는 다른 구조체를 통해 반환될 수 있습니다. 이로 인해 전기적 잡음이 주변 영역으로 방사되어 감전 위험이 발생할 수 있습니다. 예를 들면, TECK90 또는 CCW 케이블을 사용할 경우 발생할 수 있는 위험입니다.

마지막으로 전원 케이블은 고주파 잡음에 대한 고 정전용량 리액턴스를 나타낼 수 있습니다. 결과적으로 VFD는 정전용량 충전 전류에 취약할 수 있으며 상당한 에너지 손실로 이어질 수 있습니다. 이는 케이블의 정전 용량 임피던스가 전체 시스템 부하의 상당한 부분을 차지할 수 있는 긴 케이블 길이와 작은 모터의 경우 특히 문제가 됩니다.

고주파 전압 문제는 VFD에 출력 필터를 추가하거나, 보다 매끄러운 출력 파형을 제공하는 다중 레벨 VFD를 사용해 완화할 수 있습니다. 그러나, 어느 접근 방식으로도 위험을 완전하게 제거할 수는 없으며, 두 옵션 모두 비용에 민감한 응용 분야에는 채택하기 어려울 수 있습니다.

특수 VFD 케이블의 이점

Belden Basics 2kV VFD 케이블(그림 2)은 PWM 기반 VFD와 연관된 위험을 처리하도록 설계되었습니다. 이 케이블의 핵심적인 설계 특징은 2kV 정격의 가교 폴리에틸렌(XLPE) 절연입니다. CIV를 초과하는 전압에 노출된 경우에도 XLPE는 보다 밀집된 분자 구조로 인해 코로나 방전에 대한 높은 내성을 유지합니다. 이는 전압 스파이크에 대한 충분한 회복성을 제공하며 대부분의 콤팩트형 VFD를 수용합니다.

그림 2: Belden Basics 2kV VFD 케이블은 구리 테이프 실드, 대칭 접지, 견고한 절연 및 재킷을 제공합니다(이미지 출처: Belden).

XLPE는 또한 PVC보다 낮은 유전체 상수를 제공하여, 케이블 정전용량 및 연결된 충전 전류를 감소시킵니다.

표준 전기 케이블은 일반적으로 중간 크기의 단일 접지 컨덕터를 사용합니다. 이에 반해, Basics 2kV VFD 케이블은 위상 컨덕터 사이에 대칭으로 배치된 3개의 대형 접지를 특징으로 합니다. 이러한 기하학적 구조는 CMC가 낮은 임피던스의 균형 잡힌 회귀 경로를 갖도록 합니다.

또한, Belden 케이블은 이중 레이어의 나선형 구리 테이프 실드를 사용합니다. 이는 방사 및 전도 EMI에 대한 연속적인 저 임피던스 장벽을 제공합니다. 접지 컨덕터는 노출 상태이며 실드에 직접 접촉되므로 원치 않는 모든 전류에 대해 저 임피던스 귀환 경로를 공유합니다.

Basics 2kV VFD 케이블은 또한 경공업 설치에 일반적인, 까다로운 환경을 견딜 수 있도록 설계된 기계적 특징을 제공합니다. 내유성 PVC 외피는 윤활유 및 산업용 유체에 노출되는 경우에도 우수한 내성을 제공합니다. 이 케이블은 직접 매설에 적합하며 TC-ER 인증을 갖추고 있으므로, 노출 구간에 대해서도 도관 없이 설치할 수 있습니다. FT4/IEEE 1202 난연 성능은 엄격한 화재 규정을 갖춘 시설에서 추가적인 안전 여유를 제공합니다.

모터 전력을 기준으로 VFD 케이블을 선택하는 방법

무엇보다도 케이블은 전류 용량을 기반으로 선택해야 합니다. 이 용량은 주로 케이블 게이지에 따라 결정되지만, 응용 분야에 따라 감쇠 요인도 고려해야 합니다. Belden은 NEC 표 430.250에 게시된 3상 AC 모터의 일반적인 최대 부하 전류(FLC) 정격에 NEC 430.22(A)조에 따라 125%를 곱해 선택 안내서(그림 3)를 작성했습니다.

그림 3: Belden Basics 2kV VFD 케이블 선택 차트는 모터 전압 및 전력을 기준으로 사용해야 할 케이블을 나타냅니다. 별표는 케이블 길이가 길어질 경우 크기 조정이 필요할 수 있음을 나타냅니다(이미지 출처: Belden, Kenton Williston에 의해 수정됨).

예를 들어, 230V에서 작동하는 10HP 모터의 경우 29723C 0102500을 선택하는 것이 좋습니다. 이 케이블은 10AWG 컨덕터와 14AWG 접지를 사용합니다.

460V에서 작동하는 10HP 모터의 경우, Belden는 14AWG 컨덕터와 18AWG 접지를 사용하는, 더 가벼운 29721C 0102500을 권장합니다. 이는 2게이지 강압 케이블로, 더 높은 전압에서 더 낮은 전류 소비를 반영합니다.

전류용량이 유일한 설계 고려 사항이 아님에 유의하십시오. 또 다른 주요 고려 사항은 케이블 길이입니다. 케이블 길이가 50피트(ft) 보다 긴 경우 전압 강하로 인해 더 큰 게이지가 필요할 수 있습니다. 위의 10HP/460V 모터 예시로 다시 돌아가, Belden은 케이블 길이가 더 긴 경우 29722C 0102500(12AWG 컨덕터, 16AWG 접지 컨덕터)으로 크기를 조정할 것을 권장합니다.

길이 맞춤형 VFD 케이블의 이점

성능과 비용을 최적화려면 필요한 정밀 길이로 케이블을 절단할 수 있어야 합니다. 케이블을 스풀로 주문하고 현장에서 필요한 길이에 따라 절단해 사용하는 방법이 있습니다. 그러나 이 접근 방식의 경우 종종 낭비를 초래할 수 있고, 현장에서의 절단이 적절하게 수행되지 않을 수도 있습니다. 마찬가지로, 표준 길이로 케이블을 주문한 후 절단해 사용하는 방식도 비용 측면에서 비효율적일 수 있습니다.

이러한 제약 조건을 해결하기 위해 Digi-Spool 맞춤형 케이블 길이 프로그램은 최소 길이 없이 피트 단위로 주문할 수 있으며, 추가적인 절단 비용이 없고, 스플라이스 없이 정밀한 절단을 제공합니다. 이 프로그램은 UL 인증을 획득했으며, 이 기사에서 살펴본 모든 Belden 케이블은 맞춤형 길이로 주문 가능합니다.

VFD 케이블의 종단 방법

적절한 케이블을 선택하는 것만큼 적절한 종단도 중요합니다. 표준 방법은 실드(경우에 따라 접지 컨덕터)를 VFD 인클로저에 전기적으로 접속하는 것입니다. 그러나 이 접근 방식은 구동기, PLC 및 다른 민감한 장비 근처에 잡음 전류를 발생시킬 수 있습니다.

Belden에서 권장하는 해결책은 절연형(패스스루) 글랜드를 사용하여, 해당 지점에서 실드 또는 접지를 종단하지 않고도 케이블이 인클로저에 삽입될 수 있도록 하는 것입니다(그림 4). 이를 통해 실드 및 접지를 VFD 및 모터의 보호 접지(PE)에 종단함으로써 견고한 절연을 제공할 수 있습니다.

그림 4: VFD 케이블 및 접지는 구동기 및 모터의 PE에 연결되어야 합니다(이미지 출처 Belden).

Belden은 이러한 목적으로 설계된 BTC 케이블 글랜드 라인을 제공합니다(예: BTC075A0791RA)(그림 5). 이 라인의 패스스루 설계는 실드 및 접지 컨덕터를 인클로저 진입 지점에서 절연 상태로 유지하며, 이 기사에서 다룬 모든 케이블과 호환이 가능합니다. 이 글랜드는 표준 산업용 인클로저에 적합한 3/4인치(in) NPT(National Pipe Tapered) 피팅을 사용합니다.

그림 5: BTC075A0791RA 케이블 글랜드는 VFD 케이블용 패스스루를 위해 특별히 설계되었습니다(이미지 출처: Belden).

결론

VFD는 뛰어난 효율성과 제어 성능을 제공하지만, 빠른 스위칭 출력으로 인해 신중한 케이블 선택이 필요합니다. Belden Basics 2kV VFD 케이블은 콤팩트형 VFD에 최적화된 특징으로 이러한 문제를 해결합니다. DigiKey의 Digi-Spool 맞춤형 케이블 길이 프로그램을 사용할 경우 이 케이블은 다양한 경공업 응용 분야를 위한 실용적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.