신뢰성과 안전을 개선하고 탄소 배출을 줄이도록 VFD 케이블 지정 및 사용

가변 주파수 구동기(VFD) 및 모터는 컨베이어, 펌프, 혼합기, 엘리베이터, 냉난방/환기장치(HVAC) 시스템 및 유사한 응용 분야를 비롯한 다양한 시스템에서 탄소 배출을 줄이고 효율성과 신뢰성을 높이고 안전을 강화할 수 있습니다. VFD를 모터에 연결하는 케이블은 시스템의 중요한 링크입니다. 케이블을 올바르게 설치하지 않으면 작업자의 안전이 훼손되고 모터의 신뢰성과 작동 수명이 감소될 수 있습니다.

일반적인 VFD 시스템은 공급 전압의 2배 ~ 3배에 달하는 고전압 스파이크와 높은 수준의 복사 및 전도성 전자기 잡음을 포함하는 열악한 환경에서 작동하며 케이블이 고온에 노출될 수도 있습니다. 따라서 케이블은 높은 수준의 유연성을 유지하고 UL, CSA, NFPA, NEC의 다양한 기술 요구 사항을 충족하면서 오일, 물 및 자외선(UV) 방사에 견딜 수 있어야 합니다.

까다로운 작동 환경과 VFD 설치에 대한 기술적 요구로 인해 케이블 사양이 복잡해지고 있습니다. 이 기사에서는 VFD 및 모터의 작동, 케이블 절연에 대한 요구, 전자파 적합성(EMC)에 대한 필요성을 간략히 검토합니다. 그런 다음 UL 1277 TC ER, WTTC 및 TC 케이블과 같은 사양을 비교하고 NEC 및 NFPA 요구 사항을 살펴봅니다. 또한 케이블 구조 고려 사항을 설명한 다음 Belden, Helukabel, Igus, LAPP 및 SAB North America의 케이블을 간략한 예시로 살펴봅니다.

환경 과제

VFD 모터 및 구동기와 이를 연결하는 케이블은 열악한 전기 환경에서 작동합니다. VFD 케이블은 고전압에서 높은 구동 전력을 효과적으로 전달하고 고전압 스파이크와 높은 잡음 수준을 처리해야 합니다. VFD 케이블 절연에는 반사파, 코로나 개시 전압과 같은 까다로운 조건이 적용됩니다(그림 1).

• 반사파: 반사파는 VFD의 모터와 케이블 사이의 임피던스 불일치로 인해 발생할 수 있고 전압파가 구동 장치에 반사될 수 있습니다. 고성능 절연을 사용하지 않을 경우 반사파로 인해 절연이 훼손되어 케이블이 과열될 수 있습니다.
• 코로나 개시 전압/코로나 방전: VFD 시스템의 펄스 폭 변조(PWM) 전압이 0에서 피크 전압으로 빠르게 발진됩니다. 적절한 절연을 사용하지 않을 경우 케이블의 코로나 개시 전압을 초과하여 발생하는 고전압 스파이크로 인해 컨덕터 주변 공기가 이온화됩니다. 그러면 코로나 방전이 발생하여 절연체가 녹아서 모터, 모터 베어링 및 구동 장치가 손상될 수 있습니다.

그림 1: VFD 케이블 절연에서는 반사파와 코로나 개시 전압을 처리해야 합니다. (이미지 출처: SAB North America)

차폐 및 접지

VFD는 전압 스파이크에 견디는 동시에 높은 수준의 EMC를 처리해야 합니다. 중요한 EMC 고려 사항은 다음과 같습니다.

• 공통 모드 전류는 합계가 0이 되지 않아 전압 불균형을 생성하는 VFD의 3상 전압에서 발생합니다. 비제로 전압 레벨이 변경되면 접지 컨덕터를 통해 비례하는 케이블 충전 전류가 반환됩니다. 과도한 공통 모드 전류가 발생하면 적절한 시스템 성능을 방해하는 접지 루프가 생성됩니다.
• 전자파(EMI) 및 무선 주파수 간섭(RFI)을 유도하고 주변 부품 및 시스템에 영향을 줄 수 있는 가변 구동 주파수로부터 전송된 전기 잡음이 발생합니다.

효과적으로 접지된 구동 장치, 케이블 및 모터 시스템은 강력한 EMC 성능을 보장하는 페러데이 케이지를 생성합니다(그림 2).

그림 2: VFD 케이블은 적절한 접지 연결을 통해 공통 모드 전류 및 전기 잡음을 완화할 수 있습니다. (이미지 출처: SAB North America)

글랜드 및 도관 비교

VFD 케이블은 도관에서 연결하기 위해 지름이 작고 연속적으로 용접되는 아머형 케이블 구조로 제공됩니다. 이 솔루션은 복잡하고 설치 비용이 비싸며, 잠재적인 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다. 도관이 필요 없는 트레이 케이블(TC)을 사용할 수 있습니다. 도관을 사용할 수 있는 경우 도관을 사용하여 구동 장치와 모터 사이에 페러데이 케이지를 만들 수 있습니다. 다양한 등급의 TC를 사용하는 경우 EMC 케이블 글랜드를 추가하여 페러데이 케이지를 완성할 수 있습니다. EMC 케이블 글랜드는 최대 1.5m 깊이의 담수에서 최대 30분 동안 방수되고 먼지로부터 보호되는 침투 보호(IP) 등급 68을 제공하므로 까다로운 산업 환경과 실외 환경에서 사용하는 데 적합합니다(그림 3).

그림 3: 케이블 글랜드를 구동 전자 장치와 모터를 연결하는 데 사용하여 페러데이 케이지를 생성하고 EMI를 제어할 수 있습니다. (이미지: SAB North America)

케이블 등급

TC는 설치를 간소화하고 비용을 줄일 수 있습니다. 전압 정격, 유연성, 파쇄/충격 테스트 등 적용 분야의 다양한 기준에 따라 분류됩니다. 두 가지 기본 UL 표준이 있습니다. 두 표준 모두 18 AWG 이상 케이블에 적용됩니다. 두 표준은 다음과 같습니다.

UL 1277(전기 전력 및 제어 트레이 케이블)은 여러 유형의 600V 정격 TC를 규정합니다.

• 기본 TC 케이블이 가장 일반적인 유형이며 난연성 속성이 필요한 VFD 케이블로 사용됩니다.
• TC-ER(노출형) 트레이 케이블은 표준 TC 케이블보다 더 엄격한 충돌 및 충격 요구 사항을 통과해야 합니다. 평균 1.8m(6피트) 거리의 케이블 트레이 사이에서 자유롭게 연결할 수 있습니다.
• THHN/PVC는 열가소성 플라스틱 재킷이 있는 저비용 TC 구조이며, 직접 매립 및 도관 연결에 적합합니다.

UL 2277(유연한 모터 공급 케이블 및 풍력 발전용 터빈 트레이 케이블)은 두 가지 유형의 1,000V 정격 TC를 규정합니다.

• 유연한 모터 공급 케이블(FMSC)은 기본적으로 VFD 모터 전력 케이블로 설계되었습니다.
• 풍력 발전용 터빈 트레이 케이블(WTTC)은 바람이 많이 부는 응용 분야에서 오일, 마모, 극한 온도, 물, 지속적인 움직임 등 극한적이고 열악한 조건에 견딜 수 있습니다.

NEC 및 NFPA

미국에서는 현지 건축 규정에 따라 주로 NEC 79/NFPA 79 2018 Edition 규정 준수가 요구되지만 늘 그런 것은 아닙니다. 이 표준에서는 다음과 같이 정의되는 RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW 또는 XHHW-W로 VFD 케이블을 표시해야 합니다.

• RHW, RHH 및 RHW-2는 고열 고무 절연을 사용합니다.
  • RHW는 정격 온도가 75°C 이상인 방수 케이블을 나타냅니다.
  • RHH는 정격 온도가 75°C 이상인 방수되지 않는 케이블을 나타냅니다.
  • RHW-2는 정격 온도가 90°C 이상인 방수 케이블을 나타냅니다.
• XHH, XHHW 및 XHHW-W는 XLPE(교차 연결 폴리에틸렌) 절연을 사용합니다.
  • XHH는 습기가 있는 장소에서 사용하기 위한 것이며 정격 온도가 75°C 이상입니다.
  • XHHW는 젖은 장소에서 사용하기 위한 것이며 정격 온도가 75°C 이상입니다.
  • XHHW2는 젖은 장소에서 사용하기 위한 것이며 정격 온도가 90°C 이상입니다.

XLPE 절연은 고무 절연보다 더 가볍고 유연하여 특히 낮은 온도에서 XLPE 케이블을 쉽게 설치할 수 있게 해줍니다. 또한 XLPE는 고무 절연에 비해 누설 전류가 감소됩니다.

케이블 구조

VFD TC를 구현하는 다양한 방법이 있습니다. Igus의 부품 번호 CF31-25-04는 많은 공통된 요소를 보여주는 좋은 예입니다. 목록의 번호는 그림 4와 일치합니다.

1. 압출식 내유성 PVC를 사용하여 제작된 외부 재킷과 저점착 내유성 PVC를 사용하여 제작된 외부 재킷 혼합
2. 주석 도금 전선으로 구성된 굽힘에 매우 강한 브레이드를 사용하여 제작된 외부 차폐
3. 압출식 거싯 충전 PVC로 된 내부 재킷
4. CFRIP는 케이블을 빠르게 벗길 수 있도록 내부 재킷에 성형된 Igus 특정 따개 스트립입니다.
5. 교차 연결된 폴리에틸렌 플라스틱(XLPE)의 코어 절연에는 플라스틱 내부에 3D 접합이 있으며, XLPE는 기계적 강도가 높고 정전 용량이 작습니다.
6. DIN EN 60228 요구 사항을 기반으로 코어(10mm² 미만 및 10mm² 이상)에 따라 다양한 컨덕터가 있습니다.
7. 중앙 스트레인 완화 장치, 인장 응력 저항 자재

그림 4: 전류가 흐르는 컨덕터와 차폐 및 스트레인 완화 장치 요소를 보여주는 VFD 케이블의 예 (이미지 출처: Igus)

기타 선택 사항

LAPP의 ÖLFLEX VFD 1XL은 작은 케이블 지름이 필요한 설계를 위한 강력한 내유성 및 내UV성 차폐형 VFD 구동 케이블 제품군입니다. 이 케이블은 XLPE 절연 지름이 비정상적으로 작아서 표준 케이블은 너무 커서 설치하기 어려운 혼잡한 설치에 적합합니다. 또한 얇은 지름으로 인해 유연하고 빠르게 설치할 수 있습니다. 이 TC-ER 정격 케이블은 도관을 사용하지 않고 설치할 수 있지만 작은 지름과 유연성으로 인해 필요한 경우 도관을 간편하게 사용할 수 있습니다. 이 케이블은 XHHW2 성능 요구 사항을 충족합니다. 예를 들어 LAPP는 네 개의 컨덕터(접지 포함)와 드레인이 있는 다양한 모델을 제공합니다. 예를 들어 701703 모델은 10 AWG(5.3mm²) 컨덕터를 포함하고 701717 모델은 2AWG(33.7mm²) 컨덕터를 포함합니다.

Helukabel은 TC-ER 및 WTTC 등급의 다양한 케이블과 2AWG ~ 18AWG 컨덕터(예: 4컨덕터 12AWG TC 모델 63141)를 제공합니다. 알루미늄 호일(100% 범위)과 주석 도금 브레이드(약 85% 범위)를 결합하는 이중 차폐를 지원합니다. XLPE 절연을 사용하고 오일, 냉각수, 용제, 세제/소독제에 내성이 있는 PVC 재킷을 포함합니다. 이 케이블은 케이블 트레이 내부와 케이블 트레이에서 기계까지 개방된 비보호 설치에 적합한 등급입니다. 또한 도관 또는 직접 매립 설치에 적합합니다.

고도 굴곡 케이블

Belden은 다양한 절연 및 차폐 소재를 사용하여 다양한 컨덕터 및 접지 구성을 가진 여러 TC 제품군을 제공합니다(그림 5). 매우 유연한 TC가 필요한 설치를 위해 다양한 유연성 범위와 최대 1,000만 플렉스 주기를 가진 HighFlex VFD 케이블을 제공합니다. 이 TC는 촘촘한 가닥의 주석 도금 컨덕터, 2,000개 이상의 개별 가닥 및 유연한 TPE 재킷을 제공하여 유연하므로 설치하는 동안 취급이 용이합니다. 예를 들어 부품 번호 29501F 0101000은 TC-ER 및 WTTC 등급으로 지속적인 움직임과 기계상 응용 제품에 맞게 설계되었으며 최대 90°C 이상의 젖은 장소에서 사용하기 위한 XHHW2 요구 사항을 충족합니다. HighFlex VFD 케이블의 대상 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 공정 장비 작동
• 펌프 구동
• 팬 구동
• 소재 컨베이어 작동
• 로봇 암 움직임

그림 5: VFD 케이블에 사용되는 많은 컨덕터 및 접지 구성과 절연 및 차폐 소재 중 몇 가지입니다. (이미지 출처: Belden)

SAB의 VFD 케이블은 최적의 EMC 성능을 제공하도록 설계되었습니다. 연속 굴곡에 적합한 설계도 제공됩니다. 이 케이블은 TC-ER 및 WTTC 요구 사항을 충족하며, 향상된 정전 용량을 위해 두 가지 옵션(작은 지름용 및 긴 거리용)의 XLPE 절연을 사용합니다. VFD 모터 제조업체마다 콤보 VFD TC에 대한 차동 회로 크기 요구 사항이 다르며 드레인 전선을 포함하거나 포함하지 않는 케이블이 필요할 수 있습니다. SAB의 VFD 케이블에는 브레이크 또는 온도 감지를 위한 콤보 쌍이 있는 전원, 18AWG, 16AWG, 14AWG 및 12AWG를 포함하는 여러 페어 크기 옵션과 같은 대부분의 응용 분야 요구 사항을 충족하는 케이블이 포함되어 있습니다. 이 케이블은 호일을 주석 도금 브레이드와 결합하는 이중 차폐를 사용하며, 접지 비대칭 설계는 선택 사항입니다. 이 케이블은 굴곡 반경이 케이블 지름의 12배이며, 최대 90°C의 젖은 장소에 적합한 XHHW2 정격입니다. 4컨덕터 12AWG 케이블인 35661204 모델은 이 케이블의 좋은 예입니다.

결론

VFD 케이블은 열악한 전기 환경에서 사용되므로 고온에 견뎌야 하며, 물, 오일 및/또는 다양한 화학 물질에 노출됩니다. 이 케이블을 지정하는 공정은 복잡하며, 반사파 및 코로나 개시 전압에 견디는 능력, 차폐, EMC 보호를 위한 케이블 글랜드, UL, NEC 및 NFPA 요구 사항 등 다양한 절연 속성을 고려해야 합니다. 올바르게 지정되고 설치된 VFD 케이블은 설치를 간소화하고, 설치 비용을 절감하며, 모터 작동을 개선하고, 탄소 배출을 줄이며, 작업자의 안전을 향상시킵니다.