가변 속도 드라이브용 모터 케이블

PWM 가변 속도 드라이브용 모터 케이블은 예상치 못한 영향을 줄 수 있습니다. 이 블로그에서는 VSD용 모터 케이블을 선택하고 설치할 때 필요한 몇 가지 특별한 고려 사항을 살펴봅니다.

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정상 상태 부하 모터 전류는 모터와 함께 VSD를 사용하여 눈에 띄게 변경되지 않습니다. 드라이브의 모터 전류 보호 기능은 과부하 시 모터와 케이블의 열 보호를 위해 승인되었습니다(예:UL). 따라서 모터 케이블의 기본 정격 전류는 라인에 직접 연결된 모터와 동일합니다.

케이블 크기 조정 및 전압 강하 – 케이블 크기 조정 코드

케이블 계획 소프트웨어 패키지를 포함하여 전기 설치자가 사용하는 케이블 크기 코드에는 종종 모터에 대한 특별 조항이 있습니다. 이것은 전력선에 직접 연결하여 시작되는 표준 산업용 유도 전동기를 기반으로 합니다("직선 온라인" DOL 시작). 긴 케이블은 시작 중 케이블의 저항과 인덕턴스의 전압 강하를 제한하기 위해 연속 전 부하 전류 정격에 의해 결정되는 것보다 커야 할 수 있습니다. 일반적인 산업용 유도 전동기는 작동 속도에 도달하기 전에 높은 슬립 때문에 최대 정격 값의 약 5배에 달하는 DOL 시작 전류를 소비합니다. 시작하는 동안 사용 가능한 토크는 그림 1과 같이 특별히 높지 않습니다. 저속에서 부하 토크가 유지되면 케이블의 과도한 전압 강하로 인해 모터가 시동되지 않을 수 있습니다.

그림 1:인덕션 모터를 온라인에서 직접 시동하는 동안의 전류 및 토크

가변 속도 드라이브를 사용할 때 모터 슬립은 항상 낮고 시동 중 전류는 단기 정격(예:애플리케이션에 따라 110% 또는 150%)을 초과하지 않습니다. 또한 케이블 전압 강하가 보상되도록 드라이브를 모터 및 케이블로 조정할 수 있습니다. 기본 속도 미만의 속도에서는 드라이브의 기능과 작동 자속 밀도를 달성하는 데 필요한 전압 사이에 사용할 수 있는 전압 헤드룸이 있습니다. 모터. 따라서 VSD를 사용하면 시작 시 전압 강하를 줄이기 위해 케이블을 너무 크게 만들 필요가 없습니다. 모터 케이블이 긴 설치에서 이러한 사실은 케이블 비용을 상당히 절감할 수 있습니다. 설치 계획을 위해 케이블 사이징 소프트웨어를 사용할 때 모터 시동 전류에 대한 불필요한 허용치를 피하기 위해 VSD가 있는 모터를 모터가 아닌 단순 저항 부하로 설정해야 합니다.

케이블 유형 – 차폐(차폐)

VSD 출력은 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 모터를 제어하기 위해 전압과 주파수를 조정할 수 있는 전원을 생성합니다. 펄스는 100ns 정도의 상승/하강 시간으로 빠른 에지를 가지고 있습니다. 이는 모터 및 모터 케이블의 전압 주파수 콘텐츠가 높은 무선 주파수까지 확장된다는 것을 의미합니다. 일반적으로 최대 약 10MHz의 주파수에 대해 매우 높은 수준이 있고 약 50MHz까지 상당한 수준이 있습니다. EMI(전자기 간섭)를 방지하려면 케이블을 차폐하여 전자기 에너지 방출을 억제해야 합니다. 접지된 스크린의 존재는 전기장 방출을 방지하고, 최소한의 자기 인덕턴스의 본드를 사용하여 모터와 인버터 양단의 스크린을 올바르게 연결하면 자기장 방출을 방지합니다. 둘 다 필요합니다.

잘못 관리된 모터 케이블에서 발생할 수 있는 방출은 무선 주파수 통신과 이러한 주파수 범위의 교란에 민감한 센서 및 데이터 회로와 같은 주변 전자 장비에 영향을 줄 수 있습니다. 드라이브 IEC 61800-3(EN 61800-3)에 대한 전자기 호환성(EMC) 표준에 따라 모터 케이블을 차폐해야 합니다. 그렇지 않으면 드라이브 출력을 매우 비싸고 다루기 힘든 무선 주파수 필터 장치를 통해 연결해야 합니다.

실제 테스트에 따르면 강철 또는 구리를 사용하는 케이블 스크린은 케이블 길이에 따라 연속 적용 범위와 연속성이 양호하다면 동등하게 효과적일 수 있습니다. 이렇게 하면 그림 2와 같이 전원 코어의 공통 모드 전류로 인해 발생하는 자기장을 상쇄하기 위해 화면을 따라 흐르는 무선 주파수 전류가 촉진됩니다.

그림 2:양쪽 끝에 스크린이 연결된 차폐 케이블에 의한 외부 자기장 제거

접지(접지)

모터 접지 연결은 주로 모터에 접지 오류가 발생한 경우 안전을 보장하기 위한 것입니다. 접지 연결은 안전 장치(퓨즈 또는 회로 차단기)가 전류를 차단할 때까지 오류 전류를 전달해야 하며 동시에 모터 본체의 터치 전압[1]이 안전한 한계 내에 유지되도록 해야 합니다.

일반적으로 VSD는 접지 오류 전류를 퓨즈 또는 회로 차단기보다 훨씬 낮은 수준과 더 짧은 기간으로 제한합니다. 그러나 이를 달성하기 위해 복잡한 반도체 장치 및 회로에 의존하므로 실패할 수 있습니다. 따라서 안전상의 이유로 접지 연결을 위한 접지 루프 임피던스는 VSD가 없는 경우와 동일해야 합니다. 궁극적인 보호는 드라이브에 전원을 공급하는 업스트림 보호 장치에 의해 제공됩니다. 접지 도체 치수의 선택은 직접 공급 모터의 경우와 정확히 동일합니다. 이것은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3:모터 접지 오류 경로 및 터치 전압

위에서 설명한 바와 같이 VSD용 모터 케이블은 차폐가 필요합니다. 이 스크린이 안전 접지 연결도 제공할 수 있는지 여부는 해당 임피던스와 접지에 사용되는 실행 코드에 따라 다릅니다. 특별한 계산이 필요하지 않도록 별도의 구리 접지 도체를 사용하는 것이 일반적입니다.

차폐된 모터 케이블(예:4코어 케이블) 내에서 접지 코어를 사용할지 아니면 외부 케이블을 사용할지 여부에 대한 질문이 가끔 발생합니다. 안전의 관점에서 두 솔루션 모두 동등하게 좋습니다. EMC의 이유로 두 가지 방법 모두 작동할 수 있지만 4심 케이블에는 주의가 필요합니다. 접지 코어는 케이블 내부의 전원 코어에서 픽업되는 상당히 높은 노이즈 전류를 전달합니다. 케이블 스크린 종단에서 떨어진 인버터 배선 패널의 한 지점으로 가져가면 노이즈 전류가 패널 접지 배선에 주입되어 신호 회로를 방해할 위험이 있습니다. 그림 4와 같이 물리적으로 화면 종단에 매우 가까운 인버터 패널에 연결해야 합니다.

그림 4:4코어 차폐 모터 케이블에서 접지(PE) 코어의 올바른 관리

커패시턴스 및 인덕턴스

모터 케이블은 자체 정전 용량과 인덕턴스를 가지고 있습니다. 전력 주파수에서 커패시턴스는 무시할 수 있는 영향을 미치는 반면 인덕턴스는 매우 긴 케이블 길이와 높은 DOL 시작 전류를 제외하고는 무시할 수 있는 작은 전압 강하를 유발합니다.

인버터에서 빠르게 상승하는 PWM 펄스에 미치는 영향이 훨씬 더 중요합니다. 모든 펄스 에지에서 케이블 커패시턴스는 방전되어야 합니다. 그 결과 모든 에지에서 상당히 크지만 짧은 전류 펄스가 발생합니다. 이는 고주파 전계 방출을 유발할 수 있으며 스위칭 시 인버터 전력 반도체에 부하를 형성하기도 합니다.

다행히 케이블 인덕턴스는 커패시턴스와 함께 케이블을 따라 분포되며 충전 전류를 제한하는 효과가 있습니다. 순 효과는 "전신의 방정식"으로 설명되며 케이블 매개변수 Z₀가 됩니다. , 특성 임피던스 및 v , 전파 속도.

각 PWM 펄스 에지에서 다음과 같이 주어진 케이블을 충전하기 위해 전류가 흐릅니다.

여기서  =인버터의 DC 링크 전압

동축 케이블의 경우 특성 임피던스는 다음과 같이 주어집니다.

어디에:

=유전체(절연체)의 비유전율

= 외부 도체의 내경

=내부 도체의 외경

3상 차폐 케이블에서 형상은 단순한 동축 모양이 아니지만 그 동작은 유사하며 임피던스는 유전율과 내부 및 외부 도체의 상대 직경의 함수입니다. 케이블에 사용되는 지오메트리 및 유전체 재료는 크게 다르지 않으며 대수 용어는 임피던스가 지오메트리 변화에 그다지 민감하지 않다는 것을 의미합니다. 측정값   표준 차폐 전원 케이블의 경우 2.5mm ² 의 경우 약 45옴 범위 120mm ² 의 경우 15옴 케이블 케이블. 즉, 정격 전류가 약 20A 이상인 대형 드라이브의 경우 충전 전류가 미미하지만 정격이 약 10A 미만인 경우 영향을 미치므로 드라이브가 과도한 전력 손실 또는 원치 않는 과충전 없이 충전 전류를 공급하도록 설계되어야 합니다. 현재 트리핑.

전류 펄스의 지속 시간은 케이블의 길이에 의해 결정되며 펄스가 모터 끝으로 이동한 다음 역반사로 되돌아오는 시간과 같습니다. 케이블이 길수록 인버터에 미치는 영향이 커집니다.

일부 특수 케이블은

의 비정상적인 값을 가질 수 있습니다.

매우 유연한 차폐된 전원 케이블에서 발생할 수 있는 전력 코어와 스크린 사이에 절연 재킷이 없으면 직경의 비율을 훨씬 줄일 수 있습니다. MICC(Mineral Insulated Copper clad Cable)도 직경비가 낮고, 미네랄 절연체의 유전율이 높아 임피던스가 매우 낮다.

실효가 낮은 또 다른 상황은 단일 대구경 케이블을 사용하지 않고 필요한 정격 전류를 달성하기 위해 여러 케이블을 병렬로 연결하는 경우입니다. 이러한 경우 총 케이블 길이가 매우 짧지 않은 한 드라이브와 케이블 사이에 직렬 초크를 추가하여 케이블 충전 전류를 제한해야 하는 경우가 많습니다. 제어 기술에서 우리는 설치자가 3개의 케이블을 병렬로 사용하고 각 단계에 대해 3개의 코어가 있는 하나의 케이블을 사용하는 경우를 종종 접했습니다. 위상 코어의 주전원 주파수 전류가 스크린에 역류를 유도하여 스크린이 가열될 수 있기 때문에 이러한 배열은 어떤 경우에도 좋지 않습니다. VSD와 함께 사용하면 전원 코어와 접지 사이의 과도한 커패시턴스로 인해 매우 높은 표류 전류가 발생하여 주변 회로에 고주파 간섭을 일으킬 수 있으며 과도한 공통 모드(접지)를 통해 RFI 필터에 과부하가 걸릴 위험이 있습니다. 현재의. 옳고 그른 방법은 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5:전원 케이블을 병렬로 연결하는 올바른 방법과 잘못된 방법

위에서 나는 임피던스가 적용되는 케이블의 모드를 특별히 구분하지 않았습니다. 일반적으로 이렇게 많은 세부 사항을 고려할 필요는 없지만 드라이브에 영향을 미치는 주요 모드는 다음과 같습니다.

• 단순 비대칭 모드, 다른 모든 코어 및 화면에 상대적인 하나의 코어. 이는 드라이브 부하와 관련이 있지만 접지 전류 또는 필터 부하와는 관련이 없습니다.
• 공통 모드, 차폐 및 장착된 접지 코어에 대한 모든 전원 코어. 이것은 접지 전류 및 필터 로딩과 관련이 있습니다.

모터 전압 오버슈트 및 변화율(dv/dt)

케이블 커패시턴스와 인덕턴스는 펄스 에지의 모터 단자에서 전압 오버슈트를 유발합니다. Telegrapher 방정식의 관점에서 이는 임피던스 불일치로 인한 모터 단자에서의 반사로 이해할 수 있습니다. 매우 짧은 케이블이라도 약간의 오버슈트가 발생합니다. 인버터와 빠르게 변화하는 펄스에 익숙하지 않은 경우 놀랄 수 있습니다. 마이크로초 단위로 모터의 전압은 함께 연결되어 있어도 인버터의 전압과 상당히 다릅니다.

모터에는 전압 상승 시간에 따라 달라지는 내전압 기능이 있습니다. 약 0.8마이크로초 미만의 상승 시간의 경우 전압이 권선의 첫 번째 턴에 집중되는 경향이 있고 턴 간 절연에 스트레스를 주기 때문에 내전압이 감소할 수 있습니다. 대부분의 모터는 특별한 조치 없이 400V 또는 480V 전원에서 작동하는 인버터 드라이브와 함께 사용하도록 설계되었습니다. 690V 모터의 경우 조기 절연 실패의 위험을 피하기 위해 특별히 설계된 인버터 정격 모터를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 모터는 IEC 문서 TS 60034-25("컨버터 공급을 위해 특별히 설계된 교류 모터의 설계 및 성능에 대한 지침")에 제공된 지침에 따라 지정해야 합니다.

다중 모터

때때로 단일 드라이브에서 여러 모터를 작동하는 것이 바람직합니다. 예를 들어, 소형 환기 팬을 건물 주변에 설치하고 각각 고유한 케이블이 있는 단일 드라이브에서 구동할 수 있습니다. 이 상황에서 케이블의 커패시턴스는 전체 길이에 의해 결정되지만 섹션의 인덕턴스는 직렬이 아닌 드라이브에 병렬로 나타납니다. n의 경우 드라이브가 펄스 에지에서 본 임피던스는 

이 경우 직렬 초크를 사용하여 커패시턴스 충전 펄스를 제한해야 합니다. 그렇지 않으면 드라이브가 높은 충전 전류로 인한 조기 과전류 트립 또는 제한을 겪을 수 있습니다.