가변 속도 드라이브(VSD)용 최적 모터 케이블 선정 가이드

PWM 가변 속도 드라이브용 모터 케이블은 예기치 않은 영향을 미칠 수 있습니다. 이 글에서는 VSD용 모터 케이블을 선택하고 설치할 때 고려해야 할 특별한 사항들을 살펴봅니다.

정격 전류

VSD를 모터와 함께 사용할 때 정상 상태의 부하 모터 전류는 크게 변하지 않습니다. 드라이브의 모터 전류 보호 기능은 UL 등의 인증을 받아 과부하 시 모터와 케이블의 열 보호를 담당합니다. 따라서 모터 케이블의 기본 전류 정격은 모터를 직접 전원에 연결했을 때와 동일합니다.

케이블 크기 선정과 전압 강하 – 케이블 선정 코드

전기 설치자가 사용하는 케이블 선정 코드(케이블 설계 소프트웨어 포함)에는 모터에 대한 특별 조항이 있는 경우가 많습니다. 이는 전력선에 직접 연결해 기동하는 표준 산업용 유도 모터('직접 기동(DOL)')를 기준으로 합니다. 긴 케이블의 경우 연속 정격 전류가 허용하는 것보다 더 큰 케이블이 필요할 수 있는데, 이는 기동 시 케이블의 인덕턴스와 저항으로 인한 전압 강하를 제한하기 위함입니다. 일반적인 산업용 유도 모터는 정격값의 약 5배에 달하는 DOL 기동 전류를 끌어오는데, 이는 정격 속도에 도달하기 전 높은 슬립 때문이며, 기동 중 사용 가능한 토크가 특별히 높지 않습니다(그림 1 참조). 케이블의 과도한 전압 강하로 인해 저속에서 부하 토크가 지속되면 모터가 기동하지 못할 수 있습니다.

그림 1: 유도 모터 직접 기동 시 전류와 토크

가변 속도 드라이브를 사용하면 모터 슬립이 항상 낮고 기동 중 전류가 단기 정격(애플리케이션에 따라 110% 또는 150%)을 초과하지 않습니다. 또한 드라이브를 모터 및 케이블과 튜닝하면 케이블 전압 강하를 보상할 수 있습니다. 기저 속도 이하에서는 드라이브의 능력과 모터에서 작동 자속 밀도를 달성하는 데 필요한 전압 사이에 전압 여유가 있기 때문입니다. 따라서 VSD 사용 시 기동 시 전압 강하를 줄이기 위해 케이블을 오버사이징할 필요가 없습니다. 긴 모터 케이블 배선이 있는 설치 현장에서는 이 사실로 인해 상당한 케이블 비용 절감이 가능합니다. 설치 계획을 위해 케이블 선정 소프트웨어를 사용할 때, 모터 기동 전류에 대한 불필요한 여유를 피하기 위해 VSD가 있는 모터를 단순 저항 부하로 설정해야 합니다.

케이블 유형 – 차폐(실딩)

VSD 출력은 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 모터를 제어하기 위한 가변 전압과 주파수의 전원을 생성합니다. 펄스는 상승/하강 시간이 약 100ns 수준으로 빠른 에지를 가집니다. 이는 모터와 모터 케이블의 전압 주파수 성분이 높은 무선 주파수까지 확장됨을 의미합니다. 일반적으로 10MHz 부근까지 매우 높은 레벨이, 50MHz 부근까지 상당한 레벨이 나타납니다. 전자기 간섭(EMI)을 방지하기 위해 케이블은 차폐되어야 하며, 이를 통해 전자기 에너지 방출이 억제됩니다. 접지된 차폐는 전기장 방출을 방지하고, 차폐를 모터와 인버터 양단에서 최소 자기 인덕턴스 본드로 올바르게 연결하면 자기장 방출을 방지합니다. 둘 다 필요합니다.

잘못 관리된 모터 케이블의 방출은 무선 주파수 통신과 이러한 주파수 대역의 교란에 민감한 센서 및 데이터 회로 등 인근 전자 장비에 영향을 줄 수 있습니다. 드라이브용 EMC 표준인 IEC 61800-3(EN 61800-3)은 모터 케이블 차폐를 요구하며, 그렇지 않으면 드라이브 출력을 매우 비싸고 다루기 힘든 무선 주파수 필터 장치를 통해 연결해야 합니다.

실제 테스트에 따르면 강철이나 구리 차폐 모두 케이블 길이를 따라 양호한 연속 커버리지와 연속성이 있으면 동등하게 효과적입니다. 이는 그림 2와 같이 전력 코어의 공통 모드 전류로 인한 자기장을 상쇄하기 위해 차폐를 따라 무선 주파수 전류가 흐르도록 합니다.

그림 2: 양단 연결된 차폐 케이블에 의한 외부 자기장 상쇄

접지(어싱)

모터 접지 연결은 모터의 접지 결함 발생 시 안전을 보장하기 위한 주된 목적입니다. 접지 연결은 안전 장치(퓨즈 또는 차단기)가 전류를 차단할 때까지 결함 전류를 흘려보내면서 모터 본체의 접촉 전압[1]이 안전 한계 내에 머물도록 해야 합니다.

일반적으로 VSD는 퓨즈나 차단기보다 훨씬 낮은 레벨과 짧은 지속 시간으로 접지 결함 전류를 제한합니다. 그러나 이는 복잡한 반도체 소자와 회로에 의존하므로 고장날 수 있습니다. 안전상의 이유로 접지 루프 임피던스는 VSD가 없는 경우와 동일해야 하며, 최종 보호는 드라이브에 전원을 공급하는 상위 보호 장치가 제공합니다. 접지 도체 치수 선정은 직접 급전되는 모터와 정확히 동일합니다(그림 3 참조).

그림 3: 모터 접지 결함 경로와 접촉 전압

앞서 설명했듯 VSD용 모터 케이블은 차폐되어야 합니다. 이 차폐가 안전 접지 연결도 겸할 수 있는지는 임피던스와 접지 관련 실무 규정에 따라 다릅니다. 특수 계산을 피하기 위해 별도의 구리 접지 도체를 사용하는 것이 일반적입니다.

차폐 모터 케이블 내에 접지 코어를 사용할지(4심 케이블), 외부 접지를 사용할지에 대한 질문이 종종 제기됩니다. 안전 관점에서 두 방법 모두 동등하게 우수합니다. EMC 관점에서도 두 방법 모두 작동할 수 있지만 4심 케이블 사용 시 주의가 필요합니다. 접지 코어는 케이블 내부 전력 코어에서 픽업된 상당한 노이즈 전류를 흐릅니다. 이것이 인버터 배선반의 차폐 단자에서 떨어진 지점으로 연결되면 노이즈 전류가 패널 접지 배선으로 주입되어 신호 회로를 교란할 위험이 있습니다. 그림 4와 같이 인버터 패널의 차폐 단자 바로 근처에 물리적으로 연결해야 합니다.

그림 4: 4심 차폐 모터 케이블의 접지(PE) 코어 올바른 관리

정전용량과 인덕턴스

모터 케이블은 고유의 정전용량과 인덕턴스를 가집니다. 전력 주파수에서는 정전용량 영향이 무시할 만하며, 인덕턴스는 매우 긴 케이블 배선과 높은 DOL 기동 전류가 아닌 한 주로 무시할 만한 작은 전압 강하를 일으킵니다.

인버터의 빠르게 상승하는 PWM 펄스에 대한 영향은 훨씬 더 중요합니다. 모든 펄스 에지에서 케이블 정전용량이 방전되어야 합니다. 이는 모든 에지에서 크지만 짧은 전류 펄스를 발생시킵니다. 이는 고주파 전계 방출을 일으키고, 인버터 전력 반도체의 스위칭 시 부하가 됩니다.

다행히 케이블 인덕턴스는 정전용량과 함께 케이블을 따라 분포되어 있어 충전 전류를 제한하는 효과가 있습니다. 순 효과는 '전신 방정식(Telegrapher's equations)'으로 설명되며, 케이블 파라미터인 특성 임피던스 Z₀와 전파 속도 v로 나타납니다.

각 PWM 펄스 에지에서 케이블을 충전하기 위해 흐르는 전류는 다음과 같습니다:

I = V_DC / Z₀

여기서 V_DC = 인버터의 DC 링크 전압

동축 케이블의 특성 임피던스는 다음과 같습니다:

Z₀ = (60/√ε_r) × ln(D/d)

여기서:

• ε_r = 유전체(절연체)의 상대 유전율
• D = 외측 도체 내경
• d = 내측 도체 외경

3상 차폐 케이블에서는 기하학이 단순한 동축 형태가 아니지만 거동은 유사하며, 임피던스는 유전율과 내외부 도체 상대 직경의 함수입니다. 케이블에 사용되는 기하학과 유전체 재료는 크게 변하지 않으며, 로그 항 때문에 임피던스는 기하학 변화에 그다지 민감하지 않습니다. 표준 차폐 전력 케이블의 측정된 Z₀ 값은 2.5mm² 케이블의 약 45Ω에서 120mm² 케이블의 약 15Ω 사이입니다. 이는 약 20A 이상의 정격 전류를 가진 대형 드라이브의 경우 충전 전류가 미미하지만, 약 10A 미만의 정격에서는 영향이 있어 드라이브가 과도한 전력 손실이나 원치 않는 과전류 트립 없이 충전 전류를 공급하도록 설계되어야 함을 의미합니다.

전류 펄스 지속 시간은 케이블 길이에 의해 결정되며, 펄스가 모터 끝까지 이동했다가 반전 반사파로 돌아오는 시간과 같습니다. 케이블이 길수록 인버터에 미치는 영향이 커집니다.

일부 특수 케이블은 비정상적인 Z₀ 값을 가질 수 있습니다.

전력 코어와 차폐 사이에 절연 재킷이 없는 고도로 유연한 차폐 전력 케이블의 경우 직경 비율이 크게 감소할 수 있습니다. 미네랄 절연 구리 피복 케이블(MICC)도 직경 비율이 낮고 미네랄 절연체의 유전율이 높아 임피던스가 매우 낮습니다.

실효 Z₀가 낮아지는 또 다른 상황은 필요한 전류 정격을 달성하기 위해 단일 대구경 케이블 대신 여러 케이블을 병렬로 연결하는 경우입니다. 이러한 경우 총 케이블 길이가 매우 짧지 않은 한 드라이브와 케이블 사이에 직렬 초크(choke)를 추가하여 케이블 충전 전류를 제한해야 하는 경우가 많습니다. Control Techniques에서는 설치자가 3개의 케이블을 병렬로 사용하면서 각 상마다 3심 케이블 1개씩을 사용한 사례를 가끔 접했습니다. 이 배열은 상용 주파수 전류가 차폐에 역전류를 유도해 차폐 발열을 초래할 수 있으므로 어떤 경우에도 잘못된 관행입니다. VSD와 함께 사용하면 전력 코어와 접지 사이의 과도한 정전용량으로 인해 예외적으로 높은 누설 전류가 발생하여 인근 회로에 고주파 간섭을 일으키고 공통 모드(접지) 전류 과다로 RFI 필터 과부하 위험이 있습니다. 올바른 방법과 잘못된 방법은 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5: 전력 케이블 병렬 연결의 올바른 방법과 잘못된 방법

위에서 임피던스가 적용되는 케이블 모드를 특별히 구분하지 않았습니다. 일반적으로 이 정도 세부 사항까지 고려할 필요는 없지만, 드라이브에 영향을 주는 주요 모드는 다음과 같습니다:

• 단순 비대칭 모드: 한 코어가 다른 모든 코어와 차폐에 상대적인 모드. 드라이브 부하에는 관련이 있지만 접지 전류나 필터 부하에는 관련 없음.
• 공통 모드: 모든 전력 코어가 차폐 및 접지 코어(장착된 경우)에 상대적인 모드. 접지 전류와 필터 부하에 관련됨.

모터 단자 전압 오버슈트와 변화율(dv/dt)

케이블 정전용량과 인덕턴스는 펄스 에지에서 모터 단자 전압 오버슈트를 유발합니다. 전신 방정식 관점에서 이는 임피던스 불일치로 인한 모터 단자에서의 반사로 이해할 수 있습니다. 꽤 짧은 케이블에서도 어느 정도 오버슈트가 발생합니다. 인버터와 빠른 펄스에 익숙하지 않다면 놀랄 수 있습니다. 마이크로초 단위에서는 모터 단자 전압이 인버터 단자 전압과 상당히 다릅니다. 비록 둘이 연결되어 있어도 말이죠.

모터는 전압 상승 시간에 따라 내전압 능력이 달라집니다. 약 0.8마이크로초 미만의 상승 시간에서는 전압이 권선 첫 턴들에 집중되어 턴간 절연에 스트레스를 주기 때문에 내전압이 감소할 수 있습니다. 대부분의 모터는 400V 또는 480V 전원에서 구동되는 인버터 드라이브용으로 특수 조치 없이 설계되어 있습니다. 690V 모터의 경우 조기 절연 파괴 위험을 피하기 위해 인버터 정격 모터를 목적에 맞게 설계된 것을 사용하는 것이 강력히 권장됩니다. 이러한 모터는 IEC TS 60034-25('컨버터 전원용으로 특별히 설계된 교류 모터의 설계 및 성능에 대한 지침')의 지침을 준수하여 지정해야 합니다.

다중 모터

때로는 단일 드라이브로 여러 모터를 운전하는 것이 바람직할 수 있습니다. 예를 들어 건물 주변에 소형 환기 팬이 설치되어 있고 각각 별도 케이블로 단일 드라이브에서 구동되는 경우입니다. 이 상황에서 케이블 정전용량은 총 길이에 의해 결정되지만, 각 구간의 인덕턴스는 드라이브에 대해 병렬로 나타나며 직렬이 아닙니다. n개 케이블의 경우 드라이브가 펄스 에지에서 보는 임피던스는 Z₀/n입니다.

이 경우 직렬 초크를 사용하여 정전용량 충전 펄스를 제한해야 하며, 그렇지 않으면 높은 충전 전류로 인해 드라이브가 조기 과전류 트립이나 리미팅을 겪을 가능성이 높습니다.