인버터의스위칭서지전압측정 論 文 53P-1-3 A Measurement of Switching Surge Voltage Using Inverter devices 金宗謙 * 鄭鍾浩 ** *** 李殷雄 (Jong-Gyeum Kim Jong-Ho Jeong Eun-Woong Lee) Abstract - Most adjustable-speed drives (ASDs) designed to operate low voltage induction motors incorporate voltage-source inverters (VSIs), which create motor voltages at high switching frequencies. The motor leads used to connect an ASD to a motor can behave like transmission lines for voltage pulses, which can be reflected at the motor terminals. The resulting oscillatory transient, known as the long-lead effect, can stress and consequently degrade the stator insulation system of a motor. This paper describes the results of tests to 1) determine the correlation between peak motor voltage and the length of motor leads and 2) determine the correlation between peak motor voltage and the switching frequency of the ASD Insulation failures like this usually are caused by voltage surges. Voltage surges are often the result of switching power circuits, lightning strikes, capacitor discharges and solid-state power devices. Key Words : Overvoltage, PWM, Inverter, Ringing, Switching Surge, ASD * 1. 서론 전력전자스위칭소자의개발은높은주파수의스위칭동작을가능하게하였고, PWM 인버터의동작개선으로자체손실저감은물론유도전동기의원활한속도제어로에너지를효율적으로사용할수있게되었다. 인버터에사용되는소자는 BJT, GTO나 MOSFET외수십 [ khz ] 의스위칭주파수를가진 IGBT와같은소자의도입이보편화되었으며수백 [ kw ] 까지사용가능한소자도개발되고있다. 중소형유도전동기의가변속제어장치는 IGBT를채용한 PWM 전압형인버터를주로채용하고있다. 빠른스위칭동작의소자를채용한인버터의출력측에서발생한급준도의펄스파형이전동기단자에그대로전달될경우급준도의스위칭서지전압스트레스에의한권선절연고장이발생할수있다 [1-6]. 높은스위칭속도와제로스위칭동작기법은 PWM 인버터의특성을향상시키지만, 0.1[ μs ] 이하의높은전압상승비율 ( dv/dt) 은케이블길이가긴가변속전동기제어설비에서왜형된전압파형을발생시켜전동기절연손상과베어링에부작용을일으키는등시스템에나쁜결과를낳을수있다. 인버터스위칭동작에의한전동기단자에나타나는피크 正會員 : 國立原州大學電氣科副敎授工博 ** 正會員 : 忠南大工大電氣工學科博士科程修了 *** 正會員 : 忠南大工大電氣工學科敎授 工博 接受日字 : 2003 年 12 月 15 日 最終完了 : 2004 年 2 月 26 日 과전압은케이블길이의증가나파형의준도가클경우직류버스전압의거의 2배가나타날수있지만, 대부분의엔지니어는전동기권선에미치는스위칭과전압의실제위험성에대해크게인식하지못하고있다. 전동기의권선절연에영향을주요한요소는전압의크기뿐만아니라인버터스위칭동작에의한반복성의급준파전압성분이다. 이급준파전압의크기는사용하는인버터의스위칭소자의종류와운전및설치조건에따라부하측단자에다르게나타날수있기때문에정확한해석과측정을통해영향을최소화하여권선의절연수명을높이는것이시스템의신뢰도증진을위해매우중요하다. 본논문에서는저압설비의유도전동기용가변속제어에적용되고있는전압형 PWM 인버터의스위칭에의해전동기입구단에나타나는전압의크기를스위칭동작주파수, 운전주파수및케이블길이변화에따른서지전압의크기를측정분석하였다. 2. 전압반사이론과영향 2.1 전압반사이론전동기속도제어를위해사용되는인버터용전력변환소자의스위칭속도가빠를경우높은급준도전압 ( dv/dt) 을발생한다. 빠른스위칭주파수를가진소자가인버터에적용될경우인버터출력측에발생한펄스전압이케이블과전동기임피던스와결합으로전동기단자에서전압오버슈트를발생한다. 이오버슈트는반복성이고, 연속적인것으로서전동 14
Trans. KIEE. Vol. 53P, No. 1. MAR. 2004 기의고정자에전압스트레스로작용하여결국에는권선수명을단축할수있다. 인버터에서발생한펄스파형이케이블을통해전동기에전달될경우거울의반사와같이케이블과전동기의서지임피던스에의한반사계수의영향으로펄스파형이계속진행하게되므로전송선의진행파로해석한다 [1,2,4]. 인버터의출력측에서발생한전압 E i 가케이블을거쳐전동기단자에전달될경우임피던스부정합에의해반사되는전압 E r 은식 ⑴과같다. E r = τ L E i ⑴ 식 ⑴에서반사계수 τ L 는식 ⑵와같이전동기임피던스와케이블인덕턴스및커패시턴스에의해결정된다. 실제반사계수는 10마력이하소형전동기의경우대개 0.9~ 1.0 이지만, 중대형의경우 0.8 이하이다. τ L = Z m-z c ⑵ Z m +Z c 여기서 Z m 와 Z c 는각각전동기와케이블의서지임피던스로식 ⑶과같다. Z = L/C ⑶ 케이블과전동기의임피던스부정합에의해인버터의출력단에서발생한전압이입사와반사를반복하여최종적으로전동기단자에나타나는전압 E t 은식 ⑷가된다. 2 Z m E t = E Z m +Z i ⑷ c 전동기의임피던스가케이블의임피던스에비해매우크며, 특히소형전동기의경우는매우높은값을나타내므로임피던스값을무한대또는개방으로해석할경우전동기단자에나타나는전압은인버터에서발생한전압의거의두배가된다 [1,4]. 전동기에비해케이블의임피던스는상대적으로낮기때문에식 ⑵에서와같이반사계수가높아지므로인버터출력단의파형준도가높을경우전동기에나타나는전압의크기는상대적으로높다. 인버터와부하측에연결되는케이블측에필터등의설치로임피던스값을높일경우인버터에나타나는전압의크기를줄일수있다. 인버터출력단에서전동기단자로전파되는파형의지속시간 ( t t ) 은식 ⑸와같이사용케이블의비유전율 ε r 및빛 의전파속도 c 로전개되므로케이블의길이 ( l c ) 증가는파형의지속시간증가로이어져전압스트레스의영향은커진다 [4]. ε r l c t t = [ ns ] ⑸ c 3상전파정류회로에의해인버터출력단에나타나는전압 ( E i ) 은직류버스전압 V DC 과같으며식 ⑹이된다. 따라 서 3 상 220[V] 의실효치전압 ( V eff ) 인경우 297[V] 로서 인버터출력단전압이케이블의비유전율, 길이에의한전파시간및임피던스등의영향에의해전동기단자에나타내는피크전압의크기는식 ⑺과같다. V peak =(τ L +1) V DC ⑺ 2.2 스위칭전압의영향 전동기에 60[ Hz ] 정현파전압을인가할때베어링절연열화전압은 0.4~0.7[V] 이지만, PWM 인버터의빠른스위칭동작에의한에지 (edge) 는 8~15[V] 로매우높아그리스절연내력을초과할수있다 [5,7]. 이와같은높은절연열화전압은높은베어링 flashover 전류를발생시켜짧은시간에베어링의손상을증가시킬수있다. 또한공통모드노이즈 ( 누설전류 ) 는저압제어신호를방해하고차단회로를오동작시킬수도있다 [7]. 그림 1은 PWM 인버터로운전하는가변속드라이브의인버터출구측및전동기단자에서의전압파형을나타낸것이다. 인버터출구측에서의전압은그림 1 와같이거의구형파에가깝지만, 전동기입구단에서의전압파형은그림 1 와같이직류버스전압보다매우높은전압의발생으로전동기절연에나쁜영향을미칠수있다. 이전압은링잉 (ringing) 현상으로부하의운전동안지속적으로발생하며, 케이블길이증가나파형의준도가빨라짐에따라전압의크기도높다. Peak Spike Voltage DC Bus Voltage 인버터출구전압 DC Bus Voltage 전동기단자전압 1[pu] 가된다. V DC = 3 2 π V eff ⑹ 그림 1 PWM 인버터운전시전압파형 Fig. 1 Voltage Waveform at P W M Inverter O peration 인버터의스위칭서지전압측정 15
電氣學會論文誌 53P 卷 1 號 2004 年 3 月 그림 1 와같이인버터출력펄스에서빠른상승시간과인버터와전동기사이의케이블길이가긴경우는직류버스전압의거의두배또는그이상에상당하는과전압반사를일으킬수있다. 그림 1 에서알수있듯이펄스의시작부분에서높은스파이크가발생하는이유는인버터와전동기사이에존재하는전송선의전압파반사때문이다. 또한스파이크의높이에영향을주는변수로서는케이블과전동기의서지임피던스, 인버터에서전류가온 오프될때의전압상승시간및케이블길이의함수인라인임피던스등이있다. 2.3 전동기권선절연인버터에의해발생하는서지전압의크기를줄이는것도중요하지만, 그영향을받는권선절연문제에대한대비도중요하다. 저압유도전동기의권선은그림 2와같이난권 (random wound) 또는코일삽입 (coil inserted) 법을사용하고있는데이것은형권 (form wound) 또는슬롯내권선 (in-slot wound) 법과는달리코일의첫번째턴과마지막턴이서로매우가까울확률이높아높은급준도서지전압의전달될경우가장큰영향을받는다 [3-5]. 따라서전동기의권선작 3. 스위칭서지전압측정및결과분석산업용가변속제어장치에는전압형과전류형이있지만, 중소형은전압형이주류를이루고있다. 그림 3은유도전동기를가변속제어하는전압형 PWM 인버터계통도이다. 컨버터부는다이오드를채용한정류회로부, 평활용링크부및인버터부는 IGBT를채용한 PWM 방식으로구성되어있다. 팬부하구동용 220[V] 3마력유도전동기용 PWM 인버터를사용하여전동기단자에나타나는전압파형을측정하였다. 측정에사용한계측기는 150[ MHz ] 디지털오실로스코프로서전압프로브는 100:1인것을사용하였다. 또한저압케이블은 600[V] CV 3.5[ mm2 ] 3C를채택하였다. 인버터스위칭에의해전동기단자에나타나는전압의크기및준도에영향을줄수있는요소로서는전력변환소자의스위칭주파수, 케이블길이및운전주파수등이있다. 업시높은전압에의한영향이최소가되도록해야한다. 그림 3 PWM 인버터시스템 Fig. 3 PWM Inverter System 3.1 케이블길이의영향 그림 2 저압전동기의권선법 Fig. 2 W inding of low voltage motor 인버터출력단에서발생한급준파전압에의한전동기권선절연고장은대지절연고장, 상절연고장및코일또는코일그룹절연고장중의하나또는중복으로발생한다. 전동기권선에서코일의첫번째와마지막턴사이가장큰전위차가존재하기때문에급준파가도래했을경우에는턴간절연이가장큰영향을받을수있다 [2-5,7]. 인버터에의한운전되는저압전동기의전압스파이크는 1.6[ kv / μs ] 로 NEMA 규정에명시되어있으나인버터스위칭주파수가높아짐에따라현재보완하는중이다. 급준파스위칭서지전압은인버터의스위칭주파수가높아짐에따라높아지며전동기권선에미치는영향도지속적이기때문에인버터에서전동기까지의거리는가능한짧도록권장한다. 그러나현장설치여건에따라인버터출력단에서부하까지의거리는수 [m] 에서수십 [m] 에이르는경우가많으므로케이블의서지임피던스값도달라지게된다. 전동기의서지임피던스는용량에따라달라지는것으로서소형이중 대형보다높은값을나타낸다 [4]. 따라서인버터출력단에서발생한급준파전압이서지임피던스에의한전파함수에따라크기가다르므로부하에연결되는거리의변화시전압파형의크기를알아보는것이매우중요하다. 그래서본연구에서는팬부하용 3상 220[V] 3마력유도전동기에스위칭주파수를 10[ khz ] 로고정한전용 PWM 인버터로운전주파수는 50[ Hz ] 로운전할경우케이블길이에따라전동기단자에서의전압을측정하였다. 펄스의변화비율과크기를정확하게비교분석하기위해시간축의간격은 1[ μs ] 로전압축은 200[V/div] 로정하였다. 16
Trans. KIEE. Vol. 53P, No. 1. MAR. 2004 10[m] 10 khz 200[m] 10[ khz ] 그림 4 케이블길이에따른부하측전압파형 Fig. 4 L oad side Voltage due to C able L ength 20m 10 khz 30m 10 khz 그림 4에서알수있듯이스위칭주파수를고정하고케이블길이를변화시킬경우펄스하강및상승에지 (edge) 부분에서매우빠른전압변화를나타내는링잉 (ringing) 현상은케이블길이가짧을수록많이나타남을알수있다. 케이블길이를증가시킬경우링잉횟수는줄어들고, 50[m] 에서전압은인버터출력측크기인 1.68[pu] 지만, 100[m] 에서는거의 2[pu] 에가깝고, 케이블길이를 200[m] 로증가한경우에전동기입구단에나타나는전압의크기는 750[V] 로 2.52[pu] 로증가하였다. 또한케이블길이를 50[m] 이상증가시전압의피크대피크전압의크기가매우커져전동기의절연에큰손상을줄수있다. 인버터에서부하까지의길이에따라부하측에나타나는전압크기의변화가뚜렷함을알수있다. 따라서인버터와전동기사이케이블길이를선정할경우에는스위칭서지전압의크기에대한대책이마련이필요함을알수있다. 3.2 스위칭주파수에의한영향 50m 10 khz 100[m] 10 khz 가변속구동용 PWM 인버터의경우전동기를부드럽게운전및제어시키면서효율을높이기위해서스위칭주파수가높은전력전자소자를사용하고있다. 인버터의스위칭주파수의증가에의한빠른전압변화 ( dv/dt) 는전송선이론에서케이블과전동기의임피던스차에의한반사계수의크기에따라전동기단자에전압오버슈트를일으킬수있고, 전동기권선절연손상으로이어져전동기수명을단축시킬수있다. 부하측에전달되는스위칭서지전압의영향을파악하기위해케이블길이변화시부하측에높은전압피크를발생한케이블길이 100[m] 와운전주파수를 60[ Hz ] 로정하고서스위칭주파수를 10, 12 및 14[ khz ] 로변화시키면서전동기입구단에서의전압을측정하였다. 급준파의준도를구분하기위해 1펄스파형만을비교하였다. 그러나전압파형의측정에서스위칭주파수에따라부하측에나타나는피크전압의경우순시요소부의성분을지니고있어크기를포착하는데어려움이있었다. 인버터의스위칭서지전압측정 17
電氣學會論文誌 53P 卷 1 號 2004 年 3 月 600 500 10k 14k 12k 400 300 Voltage[V] 200 100 0-100 -200-300 40[ Hz ] 그림 5 스위칭주파수에따른전압파형 Fig. 5 Voltage waveform due to switching freq uency 그림 5에서알수있듯이스위칭주파수를증가할경우전압의크기는변화가없으나, 같은시간에발생되는펄스수가증가하기때문에전동기권선에미치는전압스트레스의영향은커진다. 즉, 이것은스위칭주파수가높은전력변환소자의도입시전압상승변화비율이펄스가전동기단자에는바로전달되므로전동기권선절연에나쁜요소로작용한다. 스위칭주파수의변화는전동기의운전음, 노이즈및누설전류에영향을미친다. 본실험을진행하는동안스위칭주파수를권장치보다낮추어운전한경우전동기의소음이점차증가함을알수있었다. 50[ Hz ] 3.3 운전주파수에따른영향 인버터제어장치는부하의속도제어를통해전력에너지를효율적으로운전하는데사용된다. 부하에따라인버터로속도조절하는경우에전동기단자에나타나는스위칭전압의크기를파악하는것은전동기절연에중요한해석자료가될것이다. 60[ Hz ] 그림 6 운전주파수에따른부하측전압파형 Fig. 6 L oad side voltage due to operating freq uency 그림 6은케이블길이는 10[m] 로하고, 스위칭주파수는 12[ khz ] 로하였을경우운전주파수를 30, 40, 50 및 60[ Hz ] 로한경우전동기단자에나타나는전압파형이다. 30[ Hz ] 인버터스위칭주파수를 12[ khz ] 로고정하고서부하의가변속운전주파수변화시부하측단자에나타나는전압의크기는전동기권선절연에영향을줄수있는변화가없었다. 또한케이블길이를고정하고서스위칭주파수의증감에따른운전주파수변화시전압의크기도같은결과를나타냄을확인할수있었다. 따라서운전주파수의변화에대해전동기의권선절연에는별다른대책이필요하지않음을확인하였다. 18
Trans. KIEE. Vol. 53P, No. 1. MAR. 2004 3.4 필터의사용에따른영향케이블서지임피던스는전동기에비해매우낮기때문에반사계수가높아인버터스위칭동작에의한급준파의전파는전동기입구단에서의높은전압을낳는다. 인버터출력측리액터를설치할경우케이블의서지임피던스를추가적으로높여반사계수의저감으로파두장의크기와전압펄스의고주파성분을줄이는기능을가지고있으므로전동기단자가까운곳에설치할경우인버터에서발생한펄스의형상은각펄스의상승에지부분의빠른변화를완화시켜전압의크기를낮출수있다. no filter 파수의변화시전동기단자에나타나는전압의크기는전동기권선절연에거의영향을주지않았다. 그러나케이블길이에따라서는전압의크기에큰영향을나타내었다. 따라서인버터의스위칭주파수는일정값으로고정하고서케이블길이에따라전동기단자에나타나는전압의크기를완화하기위해필터의효과를확인하는것이매우중요하다스위칭주파수가 10[ khz ] 일때링잉현상이매우크게작용한케이블길이 10[m] 와운전주파수를 60[ Hz ] 로한경우인버터의출구측및전동기단자에각각 0.56[mH] 의필터용리액터의설치전후에대한전동기입구단의전압파형은그림 7과같다. 그림 7 에서와같이필터를사용하지않은경우부하측단자에서의전압파형은피크치는높지않지만, 링잉현상이나타남을알수있다. 그림 7, 에서알수있듯이인버터출력측및전동기단자에필터를부착할경우급준파의서지전압의급준도는매우완화되고, 링잉현상은거의해소되는동시에전압의크기도줄어듦을알수있다. 단지인버터출구측에필터를설치하는경우전압피크에도달하는상승시간에차이가날뿐이다. 인버터에의한급준도의서지전압이전동기에전달될경우케이블길이의증가시링잉현상은줄어들지만, 전압의크기는증가하므로필터의부착시전동기단자전압크기를줄이는것이매우중요하다. 그림 8은스위칭주파수를 10[ khz ] 로고정하고서케이블길이를 200[m] 로 60[ Hz ] 로운전하는경우에 0.56[mH] 리액터를부착여부에대해부하측단자의전압파형측정결과다. with filter at inverter terminal no filter with filter at motor terminal 그림 7 필터의부착에따라부하측전압파형 (Ⅰ) Fig. 7 Voltage W aveform of L oad side due to Filter(Ⅰ ) 앞서측정한결과에서인버터의스위칭주파수나운전주 with filter at inverter terminal 인버터의스위칭서지전압측정 19
電氣學會論文誌 53P 卷 1 號 2004 年 3 月 감사의글본연구는 2003년도과학재단의지원에의하여이루어진연구로서, 관계부처에감사드립니다. 참고문헌 with filter at motor terminal 그림 8 필터의부착에따라부하측전압파형 (Ⅱ) Fig. 8 Voltage W aveform of L oad side due to Filter( Ⅱ) 그림 8 에서와같이필터를사용하지않고운전하는경우전동기단자에나타나는전압의크기는 750[V] 로서직류링크부전압의 2.52[pu] 에상당하는높은전압이발생한다. 그림 8 의경우는인버터출구측에리액터를설치하고서전동기단자에서의전압파형을측정한것으로서파형의링잉현상이줄어드는동시에피크전압의크기도거의절반수준으로줄어들었지만, 그림 8 와같이전동기입구단에필터를설치하고서같은조건으로운전한경우전동기입구단에서측정한파형에서는오히려필터를설치하지않은경우와같은결과를초래하였다. 4. 결론본연구는산업현장에서전동력에너지를효율적으로운영하기위해사용되는 PWM 전압형인버터의스위칭전압에대한영향을측정분석한것이다. 전동기의원활한속도제어와인버터의효율을높이기위해스위칭주파수가높은전력반도체소자를사용할경우인버터의출력측에서발생한급준한전압이케이블을통해전동기단자에도달할경우에는전동기절연에큰영향을미칠수있다. 측정결과전동기권선절연에영향을주는요소로서는운전주파수에대해서는거의영향이나타나지않지만, 스위칭주파수가높은경우링잉현상의발생확률이높았으며, 스위칭주파수의고정시케이블길이가증가함에따라전압의변화비율보다는크기에많은영향을받음을확인하였다. 또한인버터의부하측및전동기단자에교류필터를연결하여운전할경우케이블길이증가에따라발생한링잉현상의제거와전압크기의감소로인버터에의한전압스트레스문제가해소될수있음을확인하였지만, 케이블길이가매우긴경우에는필터를전동기입구단에설치하는경우보다는인버터입구측에설치할경우가전압스트레스의효과가높다는것을확인하였다. [1] 김종겸, 이은웅, 진행파법에의한스위칭써지전압해석, 대한전기학회논문지, 43권 8호, pp.1252-1258, 1994 [2] E. Persson, "Transient effects in application of PWM inverters to induction motors", IEEE Trans on IAS, vol.28, pp.1095-1101, Sep/Oct. 1992 [3] 김종겸, 인버터스위칭전압파형에의한전동기권선영향해석, 조명전기설비학회논문지, 제13권 1호, pp.94-101, 1999.2 [4] 김종겸외 4인, 인버터스위칭에의한전동기권선의전압스트레스해석, 대한전기학회논문지, 46권 6호, pp.869-874, 1997 [5] A. H. Bonnett, "Analysis of the impact of pulse-width modulated inverter voltage waveforms on AC induction motors", IEEE Trans on IAS, vol.32, pp.386-392, Mar/Apr. 1996 [6] NEMA, "Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems" [7] 김종겸, 이은웅, PWM 인버터의스위칭에따른서지전압측정, 대한전기학회하계학술대회전문대학교육위원회발표논문집, 2001. 7. pp.12-14 저자소개 김종겸 ( 金宗謙 ) 1961년 10월 3일생. 1991년충남대학교대학원졸업. 1996.2 동대학원졸업공학박사 1996년~현재국립원주대학전기과부교수. 현재당학회 B부문및본부편집위원 Tel : 033-760-8423 E-mail : jgkim@sky.wonju.ac.kr 20
Trans. KIEE. Vol. 53P, No. 1. MAR. 2004 정종호 ( 鄭鍾浩 ) 1969년 6월20일생. 1993년충남대학교공과대학전기공학교육과졸업. 1996년동대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ). 2000 년동대학원전기공학과박사과정수료. 현재경기기계공업고등학교공동실습소교사 Tel : 02-970-8922 E-mail : jeong-jh@hanmail.net 이은웅 ( 李殷雄 ) 1944년 8월 14일생. 1971년한양대전기공학과졸업. 1983년동대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1982년~83년, 1984 년~85년캐나다 McGill 대학방문교수. 1987년~현재당학회평위원. 1995년당학회편집위원장및전기기연구회간사장. 1995년~1997년충남대공대학장, 산업대학원장 ( 96~ 97), 1997년~2000년당학회부회장. 2004년현재당학회회장, 현재충남대전기공학과교수 Tel : 042-821-5652 E-mail : ewlee@cnu.ac.kr 인버터의스위칭서지전압측정 21