오늘날의 효율적인 모터를 PWM 손상으로부터 보호하세요

May 16, 2023

미국 에너지부(DOE)는 펌핑 시스템과 해당 구성 요소에 대한 최소 효율성 제한을 시행하고 있습니다. 한편, 최종 사용자는 더욱 높은 효율성을 갖춘 시스템을 요구하고 있습니다. 펌프 제조업체가 두 그룹의 요구 사항을 충족하는 한 가지 방법은 출력 수요가 변할 때 펌핑 시스템의 속도를 변경하여 최고 효율을 유지할 수 있는 솔루션을 도입하는 것입니다.

전기 모터로 구동되는 펌핑 시스템에서 이러한 효율성 향상은 일반적으로 모터에 가변 주파수 드라이브(VFD)를 추가하여 달성됩니다. VFD는 모터 입력 주파수와 전압을 변경하여 교류(AC) 모터 속도와 토크를 제어하는 ​​조정 가능한 속도 드라이브입니다. 펌프 업계의 많은 사람들은 VFD의 작동 방식과 효율성 이점을 잘 알고 있습니다. 일반적으로 이해되지 않는 점은 VFD가 생성할 수 있는 잠재적으로 유해한 영향으로부터 모터를 보호하는 방법과 펌핑 시스템에서 이러한 영향을 줄이는 방법입니다.

많은 모터 제조업체에서는 VFD 또는 인버터에서 작동하도록 설계된 모터를 제공합니다. 이러한 모터는 VFD의 펄스 폭 변조(PWM) 전력 파형으로 구동될 때 작동하도록 특별히 설계되었습니다. PWM은 주로 모터에 공급되는 전압 및 전류 파형을 제어하는 ​​데 사용되는 변조 기술입니다. 이는 모터 속도 제어의 매우 효율적인 방법이기 때문에 종종 선호됩니다.

그러나 PWM 파형은 모터 내에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 모터 권선에 모터 및 표준 모터 권선 한계의 정격 전압을 훨씬 초과하는 전압 스파이크가 발생할 수 있습니다. 따라서 VFD와 함께 사용되는 모터는 향상된 절연 재료 및 프로세스를 갖추어야 합니다. 표준 절연 시스템과 비교하여 정격 전압보다 훨씬 높은 전압 스파이크로부터 보호합니다.

NEMA(National Electrical Manufacturer's Association) MG1 Part 31에 따르면 VFD에 사용되는 정격 전압이 600V 이하인 모터에는 최소한 정격 전압의 3.1배에 달하는 전압 스파이크로부터 보호하는 권선이 있어야 합니다. 전압 정격이 600V보다 큰 모터의 경우 최소값은 모터 정격 전압의 2.04배입니다.

PWM 파형은 전기 모터의 베어링에도 영향을 미칠 수 있습니다. 표준 사인파 전력으로 구동할 때 모터에 전력을 공급하는 3상은 균형 잡힌 전하를 갖습니다. 즉, 한 위상이 +460V일 때 두 번째 위상은 -460V이고 세 번째 위상은 0입니다. 그러나 PWM 파형은 실제 사인파가 아닙니다. 펄스 직류(DC) 전압은 모조 사인파를 생성하여 모터 내의 전하 균형에 문제를 일으킵니다. 균형이 필요한 회전자와 고정자 사이에 차동 전하가 축적됩니다. 해당 전하는 공통 모드 전압(CMV)으로 인해 발생합니다.

겨울에 문 손잡이를 만져본 사람이라면 누구나 알고 있듯이 전기는 접지에 대한 가장 낮은 저항 경로를 찾아 이러한 불균형을 바로잡습니다. 겨울에 문손잡이를 만졌을 때 받는 충격은 올바르게 설치 및 보호되지 않은 모터 베어링 내에서 발생하는 충격의 축소판입니다. 베어링이 샤프트에서 분리되지 않고 시스템이 잘못 접지된 경우 베어링은 모터가 전하 균형을 맞추려고 하는 최소 저항 경로를 제공합니다. 이러한 균형이 베어링 내에서 발생하는 것을 방전 가공(EDM)이라고 합니다.

EDM이 발생하면 모터가 작동하는 동안 베어링의 재료 조각이 떨어져 나갈 수 있으며, 이로 인해 베어링이 심각하게 손상되거나 시간이 지남에 따라 소음, 열 및 조기 고장이 발생할 수 있습니다. CMV를 방지하는 한 가지 방법은 모터에 낮은 저항 경로를 제공하여 회전자와 고정자 사이의 전하 균형을 맞추는 것입니다. 이는 일반적으로 모터에 샤프트 접지 장치를 추가하고 모터를 접지함으로써 달성됩니다. 대형 모터의 경우 순환 전류를 제거하기 위해 샤프트 접지 링 반대편의 베어링을 절연함으로써 추가 보호를 얻을 수 있습니다.

이러한 모터 보호 기능은 도움이 되기는 하지만 모터가 PWM 파형으로 인해 손상을 받는 원인을 근본적으로 파악하지는 못합니다.