KR100974619B1 - 필터설계방법과 이를 이용한 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 낮은 비용과 적은 설치공간으로 출력 승압변압기가 부착된 전동기의 속도 제어용 인버터 시스템의 전동기로 입력되는 과전압의 발생원인을 해석하고, 이를 억제하기 위한 필터 설계 방법을 제시하며 현장 실험을 통해 타당성을 제시함으로써 반복적인 과전압에 의한 전동기 파손을 방지하도록 한 필터설계방법과 이를 이용한 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치는, 인버터의 출력측에 승압변압기가 부착된 인버터 시스템에 있어서, 상기 승압변압기와 전동기 사이에 전압공진 및 과전압 발생 원인을 해석 및 억제하는 댐핑 필터부(Damping Filter)가 구비된다.
인버터 시스템, 과전압 억제장치, 승압변압기, 댐핑 필터부, 전동기
Description
도 1은 종래 정현파 필터를 사용한 인버터 시스템을 도시한 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 도시한 블록 구성도.
도 3은 도 2의 인버터 시스템에서 전동기 입력 과전압의 단상 등가모델의 구성도.
도 4는 도 3의 단상 등가모델에 의한 과전압 억제 모의실험 파형도.
도 5는 도 4의 모의실험에 의한 과전압 억제장치의 상수 추정 파형도.
도 6은 20㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용하지 않을 경우의 과전압 파형도.
도 7은 20㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용한 경우의 과전압 억제 파형도.
도 8은 35㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용하지 않을 경우의 과전압 파형도.
도 9는 35㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용한 경우의 과전압 억제 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 전원 12 : 강압변압기
13 : 인버터 14 : 승압변압기
15 : 커패시터 16 : 댐핑용 저항
17 : 댐핑 필터부 18 : 전동기
본 발명은 인버터 시스템에서 전동기로 입력되는 과전압을 억제하기 위한 장치와 과전압 억제에 이용되는 필터설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력측에 승압변압기가 부착된 인버터와 전동기 사이에 전압공진 및 과전압 발생 원인을 해석 및 억제하는 댐핑 필터부(Damping Filter)를 부가 구성하여 전동기 입력측의 과전압을 억제할 수 있도록 한 필터설계방법과 이를 이용한 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치에 관한 것이다.
일반적으로 출력측에 승압변압기가 부착된 인버터의 사용시 인버터의 출력전압을 계단형태로 급격하게 변화시키면 고주파 회로가 형성되면서 변압기의 누설 인덕턴스와 전동기 선로의 누설 커패시턴스(Capacitance)에 의해 공진회로가 형성되어 최악의 경우 정상전압 2배의 과전압이 전동기에 반복적으로 인가된다. 이러한 전동기 입력단에서의 과전압은 전동기 권선의 열화 및 절연 파괴, 베어링 파손, 그리고 와전류손을 초래한다.
특히, 반복적으로 권선에 가해지는 전압은 전동기 권선의 첫번째 코일에 높 은 전압 분담이 됨으로 각 권선에 가해지는 전류밀도의 불균형을 일으켜 결국 권선의 단락사고가 발생된다. 이러한 전동기 절연내력을 초과하는 과전압의 반복적인 인가로 전동기 고정자의 절연 파괴현상을 초래하여 제품의 신뢰성이 저하되는 문제로 현재 각국의 전동기 규격에서는 전동기 입력전압의 크기와 입력전압 변동률을 규제하고 있다.
또한, PWM 인버터의 높은 전압 상승률에 의해 전력소자와 방열판, 출력 케이블 사이 및 케이블과 대지(Ground), 전동기 권선 사이 및 전동기 권선과 프레임 사이 등의 기생 커패시턴스를 충·방전하는 스파이크성 전류가 발생한다.
이러한 전도성 EMI(Conducted EMI)는 같은 전원 계통을 사용하는 다른 기기에 직·간접적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 도선과 도선, 도선과 대지 사이에 형성된 루프가 안테나처럼 작용함으로 인해 방사 EMI(Radiated EMI)의 직접적인 원인이 된다. 이러한 현상은 시스템의 용량, 구조, 부품의 배치, 케이블의 배치, 출력 승압변압기 사용여부 등에 따라 다른 주파수 특성을 나타낸다.
차동 모드 EMI(Difference Mode EMI)의 경우 전동기 구동시스템의 선간 전압의 전압상승률(dv/dt)에 의해 발생된 고주파의 전류는 DC 링크 커패시터를 통해 대부분 공급되며 DC 링크 커패시터가 공급해주지 못하는 고주파의 전류가 전원에서 공급된다. 커먼 모드 EMI(Common Mode EMI)의 경우 PWM 인버터에 의해 발생된 커먼 모드 전압에 의해 발생된 누설전류가 대지(ground)를 통하여 전원으로 환원되므로 같은 접지를 공유하는 다른 기기에 간섭현상을 발생시킨다. 이러한 누설전류는 시스템의 영상전류 릴레이 또는 전자식 차단기의 오동작을 유발시킬 수 있으며, 전동 기 권선과 프레임 사이의 절연물의 수명을 단축시켜 전동기 절연 파괴의 원인으로 작용한다.
이를 막기 위한 적절한 방법의 하나로 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 인버터 출력단에 정현파 필터(Sine Filter)를 일반적으로 부착한다. 도 1은 종래 정현파 필터를 사용한 인버터 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 상기 정현파 필터(4)는 전동기 입력의 전압 상승률(dv/dt)을 크게 감소시켜 정현파에 가깝도록 하는 것으로, 장점으로는 첫째, 전동기의 절연파괴나 과열이 나타나지 않으므로 일반 전동기 사용이 가능하고, 둘째, 인버터 출력단에 부착함으로 전동기 입력 필터에 비해 설치가 용이하며, 셋째, 인버터 출력측에 승압변압기 설치시 변압기에 정현파 전압이 인가되므로 전동기 입력측에 고주파 전압공진과 과전압이 발생하지 않으며, 넷째, 전동기 무효전력을 필터 커패시터가 일부 보상하여 인버터 용량을 증가시키는 등의 장점이 있다.
그러나, 종래의 인버터 출력단에 정현파 필터를 부착한 인버터 시스템은, 첫째, 정현파 필터가 고주파 성분을 걸러내기 위해서는 필터의 공진 주파수가 스위칭 주파수 보다 매우 낮아야 함으로 필터의 크기와 부피가 상당히 커진다. 따라서 이것은 필터의 설치 면적을 증대시키고 비용의 증가를 초래하며, 둘째, 필터의 용량이 커질수록 큰 전력 손실을 발생하고, 셋째, 리액터에서 기본파 전압강하로 전동기 입력전압이 저하되고, 넷째, 필터 커패시터로 인한 고주파 전류로 리액터 과열 및 스위칭 소자의 전압상승률(di/dt)이 증가하며, 다섯째, 필터 커패시터 전류가 전동기 무부하 전류보다 클 경우 과여자에 의한 고장 발생 가능성이 있으며, 여섯 째, 시스템의 응답 특성을 저하시키고 클로우즈 루프(Close-Loop) 제어를 어렵게 하는 등의 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 목적은 낮은 비용과 적은 설치공간으로 출력 승압변압기가 부착된 전동기의 속도 제어용 인버터 시스템의 전동기로 입력되는 과전압의 발생원인을 해석하고, 이를 억제하기 위한 필터설계 방법을 제시하며 현장 실험을 통해 타당성을 제시함으로써 반복적인 과전압에 의한 전동기 파손을 방지하도록 한 필터설계방법과 이를 이용한 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치는, 인버터의 출력측에 승압변압기가 부착된 인버터 시스템에 있어서, 상기 승압변압기와 전동기 사이에 전압공진 및 과전압 발생 원인을 해석 및 억제하는 댐핑 필터부(Damping Filter)가 구비된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 도시한 블록 구성도이고, 도 3은 도 2의 인버터 시스템에서 전동기 입력 과전압의 단상 등가모델의 구성도이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 인버터 시스템은 인버터(13)의 입력측과 출력측에 인버터(Inverter)(13)의 출력 전압과 구동 전동기(Motor)(18)의 전압 정격을 일치시키기 위한 강압변압기(Step-down Transformer)(12)와 승압변압기(Step-up Transformer)(14)가 각각 설치된다.
이때, 상기 인버터(13)의 출력측에 설치된 승압변압기(14)의 누설 인덕턴스와, 케이블(Cable)과 대지 사이에 존재하는 기생 커패시턴스(Capacitance) 또는 전동기(18) 내부의 커패시턴스로 인하여 공진이 발생하고, 이로 인해 도 6과 도 8에 도시된 바와 같이 전동기 터미널의 전압이 정격의 2배 정도까지 상승한다.
상술한 바와 같은 과전압 및 공진 현상을 방지하기 위해 승압변압기(14)와 전동기(18) 사이, 즉 전동기 입력측에 전압공진 및 과전압 발생 원인을 해석 및 억제하는 댐핑 필터부(Damping Filter)(17)가 도 2와 같이 부가 구성된다.
상기 댐핑 필터부(17)는 도 2에 도시된 바와 같이 승압변압기(14)와 전동기(18) 사이에서 전동기(18)와 병렬로 설치되어 임피던스를 낮추는 커패시터(15)와, 상기 커패시터(15)와 직렬로 연결된 감쇠진동을 위한 댐핑용 저항(16)이 구비된다.
특히, 상기 전동기(18) 입력측의 과전압을 억제하는 댐핑 필터부(17)는, ① 승압변압기(14)의 퍼센트 임피던스를 계산하고, ② 전동기(18)의 입력전압 공진 주파수를 측정한 후, ③ 측정된 공진 주파수와 감쇠 형태에 따른 선로와 전동기의 기생 커패시터 및 저항의 추정 시뮬레이션을 구한 다음, ④ 구한 기생 커패시터의 약 10배 커패시터를 설치하고, ⑤ 감쇠 진동 조건에 의한 저항값을 계산하는 순서에 따라 설계된다.
도 3은 도 2의 인버터 시스템에서 전동기 입력 과전압의 단상 등가모델의 구성도이고, 도 4는 도 3의 단상 등가모델에 의한 과전압 억제 모의실험 파형도이며, 도 5는 도 4의 모의실험에 의한 과전압 억제장치의 상수 추정 파형도이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 상기 전동기(18) 입력측에서의 과전압 현상을 해석하기 위해서는 시스템을 3상의 분포정수 회로로 모델링한다.
그런데, 과전압이 발생하는 스위칭 순간의 짧은 순간, 즉 3상의 전압 중 한 상의 전압만 변화하는 경우를 고려했을 경우에는 단상의 모델링을 할 수 있다.
상기 인버터(13)는 3상 전압 중 한 상의 전압만 변화함으로 등가의 펄스 전압원으로 모델링할 수 있으며, 도 3과 같이 케이블과 전동기(18)는 도통상태에 따라 한 상의 스위치로 전류가 들어가면 다른 두 상을 통해 전류가 흘러 나오게 되거나, 그 반대의 경우로 도통이 이루어지는 것을 고려해 단상으로 모델링할 수 있다. 본 발명에 따른 인버터 시스템을 단상으로 모델링하고, 전동기 임피던스가 기생 커패시터에 비해 무한히 크다고 할 경우 도 3과 같이 단순화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 인버터 시스템의 단상 등가 모델에 의하면 인버터/승압변압기/케이블/전동기는 변압기 누설 인덕턴스, 그리고 변압기/케이블/전동기의 저항과 기생 커패시터 성분으로 이루어져 있으며, 펄스 형태의 입력전압에 대하여 직렬공진회로가 형성되어 고주파 펄스 입력전압에 의해 직렬 공진한다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 전동기 입력전압의 공진과 과전압을 억제하기 위하여 전동기(18)와 병렬로 커패시터(15)를 설치하여 임피던스를 낮추고, 감쇠 진동을 위해 커패시터(15)와 직렬로 댐핑용 저항(16)을 연결한다.
상술한 바와 같은 전동기 입력 과전압 억제를 위한 시스템의 인덕턴스, 커패시터와 댐핑용 RC 계산 방법은 아래의 [수학식 1]과 [수학식 2]에 의해 계산된다.
본 발명의 현장실험의 경우, 상기 [수학식 1]과 [수학식 2]를 적용하면 승압변압기(14)의 퍼센트 임피던스가 12%임으로 변압기 2차 누설 인덕턴스는 다음 [수학식 3]과 같다.
상기 전동기(18)의 입력측에 병렬로 부가 구성된 RC 댐핑 필터부(Resistor = 100Ω, Capacitor = 0.1㎌)(17)를 직렬 Wye 연결할 경우, 전동기(18) 입력전압 공진 주파수 14[㎑], 70[μsec]이고, 약 2배의 과전압이 발생하므로 단상 등가모델에 의한 RLC 직·병렬 공진회로 시뮬레이션에 의해 전동기 기생 커패시터 0.06[㎌]이 고, 선로 기생저항은 1.2[Ω]이다.
RLC 직렬회로에서 변압기 누설 인덕턴스, 전동기 기생 커패시터에 의한 전압공진을 감쇠시키기 위하여 댐핑 커패시터(15)는 전동기 기생 커패시터의 10배인 0.6[㎌]이고, 댐핑용 저항(16)은 전동기 기생 커패시터와 변압기 누설 인덕턴스와의 공진현상을 방지하기 위해 다음 [수학식 4]와 같다.
따라서, 현실적으로 사용가능한 150[Ω]을 산정하였고, 시뮬레이션에 의한 저항의 상당 평균 소비전력은 7[㎾]이다.
도 4는 댐핑 RC 상수 입력시 단상모델에 의한 공진 및 과전압 시뮬레이션으로 계산된 저항(16)과 커패시터(15)를 적용하여 전동기 입력전압의 공진 및 과전압이 억제됨을 알 수 있는 파형도이다.
또한, 전동기 입력 RC 필터의 저항에 흐르는 전류 및 평균 소비전력은 모의실험에 의하면 도 5와 같이 댐핑용 RC 필터 설치시 인버터 출력전압의 상승과 하강시에 댐핑용 저항에 흐르는 순시 피크전류는 -20∼+20[A]이고, 순시 소비전력은 60[㎾], 평균 소비전력은 7[㎾]이다. 그러므로, 댐핑용 저항의 사양은 상기준으로 도 5에 도시된 바와 같이 전압은 -3000[V]∼3000[V], 전류는 -20[A]∼20[A], 순시소비전력 피크(Peak)는 55[㎾], 평균소비전력은 7[㎾]이다.
도 6은 20㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억 제장치를 적용하지 않을 경우의 과전압 파형도이고, 도 7은 20㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용한 경우의 과전압 억제 파형도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 인버터(13)를 20㎐로 운전하고, 과전압 억제용 필터를 설치하지 않았을 경우 전동기 입력 전압의 크기가 10,000[V]인데, 도 7과 같이 도 6과 동일한 조건에서 본 발명에 따른 댐핑 필터부(17)를 전동기 입력측에 설치하였을 경우는 전압의 최대 크기가 10,000[V]에서 6,000[V]로 변경되어 4,000[V] 전압 억제 기능이 있음을 알 수 있다.
또한, 도 8은 35㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용하지 않을 경우의 과전압 파형도이고, 도 9는 35㎐ 운전시 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치를 적용한 경우의 과전압 억제 파형도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 인버터(13)를 35㎐로 운전하고 과전압 억제용 필터를 설치하지 않았을 경우 전동기 입력 전압의 크기가 12,000[V]인데, 도 9와 같이 도 8과 동일한 조건에서 본 발명에 따른 댐핑 필터부(17)를 전동기 입력측에 설치하였을 경우는 전압의 최대 크기가 12,000[V]에서 6,500[V]로 변경되어 5,500[V] 전압 억제 기능이 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인버터 시스템은 인버터의 운전 주파수에 관계없이 과전압 억제 기능을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치는, 전동기(18)와 병렬로 커패시터(15)를 설치하여 임피던스를 낮추고, 감쇠 진동을 위 해 커패시터(15)와 직렬로 댐핑용 저항(16)을 연결하여 전동기 입력측의 과전압을 억제할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치는 작은 용량의 저항과 커패시터로 구성된 댐핑 필터 회로를 승압변압기와 전동기 사이에 설치함으로써 출력측에 승압변압기가 연결된 인버터가 설치되어 있는 모든 산업현장에서 낮은 가격과 적은 설치공간으로 적용이 가능하도록 하여 반복적인 과전압에 의한 전동기 파손을 방지하는 효과가 있다.
Claims (3)
- 인버터의 출력측에 승압변압기가 부착된 인버터 시스템에 있어서,상기 승압변압기와 전동기 사이에 전압 공진 및 과전압 발생 원인을 해석 및 억제하는 댐핑 필터부(Damping Filter)를 구비하고,상기 댐핑 필터부는 상기 승압변압기와 전동기 사이에서 상기 전동기와 병렬로 설치되어 임피던스를 낮추는 커패시터; 및 상기 커패시터와 직렬로 연결된 감쇠진동을 위한 댐핑용 저항을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 인버터 시스템의 전동기 입력 과전압 억제장치.
- 삭제
- 승압변압기의 퍼센트 임피던스를 계산하는 단계;전동기의 입력전압 공진 주파수를 측정하는 단계;상기 측정된 공진 주파수와 감쇠 형태에 따른 선로와 전동기의 기생 커패시터 및 저항의 추정 시뮬레이션을 구하는 단계;상기 구해진 기생 커패시터의 10배 커패시터를 설치하는 단계; 및상기 감쇠 진동 조건에 의한 저항값을 계산하는 단계; 의 순서로 청구항 1에 적용되는 댐핑 필터부를 설계하는 것을 특징으로 하는 필터설계방법.
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