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문제 정의
- 본 논문에서는 IGBT PWM 인버터 구동용 유도전동기의 고정자 권선에 대한 상세한 절연특성 분석결과를 제시한다. 동일한 마그네트 전선을 사용하여 함침횟수와 함침방법을 5 가지 방법으로 다르게 제작한 5 [HP], 380 [V]급 저압 유도 전동기 고정자 25대를 대상으로 한 절연특성 시험과 절연내 력 평가결과를 제시한다.
- 본 논문에서는 다양한 절연처리에 의해서 5가지 종류의 5 [HP] 저압 유도전동기 고정자 25개를 제작하여 각각의 전동기에 대한 부분방전, 유전정접, 정전용량 및 교류전류 시험 과 스위칭 펄스전압에 의한 절연파괴 시험을 수행함으로서 함침기법에 따른 절연특성의 상세한 분석결과롤 제시하였 고, IGBT PWM 인버터 구동용 유도전동기의 절연내력을 향상시킬 수 방안을 도출하였다.
- 또한, 전압상승 율(dv/dt)이 실제 인버터에서와 동일한 써지파형에 의한 펄 스 절연파괴 시험을 수행하여 함침방법에 따른 고정자 권선 의 절연파괴 전압을 비교하였다. 이를 통하여 인버터 구동 용 유도전동기의 절연내력을 향상시킬 수 있는 효과적인 절 연기법을 제안한다.
- 절연파괴 또는 내전압 시험은 전동기 고정자 권선의 절연 강도를 점검하기 위해 실시하고, 권선의 주절연이 정상 운전 전압에서 안전한가를 보증하기 위한 것이다. 일반적으로 절연파괴 (내전압) 시험은 전동기의 공장 출고시 최종 절연내 력 평가나 사용중인 전동기의 운전에 필요한 절연강도의 보 유여부를 판단하기 위해서 고정자 또는 회전자 권선에 적용 한다.
제안 방법
- 동일한 마그네트 전선을 사용하여 함침횟수와 함침방법을 5 가지 방법으로 다르게 제작한 5 [HP], 380 [V]급 저압 유도 전동기 고정자 25대를 대상으로 한 절연특성 시험과 절연내 력 평가결과를 제시한다. 각각의 전동기별로 교류전류 및 유전정접 시험을 수행하여 교류전류 변화율(AI), 유전정접 변화율(Atan6) 및 정전용량 증가율(AC/Co)을 산출하고, 부 분방전 시험을 통한 최대 부분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV; Discharge Inception VoltageX 구하여 절연 기법에 따른 절연특성을 상세히 분석하였다. 또한, 전압상승 율(dv/dt)이 실제 인버터에서와 동일한 써지파형에 의한 펄 스 절연파괴 시험을 수행하여 함침방법에 따른 고정자 권선 의 절연파괴 전압을 비교하였다.
- 본 논문에서는 IGBT PWM 인버터 구동용 유도전동기의 고정자 권선에 대한 상세한 절연특성 분석결과를 제시한다. 동일한 마그네트 전선을 사용하여 함침횟수와 함침방법을 5 가지 방법으로 다르게 제작한 5 [HP], 380 [V]급 저압 유도 전동기 고정자 25대를 대상으로 한 절연특성 시험과 절연내 력 평가결과를 제시한다. 각각의 전동기별로 교류전류 및 유전정접 시험을 수행하여 교류전류 변화율(AI), 유전정접 변화율(Atan6) 및 정전용량 증가율(AC/Co)을 산출하고, 부 분방전 시험을 통한 최대 부분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV; Discharge Inception VoltageX 구하여 절연 기법에 따른 절연특성을 상세히 분석하였다.
- 그러나 인버터 구동용 저압 유도전동기는 에나멜 전선을 사용하므로 전동기가 실제 운전중일 때 가해지는 인버터 스 위칭 써지에 따른 과도전압에 의해서 권선의 절연이 파괴된다. 따라서 본 연구에서는 통상적인 교류 및 직류 내전압 시험 대신에 고압 스위칭 펄스전압을 절연이 파괴될 때까지 전동기 권선에 인가하는 펄스 절연파괴 시험을 수행하였다. 그림 6은 실제 IGBT PWM 인버터의 츨력전압과 동일한 전 압상승율을 가지는 상승시간 200 [ns], 피크값이 18 [kV]인 스위칭 펄스파형을 나타내고 있고, 전동기 단자와 대지 사이 에 스위칭 펄스 파형의 크기를 단계적으로 증가시켜 고정자 권선의 절연이 파괴되는 전압을 측정하였다[4].
- 각각의 전동기별로 교류전류 및 유전정접 시험을 수행하여 교류전류 변화율(AI), 유전정접 변화율(Atan6) 및 정전용량 증가율(AC/Co)을 산출하고, 부 분방전 시험을 통한 최대 부분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV; Discharge Inception VoltageX 구하여 절연 기법에 따른 절연특성을 상세히 분석하였다. 또한, 전압상승 율(dv/dt)이 실제 인버터에서와 동일한 써지파형에 의한 펄 스 절연파괴 시험을 수행하여 함침방법에 따른 고정자 권선 의 절연파괴 전압을 비교하였다. 이를 통하여 인버터 구동 용 유도전동기의 절연내력을 향상시킬 수 있는 효과적인 절 연기법을 제안한다.
- 본 연구에서는 교류전류 시험을 위해 Tettex Instruments 사의 Automatic Insulation Test System (Type 5283)을 사용하였고, 전동기 고정자 권선의 입력단자와 대지간에 전압을 인가하여 전압상승에 따른 전류의 변화상태를 측정하여 교류전류 변화율(AI)을 산출하였다.
- 유전정접(tan6)과 정전용량(Cx)을 측정하기 위한 장비로 는 Tettex Instruments사의 Schering Bridge 인 Automatic Insulation Test System 및 Capacitance and Dissipation/ Power Factor Test Set (Type 2818-QA)을 사용하였고, 인' 가전압에 따른 tam6와 Cx를 측정하여 각각의 변화율을 계산 하였다.
- 전동기 고정자 권선에 대한 부분방전 측정 회로도는 그림 5와 같고, 본 연구에서는 Haefely Trench Tettex사의 디지털 부분방전 측정기인 Partial discharge detector (Model TE571)을 이용하여 수행한 부분방전 시험으로부터 최대 부 분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV)을 측정하였다. 이때 부분방전의 정밀한 측정을 가능하게 하고 전원과 접지 등으로부터 유입되는 외부잡음의 제거를 위해서, Pana아lield 사의 Radio frequency shield system 차폐실에서 측정과 Noise-free power supply를 사용함으로서 1 [pC] 이 하의 측 정 정밀도를 가지도록 하였다.
- 유전체 절연물에 교류전계를 가하면 일반적으로 누설전 류, 유전분극, 부분방전 등에 의한 유전손(dielectric loss)이 라는 에너지 손실이 발생하고, 이를 나타내는 척도로서 유전 정접 (Tan delta ; tan6) 및 정전용량(Capacitance ; Cx)를 사용한다. 인가전압을 증가시킴에 따라 절연물 내의 결함에 서 부분방전이 발생하면 tan6와 Cx가 증가하는 현상으로부터, 본 연구에서는 특정전압에서의 tan6 및 Cx와 부분방전이 나타나지 않는 낮은 전압에서의 tan60 및 Co와의 차이인 △tan6(유전정접 변화율) 및 AC/Co(정전용량 증가율)를 파라 메타로 이용하였다. AtanS 및 AC/Co는 절연물의 치수, 형상에 관계없이 부분방전 등에 의한 유전손의 증가분이기 때문에 변화율이 적을수록 양호한 절연체이고, 고정자 권선 내부의 미소공극의 과다 여부 등 권선 제작공정에서의 결함유무 와 장기간 사용된 권선의 절연열화 상태를 나타낸다[9].
- 전동기 고정자 권선에 대한 부분방전 측정 회로도는 그림 5와 같고, 본 연구에서는 Haefely Trench Tettex사의 디지털 부분방전 측정기인 Partial discharge detector (Model TE571)을 이용하여 수행한 부분방전 시험으로부터 최대 부 분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV)을 측정하였다. 이때 부분방전의 정밀한 측정을 가능하게 하고 전원과 접지 등으로부터 유입되는 외부잡음의 제거를 위해서, Pana아lield 사의 Radio frequency shield system 차폐실에서 측정과 Noise-free power supply를 사용함으로서 1 [pC] 이 하의 측 정 정밀도를 가지도록 하였다.
- 7 kW)이고, 절 연등급은 최고 허용온도가 155 PC]인 F종 절연을 채택하였 고, 절연물은 Nomex를 사용하였다. 절연처리 방식에 따른 특성비교를 위해서 함침횟수를 다르게 하였고, 권선의 함침 방법을 Varnish dipping의 표준함침 (Standard impregnation; SD과 진공가압 함침 (Vacuum pressure impregnation; VPI) 의 2종류로 제작하였다.
- 함침기법을 다르게 적용하여 제작한 25개의 유도전동기 고정자 권선에 대한 교류전류, 정전용량, 유전정접, 부분방전 및 펄스 절연파괴 시험결과를 요약하여 함침기법 및 파라메 타에 따라 절연특성이 양호한 순서로 번호를 매겨 표 2에 종합적으로 나타내었다.
대상 데이터
- 고정자 권선에 사용된 Enamel wire는 도체 외경이 0.9 [mm]의 Polyester enameled wire (PEW)인 1 종 에나멜선으 로서 표준 절연두께가 0.066 [mm]이다. 그리고 슬롯내의 주 절연은 T0.
- 066 [mm]이다. 그리고 슬롯내의 주 절연은 T0.25인 Mylar-Nomex-Mylar 소재의 Slot Cell과 Nomex-Mylar-Nomex 소재의 Top Wedge 및 T0.3 Dacron -Mylar-Dacron의 Phase Insulation으로 구성되었다.
- 인버터 구동 유도전동기 고정자 권선에 대한 함침방법에 따른 절연성능을 비교하기 위하여 표 1과 같이 절연기법을 다르게 하여 총 25개의 유도전동기 고정자를 제작하였다, 전동기의 사양은 3상, 4극, 380 [V], 5 HP (3.7 kW)이고, 절 연등급은 최고 허용온도가 155 PC]인 F종 절연을 채택하였 고, 절연물은 Nomex를 사용하였다. 절연처리 방식에 따른 특성비교를 위해서 함침횟수를 다르게 하였고, 권선의 함침 방법을 Varnish dipping의 표준함침 (Standard impregnation; SD과 진공가압 함침 (Vacuum pressure impregnation; VPI) 의 2종류로 제작하였다.
성능/효과
- 바니쉬 디핑 및 가열건조 방식의 표준함침보다는 진공가 압 함침기법을 적용한 전동기의 절연특성이 우수한 것으로 나타났고, 특히 부분방전 시험결과와 펄스 절연파괴 전압이 가장 양호한 V2 전동기(진공가압 함침 2회)의 절연특성이 가장 좋다는 것을 알 수 있다. 그러나 VI 전동기(진공가압 함침 1회)의 경우에는 부분방전 개시전압(DIV) 특성이 좋지 않아서 상대적으로 낮은 전압에서 부분방전이 발생하였고, V2 전동기는 교류전류 변화율Sig] 비교적 높게 나타났다.
- 또한, S3 (표준함침 3회) 및 VI (진공가압 함침 1회) 전동기의 경우에는 1, 500 [V]에서의 최대 부분방전 크기인 Qm4가 크게 증가하였다. 그러나 전반적으로 함침종류에 관계없이 함 침횟수가 증가하면 부분방전의 크기가 작아지고, 표준함침보 다는 진공가압 함침을 적용한 전동기의 부분방전 특성이 양 호하게 나타났다.
- 그리고 스위칭 써지에 의한 펄스 절연파괴 시험결과와 부 분방전 특성이 가장 유사한 결과를 나타내어 최대 부분방전 크기(Qm)와 부분방전 개시전압(DIV)이 인버터용 전동기의 절연수명에 가장 중요한 파라메타라고 판단되고, 절연내력을 악화시키는 주된 요인인 부분방전이 10 [pC] 이상의 크기로 발생되지 않도록 하기 위해서는, 그림 10의 부분방전 개시전 압으로부터 , 유도전동기 단자에 서 의 과도전압을 1, 000 [V] 이하로 저감시켜야 할 것으로 사료된다.
- 또한, 부분방전의 크기가 저압 인버터용 전동기의 절연내 력과 가장 밀접한 관련이 있음을 증명하였고, 고정자 권선의 절연에 손상을 주지 않는 한계전압으로서 전동기 단자전압 에 대한 제한치를 제시하였다.
- 또한, 표준함침을 1 회 처리한 S1 전동기의 절연특성이 가 장 좋지 않음을 확인하였고, 함침횟수가 증가할수록 절연특 성이 대체적으로 향상됨을 볼 수 있지만, 표준함침 2회 및 3 회 처리한 S2와 S3 전동기의 절연파괴 전압은 큰 차이가 없었다. 이와 같이 절연특성 분석을 위한 파라메타의 특성 이 일치하지 않는 것은 VPI에서의 진공도, 바니쉬 건조를 위한 가열온도와 가열시간 등의 함침조건이 원인일 가능성이 크다.
- 바니쉬 디핑 및 가열건조 방식의 표준함침보다는 진공가 압 함침기법을 적용한 전동기의 절연특성이 우수한 것으로 나타났고, 특히 부분방전 시험결과와 펄스 절연파괴 전압이 가장 양호한 V2 전동기(진공가압 함침 2회)의 절연특성이 가장 좋다는 것을 알 수 있다. 그러나 VI 전동기(진공가압 함침 1회)의 경우에는 부분방전 개시전압(DIV) 특성이 좋지 않아서 상대적으로 낮은 전압에서 부분방전이 발생하였고, V2 전동기는 교류전류 변화율Sig] 비교적 높게 나타났다.
- 전력용 스위칭 소자의 급격한 발달에 의해 고주파 스위칭 운전이 가능해짐에 따라 광범위하고 연속적인 속도제어가 가능하고, 전력절감 효과가 큰 가변속 유도전동기 시스템에 사용되는 PWM 인버터의 성능이 크게 향상되었다. 그러나 고속 스위칭 속도와 더불어 향상된 PWM 기법이 인버터 구 동 유도전동기의 성능을 크게 향상시킨 반면에, 짧은 상승시 간에 의한 높은 전압상승율(dv/dt)이 전동기 고정자 권선의 절연에 치명적인 손상을 가져오는 것이 최근 큰 문제점으로 대두되고 있다.
- 그림 7의 교류전류 시험결과에서 교류전류의 변화율 All, AI2, AI3 및 AI4는 각각 1, 200 [V], 1, 300 [V], 1, 400 [V] 및 1, 500 [V]에서의 전류값을 추정하여 계산한 것을 나타낸다. 전압이 높아질수록 충전전류가 많아져 AI가 커짐을 볼 수 있고, 전반적으로 진공가압 함침(VPI) 1회 처리한 VI 전동 기의 AI가 가장 작고, 표준함침(SI) 1회 처리한 S1 전동기의 AI가 가장 큰 값을 나타내어 절연특성이 가장 좋지 않음을 볼 수 있다. VPI 2회의 V2 전동기는 1, 200 [V]와 1, 300 [V] 에서의 교류전류 변화율 All과 AI2가 S1 전동기(SI 1회)를 제외한 다른 전동기보다 더 큰 것을 볼 수 있다.
- 유전정접(tan6) 실험결과를 보여주는 그림 9에서 유전정 접 변화율 Atan61, Atan62, Atan83 및 Atan64는 각각 1, 200 [V], 1, 300 [V], 1, 400 [V] 및 1, 500 [V]에서의 tan6와 부분방 전이 나타나지 않는 600 [V]에서의 tan6o와의 차이를 나타내고 있다. 정전용량 실험결과와 유사하게 진공가압 함침으 로 제작한 전동기의 Atam6가 표준함침보다 작음을 볼 수 있고, 진공가압 함침 1회 및 2회는 Atam6의 크기가 전압에 따라 비슷하지만, 표준함침 처리한 전동기는 함침횟수가 증가 할수록 Atan6가 감소하여 절연특성이 더 좋은 것으로 나타 났다.
- 각 전동기에 대한 부분방전 개시전압의 측정결과를 보여주고 있는 그림 11에서 DIV1, DIV2 및 DIV3는 각각 최대 부분방전 크기가 10 [pC], 100 [pC], 1, 000 [pC]이 될 때의 인가전압을 나타내고 있다. 진공가압 함침 2회를 적용한 V2 전동기의 DIV가 가장 크게 측정되어 최대 부분방전 크기와 마찬가지로 가장 좋은'절연특성을 나타내었고, 표준함침 1회 처리한 S1 전동기가 가장 낮은 DIV를 나타내어 가장 낮은 전압에서 부분방전이 발생함을 알 수 있다. 나머지 전동기 는 비슷한 크기의 DIV를 나타내고 있고, 표준함침 전동기의 경우에는 전반적으로 1, 050 [V]에서부터 부분방전이 발생하 기 시작하여 전압 1, 100 [V] 이상의 전압에서 10 [pC] 정도 의 부분방전이 발생함을 확인할 수 있다.
- 그림 12는 고압 스위칭 써지전압을 고정자 권선에 인가하여 수행한 펄스 절연파괴 시험의 결과로서, 각 전동기별 절 연파괴 전압을 나타내었다. 진공가압 함침 처리한 VI 및 V2 전동기의 절연파괴 전압이 상대적으로 높은 12 [kV] 이상으로 나타났고, 표준함침 전동기의 경우에는 10 [kV] 내외에서 절연파괴가 발생되어 진공가압 함침 전동기의 절연 내력이 좋은 것을 알 수 있고, 표준 및 진공가압 함침 전동 기 모두 함침횟수를 증가시킬수록 절연파괴 전압이 높아짐을 볼 수 있다.
- 그림 8은 전동기 종류별 정전용량의 증가율을 나타낸 것 으로서, AC/Col 〜 C/Co4는 각각 인가전압 600 [V]> 기준으로 1, 200 [V], 1, 300 [V], 1, 400 [V] 및 1, 500 [V]에서의 정전용량 값의 차이를 백분율로 나타낸 것이다. 진공가압함 침으로 제작한 전동기의 AC/Co가 표준함침 전동기 보다 비교적 낮음을 볼 수 있고, 함침횟수가 많아질수록 절연특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
- 그림 10은 전동기 종류별 부분방전 크기로서, Qml, Qm2, Qm3 및 Qm4는 인가전압이 1, 200, 1, 300, 1, 400 및 1, 500 [V] 일 때 각각의 전동기별 최대 부분방전 크기를 나타내고, 전압이 높아질수록 부분방전이 커지는 전형적인 특성을 볼 수 있다. 함침기법에 따른 전동기별 최대 부분방전 크기를 분석해 보면, 진공가압 함침 2회 처리한 V2 전동기가 모든 전압에서 Qm값이 가장 작음을 볼 수 있고, 표준함침 1회인 S1 전동기의 부분방전 크기가 가장 큰 것을 알 수 있다. 또한, S3 (표준함침 3회) 및 VI (진공가압 함침 1회) 전동기의 경우에는 1, 500 [V]에서의 최대 부분방전 크기인 Qm4가 크게 증가하였다.
후속연구
- 본 연구에서 제시한 함침기법에 따른 절연성능 평가결과 와 전동기 단자전압의 제한치는 인버터 구동 저압 유도전동 기의 절연설계와 가변속 구동용 IGBT PWM 인버터의 제작 및 설치시 유용한 자료로 활용될 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.