[논문]IGBT 인버터 구동 유도전동기 고정자 권선에서의 과도전압 분포 해석

배성우; 황돈하; 김용주; 김동희; 김민회; 이인우

문제 정의

본 논문에서는 50마력 유도전동기를 대상으로 한고정자 권선의 과도전압 분포해석 기법을 소개한다. 고주파 영역에서 유도전동기의 Parameter를 산출하기 위해서 고정자 권선의 등가회로를 구성하였다.
발생시킨다. 본 논문에서는 유도전동기 고정자 권선의 불평등 전압에 의한 문제점을 해결하고자, 유한요소법을 이용하여 유도전동기의 고주파 Parameter를 산출하였고, 각 주파수별 Parameter를 이용하여 인버터, 케이블, 유도전동기로 구성된 전체 시스템에 대한 EMTP 해석을 수행하여 고정자 권선의 불평등 전압 분포를 해석한 결과를 제시하였다.

가설 설정

케이블 모델 정수의 서지 임피던스는 70(Q)으로 보고, 전파속도는 100 로 가정하에 길이 5, 10, 20, 30, 50, 100 [前에서 수행하였다. 여기서 감쇠는 무시하였다.

제안 방법

고주파 영역에서 유도전동기의 Parameter를 산출하기 위해서 고정자 권선의 등가회로를 구성하였다. 이러한 Parameter를 바탕으로 인버터 구동 유도전동기 시스템 전체의 특성을 알아보기 위해 전자기 과도해석 프로그램인 EMTP(Electromagnetic Transient Program) 해석으로 Cable 길이, 주파수, Rising Time 가변에 따른 유도전동기 고정자 권선의 전압 분포를 해석하였다.
고주파 영역에서 유도전동기의 Parameter를 산출하기 위해서 고정자 권선의 등가회로를 구성하였다. 이러한 Parameter를 바탕으로 인버터 구동 유도전동기 시스템 전체의 특성을 알아보기 위해 전자기 과도해석 프로그램인 EMTP(Electromagnetic Transient Program) 해석으로 Cable 길이, 주파수, Rising Time 가변에 따른 유도전동기 고정자 권선의 전압 분포를 해석하였다. 실험을 위해선 50마력 유도전동기의 한 상(phase)에 첫 번째 턴에서 다섯번째 턴까지 Tap을 내어 턴별, 턴-대지 간 전압 분석을 수행하였다.
이러한 Parameter를 바탕으로 인버터 구동 유도전동기 시스템 전체의 특성을 알아보기 위해 전자기 과도해석 프로그램인 EMTP(Electromagnetic Transient Program) 해석으로 Cable 길이, 주파수, Rising Time 가변에 따른 유도전동기 고정자 권선의 전압 분포를 해석하였다. 실험을 위해선 50마력 유도전동기의 한 상(phase)에 첫 번째 턴에서 다섯번째 턴까지 Tap을 내어 턴별, 턴-대지 간 전압 분석을 수행하였다.
회전자 슬롯은 알루미늄 바를 입력하여 모델링하였으며 정확한 커패시턴스 계산을 위하여 Slot cell 과 Top wedge를 같이 모델링 하였다.
유도전동기의 실험 전동기 전압 특성은 전동기의 권선과 연결된 케이블의 길이에도 영향을 받으므로 전동기의 케이블에 대한 임피던스를 전원 인가단에 결합하였다. 철심장 내에서의 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스는 PWM 전압의 주파수에 영향을 받는다.
처음 5 턴까지의 전압분포를 측정하기 위하여 탭 인출 리드선은 48개의 코일 중 U상 첫 번째 코일의 리드 인출 부에서 5번째 턴까지 그림 6과 같이 탭을 인출하였으며, 1번부터 5번까지 확인이 될 수 있도록 번호로 표기하였다. 또한, 코일에 대한 전압 분포를 확인하기 위하여 첫번째 코일과 두 번째 코일에 각각 탭 E1과 E2를 두었다.
인버터의 인가전압이 450 [V], 상승시간이 150, 300, 400 [ns] 이고 케이블 길이가 5, 20, 30, 50, 100 [m] 인 경우에 대해서 실험을 수행하였다. 또한, PWM 전압의 주파수가 5, 8, 12, 15, 20 [kHz]에 대하여 턴-대지 간 전압, 턴별 전압을 수행하였다.
또한, PWM 전압의 주파수가 5, 8, 12, 15, 20 [kHz]에 대하여 턴-대지 간 전압, 턴별 전압을 수행하였다.
즉, 턴-대지간 전압의 클 경우 권선에서는 절연 파괴에 의한 전동기 권선의 손상이 발생할 수 있다. 이때, 턴-대지 간 전압은 PWM 전압의 주파수, 상승시간, 케이블 길이에 따라서 측정하였다.
고정자 권선의 전압분포 실험을 위하여 한 상의첫 번째 턴에서 다섯 번째 턴까지 탭을 낸 유도전동기를 제작하여 각 턴에서의 전압 분포를 측정하였고, 시뮬레이션의 결과와 유사함을 확인하였다.
등가 펄스 전압 원의 크기는 단일 스텝 펄스로써 450(V)를, 상승시간은 150, 300, 400 [ns]를 인가하였다. 케이블 모델 정수의 서지 임피던스는 70(Q)으로 보고, 전파속도는 100 로 가정하에 길이 5, 10, 20, 30, 50, 100 [前에서 수행하였다.

대상 데이터

프로그램인 Maxwell 2D를 사용하였다. 그림 1 과 같이 고정자 슬롯의 48개 중 1개를 모델링하였고, 고정자 슬롯 내부에는 동 선경 1.2 [mm]x3 가닥 소선과 1.1 [mm]xl 가닥 소선이 병렬 연결되어있고 총 4개 병렬연결), 이와 동일한 것이 병렬로 연결되어 2층권으로 구성된 전동기으I'한 슬롯 내부에는 총 96개의 도체가 존재한다.

데이터처리

50마력, 380 [V] PWM 인버터구동 유도전동기의 고정자 권선의 Parameter를 산출하기 위해 FEM 해석 프로그램인 Maxwell 2D를 사용하였다. 그림 1 과 같이 고정자 슬롯의 48개 중 1개를 모델링하였고, 고정자 슬롯 내부에는 동 선경 1.

성능/효과

반면에, PWM 전압의 상승 시간이 증가할수록 턴 1에서의 전압은 대체로 감소하고 있음을 알 수 있다. 이 실험 결과로부터 대부분의 전압 스트레스는인가 전원이 연결되어 있는 유도전동기 고정자 권선의 첫 번째 코일 그룹의 최초 첫 번째 턴에서 가장 심하게 발생하고 있음을 보여 준다.
따라서, 케이블 길이가 길어질수록, PWM 전압의 주파수가 증가할수록 전압 스트레스를 방지하기 위해서는 인버터 출력 전압(Inverter output voltatge)의 상승 시간을 적절히 길게 가져가거나, 전압 스트레스를 가장 심하게 받고 있는 첫 번째 턴에 대하여 특별한 절연 처리를 시행하면 절연파괴에 상당한 효과가 있을 것으로 사료된다.
상승시간이 빠를수록, 인버터 출력에서 전동기 입력단에의 Cable 길이가 길수록, 또한 고 주파수일수록 높은전압 상승률(dv/dt)이 유도되었다. 특히 도체의 첫번째 턴에서 인버터 출력의 약 1.
상승시간이 빠를수록, 인버터 출력에서 전동기 입력단에의 Cable 길이가 길수록, 또한 고 주파수일수록 높은전압 상승률(dv/dt)이 유도되었다. 특히 도체의 첫번째 턴에서 인버터 출력의 약 1.2배 정도의 높은 Overvoltage가 유기되고 나머지 턴에는 큰 영향이 없음 확인하였다. 따라서 고정자 권선 첫 번째 코일의 절연강화를 위해 첫 번째 턴에 대한 절연보강을 반드시 해야 할 것으로 사료된다.

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