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제품정보 > 임펄스 시험기

인버터 구동 모터의 빛과 그림자: 고효율화와 부분 방전(ST4200)

요약

인버터 구동 모터는 제어 회로와 모터를 결합한 시스템입니다. 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원을 고속 스위칭으로 제어하여 모터의 속도나 전류 등을 조절합니다. 상용 전원으로 구동하는 모터보다 에너지 효율이 우수하다는 것이 특징입니다. 에너지 효율이 요구되는 현재, 가전제품, 차량 등 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

 

그러나 인버터의 고속 스위칭 제어는 모터에 전기적 부하를 가하여 열화를 진행시킬 우려가 있습니다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 인버터의 고속 스위칭 동작에 의해 서지가 발생합니다. 또한 이 인버터 서지는 인버터 구동 전압의 약 2배에 달하는 전압에 이를 수도 있습니다. 모터 권선 사이에 고전압이 순간적으로 가해지면, 특정 전압을 초과할 경우 권선 피복 표면에서 방전이 발생합니다. 이를 부분 방전이라고 합니다.

 

그림 1 고속 스위칭에 의한 서지 발생

 

부분 방전은 왜 일어날까?

그림 2에 표시된 바와 같이, 인버터 구동 모터의 기본 요소에는 로터(회전자)와 스테이터(고정자)가 있습니다. 스테이터는 스테이터 코어에 권선이 삽입되어 성형됩니다. 권선의 도체는 에나멜 피복으로 덮여 있으며, 선끼리는 절연되어 있습니다. 모터 생산 단계에서 몇 회전 권선된 도체는 절연지로 스테이터 코어와 절연됩니다. 제조 과정에서의 절연지 이탈이나 파손, 피막 파손이나 찌그러짐에 의한 선 간 접촉, 더 나아가 권선과 고정자 코어 간의 접촉 등으로 인해 절연성이 저하되어 부분 방전이 발생하는 요인이 됩니다. 절연층 내의 보이드(절연 물질이 국소적으로 기포나 불순물 등으로 결손된 부위)나 도체에 생긴 흠집도 부분 방전이 발생하는 요인으로 생각됩니다.

그림 2 인버터 구동 모터의 일반적인 구조

 

부분 방전의 위험성

전기 자동차를 대표로 하는 고전압 인버터 구동 모터에서는 부분 방전 발생 위험이 높아집니다. 일반적으로 적절한 절연이 되지 않은 권선에 약 350V를 초과하는 전압이 가해지면 부분 방전이 발생한다고 알려져 있습니다. 이는 인버터 구동 모터뿐만 아니라 고전압 산업용 모터 등도 부분 방전 위험이 있음을 의미합니다. 모터 권선 내에 절연성이 저하된 부분이 존재하면 부분 방전이 발생하며, 이것이 장기간 반복적으로 발생함으로써 절연 열화가 진행됩니다. 이러한 부분 방전에 의한 절연 열화가 단락이나 절연 파괴로 인한 중대한 사고(발화 등)로 이어지는 원인이 됩니다.

 

부분 방전을 검출하려면?

부분 방전은 부분 방전 시험으로 검출할 수 있습니다. 부분 방전 시험에는 표 1에 나타낸 바와 같이 두 종류의 시험이 있습니다. 각 시험은 발견할 수 있는 절연 불량 위치가 다르므로, 두 시험 모두 실시하는 것이 중요합니다.

 

표 1 부분 방전 시험의 종류

 

시험종류

설명        

목적

교류

부분방전(ACPD) 시험

교류 전압을 사용하는 부분 방전 시험. 50Hz 또는 60Hz의 고전압원(내전압 시험기)을 사용하므로, 임펄스 PD 시험에 비해 장시간 고전압을 DUT에 인가할 수 있습니다. 이로 인해 상간(Phase to Phase) 또는 권선과 고정자 코어 간(Phase to Core)에서의 부분 방전 검출에 적합합니다. 다만, 동일 상 내 권선 간 방전 검출(Turn to Turn)은 어렵고, 중성점 연결 후에는 고정자 코어 간(Phase to Core)에서만 시험이 가능합니다.내부 방전, 표면 방전, 이물질 혼입을 확인하기 위한 시험

임펄스 

부분방전

(임펄스 PD) 시험

임펄스 전압을 이용한 임펄스 부분 방전 시험. 중성점 연결 여부와 관계없이, 상간(Phase to Phase), 권선과 고정자 코어 간(Phase to Core), 동일 상 내 권선 간(Turn to Turn)의 모든 위치에서 시험이 가능합니다. 특히, AC PD 시험에서 어려운 동일 상 내 권선 간(Turn to Turn)에서의 방전 검출도 가능하므로, 권선 내의 미세한 불량 검출에 적합합니다.인버터 서지 전압에 대한 내성 확인 시험

 

부분 방전은 다음 위치에서 발생합니다:

1. 동일 상 내의 선 사이에서 발생하는 전압 차에 의한 방전 (Turn to Turn)

2. 서로 다른 상 사이의 선 접촉에 의한 방전 (Phase to Phase)

3. 선과 고정자 코어 사이의 접촉에 의한 방전 (Phase to Core)

 

기존 인버터 구동 모터 제조 라인에서는 전기적 열화 요인을 검출하기 위해 절연 저항 시험, 내전압 시험, 임펄스 시험(레이어 쇼트/레어 쇼트 시험) 등을 수행해 왔습니다. 내전압 시험이나 임펄스 시험은 이미 절연 파괴가 발생한 불량품을 발견할 수는 있지만, 절연 파괴에 이르기 전의 경미한 절연 불량에 의한 미약한 방전을 검출할 수는 없습니다. 따라서 기존 시험에 더해 고정밀 방전 검출 성능을 가진 부분 방전 검출기가 필요합니다. 부분 방전 시험을 통해 절연 파괴에 이르기 전의 잠재적 불량을 검출함으로써 모터의 품질과 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.