전기 모터 드라이브는 전기 모터에 가변 주파수 출력을 제공하여 냉난방, 환기, 펌프, 압축기, 엘리베이터와 같은 산업용 부하와 컨베이어 벨트, 광산, 제지 장비와 같은 공장 자동화 부하를 구동하는 전기 시스템입니다.
산업 환경의 전기 모터 드라이브에는 고온 및 고습도, AC 전원선 변동, 기계적 과부하와 같은 조건이 발생합니다. 사용자는 높은 효율성과 안정성을 요구하는 추세입니다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 전력 반도체 장치의 스위칭 속도는 지속적으로 증가하고 있으며, 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 넓은 밴드갭 기술의 채택이 늘어나면서 더 빠른 스위칭 속도를 구현할 수 있습니다. 더 높은 스위칭 속도와 더 높은 시스템 안정성에 대한 필요성이 증가함에 따라 최신 모터 드라이브 시스템은 산업용 장비 다운타임을 최소화하기 위해 여러 고장 이벤트로부터 감지하고 보호해야 합니다.
이 문서에서 다양한 오류 이벤트의 우선 순위 수준과 영향, 그리고 그러한 오류를 감지해 모터-드라이브 회로에 대한 손상을 방지하는 방법에 대해 설명하겠습니다.
그림 1에서 보듯이, 전기 모터 구동 시스템은 AC 주전원에서 전력을 가져와 DC 전압으로 정류한 다음 복잡한 피드백 제어 알고리즘을 통해 부하 수요에 따라 다양한 크기와 주파수로 DC를 다시 AC로 반전합니다.
모터 드라이브 시스템에는 일반적으로 "고전압" 도메인과 "저전압" 도메인의 두 가지 전압 도메인이 있습니다. 일반적으로 저전압 영역에서 마이크로 컨트롤러 또는 디지털 신호 프로세서는 3상 IGBT 전력계에서 피드백 신호(전압, 전류, 온도 등)를 수신하고 전원 스위칭 트랜지스터 및 다른 고압측 전원 회로를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 생성합니다. 이러한 시스템은 저전압 회로에서 고전압 회로를 격리하기 위한 탄력적이고 안정적인 갈바닉 절연이 필요합니다. 절연 아키텍처를 사용하면 모터 드라이브 시스템의 안정적인 작동을 가능하게 하여 고전압 및 저전압 회로 사이의 접지 루프를 파손하여 비용이 많이 드는 회로의 손상을 방지하고 고전압으로부터 운영자를 보호할 수 있습니다.
전기 모터 드라이브는 여러 전기적 고장 이벤트에 취약합니다. 그림 2에서 보듯이 관통 오류는 인접 전원 스위칭 트랜지스터 1과 2를 실수로 동시에 켜는 경우 발생합니다. 이 오류는 전자기 간섭, 스위칭 트랜지스터를 제어하는 마이크로컨트롤러의 오작동, 간단히 마모된 스위칭 트랜지스터 등의 여러 가지 이유로 인해 발생할 수 있습니다. 이 고장은 DC 링크 콘덴서를 단락시키고 치명적인 고장을 일으켜 과도한 가열, 화재 또는 폭발의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 관통 고장을 감지하고 전원 스위칭 트랜지스터를 매우 빠르게 끄는 등의 시정 조치를 취해야 합니다.
그림 3에 나와 있는 것처럼 모터 케이블, 모터 케이스 또는 모터 권선이 접지 측에 단락될 때 접지 고장이 발생합니다. 이러한 접지 단락은 장시간 동안 온도 또는 전압의 오버스트레스 조건에 의해 발생하는 절연의 유전체 강도 저하로 인해 발생할 수 있습니다. 오래된 모터와 케이블은 접지 결함 이벤트에 더 취약하므로 작업자가 감전 위험에 처할 수 있습니다. 따라서 접지 고장에는 모터 재감기 또는 교체와 같은 감지 및 시정 조치가 필요합니다.
그림 4에 나와 있는 것처럼 스테이터의 두 위상 권선 사이에 절연 고장이 발생할 경우 위상 간 단락 고장이 발생합니다. 이러한 위상 대 위상 단락은 장시간 동안 온도 또는 전압의 오버스트레스 조건에 의해 발생하는 절연의 유전체 강도 저하로 인해 발생할 수 있다. 이렇게 짧을 경우 스테이터 전류가 크게 증가하므로 전력계의 IGBT가 손상될 수 있습니다. 오래된 모터와 케이블은 위상 간 단락에 더 취약합니다. 접지 고장과 마찬가지로, 위상 간 고장에는 모터 재감기 또는 교체와 같은 감지 및 시정 조치가 필요합니다.
과열은 여러 가지 이유로 발생합니다. 브레이크 작동 중 모터에서 DC 링크 레일로 역주입, AC 전원 비정상 회로 부하의 조정 불량, 배선 오류 및 절연 오류 등 여러 가지 이유가 있습니다. 과전압으로 인해 전압 과스트레스와 과도한 전류가 발생하여 DC 링크 커패시터와 IGBT에 손상을 줄 수 있고, 전기 절연체가 손상되고, 모터 드라이브 시스템의 수명이 단축될 수 있습니다. 관통, 접지 고장 및 위상 간 단락을 중단하거나 줄이고 과도 과전압 상태를 방지하여 IGBT를 통해 열 에너지를 제한하는 것이 매우 중요합니다.