전기기기나 산업용 모터 등은 에너지 절약 추진 및 소형 고성능화 요구에 따라 저전류, 고전압화 대응을 계속 하고 있다. 특히 공작기(工作機) 및 산업기기에 사용되는 중 · 대출력 타입의 서보모터(모터출력 1~50㎾)는 구동전압이 기존의 200V에서 400~500V가 되고 있다. 그리고 이러한 기기용 모터는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터 제어에 의해 구동되지만, 최근에는 스위칭 소자로서 고전압 · 대전류의 GTO(Gate Turn Off Thyristor) 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이 개발되어 폭넓게 적용되고 있다. 이러한 PWM 인버터 제어를 실시할 경우 적용 전류를 일단 직류로 정류(整流)해 스위칭 하지만, 이때 인버터와 모터사이의 배선 인덕턴스와 배선 간의 부유전기 용량에 따라서는 LC 공진회로에서 생긴 전압이 중첩된다. 이 경우 인버터 출력전압과 비교해 모터의 입력단자전압 피크가 높아지는 현상(서지(Surge))이 발생한다. 스위칭 소자 IGBT를 사용한 경우 파형의 발생 시간이 짧고, 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Transistor)를 사용한 때보다 단자전압이 높아진다(<그림 1> 참조). 이는 인버터 출력전압이 600V인 경우 모터 단자전압이 배선 길이에 따라서는 1,000V를 넘는 경우가 있음을 의미한다. 이처럼 고전압이 짧은 주기로 반복해 모터 단자에 침입해 오면 모터 절연 시스템에 중대한 영향을 미친다. 절연 시스템 구성 재료의 하나인 권선에 대해서도 서지전압이 절연피막에 미치는 영향이 크다는 것이 예상된다. 고전압 구동 모터에 적용된 경우 주기적으로 부분방전이 발생하는 조건에 놓인다. 이 상황에서는 권선과 권선 간의 미소(微小) 공간에서 발생하는 외부 코로나에 의해 절연열화가 촉진될 우려가 있다. 이러한 부분방전을 발생시키지 않고 권선의, 소위 무한 수명을 확보하기 위해 모터 제조사는 ⑴ 인버터의 출력 측에 서지전압을 제어하기 위한 필터를 갖추고, ⑵ 권선을 포함한 절연재료의 두께를 확보해 부분방전 개시전압을 높이는 일을 하고있다.
한편 권선 제조사는 재료에 관한 대책으로, 혹 부분방전이 일어난 경우에도 절연재료의 열화 속도를 저감하고 수명을 늘이는 일(이른바 유한 수명)이 검토되고 있다. 또한 현재 이러한 용도의 전선 평가 방법이 IEC 전문위원회에서 책정을 위한 모색이 계속되고 있다. 본고에서는 현재 일반적인 모터에 사용되고 있는 기존 권선과 향후 주류가 될 것으로 예상되는 인버터용 권선 쌍방에 관해 부분방전 하에서의 절연피막 열화 메커니즘 해석을 하고, 주로 절연피막의 감모(減耗) 속도에 착안한 서지전압 하에서의 수명 예측에 대해서 해설한다.
절연피막 설계 고찰 (내인버터 서지성)
권선으로의 내인버터 서지성 부여를 위해서는 크게 나눠 두 가지 고찰이 있다. 하나는 부분방전 개시전압을 높이는 방법, 다른 하나는 부분방전에 내성이 있는 절연재료를 사용해 서지로 인한 부분방전이 발생하더라도 수명을 길게 하는 방법이다. 여기서는 이러한 방법에 대해 상세히 논하고자 한다.
1. 부분방전 개시전압을 높이다 절연피막의 부분방전 개시전압 V가 피막 두께에 비례해 커지는 것은 실험 및 이론 설계에서 확인되고 있는 것이다. Dakin 등은 시트 상의 유전체(절연물)를 원기둥형 전극에 끼워 부분방전 개시전압을 측정한 실험에서 다음에 제시된 실험식 ⑴을 제창하고 있다.
여기서 t : 절연피막 두께, ε: 피막 유전율을 나타낸다. 이 실험식은 전선을 부합시킨 트위스트 페어시료에도 적용이 가능한 것으로 알려져 있다. 부분 방전 개시전압을 높이는 방법으로는 절연피막의 두께를 가능한 한 두껍게 할 것, 절연피막의 유전율을 낮추는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러나 모터용 권선의 경우, 모터의 소형화 · 고출력화를 위해 철심 공극(空隙)에서의 권선 점적율(占積겂)을 키울 필요가 있으며, 현재로서 피막 두께는 지름 1.0㎜ 전후의 에나멜선으로 30~40㎛ 정도가 아주 얇은 것으로 되어 있다. 따라서 피막 두께를 두껍게 함으로써 부분 개시방전을 높이는 방법에는 한계가 있다. 또한 피막의 저유전율화도 피막을 구성하는 수지재료가 내열성 등 여러 특성으로 부터 제한되어 한계가 있다. 이러한 제한에서 부분방전 개시전압을 높이고 무한 수명에 가깝도록 하는 방법을 모색하는 일은 현시점에서는 대단히 어려운 과제이다.
2. 부분방전에 내성이 있는 절연재료 사용 현재 모터 설계에서는 앞에서 논한 대로 권선의 점적율을 크게 하는 일이 이루어지고 있다. 이 코일가공은 전선에 강한 신장(伸長)이나 구부림 등 무리한 가공으로 전선에 심한 스트레스가 가해진 경우 전선피막에 크랙(Crack)이 생기는 등 절연성능이 저하되는 문제가 있었다. 보통 에나멜선에서는 내가공성 등 향상 대책이 이루어지고 있어 이러한 절연성능 저하는 점점 해결해 가고 있는 추세다. 내인버터 서지성 발현을 위한 두 번째 방법으로, 부분방전에 내성이 있는 절연재료의 사용은 서지에 의한 부분방전이 발생하더라도 수명을 늘리는 방법이다. 이는 유기재료인 에나멜 수지에 금속산화물 미립자를 첨가함으로써 내인버터 서지성을 부여하는 방법으로, 이전부터 보고되고 있는 것이다. 그러나 에나멜 수지에 금속산화물 미립자를 단순히 첨가하는 것만으로는 앞에서 말한 혹독한 코일가공에 견딜 수 있는 피막을 작성할 수 없었지만, 나노 스케일의 무기물을 유기 절연재료 안에 균일하게 분산시키는 기술이 확립됨에 따라 권선의 절연피막 코일 가공성이 큰 폭으로 개선되어 최근 혹독한 코일 가공에도 충분히 견딜 수 있게 됐다.
3. 권선 제조사 동향 유럽의 권선 제조사에서는 1990년대부터 부분방전 하에서의 절연재료 건전성에 관한 연구개발이 행해져 왔으며, 일부 제조사에서 시판되고 있다. 또한 마찬가지로 북아메리카의 권선 제조사에서도 산업용 모터 적용을 위한 상품이 시판되고 있다. 최근 일본에서도 이러한 개발과 관련된 보고가 많아지고 있다. 또한 같은 나노 스케일의 무기물 배합에서도 그 형상에 착안해 부분방전 하에서 절연재료의 열화 속도를 저감시킨 예도 있다. 이 인용례에서는 절연수지 안에 발생하는 전기트리가 분기(分岐)를 반복해 그 진전 속도를 완화시키는 것으로 보고되고 있다. 이처럼 부분방전 하에서 절연재료의 열화 속도를 저감시키는 검토가 각 회사에 의해 이루어지고 있으며, 점차 그 열화 메커니즘에 관해서도 해명되고 있지만 아직 충분하지는 않다. 다음으로 두 번째 방법인 내부분방전 열화성을 가진 절연층, 즉 에나멜 수지에 무기입자를 특수한 처리 방법에 의해 분산시킨 내인버터 서지층을 가진 에나멜선의 특성에 관해 논한다.
내인버터 서지 전선의 특성
이번에 비교한 전선 샘플의 피막 구성을 <표 1>에 나타냈다. 모터의 권선 상태를 모의하기 위해 JISC 3003 및 IEC 60851-5에 규정된 대로 2가닥의 전선을 서로 꼰 트위스트 페어 시료로 평가했다.
1. 부분방전 개시전압 에나멜선의 부분방전 개시전압은 피막 두께에 의존하지만, 재질에 의한 효과를 조사하기 위해서 <표 1>의 두 전선을 비교했다. 내인버터 서지 전선의 부분방전 개시전압은 보통 전선과 거의 같은 수준이며, 내부분방전 수지 사용에 의한 저하 등은 보이지 않는다(<표 2> 참조). 이것은 앞에 논한 부분방전 개시전압을 높이기 위한 일이지만, 단순히 절연수지의 구성이나 재질의 선정만으로는 달성할 수 없다.
2. 고주파 특성 평가 실제 모터에서 사용되는 인버터 주파수 영역에 관계하는 고주파 특성에 관해 측정을 실시했다.모터 편성 시 전선이 늘어나거나 슬롯 삽입에 의한 변형 등 기계적 스트레스를 모의하는 데는 전선을 신장시킨 후 평가하는 방법이 있다. 이번에는도체 파단(破斷)에서 약 반 정도인 20% 신장 후의 전선을 서로 꼰 트위스트 조각을 시험 조각으로 했다.
⑴ 정현파 수명 특성
부분방전 하에서 절연피막 내성을 용이하게 평가하는 방법으로 주파수 10㎑의 정현파를 인가해 절연파괴에 이르기까지의 시간(수명 시간)을 비교했다. 보통 전선 및 내인버터 서지 전선에 대해 부분방전 개시전압 이상의 전압을 인가해 측정한 예를 <그림 3>에 나타냈다. 내인버터 서지 전선은 보통 전선과 비교해 인가전압이 1.5㎸인 경우, 수명이 약 100배가 됐다. 피막두께 및 부분방전 개시전압이 거의 같음에도 불구하고 수명이 큰 폭으로 향상된 요인으로 부분방전 열화에 의한 절연피막의 감모 속도 차이를들수있다. 또한 같은 샘플을 절연피막 두께를 바꿔 작성해수명 시간을 비교한 결과(<그림 4> 참조)에서는 인가전압이 낮으면 수명이 길어지는 경향을 나타내고 있다. 특히 피막 두께가 두꺼워짐에 따라 그 수명이 현저히 길어지는 경향을 보이고 있다.
⑵ 인버터 수명 특성
IEC 62068-1에서는 반복 임펄스의 하전(荷電)수명으로서 이른바 V-n 특성을 추천하지만, 이번 평가에서는 실제 인버터를 모의한 시스템으로 비교했다(<표 3> 참조). 인버터 수명 평가는 시중에 판매하고 있는 산업용 인버터를 사용해 인버터 출력 단자와 트위스트 조각 사이에 약 100m의 케이블을 두고 절연파괴에 이르기까지의 시간(수명)을 측정했다(시험 당시 트위스트 조각 사이에 인가한 전압은 최대 1.5㎸). 같은 20% 신장 후의 트위스트 조각에 대해서도 향상이 보임을 알 수 있으며, 염려됐던 코일 가공에서 기계적 스트레스가 가해진 경우에도 내인버터 서지 특성은 유지됨을 확인할 수 있었다.
⑶ 내부분방전 수지 조성의 수명 특성 단기 판정법
모터용 권선으로서 균형 잡힌 전선으로 하기 위해 절연피막을 다층화 해 각각의 층에 도체 밀착성, 내부분방전성, 내상성(耐傷性) 등의 특성에 우수한 재료를 배치해 역할 분담을 시키는 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 여기서는 주로 내부분방전성을 맡고 있는 수지 조성물 그 자체의 고주파 통전 시 수 명 예측에 관해 논한다.
일반적으로 수명 시간 판정은 통전하고 나서 절연파괴에 이르기까지 긴 시간을 필요로 한다. 그러나 제품 개발 속도 향상을 위해 수명 판정은 가능한 단시간에 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때문에 보통은 가속적인 판정 방법을 이용해 평가하는 경우가 있다. 일례로 내부분방전 절연수지의 실력 평가를 위해 행한 실험을 소개한다. 절연수지 그 자체의 내부분방전성을 평가하기 위해 보통 복수(複겤)의 수지 조성으로 구성한 절연피막을 한 종류의 내부분방전 조성 수지(금속산화물 미립자 첨가 폴리아미도 이미도계 수지)만으로 해피막 두께 25~45㎛의 전선을 작성했다. 각각의 전선의 20% 신장 트위스트 조각에 10㎑ 정현파를 통전해 인가전압과 절연피막의 감모 두께(초기 피막두께에서의 변화)를 조사했다. 그 결과를 양(겱) 로그로 과전 시간에 대해 플롯하면 거의 동일한 직선이 됨을 알 수 있다(<그림 5> 참조). 실제로는 각각의 피막 두께 샘플에 대해 부분방전 개시전압이 다르기 때문에 최대 인가전압보다 정현파 통전 기간 중 부분방전 개시전압 이상의 전압에 노출되는 시간은 다르다. 그러나 이 실험에서 최대인 가전압은 부분방전 개시전압의 수 배 전압이 걸리며, 피막은 거의 항상 방전에 수반하는 침식에 노출된다. 때문에 전압, 피막 두께 차이를 이 실험에서는 무시할 수 있다. <그림 5>와 같은 플롯은 내부분방전 피막의 재료조성에 고유한 것으로 여겨지며, 소정의 수명을 발현시키기 위해서 필요한 피막 두께를 어림잡을 때에도 유용한 것으로 보인다.
마무리
⑴ 인버터용 권선에서의 내부분방전성의 강화책으로 부분방전 개시전압을 높이는 방법은 피막 두께 및 구성 재료의 제한으로 인해 한계가 있으며, 방전에 의한 열화내성에 뛰어난 절연피막을 개발해 사용할 필요가 있다. ⑵ 전선의 수명 평가로서 고주파 통전 시험에 의한 평가가 유용하다.
⑶ 방전에 의한 열화내성에 뛰어난 절연피막 개발에 유용한 수명 가속 판정 방법의 일례를 소개했다. 한편 본고에서는 고주파 특성 평가에서 정현파로 실험했지만, 서두에서 논한 것처럼 PWM 제어로 이용된 펄스 파형의 각 요소(주파수, 펄스 폭, 발생 시간, 소멸 시간 등)와 전선 특성 및 절연재료와의 관계해명을 앞으로 지속적으로 해 나갈 필요가 있다.
스위칭 소자(Switching Element) 접점을 쓰지 않고 회로의 개폐 기능을 갖는 부품의 총칭이다. 원리적으로는 여러 종류가 있으나 실용되고 있는 것은 트랜지스터나 사이리스터 등의 반도체 제품이다.
GTO 사이리스터(Gate Turn Off Thyristor) 통상의 사이리스터와 기본적으로 같은 구조이지만, 사이리스터에서는 턴오프 시키기 위해 양극 전류를 보조전류 장치 또는 회로에 의해 다른 곳으로 옮길 필요가 있는 데 비해 게이트에 음전류를 흘려보냄으로써 턴오프 할 수 있는 사이리스터이다. 개폐 동작이 빨라서 주로 직류의 개폐에 사용된다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT 모듈은 입력부(Gate)의 임피던스가 FET와 마찬가지로 무한대에 가깝고 출력 C-E 간은 트랜지스터의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자이다. 현재 인버터 등에 가장 많이 사용되는 소자이며, 드라이브 또한 간단하게 구동이 가능하므로 개발하는 입장에서는 사용하기 편한 반도체 소자라고 볼 수 있다. 현재 모듈식으로 많이 보급되고 있는 제품의 용량은 50A 600V에서부터 400A이며 인버터의 구동 DC 전압에 따라 1,200V 내압의 제품도 사용되고 있다.
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