6kV 고압 인버터의 트리핑 방지

고압 인버터는 교류 모터 속도 제어에 중요한 장치로, 리프팅, 금속, 석유, 발전 등 고출력, 고전압 모터 속도 조절에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 6kV 고압 인버터는 전력망 변동이나 부하 충격과 같은 요인으로 인해 운전 중 비정상적인 드라이브 트리핑 결함이 자주 발생하여 모터 속도 제어 시스템의 안전성과 신뢰성에 크게 영향을 미칩니다.

고압 가변 주파수 드라이브(VFD) 시스템의 안정적인 작동을 보장하고 산업 효율성을 향상시키며 에너지 소비를 줄이기 위해 정부는 고압 인버터 기술의 연구와 적용을 장려하는 일련의 정책을 도입했습니다. 따라서 6kV 고압 인버터의 비정상적인 트리핑 결함 원인 분석 및 효과적인 예방 조치 개발은 고압 VFD 기술 발전과 산업 경제 성장을 지속하는 데 매우 중요합니다.

1 6kV 고압 인버터 개요

6kV 고압 인버터는 IGBT를 스위칭 요소로 사용하고 다단계 위상 구조를 통해 6kV 이상에서 가변 주파수 속도 제어를 달성하는 고출력 전력 전자 장치입니다. 전력 유닛은 일반적으로 3단 중성점 클램핑(3L-NPC) 또는 5단 활성 중성점 클램핑(5L-ANPC) 회로를 채택하며, 여러 하위 모듈을 병렬로 연결하여 구성됩니다. 각 하위 모듈은 6~24개의 IGBT와 자유 회로 다이오드를 포함하며, 필터링 후 사인파에 근접하는 9~17단계의 계단형 파형을 생성합니다.

대표적인 용량 범위는 3000kVA부터 14,000kVA까지이며, 전압 수준은 6kV, 10kV, 35kV를 포함합니다. 더 큰 용량과 전압 요구사항을 위해서는 모듈식 다단계 컨버터(MMC) 위상을 사용할 수 있으며, 하위 모듈은 반다리 다리 또는 완전 다리 구조를 채택하여 각 상당 100개 이상의 하위 모듈을 쌓아 220kV까지의 전압 수준과 최대 400MVA의 단일 장치 용량을 가능하게 합니다. 이는 재생 가능 에너지 그리드 통합, 해상 풍력, 유연한 직류 송전 등에 적합합니다. 고압 인버터의 제어 전략은 복잡하며, 캐리어 위상 이동 변조, 전류 균형, 센서 없는 감지, 필드 약화 최적화와 같은 핵심 기술이 포함됩니다.

2 6kV 고압 인버터의 비정상적인 드라이브 트리핑 결함

운전 중 6kV 고압 인버터는 과전류, 과전압, 과열과 같은 비정상적인 상태로 인해 자주 트립됩니다. 과전류 결함은 주로 시작 시나 갑작스러운 부하 변화 시 발생하며, 순간 전류가 정격 값의 2~3배를 초과할 수 있습니다. 만약 1600A 이상의 전류가 100ms 이상 지속되거나 2000A 이상의 전류가 10ms 이상 지속되면 인버터는 즉시 IGBT를 차단하고 출력 접촉기를 분리하여 하드웨어 보호 트립을 유발합니다.

과전압 결함은 주로 전력망 변동이나 갑작스러운 부하 변화로 인해 발생합니다. DC 버스 전압이 정격 값(1368V)의 1.2배를 초과하면 소프트웨어 과전압 보호가 활성화되고, 1.35배(1026V)를 초과하면 하드웨어 보호가 직접 트립됩니다. 과열 결함은 고온 환경이나 장시간 과부하 작동 시 주로 발생합니다. IGBT 온도가 90°C 이상이거나 히트싱크 온도가 70°C 이상 5분 이상 지속되면 시스템은 고온 경고를 발령하며, 각각 100°C 또는 80°C에 도달하면 직접 트립됩니다. 이러한 세 가지 결함 유형의 공통 특징은 인버터의 자체 보호 메커니즘이 활성화되어 IGBT를 차단하고 접촉기를 분리하여 출력을 빠르게 차단하여 모터 긴급 정지와 플래시 알람 현상을 유발하는 것입니다.

3 예방 조치
3.1 전류 제한 저항

과전류 결함을 해결하기 위해 인버터 출력과 모터 사이에 전류 제한 저항을 직렬로 연결할 수 있습니다. 현장 측정 결과, 6kV/1500kVA 인버터가 380kW 이상의 모터를 시작할 때 순간 시작 전류가 정격 전류의 5~8배에 달해 과전류 보호 설정을 크게 초과하는 것으로 나타났습니다.

시작 전류를 억제하기 위해 1~3Ω 저항과 200~500W 정격 전력을 가진 선박 저항 또는 비선형 산화 아연 변저기를 사용할 수 있습니다. 후자는 전류 증가에 따라 빠르게 감소하며, 차가울 때 저항이 100Ω 이상이며, 피크 시작 전류를 정격 값의 2~3배 이내로 제한합니다. 모터 시작 후 인버터 출력 주파수가 40Hz를 초과하고 전류가 정격 값 아래로 떨어지면 저항의 전압 강하가 50V 미만이 됩니다.

이 시점에서 바이패스 접촉기가 저항을 단락하여 지속적인 전력 손실을 방지합니다. 만약 시작 시 전류가 급증하면, 전류 변압기가 1200A를 초과하는 값을 감지하면 제어 시스템이 경고를 발령하고, 1500A에 도달하면 인버터가 즉시 IGBT를 차단하고 바이패스 접촉기를 열어 전류 제한 저항을 다시 삽입하여 전류를 빠르게 감소시킵니다. 이후 바이패스 접촉기가 다시 닫혀 정상 작동을 회복합니다. 전체 스위칭 과정은 0.5초 미만으로, 전류 첨두를 효과적으로 억제하여 모터 시작을 매끄럽게 하고 인버터의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

3.2 전압 클램핑 회로

과전압 결함을 억제하기 위해 DC 버스에 병렬로 전압 클램핑 회로를 연결할 수 있습니다. 이 회로는 주로 금속 산화물 변저기(MOV), 고속 트랜지스터(GTO), 검출 회로로 구성됩니다. 현장 데이터에 따르면, 소프트웨어 과전압 보호는 전력망 전압 변동이 15% 이상이거나 부하 감소로 인해 DC 버스 전압이 1300V를 20ms 이상 초과할 때 활성화됩니다.

이런 결함을 방지하기 위해 TYN-20/141 MOV를 사용할 수 있으며, 이는 1420V의 트리거 전압, 20kA의 최대 방전 전류, 8800J의 에너지 흡수 용량을 가집니다. 버스 전압이 1350V를 초과하면 MOV가 전도를 시작하여 초과 에너지를 흡수하며, 전압이 1400V로 상승하면 GTO가 트리거되어 과전압 에너지를 저항으로 빠르게 분산하여 전압을 안전한 수준으로 복원합니다. 검출 회로는 버스 전압을 지속적으로 모니터링합니다.

전압이 1250V 미만으로 50ms 동안 유지되면 해제 신호가 보내져 GTO가 꺼지고 시스템이 정상 작동으로 돌아갑니다. 버스 전압이 1400V를 100ms 이상 유지되면 심각한 과전압 결함으로 인식되어 인버터가 소프트웨어 잠금 상태에 들어가며, 재시작 전 수동으로 리셋해야 합니다. 실제 경험에 따르면, 이 클램핑 회로를 사용하면 6kV 인버터는 35%의 순간 과전압을 견딜 수 있으며 100ms 내에 정격 전압의 1.05배 이내로 과전압을 억제할 수 있습니다. 응답이 빠르고 신뢰성이 있어 자주 발생하는 과전압 트립을 효과적으로 방지하고 시스템 연속성과 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

3.3 전류 공유 설계

과열 결함을 해결하기 위해 IGBT와 히트싱크와 같은 주요 구성 요소의 발열을 줄이는 전류 공유 기술을 사용할 수 있습니다.

구체적인 조치로서 각 전력 유닛의 DC 버스 양극과 음극 사이에 1~2개의 전해 콘덴서를 병렬로 연결할 수 있습니다. 콘덴서는 1000~2200μF의 용량, 1600V 이상의 정격 전압, 100A 이상의 연속 리플 전류를 가져야 합니다. 인버터 출력 전류가 정격 값(예: 900A)의 1.2배를 초과하면, 이 병렬 콘덴서는 10%~20%의 전류 공유 능력을 제공하여 IGBT를 통과하는 실제 전류를 720~810A로 감소시킵니다. IGBT의 전도 손실은 전류의 제곱에 비례하므로, 이 접근법은 효과적으로 온도 상승을 줄입니다.

공식에서: PCPC은 IGBT 전도 손실(W); VCEVCE은 IGBT 포화 전압(V)으로, 전류 ICIC(A)와 선형 관계를 가지고 있습니다; UηUη은 IGBT의 켜짐 전압(V); $K$은 IGBT의 전류 증폭 계수입니다.

병렬 조치를 취한 후, IGBT의 전도 손실은 19%~36% 감소하고 칩 접합 온도는 10°C~25°C 감소하여 인버터의 발열 문제를 크게 완화할 수 있습니다.

또한, 인버터 히트싱크의 입구와 출구에 1~2개의 전기 팬을 병렬로 설치하여 3000 m³/h 이상의 정격 공기량을 확보하면, 히트싱크의 냉각 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 제어 캐비닛 내부에 6~8개의 온도 센서를 설치하여 각 전력 유닛, 모더 보드, IGBT 드라이브 보드 등의 온도를 실시간으로 모니터링합니다. 어느 한 점의 온도가 65°C를 초과하면, 제어 시스템은 즉시 전기 팬을 전속으로 가동하고 인버터 제어 유닛에 "부하 감소 경고" 신호를 보냅니다.

온도가 75°C로 계속 상승하고 10분 이상 지속되면, 시스템은 "과온 경고" 신호를 발령하고 인버터의 최대 출력 전류를 정격 값의 50% 미만으로 제한합니다. 온도가 60°C 미만으로 떨어질 때까지 "과온 경고"가 해제됩니다.

어느 한 측정 점의 온도가 85°C를 초과하고 모터 전류가 정격 값의 30% 미만으로 떨어지지 않으면, 인버터는 즉시 하드웨어를 잠그고 출력을 중단합니다. 냉각 효과를 더욱 향상시키기 위해, 각 전력 유닛의 IGBT 히트싱크에 그래핀이나 탄소 나노튜브와 같은 나노재료를 적용하여 그들의 초고열 전도성을 활용하여 IGBT 칩의 열 방출을 가속화하여 접합 온도를 낮춥니다.

4 예방 조치의 효과
4.1 실험 설계

ZINVERT-6kV/1500kVA 지능형 고압 인버터를 실험 대상으로 하여, 제안된 세 가지 예방 조치의 효과를 검증하기 위한 그룹별 제어 실험을 수행했습니다. 실험은 정격 작동 조건(입력 전압: 6kV±5%; 주변 온도: 25°C±2°C; 상대 습도: 65%±5%)에서 진행되었습니다. 실험은 4개 그룹으로 나뉘었으며, 대조군은 예방 조치를 채택하지 않았고, A 그룹은 2.2Ω/350W 전류 제한 저항과 MSC-500 고속 바이패스 스위치를 사용했으며, B 그룹은 1420V의 클램핑 전압으로 설정된 TYN-20/141 변저기와 IXYS-GTO를 병렬로 연결한 전압 클램핑 회로를 사용했습니다. C 그룹은 2000μF/1600V 전해 콘덴서(Hitachi HCG 시리즈)를 병렬로 연결하여 전류 공유를 수행하고, 3500 m³/h 가변 속도 팬(EBM-W3G450)을 사용하여 강제 냉각을 수행했습니다.

각 그룹은 72시간 동안 연속 작동하였으며, 6시간마다 인버터 출력 전류, DC 버스 전압, IGBT 접합 온도와 같은 주요 매개변수를 기록하였습니다. 데이터는 Fluke 435-II 전력 품질 분석기와 HIOKI 8847 데이터 로거를 사용하여 수집되었습니다. 실험 중 3가지 대표적인 결함 시나리오를 시뮬레이션하여 테스트하였습니다: 시작 시 과전류(정격 전류의 8배 / 0.5초), 전력망 전압 변동(+20% / 1초), 풀로드 작동(주변 온도 35°C / 2시간). 실험 장치는 도 1에 표시되어 있습니다.

4.2 결과 분석

72시간 연속 작동 후, 4개 그룹의 데이터를 수집하고 분석한 결과는 표 1에 제시되어 있습니다. 대조군은 모든 3가지 결함 조건에서 트립이 발생하였지만, 예방 조치를 채택한 실험 그룹들은 효과적인 결함 억제를 보였습니다. A 그룹에서는 시작 전류의 피크가 정격 값의 7.8배에서 2.2배로 감소하여 과전류 트립을 효과적으로 방지하였습니다.

B 그룹에서는 전압 클램핑 회로가 최대 DC 버스 전압 변동을 1368V로 제한하여 1420V의 보호 임계값보다 낮게 유지하였습니다. C 그룹에서는 전류 공유와 강제 냉각의 조합으로 IGBT 접합 온도를 87.5°C 미만으로 유지하여 100°C의 트립 임계값보다 크게 낮추었습니다. 또한, 세 가지 예방 조치 모두 100ms 이내의 응답 시간을 보여 빠른 보호 요구사항을 충족하였으며, 실험 중 잘못된 트리거는 발생하지 않았으며, 시스템의 안정성과 신뢰성이 확인되었습니다.

5 결론

본 연구는 6kV 고압 인버터의 비정상적인 트리핑 원인을 체계적으로 분석하고, 이를 해결하기 위한 목표적인 예방 조치를 제안하였습니다. 실험 결과, 전류 제한 저항은 시작 전류를 효과적으로 제어하고, 전압 클램핑 회로는 DC 버스 과전압을 크게 억제하며, 전류 공유와 강제 냉각의 조합은 IGBT 과열 위험을 크게 줄여 시스템의 전반적인 신뢰성을 향상시켰음을 확인하였습니다.