전동기 과부하와 구속상태는 어떻게 구분할까?

전동기를 점검하다 보면 평소보다 전류가 크게 흐르는 상황을 자주 만난다.

이때 현장에서는 흔히

“모터가 과부하인가?”

또는

“축이 잡힌 것 아닌가?”

라고 생각한다.

두 경우 모두 전류가 증가하고 모터온도가 올라갈 수 있기 때문에 겉으로는 비슷하게 보인다.

하지만 전동기 내부에서 일어나는 상태는 상당히 다르다.

과부하는 기본적으로 모터가 아직 회전하면서 정상보다 큰 기계부하를 감당하고 있는 상태다.

반면 구속상태는 회전자가 거의 움직이지 못하거나 완전히 정지한 상태에서 전원이 계속 인가되는 상황을 말한다.

구속상태를 영어로는 Locked Rotor 또는 Stall 상태와 연결해서 표현하기도 한다.

두 상태를 구분하려면 단순히 전류가 높은지만 볼 것이 아니라

회전속도, 슬립, 부하토크, 3상 전압과 전류, 기계적인 움직임

을 함께 봐야 한다.

과부하는 어떤 상태일까?

전동기가 정상적으로 회전하고 있는데 축에서 요구하는 부하토크가 정격보다 커진 상태를 과부하라고 볼 수 있다.

예를 들어 컨베이어에 평소보다 많은 물체가 올라갔다고 하자.

펌프의 토출저항이 커질 수도 있다.

압축기의 기계부하가 증가할 수도 있다.

베어링의 마찰이 증가해 모터가 더 큰 힘을 내야 할 수도 있다.

이런 경우 전동기는 부하를 계속 돌리기 위해 더 큰 전자기토크를 만들어야 한다.

유도전동기의 전자기토크가 커지려면 회전자와 회전자계 사이의 상대속도도 변한다.

결국 슬립이 증가하고 회전자전류와 고정자전류가 함께 증가한다.

따라서 과부하 상태에서는 보통

속도가 조금 떨어지고,

슬립이 증가하며,

전류가 증가한다.

하지만 회전자는 여전히 돌고 있다는 점이 구속상태와 가장 큰 차이다.

구속상태는 어떤 상태일까?

구속상태는 회전자가 회전하지 못하는 상태다.

전원은 인가되어 있는데 축이 기계적으로 고정되었거나 부하토크가 너무 커서 회전하지 못할 수 있다.

예를 들어

컨베이어가 완전히 끼였거나,

베어링이 심하게 손상되어 축이 고착되었거나,

브레이크가 풀리지 않았거나,

펌프나 압축기 내부가 잠겨버린

상황을 생각할 수 있다.

전동기가 기동하려고 토크를 만들지만 회전자가 움직이지 못하면 회전자속도는 거의 0이 된다.

이 상태에서는 슬립이 1에 가까워진다.

슬립으로 보면 과부하와 구속상태가 어떻게 다를까?

유도전동기의 슬립은

s = (Ns – Nr) / Ns

로 정의한다.

여기서

Ns는 동기속도,

Nr은 회전자속도다.

정상운전에서는 회전자속도가 동기속도보다 조금 낮기 때문에 슬립은 비교적 작은 값이다.

예를 들어 60Hz 4극 유도전동기라면 동기속도는

Ns = 1800rpm

이다.

정격속도가 1760rpm이라면

s = (1800 – 1760) / 1800 ≈ 0.022

즉 약 2.2%다.

부하가 증가하면 회전자는 조금 더 느려진다.

예를 들어 1700rpm까지 떨어졌다면

s ≈ 5.6%

정도가 된다.

과부하 상태에서는 이런 식으로 정상보다 슬립이 증가한다.

반면 회전자가 완전히 멈추면

Nr = 0

이므로

s = 1

이다.

즉 구속상태에서는 슬립이 100%가 된다.

회전자 주파수도 크게 달라진다

유도전동기 회전자에 유도되는 전류의 주파수는

f2 = sf1

로 생각할 수 있다.

정상운전에서 슬립이 0.02라면 60Hz 전동기의 회전자 주파수는

f2 = 0.02 × 60 = 1.2Hz

정도다.

그런데 구속상태에서는

s = 1

이므로

f2 = f1

이 된다.

즉 60Hz 전원이라면 회전자도 60Hz의 유도전류 조건을 보게 된다.

이것은 정상운전과 완전히 다른 상태다.

과부하에서는 왜 전류가 증가할까?

부하가 증가하면 모터는 더 큰 축토크를 만들어야 한다.

그러려면 회전자에서 더 큰 전류가 필요하다.

회전자전류가 증가하면 그 영향을 고정자에서도 받아 전원에서 더 큰 전류가 공급된다.

따라서 과부하 상태에서는 정격보다 큰 선전류가 흐를 수 있다.

하지만 이때 모터는 계속 회전하고 있으므로 전기입력 가운데 상당부분이 여전히 기계출력으로 전달된다.

기계출력은

Pout = Tω

로 표현할 수 있다.

회전속도 ω가 존재하므로 토크를 기계출력으로 바꾸고 있는 것이다.

구속상태에서는 왜 전류가 훨씬 위험할까?

회전자가 정지하면 유도전동기는 기동순간과 비슷한 전기적 조건에 놓인다.

회전자에 큰 유도전압과 전류가 발생하고 고정자에서도 큰 전류가 흐른다.

직입기동하는 일반 유도전동기의 구속전류는 정격전류보다 여러 배 클 수 있다.

정확한 배수는 모터의 설계와 출력, 기동방식, 전압조건에 따라 달라진다.

따라서

“구속전류는 무조건 정격의 몇 배다”

라고 하나의 값으로 정해서는 안 된다.

중요한 것은 정격전류보다 훨씬 큰 전류가 지속될 수 있다는 점이다.

기동전류와 구속전류는 같은 것일까?

두 상태는 전기적으로 매우 비슷하다.

전동기를 처음 기동하는 순간에는 회전자속도가 0이므로

s = 1

이다.

즉 처음 순간은 사실상 구속상태와 같은 슬립조건에서 시작한다.

하지만 정상기동에서는 곧 회전자가 가속한다.

속도가 올라가면서 슬립이 감소하고 전류도 점차 내려간다.

반면 구속상태에서는 회전자가 가속하지 못한다.

그래서 높은 전류상태가 계속 유지된다.

즉 중요한 차이는

큰 기동전류가 흐르는가

가 아니라

회전자가 정상적으로 가속하면서 그 상태를 벗어나고 있는가

이다.

정상기동과 스톨을 구분하는 핵심은 가속이다

전동기 기동 시 전류가 정격의 여러 배로 올라갔다고 해서 무조건 고장은 아니다.

정상적인 기동과정에서도 큰 전류가 흐를 수 있다.

하지만 정상기동이라면 회전속도가 빠르게 증가하고 전류가 정격운전 수준으로 내려와야 한다.

반대로

전류는 계속 큰데,

축속도는 올라가지 않고,

모터에서 웅하는 소리만 나거나,

보호계전기가 결국 트립한다면

구속이나 기동실패 가능성을 적극적으로 의심해야 한다.

토크-속도 곡선으로 보면 경계가 더 잘 보인다

유도전동기 토크 발생 원리를 토크-속도 곡선으로 보면 과부하와 구속상태의 관계를 이해하기 쉽다.

정상운전에서는 회전자가 동기속도에 가까운 속도로 회전한다.

부하토크가 증가하면 새로운 평형점을 찾기 위해 속도가 조금 낮아지고 슬립이 증가한다.

전동기 전자기토크도 증가한다.

이 과정이 안정된 운전영역 안에 있다면 모터는 속도가 조금 낮아진 상태에서 계속 운전할 수 있다.

하지만 부하가 계속 증가하면 어느 순간 전동기가 낼 수 있는 최대토크에 가까워진다.

이 최대토크를 흔히 브레이크다운 토크 또는 최대토크라고 부른다.

최대토크를 넘으면 왜 속도가 급격히 떨어질까?

부하가 전동기의 최대토크보다 커졌다고 하자.

모터가 낼 수 있는 전자기토크보다 부하토크가 더 크다.

그러면 회전자는 계속 감속한다.

속도가 떨어진다.

슬립은 더 커진다.

하지만 최대토크 지점을 지나면 슬립이 더 커져도 모터토크가 더 증가하지 못하고 오히려 감소하는 영역으로 들어갈 수 있다.

결국 모터는 부하를 이기지 못하고 속도가 급격히 떨어져 스톨할 수 있다.

즉 과부하와 스톨은 완전히 별개의 현상이 아니라 부하가 계속 증가하면 과부하에서 스톨로 진행할 수도 있는 연속된 과정이다.

구속상태에서는 기계출력이 어떻게 될까?

기계출력은

Pout = Tω

이다.

구속상태에서는

ω ≈ 0

이다.

따라서 모터가 전자기토크를 만들고 있어도 축에서 실제로 전달되는 기계출력은 거의 0에 가까워진다.

그런데 전원에서는 큰 전류가 들어온다.

즉 많은 전기입력이 유용한 기계출력으로 바뀌지 못한다.

대부분이 전기적·자기적 손실과 열로 소모되기 쉬운 매우 불리한 상태다.

고정자권선의 발열은 왜 빠르게 증가할까?

고정자동손은

Pcu1 = 3I1²R1

형태로 생각할 수 있다.

전류가 정격보다 크게 증가하면 손실은 전류의 제곱에 비례해 증가한다.

예를 들어 전류가 정격의 2배라면 단순화했을 때 동손은

2² = 4배

가 된다.

전류가 4배라면

4² = 16배

다.

실제 온도상승은 냉각과 저항변화 등 여러 조건에 영향을 받지만 큰 구속전류가 권선을 매우 빠르게 가열할 수 있다는 점은 분명하다.

회전자 발열도 매우 커질 수 있다

유도전동기의 회전자 동손은 공극을 통해 전달된 전력과 슬립에 관계된다.

회전자 동손은

Pcu2 = sPg

관계로 생각할 수 있다.

여기서

Pg는 공극전력,

s는 슬립이다.

정상운전에서는 슬립이 작기 때문에 공극전력 가운데 상당부분이 기계적으로 변환된다.

하지만 구속상태에서는

s = 1

에 가까워진다.

이때 회전자에 전달된 전력의 상당부분이 회전자 동손으로 소모될 수 있다.

그래서 구속상태에서는 고정자뿐 아니라 회전자 바와 엔드링도 빠르게 뜨거워질 수 있다.

구속상태에서 냉각까지 나빠지는 이유

많은 일반 전동기는 축에 부착된 냉각팬으로 외함을 냉각한다.

회전자가 정지하면 팬도 정지한다.

즉 구속상태에서는

전류와 손실은 크게 증가하는데

냉각은 오히려 감소하는

최악의 조합이 만들어질 수 있다.

그래서 구속상태를 짧은 시간이라도 반복해서 발생시키면 권선과 회전자, 절연재료에 큰 열적 부담을 줄 수 있다.

과부하에서는 냉각팬이 계속 돌까?

일반적으로 축이 계속 회전한다면 냉각팬도 회전한다.

다만 속도가 정상보다 많이 떨어지면 팬의 냉각능력도 낮아질 수 있다.

특히 자체팬 냉각방식의 모터를 낮은 속도로 장시간 운전할 때는 열적인 문제가 중요해진다.

인버터로 저속운전을 하는 모터에서 별도의 강제냉각팬을 사용하는 이유도 이런 문제와 관련될 수 있다.

과부하의 대표적인 원인은 무엇일까?

첫 번째는 실제 공정부하 증가다.

컨베이어에 운반물이 너무 많이 올라갈 수 있다.

믹서 내부 물질의 점도가 높아질 수 있다.

압축기 압력이 비정상적으로 올라갈 수도 있다.

두 번째는 기계마찰 증가다.

베어링이 손상되거나 윤활이 부족하면 축을 돌리는 데 더 큰 토크가 필요하다.

세 번째는 축정렬 불량이다.

모터와 부하축의 정렬이 맞지 않으면 베어링과 커플링에 추가하중이 생길 수 있다.

네 번째는 펌프나 팬의 운전조건 변화다.

부하특성에 따라 요구토크가 증가하면서 모터전류도 상승할 수 있다.

베어링 이상은 과부하처럼 보일 수 있다

모터 자체의 전기적인 문제는 없어도 베어링 마찰이 커지면 모터가 더 큰 토크를 내야 한다.

전류가 올라간다.

속도가 약간 떨어질 수도 있다.

겉으로 보면 전기적인 과부하처럼 보일 수 있다.

그래서 전류가 높을 때는

베어링온도,

소음,

진동,

축의 회전상태

를 함께 확인해야 한다.

다음 글에서 이 부분을 더 자세히 다룬다.

구속상태의 대표적인 원인은 무엇일까?

기계적인 완전 끼임이 대표적이다.

컨베이어 사이에 이물질이 끼일 수 있다.

펌프 임펠러가 이물질 때문에 움직이지 않을 수 있다.

감속기 내부가 파손되어 출력축이 잠길 수도 있다.

베어링이 완전히 고착될 수도 있다.

브레이크가 풀리지 않았는데 모터가 기동명령을 받을 수도 있다.

이런 경우 전기적으로는 모터가 기동하려 하지만 기계적으로 움직이지 못한다.

브레이크가 안 풀리면 어떤 현상이 나타날까?

전자브레이크가 달린 모터를 생각해보자.

브레이크는 정상적으로 풀려야 모터축이 회전할 수 있다.

브레이크 정류기나 코일이 고장났거나 브레이크 간극에 문제가 있어 해제가 되지 않으면 모터는 브레이크를 잡고 있는 상태에서 기동하려 한다.

전류는 크게 증가하지만 속도는 올라가지 않는다.

이런 경우 모터권선은 정상인데도 구속상태가 발생할 수 있다.

따라서 브레이크가 있는 설비에서 기동실패가 발생하면 브레이크 해제상태도 반드시 확인해야 한다.

저전압 때문에 스톨할 수도 있을까?

가능하다.

유도전동기의 토크는 일정 조건에서 전압의 제곱에 대략 비례하는 특성을 가진다.

즉 단순화하면

T ∝ V²

로 생각할 수 있다.

전압이 낮아지면 모터가 낼 수 있는 토크가 빠르게 감소할 수 있다.

예를 들어 전압이 정격의 90%로 내려갔다면 토크능력은 단순한 근사에서

0.9² = 0.81

즉 약 81% 수준으로 감소할 수 있다.

실제 수치는 운전점과 모터 특성에 따라 달라지지만 저전압에서 토크여유가 크게 줄어든다는 점이 중요하다.

저전압인데 왜 전류가 더 커질 수 있을까?

처음에는

“전압이 낮으니까 전류도 낮아져야 하는 것 아닌가?”

라고 생각하기 쉽다.

하지만 모터가 같은 기계부하를 계속 돌려야 한다면 필요한 출력과 토크를 유지하려고 슬립이 증가할 수 있다.

그 결과 전류가 오히려 증가할 수 있다.

전압이 너무 많이 떨어져 최대토크 자체가 부하토크보다 낮아지면 결국 모터는 감속하고 스톨할 수 있다.

따라서 과전류가 발생했을 때는 높은 전압뿐 아니라 저전압도 확인해야 한다.

전압 불평형도 과부하처럼 보일 수 있다

세 상 전압이 불평형하면 전류불평형이 훨씬 크게 나타날 수 있다.

특정 상의 전류가 올라간다.

모터온도도 증가한다.

이 상태를 단순한 기계과부하라고 판단할 수 있다.

하지만 실제 원인은 전원이나 접촉부일 수도 있다.

따라서 과부하를 판단할 때는 세 상 전류뿐 아니라

VRS,

VST,

VTR

세 선간전압도 함께 측정하는 것이 중요하다.

결상이 발생하면 구속상태와 비슷하게 보일 수도 있다

정지상태에서 한 상이 끊어진 채 기동명령이 들어오면 모터가 정상적으로 기동하지 못할 수 있다.

큰 전류가 흐르고 축은 거의 움직이지 않는 상태가 될 수 있다.

겉으로는 기계적인 축고착과 비슷해 보인다.

운전 중 결상이 발생하면 관성 때문에 모터가 계속 회전하는 경우도 있지만 남은 상의 전류가 크게 증가할 수 있다.

따라서

전류가 크고 속도가 낮다

는 사실만으로 기계구속이라고 판단해서는 안 된다.

3상 전압과 전류를 먼저 확인해야 한다.

과부하라면 세 상 전류가 어떻게 보일까?

전원이 균형되고 모터권선도 정상이며 기계부하만 증가한 경우라면 일반적으로 세 상 전류가 비교적 균형을 유지하면서 함께 증가하는 형태를 예상할 수 있다.

예를 들어 정격전류가 20A인 모터가

R 24A,

S 24.5A,

T 24A

정도로 흐른다면 순수한 기계과부하 가능성을 생각해볼 수 있다.

물론 실제 판단에는 전압과 부하상태를 함께 봐야 한다.

한 상만 유난히 크다면 단순 과부하로 보기 어렵다

예를 들어

R 18A,

S 19A,

T 28A

처럼 한 상만 크게 다르다면 단순히 축부하가 증가했다는 설명만으로 부족하다.

전압 불평형,

접촉불량,

권선이상,

결상 진행,

계측오류

등을 확인해야 한다.

기계부하가 증가하면 기본적으로 세 상 모두 더 큰 토크전류를 요구하기 때문이다.

구속상태라면 전류는 항상 같은가?

그렇지 않다.

균형된 정격전압을 직입으로 인가한 상태에서 완전히 구속되었다면 세 상 모두 큰 전류가 흐르는 것을 예상할 수 있다.

하지만 실제 현장에서는

전압강하,

결상,

전압 불평형,

Y-Δ 기동회로 문제,

인버터 전류제한

등이 함께 존재할 수 있다.

따라서 구속상태의 전류가 항상 일정한 패턴을 보인다고 생각해서는 안 된다.

과부하와 구속상태를 전류값 하나로 구분할 수 있을까?

어렵다.

예를 들어 정격전류의 150%가 흐르고 있다고 하자.

기계부하가 큰 과부하일 수도 있다.

저전압 때문에 슬립이 증가했을 수도 있다.

인버터가 전류를 제한한 구속상태일 수도 있다.

따라서 전류값만으로는 부족하다.

가장 중요한 추가정보는 실제 회전속도와 가속상태다.

현장에서는 어떤 순서로 구분할까?

먼저 실제로 전류가 높다는 사실을 확인한다.

가능하면 세 상을 모두 측정한다.

다음으로 회전자가 정상속도 근처에서 돌고 있는지 확인한다.

속도는 유지되고 있지만 정상보다 조금 낮고 세 상 전류가 함께 증가했다면 과부하 가능성을 먼저 볼 수 있다.

반대로 축이 정지해 있거나 기동 후 속도가 거의 올라가지 않는다면 구속이나 스톨 가능성을 먼저 확인한다.

그다음 3상 전압을 측정해 저전압과 전압 불평형, 결상 여부를 확인한다.

마지막으로 안전하게 전원을 차단한 뒤 기계적인 부하와 브레이크, 베어링, 축고착 여부 등을 점검한다.

축이 정말 고착되었는지는 어떻게 확인할까?

기계상태를 확인하기 위해서는 먼저 설비를 안전하게 정지하고 전원을 차단해야 한다.

재투입 방지 등 현장 안전절차를 수행한 뒤 장비 구조와 제조사 절차에 따라 축과 부하를 점검해야 한다.

단순히 전원을 끈 상태에서 손으로 축이 도는지만 보는 것으로 모든 고장을 판단할 수는 없다.

감속기가 연결되어 있을 수도 있고,

브레이크가 있을 수도 있고,

역회전 방지장치가 있을 수도 있다.

따라서 설비 구조를 이해한 뒤 점검해야 한다.

모터와 부하를 분리하면 진단에 도움이 될 수 있다

안전하고 구조적으로 가능한 설비라면 모터와 부하를 분리해 원인을 구분하는 방법이 있다.

모터만 단독으로 정상회전한다면 부하측 기계고장 가능성이 커진다.

반대로 부하를 제거해도 모터가 정상적으로 회전하지 못한다면 전동기나 전원, 브레이크 등의 문제를 더 확인해야 한다.

하지만 커플링 분리와 단독운전은 설비에 따라 위험할 수 있으므로 반드시 승인된 정비절차를 따라야 한다.

기동시간이 평소보다 길어진 것도 중요한 신호다

정상적으로 3초 안에 정격속도에 도달하던 모터가 갑자기 8초나 10초가 걸린다면 전류가 보호설정 이하라고 해도 이상신호일 수 있다.

기동시간이 길어진다는 것은 가속토크의 여유가 감소했다는 의미일 수 있다.

부하 증가,

저전압,

베어링 마찰,

기계적인 저항 증가

등을 의심할 수 있다.

장시간 큰 기동전류가 흐르면 열적 부담도 증가한다.

가속토크는 무엇일까?

회전축의 운동방정식은 단순화하면

J(dω/dt) = Te – TL

로 생각할 수 있다.

여기서

J는 관성,

Te는 전동기 전자기토크,

TL은 부하토크다.

Te – TL

이 실제로 회전자를 가속시키는 토크다.

Te가 TL보다 충분히 크면 모터가 빠르게 가속한다.

두 값이 거의 같으면 가속은 매우 느리다.

TL이 Te보다 크면 회전자는 가속하지 못하거나 감속한다.

이 관계가 정상기동과 과부하, 스톨을 이해하는 핵심이다.

관성이 큰 부하도 구속처럼 보일 수 있을까?

가능하다.

대형 팬이나 원심분리기처럼 관성이 매우 큰 부하는 정상상태에서도 기동시간이 길 수 있다.

초기에는 큰 전류가 오랫동안 흐를 수 있다.

이것을 기계구속으로 잘못 판단할 수도 있다.

반대로 정상 기동시간이 긴 설비라고 해서 모든 긴 기동을 정상으로 봐서도 안 된다.

중요한 것은 해당 설비의 정상기동시간과 과거기록을 알고 비교하는 것이다.

반복기동이 위험한 이유

모터가 한번 기동에 실패했다고 곧바로 다시 기동하는 행동은 주의해야 한다.

첫 번째 기동에서 이미 고정자와 회전자에 상당한 열이 발생했을 수 있다.

완전히 식지 않은 상태에서 다시 큰 기동전류를 흘리면 열이 누적된다.

특히 구속상태에서 반복기동하면 회전자 바와 권선이 매우 빠르게 가열될 수 있다.

따라서 반복적인 재기동보다 먼저 원인을 확인하는 것이 중요하다.

보호계전기는 왜 바로 트립하지 않을 수도 있을까?

전동기는 정상기동 순간에도 큰 전류가 흐른다.

만약 정격전류를 조금만 넘으면 즉시 트립하도록 보호기를 설정하면 정상기동 자체가 불가능할 수 있다.

그래서 과부하보호는 전류크기와 지속시간을 함께 고려하는 경우가 많다.

전류가 약간 높으면 비교적 오래 견디고,

전류가 매우 크면 더 빠르게 동작하는

역한시 특성을 사용할 수 있다.

정확한 동작특성은 보호장치와 설정에 따라 달라진다.

과부하계전기 하나로 구속보호까지 충분할까?

설비에 따라 다르다.

전자식 모터보호계전기에는

과부하,

결상,

전류불평형,

구속,

스톨,

기동시간 초과

등을 별도로 감시할 수 있는 기능이 있을 수 있다.

중요한 대형전동기에서는 열모델과 구속보호 등을 별도로 적용하기도 한다.

하지만 모든 설비가 같은 보호기능을 사용하는 것은 아니다.

모터의 허용구속시간과 기동특성, 부하관성을 고려해 보호설정을 검토해야 한다.

구속시간이 왜 중요할까?

구속상태에서는 매우 큰 열이 발생한다.

하지만 전동기의 열용량 때문에 즉시 파괴되는 것은 아닐 수 있다.

제조사에서는 특정 조건에서 허용 가능한 구속시간이나 열적 한계를 제시할 수 있다.

문제는 보호장치가 이 허용시간보다 늦게 동작하면 권선이나 회전자가 손상될 수 있다는 것이다.

반대로 너무 빠르게 동작하면 정상기동도 완료하지 못할 수 있다.

따라서 보호설정은 실제 기동시간과 모터의 열적 한계 사이에서 결정되어야 한다.

인버터 운전모터에서는 모습이 다를 수 있다

인버터는 모터전류를 능동적으로 제어할 수 있다.

축이 구속되었다고 해서 반드시 직입기동 모터처럼 정격의 여러 배 전류가 계속 흐르는 것은 아니다.

드라이브가 전류를 제한할 수 있기 때문이다.

이 경우 모터는 정지해 있는데 전류는 설정된 한계 근처에서 유지될 수 있다.

그래서 인버터 모터의 구속상태는

전류값,

출력주파수,

실제속도,

토크지령,

알람기록

을 함께 봐야 한다.

인버터에서는 저속 고토크 운전과 스톨을 구분해야 한다

벡터제어 인버터는 저속에서도 큰 토크를 만들 수 있다.

정상적으로 매우 낮은 속도로 운전하도록 설계된 장비도 있다.

따라서 속도가 낮다는 이유만으로 구속이라고 할 수 없다.

핵심은 지령속도와 실제속도가 일치하고 있는지, 부하를 정상적으로 움직이고 있는지다.

속도지령은 있는데 실제속도가 올라가지 않고 전류나 토크지령만 한계에 붙어 있다면 구속 가능성을 의심할 수 있다.

인버터 저속운전은 열적으로도 주의해야 한다

자체팬이 축에 연결된 모터는 속도가 낮아지면 냉각풍량도 감소한다.

그런데 저속에서 큰 토크를 계속 요구하면 높은 전류가 흐를 수 있다.

전류손실은 큰데 냉각은 줄어든다.

따라서 인버터 저속 고토크 운전에서는 구속이 아니더라도 열적인 제한을 확인해야 한다.

전류가 높은데 속도는 정상이라면 무엇을 볼까?

속도가 정격 근처에서 유지되는데 세 상 전류가 모두 높다면 실제 기계부하가 증가했을 가능성을 먼저 확인한다.

펌프 압력과 유량,

컨베이어 하중,

압축기 운전조건,

베어링과 감속기

등을 본다.

또 명판의 정격전류가 현재 전압과 결선조건에 맞는지도 확인해야 한다.

전압과 전류가 정상인데도 모터온도가 높다면 냉각문제까지 추가로 확인해야 한다.

전류가 높고 속도가 계속 떨어진다면?

상태가 더 심각할 수 있다.

모터토크가 부하토크를 충분히 이기지 못하고 있다는 의미일 수 있다.

부하가 계속 증가하고 있거나,

전압이 떨어지고 있거나,

기계적인 저항이 급격히 증가하고 있을 수 있다.

속도가 감소할수록 슬립이 증가하고 전류도 증가한다.

이 상태가 지속되면 최대토크 영역을 지나 스톨로 진행할 수 있다.

전류가 높고 축이 완전히 정지했다면?

구속상태 가능성을 우선 고려한다.

다만 먼저 결상이나 저전압, 기동회로 문제도 확인해야 한다.

기계구속이라고 바로 판단해서 축이나 커플링을 임의로 만지기 전에 전원을 안전하게 차단해야 한다.

구속된 모터는 뜨거울 수 있고 부하장치에는 저장된 기계에너지가 남아 있을 수도 있다.

보호기가 트립한 뒤 바로 재투입하면 안 되는 이유

트립은 원인이 아니라 결과다.

과부하계전기가 동작했다면 왜 과전류가 흐른 것인지 확인해야 한다.

트립만 리셋하고 반복해서 재기동하면 모터 내부에 열이 누적될 수 있다.

특히 구속상태라면 다시 기동할 때마다 큰 전류와 열이 반복된다.

보호기가 동작했다는 것은 설비가 이미 비정상적인 조건을 경험했다는 의미로 보는 것이 좋다.

트립기록이 있다면 어떤 정보를 볼까?

전자식 보호계전기나 인버터에는 사고 당시의

전류,

전압,

트립원인,

운전시간,

기동시간

등이 기록될 수 있다.

이 정보를 삭제하거나 바로 리셋하기 전에 확인하면 진단에 큰 도움이 된다.

예를 들어

과부하 트립인지,

결상인지,

스톨인지,

DC 과전압인지

에 따라 원인이 완전히 달라질 수 있다.

모터온도만으로 과부하와 구속을 구분할 수 있을까?

어렵다.

둘 다 모터를 과열시킬 수 있다.

과부하는 비교적 긴 시간 동안 서서히 온도가 상승할 수 있다.

구속상태는 매우 큰 전류 때문에 짧은 시간에도 급격한 발열이 생길 수 있다.

하지만 모터의 크기와 냉각, 초기온도에 따라 양상은 달라진다.

따라서 온도는 중요한 정보지만 단독으로 구분기준이 되지는 않는다.

냄새가 나면 이미 심각한 상태일 수 있다

전동기에서 절연 바니시가 타는 냄새나 이상한 열냄새가 난다면 이미 권선온도가 상당히 올라갔을 가능성이 있다.

보호기가 트립하지 않았다고 계속 운전해서는 안 된다.

모터를 정지하고 원인을 확인해야 한다.

절연재료는 과열이 반복될수록 수명이 짧아질 수 있다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 과부하와 구속상태는 모두 전류가 증가할 수 있지만 같은 상태가 아니다.

과부하에서는 모터가 계속 회전하는 경우가 많고 구속상태에서는 속도가 0 또는 매우 낮다.

둘째, 구속상태의 슬립은 1에 가까워진다.

정상운전에서는 슬립이 일반적으로 훨씬 작다.

셋째, 큰 기동전류가 흐른다고 곧바로 스톨은 아니다.

정상기동이라면 회전자가 가속하면서 전류가 감소해야 한다.

넷째, 구속상태에서는 속도가 0에 가까워 기계출력은 거의 발생하지 않는데도 큰 전류가 흐를 수 있다.

다섯째, 구속상태는 고정자뿐 아니라 회전자도 빠르게 가열할 수 있다.

여섯째, 부하가 최대토크보다 커지면 모터가 안정적인 운전점을 유지하지 못하고 스톨로 진행할 수 있다.

일곱째, 저전압은 전동기 토크능력을 크게 떨어뜨려 과부하나 스톨을 유발할 수 있다.

여덟째, 한 상의 전류만 크게 다르면 단순 기계과부하라고 보기 전에 전압불평형과 결상, 접촉불량 등을 확인해야 한다.

아홉째, 인버터 운전모터는 전류제한 때문에 구속되어도 직입전동기와 같은 형태의 큰 구속전류가 나타나지 않을 수 있다.

열째, 보호계전기가 트립한 뒤 원인확인 없이 반복 재기동하면 열손상이 누적될 수 있다.

마무리

전동기의 과부하와 구속상태는 모두 과전류와 발열을 만들 수 있지만 전동기 내부의 상태는 다르다.

과부하에서는 모터가 여전히 회전하면서 정상보다 큰 기계부하를 감당한다.

부하가 증가하면 회전속도가 조금 낮아지고 슬립이 증가한다.

더 큰 토크를 만들기 위해 회전자전류와 고정자전류도 증가한다.

반면 구속상태에서는 회전자속도가 거의 0이 된다.

슬립은

s ≈ 1

이 되고 회전자 주파수도 전원주파수에 가까워진다.

전동기는 기동상태와 비슷한 큰 전류조건에 놓이지만 정상기동처럼 가속해 이 상태를 벗어나지 못한다.

그래서 구속상태에서는

고정자동손 증가,

회전자 동손 증가,

냉각팬 정지,

기계출력 감소

가 동시에 발생할 수 있다.

특히 기계출력은

Pout = Tω

이므로 회전속도가 0이면 토크가 존재하더라도 실제 축출력은 거의 0이다.

그런데 전기적으로는 큰 에너지가 들어오므로 대부분이 손실과 열로 바뀌기 쉽다.

현장에서 두 상태를 구분할 때 가장 중요한 것은 전류 하나가 아니다.

먼저 모터가 실제로 회전하고 있는지 확인한다.

정상속도보다 조금 낮지만 계속 회전하고 있다면 과부하를 먼저 생각할 수 있다.

속도가 급격히 떨어지거나 완전히 정지했다면 구속이나 스톨을 우선 확인한다.

그리고

3상 전압,

3상 전류,

결상 여부,

브레이크,

베어링,

기계 끼임,

부하상태

를 순서대로 점검한다.

결국 핵심은

전류가 높다 = 과부하다

라고 바로 결론내리지 않는 것이다.

전류 + 속도 + 슬립 + 전압 + 기계상태

를 함께 봐야 과부하인지 구속상태인지 정확하게 구분할 수 있다.

다음 글에서는 과부하와 스톨의 원인이 되기도 하고 모터 유지보수에서 가장 자주 접하는 부품 가운데 하나인 전동기 베어링은 왜 고장날까?를 살펴본다.

윤활부족과 과다윤활, 축정렬 불량, 진동, 과도한 하중, 오염뿐 아니라 인버터 운전모터에서 발생할 수 있는 베어링 전류까지 실제 고장원인과 증상을 연결해서 알아본다.