전동기의 연속운전과 반복 기동은 무엇이 다를까? 운전시간과 발열

한 시간 내내 도는 모터보다 몇 초씩 켜졌다 꺼지는 모터가 더 뜨거운 경우가 있다. 총 운전시간이 짧은데도 과열되는 이유는 기동할 때의 손실과 정지 중 냉각조건을 함께 봐야 알 수 있다.

전동기의 열적 부담은 단순한 하루 운전시간으로 정해지지 않는다. 한 번에 얼마 동안 운전하는지, 얼마나 자주 출발하는지, 부하와 속도가 어떻게 바뀌는지에 따라 같은 모터의 온도도 달라진다.

온도는 지금의 전류만으로 결정되지 않는다

전동기에서는 권선의 동손, 철심의 철손, 기계손 등이 열로 바뀐다. 단순화한 열모델은 Cth × dθ/dt = Ploss − θ/Rth로 나타낼 수 있다. θ는 주위온도보다 높아진 온도, Cth는 열용량, Rth는 열저항이다.

오른쪽 첫 항은 발생하는 열, 두 번째 항은 외부로 빠져나가는 열을 나타낸다. 들어오는 열이 더 많으면 온도가 올라가고, 두 값이 같아지면 온도가 일정해지는 방향으로 간다.

따라서 전류가 정상으로 돌아왔다고 권선온도가 즉시 낮아지는 것은 아니다. 이전 기동과 과부하에서 쌓인 열이 남아 있을 수 있다. 실제 모터의 권선·철심·프레임은 서로 다른 온도변화를 가지므로 이 한 덩어리 모델은 원리 설명용이다.

반복 기동이 열을 더 만드는 이유

상용전원으로 직접 기동하는 유도전동기는 출발 순간 큰 전류가 흐른다. 기동 중에는 회전속도와 슬립도 크게 변한다. 이때의 현상은 유도전동기 기동전류와 연결된다.

동손은 기본적으로 I²R에 비례한다. 전류가 크면 짧은 시간도 무시하기 어렵다. 다만 정지 순간의 큰 전류가 기동시간 내내 똑같이 유지되는 것은 아니며, 가속하면서 전류와 손실이 바뀐다. 실제 전류의 시간변화를 기록해야 열부담을 더 정확히 판단할 수 있다.

인버터를 사용하면 직접 기동과 다른 방식으로 전류를 제어하지만, 가속에 필요한 에너지와 손실이 없어지는 것은 아니다. 큰 관성부하를 자주 가속하거나 낮은 속도에서 큰 토크를 유지하면 여전히 열적 검토가 필요하다.

S1과 S2는 운전시간만 다른 표기가 아니다

S1은 일정한 부하로 열적 평형에 이를 만큼 충분히 오래 운전하는 연속사용을 뜻한다. S2는 정해진 짧은 시간 동안 부하를 걸고 운전한 뒤, 다음 운전 전에 충분히 냉각하는 단시간사용이다.

예를 들어 S2 30분이라는 표시는 단순히 30분 운전하고 잠깐 쉬면 다시 같은 조건으로 돌려도 된다는 뜻이 아니다. 지정된 휴지·냉각조건을 충족해야 한다. 이미 뜨거운 상태에서 재기동하면 출발 온도가 달라진다.

전동기 명판의 운전방식 표시는 전동기가 어떤 열적 운전조건으로 정격을 갖는지 알려 준다. S1 모터도 모든 반복 기동 조건을 제한 없이 감당하는 것은 아니다.

S3와 S4는 기동의 열적 영향을 구분한다

S3는 부하운전과 정지·무전원 휴지가 반복되고, 기동이 온도상승에 미치는 영향이 크지 않은 간헐주기 사용을 설명한다. S4는 기동 과정의 열적 영향을 포함하는 간헐주기 사용이다.

그래서 기동 횟수가 많거나 가속시간이 긴 설비를 단순히 운전·정지 비율만으로 S3에 맞추면 안 된다. S4 조건을 검토할 때는 기동 빈도와 관성 등 추가 정보가 필요하다. 이 글은 대표적인 네 가지 방식의 차이를 다루며, 전기제동이나 속도변화가 포함된 다른 운전방식까지 모두 대신하지는 않는다.

사용률이 같아도 기동 횟수가 다르면 다르다

기동의 영향을 무시할 수 있는 S3의 단순 주기에서는 사용률을 ED = 부하운전시간/(부하운전시간 + 무전원 휴지시간) × 100%로 나타낼 수 있다.

3분 운전하고 7분 쉬면 30%다. 18초 운전하고 42초 쉬어도 30%지만, 한 시간 동안 반복되는 기동 횟수는 각각 6회와 60회로 다르다. 두 설비의 기동 손실까지 같다고 볼 수는 없다.

기동을 포함하는 운전방식에서는 해당 운전방식의 정의에 맞춰 주기 구간을 계산해야 한다. ‘사용률 30%’만으로 모터를 선택하기보다 주기시간, 기동시간과 횟수, 전기제동 여부까지 전달해야 한다.

실효전류 계산은 평균전류와 다르다

구간별 전류가 일정하다고 근사하면 한 주기의 등가 실효전류는 Ieq = √[Σ(Ik²tk)/Σtk]로 계산할 수 있다. 제곱한 전류를 시간에 따라 평균한 뒤 제곱근을 취하는 식이다.

가상의 60초 주기에서 40A가 2초, 10A가 18초 흐르고 나머지 40초는 무전원 상태라고 하자. 등가 실효전류는 √[(40²×2 + 10²×18)/60] ≈ 9.13A다. 단순 시간평균 전류인 약 4.33A와 차이가 크다.

이 예는 왜 큰 기동전류를 평균전류에 묻어 두면 안 되는지 보여 준다. 실제 기동전류를 40A의 사각형으로 단정하는 계산은 아니며, 실제 기록에서는 시간에 따라 변하는 전류의 제곱을 적분해야 한다.

실효전류가 정격보다 작으면 안전할까?

그 값 하나로 과열 여부를 확정할 수는 없다. 실효전류는 권선저항과 냉각조건이 비슷할 때 동손 부담을 비교하는 데 도움이 되지만, 전동기의 손실과 발열 전체를 설명하지는 못한다.

저항은 온도가 오르면 증가한다. 철손과 회전자 손실도 운전상태에 따라 바뀌며, 정지 중에는 자체 냉각팬도 멈춘다. 같은 전류라도 저속에서 냉각이 줄면 온도가 더 높아질 수 있다.

주기 길이와 열시정수의 관계, 시작할 때의 온도, 주변환경까지 영향을 준다. 반복 운전 적합성은 제조사의 허용 기동횟수·관성·운전방식 자료와 열적 검토로 판단해야 한다. 간단한 등가전류 계산을 보호설정의 대체값으로 쓰면 안 된다.

현장에서는 운전 한 주기를 통째로 기록한다

기동 시작, 정상속도 도달, 부하 변화, 감속, 정지, 재기동 시각을 기록한다. 전류는 기동 최고값뿐 아니라 지속시간과 정상운전 값을 함께 남긴다. 자동운전과 수동 점동에서 주기가 달라지는지도 확인한다.

온도는 같은 측정위치와 비슷한 부하조건에서 추세를 비교한다. 프레임 표면온도를 권선의 가장 뜨거운 부분과 동일하게 취급하면 안 된다. 권선 온도센서가 있다면 해당 센서값과 제조사의 경보·정지 기준을 우선한다.

전동기 냉각과 팬 이상도 함께 확인한다. 기동 횟수가 늘어난 시점과 냉각팬 이상, 필터 오염이 겹치면 원인이 하나가 아닐 수 있다. 교체 모터를 검토할 때는 kW뿐 아니라 운전주기 자료를 같이 전달해야 한다.

보호가 동작하면 운전주기 변화부터 살핀다

같은 생산설비라도 공정 변경으로 점동이 늘거나 정지시간이 짧아지면 열부담은 달라진다. 이전에는 문제가 없었다는 이유만으로 보호장치 오류라고 단정해서는 안 된다.

보호전류를 높이거나 트립 후 리셋을 반복하기보다 기록된 운전주기와 실제 모터 정격, 냉각 상태를 비교한다. 기동 빈도를 줄이는 공정 조정, 가속조건 검토, 별도 냉각이나 모터 변경 중 무엇이 필요한지는 그 결과를 보고 결정한다.

정리

전동기의 발열은 몇 분 켜져 있었는지만으로 설명되지 않는다. 기동전류의 크기와 지속시간, 반복 횟수, 정지 중 냉각과 남아 있는 열을 함께 봐야 한다.

S1·S2·S3·S4의 차이는 모터의 정격을 실제 설비의 운전주기와 연결하는 출발점이다. 주기 전체를 기록하고 열적 조건을 검토해야 반복 기동 설비에 맞는 선정과 정비가 가능하다.