전압 불평형은 왜 전동기를 과열시킬까?

3상 전동기를 점검하다 보면 세 선간전압이 완전히 같지 않은 경우를 볼 수 있다.

예를 들어

R-S 380V,

S-T 376V,

T-R 384V

처럼 몇 V 정도 차이가 날 수 있다.

숫자만 보면 별것 아닌 것처럼 느껴질 수 있다.

380V 기준에서 4V 차이라면 겨우 1% 정도에 불과하기 때문이다.

그런데 유도전동기는 이런 작은 전압 불평형에도 상당히 민감하다.

전압의 차이는 전류의 차이로 확대될 수 있고, 전동기 내부에는 정상적인 회전자계와 반대방향으로 회전하는 역상자계가 만들어질 수 있다.

이 역상자계는 회전자에 추가적인 전류와 손실을 발생시킨다.

결과적으로

전류 증가,

권선 동손 증가,

회전자 발열,

토크 감소,

진동과 소음 증가

같은 문제가 나타날 수 있다.

그래서 전동기의 전압 불평형은 단순히

“세 상 전압이 조금 다르다”

정도로 보면 안 된다.

전동기 내부에서는 작은 전압차이가 훨씬 복잡한 전자기현상으로 바뀐다.

전압이 균형일 때는 어떤 자계가 만들어질까?

정상적인 3상 전원에서는 세 상의 전압이 같은 크기를 가지며 서로 120도 위상차를 가진다.

이 전압에 의해 고정자 3상 권선에 균형된 전류가 흐르면 일정한 크기로 회전하는 회전자계가 만들어진다.

이 회전자계의 동기속도는

Ns = 120f / P

로 결정된다.

여기서

Ns는 동기속도,

f는 전원주파수,

P는 극수다.

60Hz 4극 전동기라면

Ns = 120 × 60 / 4 = 1800rpm

이다.

회전자는 이 회전자계보다 조금 느리게 회전하면서 토크를 만든다.

예를 들어 정격속도가 1760rpm이라면 정상슬립은

s = (1800 – 1760) / 1800

으로 약 2.2%다.

즉 정상운전에서는 회전자와 회전자계의 상대속도가 매우 작다.

그런데 세 상 전압이 서로 다르면 어떻게 될까?

예를 들어 세 선간전압이

380V,

376V,

384V

라고 해보자.

전압의 크기가 완벽하게 같지 않다.

실제 불평형에는 전압의 크기뿐 아니라 위상관계의 불균형도 포함될 수 있다.

이런 상태에서는 고정자가 만드는 자계도 완벽하게 대칭적인 하나의 회전자계로만 설명되지 않는다.

전동기 내부에는 정상적인 회전방향의 자계와 함께 반대방향의 자계성분이 나타날 수 있다.

이 반대방향 자계가 전동기의 발열을 이해하는 핵심이다.

불평형 전압을 정상분과 역상분으로 보면 이해가 쉬워진다

불평형 3상 전압은 대칭분이라는 방법을 사용하면 여러 성분으로 나누어 생각할 수 있다.

대표적으로

정상분,

역상분,

영상분

이 있다.

3선식 전동기 단자에서의 일반적인 전압 불평형 문제를 이해할 때 특히 중요한 것은 정상분과 역상분이다.

정상분은 원래의 상순서와 같은 방향으로 회전하는 자계를 만든다.

예를 들어 R-S-T 상순서라면 정상분도 같은 순서의 회전자계를 만든다.

반면 역상분은 상순서가 반대다.

따라서 정상분과 반대방향으로 회전하는 회전자계를 만든다.

즉 모터 내부에는

정상방향 자계

와

반대방향 자계

가 동시에 존재하게 된다.

정상분 자계는 평소와 비슷하게 동작한다

정상분 회전자계는 정상적인 3상 유도전동기의 회전자계와 같은 방향으로 회전한다.

회전자가 정상속도 부근에서 돌고 있다면 둘 사이의 상대속도는 작다.

정상분 슬립을 s1이라고 하면

s1 = (Ns – Nr) / Ns

이다.

Nr이 Ns에 가까우므로 s1은 일반적으로 작은 값이다.

예를 들어

Ns = 1800rpm,

Nr = 1760rpm

이라면 약 0.022다.

정상운전에서 회전자 주파수도

f2 = s1f

가 되어 전원주파수보다 훨씬 낮다.

역상자계에서 회전자가 보는 상대속도

유도전동기의 슬립 개념을 역상자계에도 적용해보면 왜 발열이 커지는지 이해할 수 있다.

역상자계는 회전자와 반대방향으로 동기속도 Ns로 회전한다.

회전자는 정상방향으로 Nr의 속도로 돌고 있다.

따라서 회전자와 역상자계 사이의 상대속도 크기는

Ns + Nr

가 된다.

정상분에서는

Ns – Nr

였는데 역상분에서는 거의 반대 상황이 된다.

역상분에 대한 슬립을 s2라고 하면

s2 = (Ns + Nr) / Ns

로 생각할 수 있다.

정상슬립 s1과 연결하면

Nr / Ns = 1 – s1

이므로

s2 = 1 + Nr/Ns

그리고

s2 = 2 – s1

이 된다.

정상슬립이 0.02라면 역상슬립은

s2 ≈ 1.98

이다.

즉 거의 2에 가깝다.

역상분 회전자 주파수도 매우 높아진다

유도전동기의 회전자전류 주파수는 상대속도와 관련된다.

정상분에서는

f2+ = s1f

다.

60Hz 전원에서 정상슬립이 0.02라면

f2+ ≈ 1.2Hz

정도다.

하지만 역상분에서는

f2- = s2f

로 생각할 수 있다.

s2가 약 1.98이라면

f2- ≈ 1.98 × 60 ≈ 119Hz

가 된다.

정상운전의 회전자전류 주파수와 비교하면 매우 큰 차이다.

이것이 역상분이 회전자에서 큰 추가손실을 만들 수 있는 중요한 이유 가운데 하나다.

왜 회전자 주파수가 높아지면 발열에 불리할까?

회전자에는 유도전류가 흐른다.

회전자전류가 증가하면

Pcu2 = I2²R2

형태의 회전자 동손이 증가한다.

또 주파수가 높아지면 회전자 도체의 유효임피던스와 자속분포도 정상운전 때와 달라질 수 있다.

농형 유도전동기에서는 회전자 바의 표피효과도 더 강하게 나타날 수 있다.

결국 역상자계에 의해 생긴 회전자전류는 정상적인 토크생성에 도움이 되는 전류라기보다 추가적인 손실과 반대방향 토크를 만드는 성분이 된다.

역상자계는 토크도 반대방향으로 만든다

정상분 자계는 회전방향과 같은 방향의 전자기토크를 만든다.

모터를 앞으로 끌고 가는 토크다.

반면 역상분 자계는 반대방향으로 회전한다.

그래서 역상분에 의해 발생하는 토크는 정상토크를 방해하는 방향으로 작용한다.

결과적으로 같은 축부하를 유지하려면 정상분에 의해 더 많은 토크를 만들어야 할 수 있다.

그러려면 전류가 더 증가한다.

즉 전압 불평형은

역상분 발생

→ 반대방향 토크성분 발생

→ 필요한 정상토크 증가

→ 전류 증가

→ 손실 증가

라는 흐름으로도 이어질 수 있다.

왜 작은 전압 불평형이 전류에서는 크게 나타날까?

유도전동기는 정상분과 역상분에 대해 서로 다른 임피던스를 보인다.

특히 역상분에서는 회전자와 자계 사이의 상대속도가 매우 크기 때문에 정상분과 전혀 다른 회전자 조건이 만들어진다.

따라서 전압에서 작은 역상성분이 존재해도 그에 의해 흐르는 전류는 상대적으로 크게 나타날 수 있다.

그래서 현장에서는

전압차이는 몇 V밖에 안 되는데

전류차이는 몇 A 이상 크게 나타나는

상황을 볼 수 있다.

전류 불평형이 전압 불평형보다 더 크게 보일 수 있는 이유다.

전압 불평형률은 어떻게 계산할까?

간단한 현장비교에서는 세 선간전압의 평균값을 먼저 구하고 각 값이 평균에서 얼마나 벗어나는지 볼 수 있다.

평균전압을

Vavg = (VRS + VST + VTR) / 3

으로 두자.

그리고 평균으로부터 가장 크게 벗어난 전압의 차이를 구한다.

한 가지 흔한 계산방법은

전압 불평형률 = 최대 |Vphase – Vavg| / Vavg × 100%

이다.

여기서 실제 측정값이 선간전압이라면 Vphase라는 기호 대신 각각의 선간전압을 넣어 이해하면 된다.

예를 들어

VRS = 380V,

VST = 376V,

VTR = 384V

라면 평균은

Vavg = (380 + 376 + 384) / 3 = 380V

이다.

최대편차는 4V다.

따라서

4 / 380 × 100 ≈ 1.05%

정도의 불평형이 된다.

숫자만 보면 작아 보일 수 있다.

하지만 전동기의 전류와 발열에서는 영향이 더 커질 수 있다.

단순히 최대전압과 최소전압 차이만 보면 왜 부족할까?

384V와 376V의 차이는 8V다.

이것만 보고 8V라는 숫자를 다른 전압계통과 직접 비교하면 의미가 불분명하다.

200V 계통의 8V와 660V 계통의 8V는 상대적인 크기가 다르기 때문이다.

평균값에 대한 백분율로 표시하면 서로 다른 전압등급의 설비도 비교하기 쉬워진다.

다만 정식 기준을 적용할 때는 해당 표준이나 제조사가 정의한 계산법을 따라야 한다.

전압은 어디서 측정해야 할까?

전류 불평형을 진단할 때와 마찬가지로 모터에 가능한 한 가까운 위치에서 측정하는 것이 중요하다.

제어반 모선에서는

380V,

380V,

380V

로 균형이 좋을 수 있다.

하지만 모터단자에서는

380V,

371V,

379V

가 될 수도 있다.

제어반과 모터 사이에

컨택터,

퓨즈,

케이블,

단자대,

접속부

가 있기 때문이다.

특정 상의 접촉저항이 증가하면 부하전류가 흐를 때 그 상에서 추가적인 전압강하가 발생한다.

접촉불량은 전압 불평형을 어떻게 만들까?

접촉부에서 전압강하는 기본적으로

Vdrop = IR

로 생각할 수 있다.

접촉저항 R이 매우 작더라도 전류 I가 크면 무시하기 어려운 전압강하가 발생할 수 있다.

예를 들어 특정 컨택터 접점의 저항이 다른 두 극보다 커졌다고 하자.

무부하에서는 전류가 작아 전압차이가 거의 보이지 않을 수 있다.

하지만 모터가 부하를 받아 전류가 증가하면 그 접점의 전압강하도 커진다.

결국 모터단자에서 세 상 전압이 달라지게 된다.

그래서 전압 불평형은 전원변압기에서만 생기는 문제가 아니다.

한 상의 퓨즈나 단자도 원인이 될 수 있다

퓨즈홀더 접촉부,

차단기 접점,

케이블러그,

단자볼트,

Y-Δ 접촉기

등에서도 비슷한 문제가 발생할 수 있다.

접촉면이 산화되거나 느슨해지면 접촉저항이 증가한다.

그 부위가 발열하고 전압강하가 커진다.

결과적으로 모터단자에 불평형 전압이 공급된다.

따라서 전압 불평형이 발견되면 상위 전원뿐 아니라 모터까지 이어지는 각 상의 전기경로 전체를 봐야 한다.

전원측에서 이미 불평형일 수도 있다

3상 계통 자체의 부하가 불균형하면 모터에 도달하는 전압도 영향을 받을 수 있다.

특정 상에 단상부하가 집중되거나 변압기와 배선의 조건이 비대칭적이면 전압차이가 발생할 수 있다.

다른 대형 부하의 기동이나 용접기처럼 부하변동이 큰 설비도 영향을 줄 수 있다.

따라서 한 대의 모터만 문제가 있는지, 같은 전원에 연결된 다른 설비에서도 비슷한 전압불평형이 나타나는지 비교하면 원인을 찾는 데 도움이 된다.

모터를 꺼놓고 전압을 재면 놓칠 수 있는 이유

접촉불량에 의한 전압강하는 전류가 흐를 때 나타난다.

모터를 정지시키면 부하전류가 거의 0이 된다.

그러면

Vdrop = IR

에서 I가 작아지기 때문에 접촉불량이 있어도 전압강하가 잘 보이지 않을 수 있다.

그래서 가능한 경우 안전한 절차 아래 실제 부하운전 중의 모터단자전압을 확인하는 것이 중요하다.

활선측정은 위험하므로 반드시 현장 안전규정을 따라야 한다.

전압 불평형은 왜 권선온도를 올릴까?

첫 번째 이유는 전류 불평형 때문이다.

특정 상 전류가 증가하면 그 상의 고정자동손은

Pcu1 = I1²R1

에 따라 크게 증가한다.

두 번째 이유는 역상분으로 인한 회전자 추가손실이다.

역상자계와 회전자의 상대속도가 크기 때문에 회전자에는 높은 주파수의 추가전류가 유도된다.

세 번째 이유는 반대방향 토크성분 때문에 같은 부하를 유지하는 데 추가전류가 필요할 수 있다는 점이다.

결과적으로 고정자와 회전자 양쪽에서 열이 증가할 수 있다.

전류가 조금만 증가해도 발열이 크게 늘어나는 이유

동손은 전류의 제곱에 비례한다.

예를 들어 어떤 권선의 전류가 정상보다 20% 증가했다고 하자.

전류비는

1.2

다.

동손비는

1.2² = 1.44

다.

즉 저항과 온도가 같다고 단순화하면 동손이 약 44% 증가한다.

따라서 전류불평형을 몇 A 정도의 작은 차이로 가볍게 볼 수 없다.

특히 이미 정격부하 근처에서 운전 중인 모터라면 열적인 여유가 더 줄어든다.

온도가 올라가면 구리저항도 증가한다

전동기의 구리권선 저항은 온도가 올라가면 증가한다.

따라서 과열이 시작되면

전류 증가

→ I²R 손실 증가

→ 권선온도 증가

→ 구리저항 증가

라는 방향으로 손실조건이 더 나빠질 수 있다.

물론 실제 전동기전류는 전원과 자기회로, 부하상태에 의해 함께 결정되므로 단순한 하나의 식만으로 전체현상을 설명할 수는 없다.

하지만 온도상승이 권선의 전기적 손실과 절연수명에 모두 불리한 것은 분명하다.

절연은 왜 열에 약할까?

전동기 권선의 절연재료는 높은 온도에 장시간 노출되면 열화가 빨라질 수 있다.

바니시와 절연지가 경화되고 균열이 발생할 수 있다.

기계적인 진동이 함께 존재하면 열화된 절연이 더 쉽게 손상될 수 있다.

결국 처음에는 전압 불평형으로 시작된 문제가 장기간 지속되면 권선 절연의 수명문제로 이어질 수 있다.

그래서 전압 불평형은 단순한 전원품질 문제가 아니라 모터 수명과 직접 연결되는 정비항목이다.

회전자도 과열될 수 있다는 점이 중요하다

전류가 높은 고정자권선만 뜨거워진다고 생각하기 쉽다.

하지만 역상분은 회전자에도 큰 영향을 준다.

회전자와 반대방향으로 회전하는 역상자계 때문에 회전자에서 보는 상대주파수가 매우 높아진다.

이로 인해 회전자 바와 엔드링에 추가적인 전류와 손실이 발생할 수 있다.

특히 농형 유도전동기에서는 외부에서 회전자온도를 직접 측정하기 어렵기 때문에 이런 발열을 놓치기 쉽다.

역상토크는 평균토크도 감소시킬 수 있다

전동기가 만드는 전체 전자기토크는 정상분에 의한 정토크와 역상분에 의한 반대방향 토크의 영향을 함께 받는다.

역상토크가 존재하면 유효한 순토크가 감소한다.

부하가 그대로라면 모터는 필요한 토크를 유지하기 위해 더 많은 정상분 전류를 요구할 수 있다.

결국 효율도 나빠질 수 있고 발열은 더 커질 수 있다.

진동과 소음도 증가할 수 있을까?

가능하다.

정상분과 역상분 자계가 동시에 존재하면 공극의 전자기력이 완전히 일정하지 않게 된다.

토크맥동이 생길 수 있고 전자기적인 진동성분이 증가할 수 있다.

따라서 심한 전압불평형에서는

진동 증가,

웅웅거리는 소음,

토크맥동

같은 현상이 함께 나타날 수 있다.

하지만 진동과 소음만으로 전압불평형을 확정해서는 안 된다.

베어링과 축정렬, 회전자 문제 등 다른 원인도 있기 때문이다.

전압 불평형과 결상은 어떻게 다를까?

전압 불평형은 세 상 전압이 존재하지만 크기나 위상관계가 서로 균형을 이루지 않는 상태다.

결상은 한 상의 전기적인 공급이 사실상 끊어진 훨씬 심한 상태다.

결상이 발생하면 정상적인 3상 회전자계를 유지하기 어렵고 남은 상의 전류가 크게 증가할 수 있다.

즉 결상은 불평형 문제의 극단적인 형태로 생각할 수 있지만 실제 보호와 진단에서는 별도로 매우 중요하게 다뤄야 한다.

한 상 전압이 낮으면 그 상 전류도 항상 낮을까?

그렇지 않다.

3상 유도전동기는 세 상이 서로 독립된 단순저항 세 개가 아니다.

권선이 자기적으로 결합되어 있고 회전자와도 상호작용한다.

따라서 한 상 전압이 낮아졌다고 그 상 전류만 단순하게 낮아지는 것이 아니다.

다른 상의 전류가 오히려 증가할 수도 있다.

그래서

“전압이 낮은 상 = 전류도 낮은 상”

이라는 단순한 대응관계를 사용하면 안 된다.

전류가 가장 높은 상이 전압문제가 발생한 상일까?

이것도 반드시 그렇지는 않다.

불평형 3상회로에서는 세 상 전압의 크기와 위상관계가 함께 영향을 준다.

특히 Δ결선에서는 선전류와 상전류의 관계도 단순하지 않다.

그래서 특정 상의 컨택터가 불량해도 가장 높은 전류가 반드시 같은 이름의 상에서 나타난다고 단정할 수 없다.

전류만 보고 고장상 위치를 결정하지 말고 세 선간전압과 접점의 전압강하를 직접 확인해야 한다.

모터 자체가 전압 불평형을 만들 수도 있을까?

일반적으로 전압 불평형의 원인은 공급계통과 배선, 접속부에서 먼저 찾는 것이 자연스럽다.

하지만 모터 내부의 심한 비대칭으로 특정 상의 전류가 증가하면 상위 전원임피던스와 결합해 단자전압에도 차이가 나타날 수 있다.

즉 측정된 전압불평형이 항상 전원쪽에서만 만들어졌다고 단정해서는 안 된다.

원인과 결과가 서로 영향을 줄 수 있기 때문에 측정위치를 바꾸어 비교하는 것이 중요하다.

제어반과 모터단자 전압을 비교하면 무엇을 알 수 있을까?

제어반 출력단에서는 전압이 균형인데 모터단자에서만 불평형하다면 두 지점 사이의

케이블,

접촉기,

접속부

를 우선 의심할 수 있다.

반대로 제어반부터 이미 불평형하다면 더 상위의 전원과 변압기, 배전계통을 확인해야 한다.

이런 식으로 여러 지점의 전압을 비교하면 문제범위를 단계적으로 좁힐 수 있다.

케이블 굵기나 길이가 서로 다르면 영향이 있을까?

세 상의 케이블 조건이 현저하게 다르면 각 상의 임피던스도 달라질 수 있다.

정상적인 3상 전동기 회로에서는 세 상이 가능한 한 동일한 조건을 갖도록 구성한다.

특정 상만 다른 경로로 지나가거나 접속수가 더 많다면 전압강하의 차이가 생길 수 있다.

특히 전류가 큰 장거리 회로에서는 작은 임피던스 차이도 더 중요해질 수 있다.

병렬케이블에서도 주의할 점이 있다

대용량 모터에서는 상별로 여러 가닥의 케이블을 병렬로 사용할 수 있다.

이때 특정 상의 병렬케이블 하나가 단선되거나 접속이 불량하면 그 상의 유효임피던스가 증가할 수 있다.

다른 병렬도체에도 전류가 더 많이 분담된다.

결과적으로 전압강하와 발열이 증가하고 모터단자 전압도 불평형해질 수 있다.

따라서 대형 설비에서는 케이블 한 가닥의 이상도 전체 3상 균형에 영향을 줄 수 있다.

변압기 문제도 영향을 줄 수 있을까?

가능하다.

전동기에 전원을 공급하는 변압기의 권선이나 접속부에 이상이 있거나 상별 부하가 크게 불균형하면 2차측 전압의 균형이 나빠질 수 있다.

다만 변압기 문제라면 같은 변압기에서 공급되는 다른 부하에서도 비슷한 증상이 나타날 가능성이 있다.

그래서 한 대의 모터만 이상한지 같은 계통의 여러 설비가 함께 영향을 받는지를 비교해보는 것이 도움이 된다.

다른 대형부하의 기동이 순간적인 불평형을 만들 수도 있다

전원계통의 임피던스가 크거나 용량여유가 작다면 다른 대형모터의 기동 시 전압이 순간적으로 떨어질 수 있다.

세 상 조건이 완전히 같지 않다면 순간적인 전압불평형도 나타날 수 있다.

지속적인 불평형과 순간적인 불평형은 진단방법이 다르다.

클램프미터로 한 번 측정해서는 짧은 순간현상을 놓칠 수 있으므로 전력품질분석기나 기록기능이 있는 계측기가 필요할 수도 있다.

인버터 입력측 전압 불평형도 문제가 될까?

인버터 입력은 일반적인 직입 전동기와 상황이 조금 다르다.

입력 3상전압이 불평형하면 정류부와 DC 링크의 전류부담이 달라질 수 있다.

하지만 인버터 출력측 모터전압은 DC 링크와 PWM 제어에 의해 만들어지므로 입력 불평형이 그대로 같은 비율로 모터의 3상 출력불평형이 되는 것은 아니다.

이 경우에는 모터뿐 아니라 드라이브의 입력전류와 DC 링크, 보호기능까지 함께 봐야 한다.

인버터 출력전압을 일반 테스터로 재면 주의해야 한다

인버터 출력은 PWM 파형이다.

일반 멀티미터가 표시하는 전압이 모터가 실제로 경험하는 기본파 전압과 정확히 일치하지 않을 수 있다.

계측기의 주파수대역과 PWM 대응여부에 따라 결과가 달라질 수 있다.

따라서 인버터 출력의 전압 불평형을 진단하려면 해당 용도에 적합한 계측기와 제조사 측정방법을 사용하는 것이 좋다.

전압불평형이 있으면 정격보다 부하를 낮춰야 할 수도 있을까?

전압불평형이 존재하면 모터의 열적인 여유가 줄어든다.

같은 축부하라도 불평형 때문에 추가손실이 발생하기 때문이다.

따라서 제조사나 적용기준에서는 허용 가능한 전압불평형과 필요한 부하조정 조건을 제시할 수 있다.

현장에서 임의로

“이 정도면 괜찮겠지”

라고 판단하기보다 모터 제조사의 운전조건과 보호기준을 확인해야 한다.

가장 좋은 방법은 불평형의 원인을 찾아 전원을 정상화하는 것이다.

모터가 뜨거운데 전류가 정격 이하라면 전압 불평형도 봐야 한다

세 상의 평균전류만 보고 판단하면 문제를 놓칠 수 있다.

예를 들어 정격전류가 30A인데

22A,

23A,

29A

가 흐르고 있다고 하자.

세 상 모두 30A 이하이므로 단순히 보면 정격전류를 넘지 않았다.

하지만 세 상의 차이는 상당하다.

높은 상에는 더 큰 I²R 손실이 발생하고 역상분에 의한 추가손실도 존재할 수 있다.

따라서

각 상이 정격 이하인가

뿐 아니라

세 상이 서로 균형인가

도 따로 확인해야 한다.

평균전류만 보는 것이 위험한 이유

앞의 예에서 평균전류는 약 24.7A다.

정격 30A보다 충분히 낮다.

그런데 한 상은 29A이고 다른 상은 22A다.

평균값만 보면 여유가 있다고 느낄 수 있지만 실제 권선은 서로 다른 열적 스트레스를 받고 있다.

따라서 모터상태를 확인할 때는 평균전류 하나보다 세 상의 개별값을 기록하는 것이 중요하다.

보호계전기의 역상기능은 왜 유용할까?

전자식 모터보호계전기 가운데는 단순 과전류뿐 아니라 전류불평형이나 역상분을 감시하는 기능을 가진 제품이 있다.

역상성분이 증가하면 전동기 회전자에 추가적인 발열이 발생할 수 있기 때문에 이를 별도로 감시하는 것이다.

대형 전동기나 중요설비에서는 이런 기능이 전압불평형과 결상으로부터 모터를 보호하는 데 도움이 될 수 있다.

설정값은 보호협조와 모터의 열적 특성을 고려해 결정해야 한다.

전압 불평형이 발견되면 무엇부터 점검할까?

먼저 계측이 정확한지 확인한다.

같은 계측기로

VRS,

VST,

VTR

세 값을 가능한 한 같은 부하상태에서 측정한다.

다음으로 측정위치를 바꿔본다.

제어반에서는 정상인데 모터단자에서 불평형한지 확인한다.

그렇다면 그 사이의 케이블과 컨택터, 퓨즈, 단자부를 확인한다.

제어반부터 이미 불평형하다면 상위 전원과 변압기, 같은 계통의 다른 부하를 확인한다.

동시에 R·S·T 전류도 함께 기록한다.

접속부를 볼 때 온도만 믿으면 안 되는 이유

열화상카메라에서 특정 상의 접점이 뜨겁다면 중요한 단서가 된다.

하지만 주변환경과 부하, 방열조건에 따라 온도는 달라질 수 있다.

따라서

온도가 높다

→ 접촉저항이 확실히 나쁘다

라고 바로 확정하기보다 해당 접점의 상태와 전압강하, 체결상태까지 함께 확인해야 한다.

열화상은 원인을 찾는 데 매우 유용하지만 다른 측정과 조합해서 해석하는 것이 좋다.

단자를 조이기만 하면 해결될까?

느슨한 접속이 발견되었다고 무조건 더 세게 조이는 것이 정답은 아니다.

단자와 케이블러그에는 적절한 체결토크가 있다.

지나치게 세게 조이면 나사산이나 단자를 손상시킬 수 있다.

이미 열화된 러그나 탄화된 접점이라면 단순 재체결만으로 정상상태를 회복하지 못할 수도 있다.

제조사가 지정한 토크와 부품상태를 확인해야 한다.

전압 불평형과 과부하는 함께 발생할 수 있다

설비가 과부하된 상태에서 전압까지 불평형하면 열적인 상황은 더 나빠진다.

과부하 때문에 기본전류가 높아져 있는데 불평형으로 특정 상 전류가 추가로 증가하기 때문이다.

따라서 모터가 과열될 때

기계부하,

전류크기,

상간전류 불평형,

전압불평형

을 따로 보지 말고 함께 확인하는 것이 중요하다.

냉각불량까지 겹치면 더 위험하다

전동기 내부에서 손실이 증가하더라도 냉각이 충분하면 일정 부분 열을 배출할 수 있다.

하지만 팬이 파손되어 있거나 통풍구가 막혀 있다면 같은 손실에서도 권선온도는 더 빠르게 올라간다.

즉 실제 모터과열은 하나의 원인만으로 발생하지 않을 수 있다.

전압 불평형이 열발생을 증가시키고 냉각불량이 열배출을 방해하는 식으로 여러 문제가 동시에 작용할 수 있다.

정기점검에서는 무엇을 기록하는 것이 좋을까?

전압 불평형을 관리하려면 각 선간전압을 따로 기록하는 것이 좋다.

예를 들어

VRS = 380V,

VST = 378V,

VTR = 381V

처럼 남긴다.

같은 시점의

IR,

IS,

IT

도 함께 기록한다.

가능하면

부하율,

모터온도,

측정위치,

측정날짜

도 남긴다.

시간이 지나면서 특정 상의 전압이 서서히 낮아지고 같은 시기에 접속부 온도와 전류차이가 커진다면 매우 유용한 정비정보가 된다.

한 번의 측정보다 추세가 중요한 이유

오늘 1% 정도의 불평형이 측정되었다고 하자.

그 한 번의 값만으로 원인을 확정하기는 어렵다.

하지만 과거에는 0.2% 수준이었는데

0.4%,

0.6%,

0.8%,

1.0%

처럼 계속 증가하고 있다면 전원이나 접속부의 상태가 변하고 있다는 신호일 수 있다.

예방정비에서는 이런 변화추세를 발견하는 것이 매우 중요하다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 전압 불평형은 단순히 세 전압 숫자가 조금 다른 문제로 끝나지 않는다.

역상분 자계를 만들어 전류와 발열에 더 큰 영향을 줄 수 있다.

둘째, 정상분 자계는 회전자와 같은 방향으로 돌지만 역상분 자계는 반대방향으로 돈다.

셋째, 역상자계와 회전자 사이의 상대속도는 매우 크다.

정상슬립이 작을수록 역상슬립은 거의 2에 가까워진다.

넷째, 역상분은 회전자에 높은 주파수의 추가전류를 유도하고 회전자 동손을 증가시킬 수 있다.

다섯째, 전압 불평형이 작다고 전류 불평형도 반드시 작은 것은 아니다.

전동기에서는 전류차이가 훨씬 크게 나타날 수 있다.

여섯째, 한 상 전압이 낮다고 반드시 그 상 전류만 낮아지는 것은 아니다.

3상 전동기는 서로 결합된 시스템이다.

일곱째, 제어반 전압이 정상이어도 모터단자에서는 케이블과 접점의 전압강하 때문에 불평형할 수 있다.

여덟째, 모터를 정지한 상태의 전압측정만으로는 접촉불량을 놓칠 수 있다. 부하전류가 흐를 때 전압강하가 커지기 때문이다.

아홉째, 세 상 전류가 모두 정격 이하라도 상간 불평형이 크면 과열문제가 발생할 수 있다.

열째, 전압 불평형이 발견되면 모터만 보지 말고 전원부터 모터단자까지 각 상의 전체 경로를 단계적으로 확인해야 한다.

마무리

전동기의 전압 불평형이 위험한 이유는 숫자상의 전압차이보다 모터 내부에서 만들어지는 전자기현상에 있다.

정상적인 3상 전압은 하나의 균형된 회전자계를 만든다.

하지만 전압이 불평형하면 정상분과 함께 역상분이 발생한다.

정상분 자계는 회전자와 같은 방향으로 동기속도로 회전한다.

반대로 역상분 자계는 회전자와 반대방향으로 회전한다.

정상운전 중인 회전자는 거의 동기속도에 가까운 속도로 정상방향으로 돌고 있기 때문에 역상자계와의 상대속도는 매우 커진다.

정상분 슬립이 s1이라면 역상분 슬립은

s2 = 2 – s1

로 생각할 수 있다.

정상슬립이 몇 %에 불과하다면 역상슬립은 거의 2다.

60Hz 전동기라면 회전자에서 보는 역상분 주파수가 거의 120Hz에 가까워질 수도 있다.

이 때문에 회전자에는 추가적인 유도전류와 손실이 발생하고 반대방향 토크성분도 만들어진다.

고정자에서는 불평형 전류 때문에

I²R

동손이 증가한다.

결국 작은 전압 불평형이

전류증가,

토크저하,

고정자 발열,

회전자 발열,

절연열화

로 확대될 수 있다.

그래서 전동기가 과열되거나 세 상 전류가 다르게 나타날 때는 정격전류만 볼 것이 아니라 세 개의 선간전압도 반드시 함께 확인해야 한다.

또 제어반에서 측정한 전압만 믿지 말고 가능하면 모터에 가까운 지점에서 확인해야 한다.

컨택터와 퓨즈, 케이블, 단자부의 접촉저항이 부하전류와 만나면 모터단자에서만 전압 불평형이 생길 수도 있기 때문이다.

결국 전압 불평형의 핵심은

몇 V 차이가 나는가

보다

그 차이가 역상분을 얼마나 만들고, 그로 인해 모터의 전류와 열이 어떻게 변하고 있는가

를 보는 것이다.

운전 중 한 상이 끊어져도 모터가 계속 돌아갈 수 있는 이유와 남은 두 상의 전류가 왜 증가하는지, 정지상태에서 결상기동이 왜 더 위험한지까지 이어서 알아본다.