전동기 3상 전류 불평형은 왜 발생할까?

3상 전동기를 운전하면서 R상, S상, T상의 전류를 측정해보면 세 값이 완전히 똑같지 않은 경우가 많다.

예를 들어

R상 18A,

S상 19A,

T상 24A

처럼 특정 상의 전류가 눈에 띄게 높게 나타날 수도 있다.

이런 상태를 흔히 3상 전류 불평형 또는 전류 불균형이라고 한다.

전류가 조금 다르다고 해서 곧바로 모터가 고장났다고 볼 수는 없다.

전원전압 자체가 불평형할 수도 있다.

컨택터 한 극의 접촉저항이 증가했을 수도 있다.

케이블이나 단자부에 문제가 있을 수도 있다.

모터권선의 전기적인 대칭성이 무너졌을 수도 있다.

심지어 계측방법 때문에 실제보다 큰 차이가 나타날 수도 있다.

그래서 전류 불평형을 발견했을 때 가장 중요한 것은

전류가 다른 현상 자체와 그 원인을 구분하는 것이다.

한 상 전류가 높다는 이유만으로 그 상 권선이 나쁘다고 단정해서는 안 된다.

전원에서 모터까지 전류가 흐르는 전체 경로를 순서대로 확인해야 한다.

먼저 정상적인 3상 전동기를 생각해보자

정상적인 3상 유도전동기에는 서로 120도 위상차를 가진 3상 전압이 공급된다.

전원전압이 균형을 이루고 있고 고정자의 세 상 권선도 대칭적으로 만들어져 있으며 기계적인 상태까지 정상이라면 세 상 전류도 거의 균형을 이루게 된다.

이를 이상적인 형태로 표현하면

IR ≈ IS ≈ IT

라고 볼 수 있다.

하지만 실제 설비에서는 전원과 권선, 케이블과 접촉부가 완벽하게 동일하지 않다.

따라서 아주 작은 차이는 존재할 수 있다.

문제는 세 상 가운데 특정 상이 지속적으로 다른 두 상보다 크게 또는 작게 나타나는 경우다.

이때부터는 원인을 찾아볼 필요가 있다.

전류 불평형률은 어떻게 계산할까?

현장에서 세 상의 차이를 비교할 때는 단순히 최대전류와 최소전류의 차이만 볼 수도 있지만 평균값에 대한 편차를 백분율로 나타내면 비교하기 쉽다.

먼저 세 상 평균전류를 계산한다.

Iavg = (IR + IS + IT) / 3

그다음 각 상의 전류가 평균에서 얼마나 벗어났는지 계산한다.

그 가운데 가장 큰 편차를 사용해 한 가지 흔한 계산방법으로

전류 불평형률 = 최대 |Iphase – Iavg| / Iavg × 100%

로 나타낼 수 있다.

예를 들어

R상 = 18A,

S상 = 19A,

T상 = 24A

라면 평균전류는

Iavg = (18 + 19 + 24) / 3

으로 약

20.3A

다.

평균에서 가장 멀리 떨어진 것은 24A인 T상이다.

편차는 약

24 – 20.3 = 3.7A

다.

따라서 이 예의 불평형률은 약

3.7 / 20.3 × 100 ≈ 18%

가 된다.

상당히 큰 차이라는 것을 직관적으로 알 수 있다.

다만 실제 합격기준은 설비와 모터의 제조사 기준, 보호계전기 설정, 적용규격을 따라야 한다.

왜 전류가 불평형하면 문제가 될까?

전동기 권선의 동손은 기본적으로

Pcu = I²R

관계로 증가한다.

따라서 특정 상의 전류가 증가하면 그 상의 동손은 전류에 비례하는 것이 아니라 전류의 제곱에 비례해 커진다.

예를 들어 같은 저항을 가진 권선에서 전류가 10% 증가했다고 하자.

전류비는 1.1이지만 동손비는

1.1² = 1.21

이므로 약 21% 증가한다.

그래서 전류 불평형은 단순히 전류계의 숫자가 보기 싫게 다른 문제가 아니다.

권선의 국부적인 온도상승과 절연수명 저하로 이어질 수 있다.

전류 불평형의 가장 중요한 원인 중 하나는 전압 불평형이다

모터의 세 상 전류가 다르게 나타나면 먼저 전원전압을 확인해야 한다.

3상 전압이 완전히 균형을 이루지 않으면 모터의 자계도 완전히 대칭적이지 않게 된다.

그 결과 전류 불평형이 발생할 수 있다.

중요한 점은 전압의 작은 불평형이 전류에서는 더 크게 나타날 수 있다는 것이다.

따라서 전류차이가 크다고 해서 반드시 모터권선에 큰 저항차이가 존재한다는 뜻은 아니다.

전원측의 작은 이상이 모터전류에서 더 뚜렷하게 나타날 수 있다.

전압 불평형은 왜 모터에 민감할까?

균형된 3상 전압은 하나의 일정한 방향으로 회전하는 정상적인 회전자계를 만든다.

하지만 전압이 불평형해지면 대칭분으로 보았을 때 정상적인 정상분뿐 아니라 역상분도 나타날 수 있다.

역상분은 정상 회전자계와 반대방향으로 회전하는 자계를 만든다.

정상운전 중인 회전자는 정상분 회전자계를 따라 거의 동기속도에 가까운 속도로 회전하고 있다.

그런데 역상분 자계는 반대방향으로 회전한다.

따라서 회전자 입장에서는 역상자계가 매우 빠른 상대속도로 지나가는 것처럼 보인다.

이 때문에 회전자에 추가적인 전류와 손실이 발생할 수 있다.

결과적으로 작은 전압 불평형도 전동기에서는 큰 전류불평형과 발열문제로 확대될 수 있다.

역상자계의 상대속도는 왜 클까?

정상 회전자계의 동기속도를 Ns라고 하자.

정상운전 중 회전자속도 Nr은 Ns보다 조금 낮다.

정상 회전자계와 회전자의 상대속도는

Ns – Nr

이므로 작다.

그래서 정상운전 슬립도 몇 % 정도로 작다.

하지만 역상자계는 반대방향으로 Ns의 속도로 회전한다.

회전자는 정상방향으로 Nr의 속도로 돌고 있으므로 둘 사이의 상대속도 크기는 개념적으로

Ns + Nr

에 가까워진다.

정격운전이라면 Nr이 Ns와 거의 비슷하므로 상대속도는 거의 동기속도의 두 배에 가까워질 수 있다.

이 때문에 역상분은 회전자 발열에 특히 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

전압은 어디에서 측정해야 할까?

가능하면 실제 모터단자에 가까운 위치에서 운전 중 전압을 확인하는 것이 좋다.

제어반에서 전압이 정상이라고 해서 모터단자에서도 반드시 정상이라는 뜻은 아니다.

제어반에서 모터까지 가는 사이에는

차단기,

퓨즈,

컨택터,

케이블,

단자대

가 존재한다.

이 가운데 한 곳의 접촉저항이 증가하면 부하전류가 흐를 때 특정 상에서 더 큰 전압강하가 발생할 수 있다.

따라서 모터가 실제로 받고 있는

R-S,

S-T,

T-R

선간전압 세 개를 확인하는 것이 중요하다.

무부하에서는 정상인데 운전하면 전압차가 생길 수도 있다

접촉불량을 찾을 때 중요한 특징이다.

전류가 거의 흐르지 않는 상태에서는 접촉저항이 조금 커져도 전압강하가 작다.

전압강하는

Vdrop = IR

이기 때문이다.

하지만 모터에 부하가 걸려 큰 전류가 흐르면 같은 접촉저항에서도 전압강하가 커진다.

그래서 정지상태나 무부하에서 전압이 정상으로 보이던 설비가 부하운전 중에는 한 상 전압이 낮아질 수 있다.

가능하면 실제 부하조건에서 측정해야 하는 이유다.

컨택터 접촉불량도 흔한 원인이 될 수 있다

3상 전동기는 세 상 모두 컨택터 접점을 통과하는 경우가 많다.

세 극 가운데 한 극의 접점만 심하게 마모되거나 탄화되었다고 하자.

그 상의 접촉저항이 증가한다.

전류가 흐르면 해당 접점에서

P = I²R

발열이 발생한다.

동시에 전압강하도 증가한다.

모터단자에서는 세 상 전압의 균형이 무너질 수 있고 전동기 전류도 불평형해질 수 있다.

따라서 한 상 전류가 이상할 때 모터권선만 보지 말고 컨택터의 각 극도 확인해야 한다.

단자볼트가 느슨해도 같은 문제가 생길 수 있다

전동기 단자대의 볼트가 느슨하면 접촉저항이 증가할 수 있다.

케이블러그의 압착상태가 나쁘거나 산화가 진행되어도 마찬가지다.

접촉저항이 커지면 운전 중 발열과 전압강하가 발생한다.

단자부가 변색되거나 절연물이 열로 변형된 흔적이 있다면 중요한 단서가 될 수 있다.

열화상카메라를 사용할 수 있다면 세 상 접속부의 온도를 비교하는 것도 도움이 된다.

다만 온도만으로 원인을 확정하지 말고 전압과 전류, 접속상태를 함께 확인해야 한다.

퓨즈 한 상의 상태도 확인해야 한다

퓨즈가 완전히 끊어진 경우라면 결상으로 이어질 수 있다.

하지만 퓨즈홀더나 접속부의 상태가 좋지 않아 한 상에서 높은 접촉저항이 발생하는 경우도 생각할 수 있다.

이 역시 부하가 걸렸을 때 전압강하를 만들어 전류불평형으로 이어질 수 있다.

따라서 전동기 전원회로에서 전류 불평형을 찾을 때는 각 상이 지나가는 모든 접속점을 순서대로 확인하는 것이 좋다.

모터 권선 자체가 불평형할 수도 있다

전원과 케이블, 접속부가 모두 정상인데도 전류불평형이 계속된다면 모터권선을 확인할 필요가 있다.

정상적인 3상 권선은 서로 거의 같은 전기적인 특성을 가져야 한다.

그런데 특정 상에

접속불량,

권선 일부 단선,

병렬회로 이상,

재권선 오류

등이 있다면 세 상의 임피던스가 달라질 수 있다.

그 결과 같은 3상 전압을 공급해도 각 상 전류가 달라질 수 있다.

권선저항을 측정하면 무엇을 확인할 수 있을까?

전원을 완전히 차단하고 모터권선을 적절히 분리한 뒤 세 상의 DC 권선저항을 비교할 수 있다.

한 상의 저항만 높다면 해당 권선이나 접속부에 이상이 있을 가능성을 살펴볼 수 있다.

하지만 여기서 중요한 점이 있다.

DC 권선저항이 비슷하다고 해서 AC 운전 중의 임피던스까지 완전히 같다는 뜻은 아니다.

실제 운전에서는 저항뿐 아니라 인덕턴스와 자기회로의 상태도 영향을 준다.

따라서 권선저항은 중요한 진단자료이지만 단독으로 모든 원인을 판단할 수는 없다.

턴간 단락이 있어도 저항차가 작을 수 있다

권선의 일부 턴만 단락된 경우를 생각해보자.

수백 또는 수천 턴 가운데 아주 일부가 단락되었다면 DC 저항의 변화는 매우 작을 수 있다.

하지만 단락된 턴에서는 운전 중 큰 순환전류가 흐르면서 국부적인 과열이 발생할 수 있다.

그래서

세 상 권선저항이 비슷하다

는 사실만으로 턴간 절연까지 정상이라고 단정하면 안 된다.

절연저항과 전류불평형은 어떤 관계가 있을까?

대지 절연이 저하되었다고 항상 곧바로 눈에 띄는 3상 전류불평형이 발생하는 것은 아니다.

절연저항은 주로 권선과 프레임·대지 사이의 누설상태를 본다.

반면 전류불평형은 각 상 회로의 전압과 임피던스 차이에 크게 영향을 받는다.

따라서 두 시험은 서로 다른 정보를 제공한다.

전류불평형을 발견했다고 메거만 찍고 정상이라고 끝내서는 안 되는 이유다.

결상은 전류 불평형의 가장 심한 형태로 볼 수 있다

전원 한 상이 완전히 끊어지는 결상이 발생하면 정상적인 3상 회전자계를 만들 수 없다.

운전 중이던 유도전동기는 조건에 따라 계속 회전하려 할 수도 있지만 남아 있는 상의 전류가 크게 증가하고 토크가 감소하며 빠르게 과열될 수 있다.

기동상태에서 결상이 발생하면 정상적으로 기동하지 못할 수도 있다.

따라서 한 상 전류가 거의 0이고 다른 두 상이 크게 증가하는 상태라면 단순한 작은 불평형이 아니라 결상 가능성을 우선 확인해야 한다.

결상과 접촉불량은 어떻게 다를까?

결상은 전기적인 경로가 사실상 끊어진 상태다.

접촉불량은 경로는 남아 있지만 비정상적으로 큰 저항이 생긴 상태다.

접촉상태가 더 악화되면 결국 결상으로 진행될 수도 있다.

따라서 단자와 컨택터가 심하게 발열하거나 변색되기 시작했다면 모터가 아직 돌아간다고 방치해서는 안 된다.

기계부하가 무거우면 한 상 전류만 높아질까?

일반적인 균형된 3상 전동기에서 기계부하가 증가하면 모터가 더 큰 토크를 만들어야 하므로 전체적인 전류가 증가한다.

정상적인 전원과 권선이라면 세 상이 함께 증가하는 것이 기본적이다.

따라서 단순히 축부하가 무거워졌다는 사실만으로 한 상만 지속적으로 높아지는 현상을 설명하기는 어렵다.

이 점은 현장진단에서 중요하다.

전체 전류가 높다와 세 상 전류가 불균형하다는 서로 다른 문제다.

축이나 베어링이 뻑뻑하면 어떻게 될까?

베어링 이상이나 기계적인 걸림으로 부하토크가 증가하면 전체 전류가 상승할 수 있다.

하지만 전원이 균형이고 모터권선이 정상이라면 세 상 모두 비슷한 방향으로 증가하는 것이 일반적이다.

따라서

R 30A,

S 31A,

T 30A

처럼 전체적으로 높은 것과

R 20A,

S 20A,

T 30A

처럼 한 상만 크게 다른 것은 진단방향이 다르다.

첫 번째는 과부하나 기계적 문제를 우선 볼 수 있고 두 번째는 전원이나 접속부, 권선의 비대칭을 더 적극적으로 확인할 수 있다.

회전자 고장은 전류 불평형을 만들 수 있을까?

회전자 바 단선이나 공극편심 같은 문제는 고정자전류에 영향을 줄 수 있다.

하지만 이런 고장은 단순히 R·S·T 중 한 상의 평균전류만 높아지는 형태보다 토크맥동과 진동, 특정 주파수성분의 전류변동으로 나타나는 경우도 많다.

따라서 세 상의 RMS 전류가 다른 현상만 보고 바로 회전자 바를 의심하는 것은 순서가 좋지 않다.

먼저 전압과 접속부, 권선상태를 확인한 뒤 필요하면 전류스펙트럼 분석과 진동분석 같은 고급진단을 검토하는 것이 좋다.

전류를 측정한 계측기가 문제일 수도 있다

현장에서는 의외로 계측오류를 먼저 제외하는 것이 중요하다.

클램프미터의 배터리 상태나 영점,

측정범위,

센서 위치

가 적절한지 확인해야 한다.

세 상을 서로 다른 계측기로 측정했다면 계측기마다 오차가 다를 수도 있다.

가능하면 같은 계측기로 동일한 조건에서 세 상을 연속 측정하는 것이 비교에 유리하다.

부하가 빠르게 변하는 장비라면 R상을 측정할 때와 T상을 측정할 때 부하 자체가 달라질 수도 있으므로 이 점도 고려해야 한다.

동시에 세 상을 측정하면 더 좋은 이유

부하가 일정한 펌프나 팬이라면 세 상을 순서대로 측정해도 큰 문제가 없을 수 있다.

하지만 프레스나 압축기, 왕복운동기계처럼 부하가 계속 변한다면 측정시점에 따라 전류가 달라질 수 있다.

이때 각 상을 서로 다른 순간에 측정하면 실제 상불평형인지 단순한 부하변동인지 구분하기 어려워진다.

전력분석기처럼 세 상을 동시에 측정할 수 있는 장비가 있으면 훨씬 정확한 비교가 가능하다.

CT를 사용하는 설비에서는 CT도 확인해야 한다

제어반 표시전류가 서로 다르다고 해서 실제 모터전류가 반드시 다른 것은 아니다.

각 상 CT의 변류비가 다르거나 CT 극성과 결선에 문제가 있을 수도 있다.

전류변환기와 입력카드의 보정상태가 달라질 수도 있다.

그래서 보호계전기나 PLC 화면에서는 불평형으로 보이는데 실제 클램프측정에서는 균형이라면 계측계통을 확인해야 한다.

인버터 운전모터는 측정방법을 더 조심해야 한다

인버터 출력은 상용전원의 깨끗한 정현파와 다르다.

PWM 방식으로 빠르게 스위칭된 전압이 모터에 공급된다.

모터전류는 권선 인덕턴스 때문에 전압보다 훨씬 부드럽지만 고조파와 스위칭성분이 포함될 수 있다.

따라서 일반 클램프미터가 인버터 출력전류를 정확하게 표시하지 못하는 경우가 있다.

True RMS 대응여부와 계측기의 주파수특성을 확인하는 것이 좋다.

인버터 화면의 전류와 클램프미터 값이 다를 수 있는 이유

인버터는 내부 전류센서를 통해 모터전류를 측정한다.

외부 클램프미터는 별도의 방식으로 RMS 값을 계산한다.

두 장비의 대역폭과 필터, 샘플링 방식이 다르면 표시값도 조금 다를 수 있다.

따라서 몇 %의 작은 차이만으로 어느 쪽이 고장이라고 판단해서는 안 된다.

하지만 한 상만 지속적으로 크게 다르다면 모터와 케이블, 드라이브 출력부와 전류센서를 추가로 확인할 필요가 있다.

인버터 출력에서 한 상만 이상하다면 무엇을 볼까?

먼저 모터와 케이블을 확인한다.

접속부와 권선저항을 본다.

그다음 드라이브의 출력단과 내부 전류센서 이상 가능성을 검토할 수 있다.

다만 인버터 출력단은 전력반도체가 연결된 회로이므로 절연저항을 측정할 때 메거전압을 드라이브에 직접 인가해서는 안 된다.

전원을 안전하게 차단하고 제조사 절차에 따라 모터와 드라이브를 분리해야 한다.

Y-Δ 기동 모터에서도 접촉불량이 생길 수 있다

Y-Δ 기동회로에는 주접촉기와 Y접촉기, Δ접촉기 등 여러 접점이 사용된다.

정상운전이 Δ결선이라면 Δ접촉기의 각 극이 정상적으로 접촉해야 한다.

특정 접점의 저항이 증가하면 정상운전 중 전압과 전류의 대칭성이 무너질 수 있다.

따라서 Y-Δ 모터에서 전류불평형이 발생한다면 모터뿐 아니라 기동회로의 각 접점도 확인할 필요가 있다.

전류가 높은 상이 반드시 고장난 상일까?

이 부분도 중요한 함정이다.

3상 전동기는 세 상이 전자기적으로 서로 연결되어 동작한다.

한 상의 공급전압이나 임피던스가 변하면 세 상 전류의 크기와 위상이 함께 바뀐다.

그래서 가장 큰 전류가 흐르는 상이 반드시 실제 접촉불량이 발생한 그 상이라고 단정할 수는 없다.

특히 Δ결선에서는 상전류와 선전류의 관계까지 고려해야 한다.

따라서

“T상 전류가 제일 높으니까 T상 권선이 고장이다”

와 같은 판단은 피해야 한다.

전압과 저항을 실제로 측정해 원인을 확인해야 한다.

전류만으로는 위치를 특정하기 어려운 이유

전류는 전체 시스템의 결과다.

전원전압,

배선저항,

접촉저항,

권선임피던스,

회전자 상태,

부하

등의 영향을 모두 받은 뒤 나타나는 값이다.

그래서 전류는 이상을 발견하는 데 매우 유용하지만 그것만으로 고장위치를 정확히 알려주는 것은 아니다.

전류불평형은 추가점검이 필요하다는 신호라고 이해하는 것이 좋다.

현장에서는 어떤 순서로 점검할까?

첫 번째로 세 상의 전류가 실제로 불평형한지 다시 확인한다.

가능하면 부하가 안정된 상태에서 같은 계측기로 측정한다.

두 번째로 모터단자 또는 가능한 한 모터에 가까운 지점에서 세 개의 선간전압을 측정한다.

전압도 불평형하면 전원과 변압기, 케이블, 컨택터와 접속부를 먼저 확인한다.

전압은 거의 균형인데 전류만 크게 다르다면 모터단자와 권선, 측정계통을 더 자세히 본다.

전원을 차단한 뒤 필요하면 세 상 권선저항을 비교한다.

그래도 원인이 명확하지 않다면 기계부하와 회전자 상태, 진동, 전류스펙트럼 등의 추가진단으로 넘어갈 수 있다.

전압과 전류를 함께 기록해야 하는 이유

정비기록에

R상 24A,

S상 20A,

T상 19A

만 남기면 나중에 원인을 해석하기 어렵다.

같은 시점의

VRS,

VST,

VTR

도 함께 기록하면 훨씬 유용하다.

예를 들어 전류가 높은 시점에 특정 선간전압도 낮았다면 전원이나 접속부 문제를 의심하는 근거가 된다.

반대로 선간전압은 매우 균형인데 전류차이가 크다면 모터와 측정계통을 더 집중적으로 점검할 수 있다.

전압강하는 접점 양단에서도 측정할 수 있다

운전 중 안전하게 측정할 수 있는 절차와 설비라면 접촉불량을 찾기 위해 접점 양단의 전압강하를 비교하는 방법도 있다.

정상적으로 닫힌 접점에서는 전압강하가 매우 작아야 한다.

특정 극의 컨택터나 접속부에서 다른 상보다 큰 전압강하가 발생한다면 높은 접촉저항의 단서가 될 수 있다.

다만 활선측정은 감전과 아크 위험이 있으므로 반드시 현장 안전절차와 적절한 계측방법을 따라야 한다.

발열흔적도 중요한 단서다

전원을 안전하게 차단한 뒤 단자함을 확인했을 때

절연물 변색,

케이블러그 변색,

단자 표면 산화,

녹은 흔적,

볼트 풀림

등이 발견된다면 접촉불량 가능성을 생각해볼 수 있다.

특히 특정 상에서만 반복적으로 나타난다면 전류와 전압 측정결과와 연결해서 판단할 수 있다.

전류 불평형이 오래 지속되면 어떤 일이 생길까?

높은 전류가 흐르는 권선에서는 I²R 손실이 증가한다.

권선온도가 상승한다.

절연재료가 더 높은 온도에 노출된다.

절연열화가 빨라질 수 있다.

전압불평형에서 역상분이 발생하고 있다면 회전자측 추가발열도 생길 수 있다.

결국 처음에는 작은 전원이나 접촉문제였던 것이 장기간 지속되면서 모터 자체의 열화로 이어질 수 있다.

과부하계전기는 전류불평형을 보호할 수 있을까?

기본적인 열동형 과부하계전기는 전류증가에 따라 동작한다.

전자식 모터보호계전기 가운데는 결상과 전류불평형, 역상분 등을 별도로 감시할 수 있는 제품도 있다.

이런 기능을 적절하게 사용하면 심한 불평형이 장시간 지속되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.

다만 보호설정값은 모터와 설비, 제조사 지침에 맞춰야 한다.

너무 민감하게 설정하면 정상적인 과도상태에서도 불필요하게 트립할 수 있다.

기동할 때의 전류차와 정상운전 전류차는 구분해야 한다

전동기 기동전류는 정격전류보다 훨씬 클 수 있다.

기동과정에서는 계측시점과 전원상태에 따라 순간적인 차이가 나타날 수 있다.

따라서 정상운전의 전류불평형을 평가하려면 모터가 안정된 속도와 부하에 도달한 뒤의 값을 확인하는 것이 좋다.

기동 중 이상을 분석하려면 별도의 기록장비로 세 상을 동시에 측정하는 것이 유리하다.

전류 불평형과 전류 과다는 서로 다른 문제다

세 상 모두

30A,

31A,

30A

인데 명판 정격전류가 20A라면 불평형은 작지만 모터 자체는 과부하일 수 있다.

반대로

15A,

15A,

20A

이고 정격전류가 25A라면 모든 상이 정격전류 이하라고 해도 불평형은 큰 상태다.

따라서

정격전류 초과 여부

와

상간 전류 불평형 여부

를 따로 판단해야 한다.

무부하전류에서도 불평형을 확인할 수 있을까?

가능하다.

부하를 안전하게 분리하거나 무부하 운전이 가능한 설비라면 무부하상태의 세 상 전류를 비교하는 것이 진단에 도움이 될 수 있다.

부하를 제거했는데도 큰 전류불평형이 지속된다면 전원과 모터 자체의 비대칭을 더 적극적으로 의심할 수 있다.

하지만 유도전동기의 무부하전류 자체는 모터의 크기와 설계에 따라 상당할 수 있으므로 절대값 하나만으로 판단하면 안 된다.

부하에 따라 불평형이 커진다면 무엇을 생각할까?

무부하에서는 거의 균형인데 부하가 증가할수록 차이가 커진다면 전류가 증가하면서 커지는 전압강하를 먼저 생각해볼 수 있다.

높은 접촉저항이 있는 경우

Vdrop = IR

이므로 부하전류가 커질수록 전압강하도 커진다.

그래서 느슨한 단자나 열화된 컨택터 접점의 문제가 부하가 클 때 더 뚜렷하게 드러날 수 있다.

모터를 교체하기 전에 확인해야 할 것

전류불평형만 보고 모터를 교체했는데 새 모터에서도 똑같은 현상이 발생한다면 원인은 전원이나 배선에 있었을 가능성이 있다.

따라서 모터교체를 결정하기 전에 최소한

세 상 전압,

접속부 상태,

케이블,

컨택터,

권선저항,

계측기

를 확인하는 것이 좋다.

이렇게 원인을 단계적으로 좁히면 불필요한 모터교체를 줄일 수 있다.

정비기록은 어떻게 남기는 것이 좋을까?

가능하면 전류값만 기록하지 않는다.

예를 들어

IR = 18.2A,

IS = 18.5A,

IT = 22.6A

와 함께

VRS,

VST,

VTR,

부하상태,

모터온도,

측정위치,

측정기

를 같이 기록하면 좋다.

과거 측정값도 있으면 추세를 비교한다.

특정 상 전류가 수개월에 걸쳐 조금씩 증가하고 있다면 일회성 측정보다 훨씬 의미 있는 정보가 된다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 한 상 전류가 높다고 그 상 권선이 반드시 고장난 것은 아니다.

전원과 접촉부의 문제로도 세 상 전류 전체의 관계가 바뀔 수 있다.

둘째, 전류불평형이 발견되면 모터보다 먼저 세 상 전압을 확인하는 것이 중요하다.

셋째, 제어반에서 전압이 정상이어도 모터단자에서는 접촉저항 때문에 불평형이 생길 수 있다.

넷째, 기계부하가 증가하면 일반적으로 세 상 전류가 함께 증가한다. 한 상만 지속적으로 높다면 전기적인 비대칭을 추가로 확인해야 한다.

다섯째, DC 권선저항이 균형이라고 모든 권선상태가 정상이라는 뜻은 아니다.

턴간 단락은 DC 저항차가 매우 작을 수 있다.

여섯째, 전류불평형과 과부하는 서로 다른 개념이다. 세 상이 균형이어도 모두 정격전류를 초과할 수 있다.

일곱째, 결상은 매우 심한 전류불평형 상태로 이어질 수 있으며 남은 상의 과전류와 빠른 과열을 만들 수 있다.

여덟째, 인버터 출력전류는 일반 상용전원과 파형이 다르므로 계측기의 True RMS와 주파수특성을 확인해야 한다.

아홉째, 보호계전기 화면에서만 전류가 다르면 CT와 계측계통도 확인해야 한다.

열째, 전류불평형은 고장위치를 직접 알려주는 값이 아니라 어느 구간에 비대칭이 존재한다는 신호로 보는 것이 좋다.

마무리

전동기의 3상 전류는 정상적인 조건이라면 서로 비슷해야 한다.

세 상 전압이 균형을 이루고 권선과 배선, 접속부가 대칭적인 상태라면 R·S·T 전류 역시 큰 차이 없이 흐른다.

그래서 한 상의 전류가 지속적으로 다른 상보다 높거나 낮다면 그 차이를 무시해서는 안 된다.

하지만 전류가 높은 상만 보고 바로 모터권선을 의심하는 것도 올바른 접근은 아니다.

전류는 전원부터 모터까지 전체 시스템의 결과이기 때문이다.

먼저 같은 조건에서 실제 전류불평형이 존재하는지 확인한다.

그다음 모터에 가까운 위치에서 세 선간전압을 측정한다.

전압도 불평형하다면 전원과 변압기, 케이블, 컨택터와 단자 접속부를 먼저 확인한다.

전압은 거의 균형인데 전류만 크게 다르다면 권선저항과 모터 내부상태, 계측계통까지 범위를 좁혀간다.

특히 전압불평형은 유도전동기에 역상자계를 만들어 전류불평형과 추가적인 회전자 발열을 일으킬 수 있다.

그리고 높은 전류가 흐르는 권선에서는

P = I²R

관계에 따라 동손이 빠르게 증가한다.

따라서 전류불평형을 장기간 방치하면 처음에는 전원이나 접속부의 작은 문제였던 것이 결국 모터의 권선과 절연 열화로 이어질 수 있다.

현장에서 가장 중요한 것은

전류가 다르다 → 모터가 고장이다

라고 바로 결론내리지 않는 것이다.

전류 확인 → 전압 확인 → 접속부 확인 → 권선 확인 → 필요 시 기계·회전자 추가진단

순서로 접근하면 원인을 훨씬 효율적으로 좁힐 수 있다.

다음 글에서는 이번 글의 가장 중요한 원인 가운데 하나를 더 깊게 들어가 전압 불평형은 왜 전동기를 과열시킬까?를 살펴본다.

아주 작은 전압차이가 왜 훨씬 큰 전류불평형과 역상전류를 만들 수 있는지, 정상분과 역상분의 회전자계가 전동기 내부에서 어떤 차이를 만드는지까지 알아본다.