전동기 권선저항을 측정하면 무엇을 알 수 있을까?

전동기를 점검할 때 절연저항과 함께 자주 확인하는 항목이 권선저항이다.

둘 다 저항을 측정한다는 점 때문에 비슷하게 느껴질 수 있지만 실제로 보는 대상은 완전히 다르다.

절연저항은 권선과 철심 또는 프레임 사이처럼 전류가 흘러서는 안 되는 경로의 상태를 본다.

반면 권선저항은 전동기가 정상적으로 운전할 때 전류가 흐르는 구리권선 자체의 저항을 측정한다.

따라서 권선저항 측정의 목적은 단순히 선이 끊어졌는지를 확인하는 데 그치지 않는다.

세 상의 권선이 서로 균형을 이루고 있는지, 단자나 내부 접속부의 저항이 증가하지 않았는지, 권선 일부가 단선되거나 병렬경로에 문제가 생기지 않았는지 등을 판단하는 데 중요한 자료가 된다.

특히 정기적으로 같은 모터의 값을 기록해두면 한 번의 측정만으로는 보이지 않는 변화도 찾을 수 있다.

권선저항은 왜 생길까?

전동기의 권선에는 일반적으로 구리도체가 사용된다.

구리는 전기가 매우 잘 흐르는 재료지만 저항이 완전히 0은 아니다.

도체의 저항은 기본적으로

R = ρL / A

로 나타낼 수 있다.

여기서 R은 저항, ρ는 고유저항, L은 도체의 길이, A는 도체의 단면적이다.

도체가 길어지면 저항이 커지고 굵어지면 저항이 작아진다.

따라서 같은 구조로 만들어진 3상 전동기에서는 U상, V상, W상의 권선길이와 도체단면적이 거의 같도록 설계된다.

정상적인 상태라면 세 상의 DC 저항도 서로 비슷해야 한다.

왜 세 상의 저항을 비교할까?

일반적인 3상 유도전동기는 세 상이 대칭적으로 동작하도록 만들어진다.

세 권선의 구조가 거의 같은데 측정결과가 크게 다르다면 어느 한쪽의 전기적 경로가 달라졌다는 뜻일 수 있다.

예를 들어 같은 온도에서

U상 0.482Ω,

V상 0.480Ω,

W상 0.484Ω

정도가 측정되었다면 세 값은 상당히 비슷하다.

반대로

U상 0.48Ω,

V상 0.48Ω,

W상 0.62Ω

처럼 특정 상만 눈에 띄게 높다면 원인을 확인할 필요가 있다.

중요한 것은 숫자 자체보다 세 상이 서로 얼마나 균형을 이루는가다.

특정 상의 저항이 높게 나오면 무엇을 의심할까?

특정 상의 저항이 다른 두 상보다 높게 나온다면 먼저 전류경로 어딘가에 추가적인 저항이 생겼는지 확인해야 한다.

원인으로는 단자볼트의 느슨함, 케이블러그의 접촉불량, 산화나 부식, 내부 접속부 이상, 권선 일부의 단선 등을 생각할 수 있다.

대형 전동기에서는 한 상이 여러 개의 병렬권선으로 구성될 수도 있다.

이때 병렬경로 하나가 끊어지면 완전한 단선은 아니기 때문에 모터가 아예 끊어진 것처럼 보이지 않을 수 있다.

하지만 남아 있는 경로로 전류가 집중되면서 전체 상저항이 증가할 수 있다.

따라서 특정 상의 저항이 계속 높게 나타난다면 단자뿐 아니라 내부 권선의 접속상태까지 확인해야 한다.

저항이 무한대로 나오면 무엇을 의미할까?

권선경로가 완전히 끊어져 있다면 계측기에 OL 또는 매우 높은 저항이 표시될 수 있다.

이때는 권선단선, 내부 리드선 단선, 단자 접속부 분리 등을 의심할 수 있다.

하지만 바로 모터 내부가 끊어졌다고 판단해서는 안 된다.

측정리드가 단자에 제대로 접촉하지 않아도 같은 현상이 나타날 수 있다.

따라서 이상값이 나오면 가장 먼저 계측기와 측정접촉부터 다시 확인하는 것이 좋다.

권선저항이 낮으면 턴간 단락일까?

이 부분은 특히 조심해서 판단해야 한다.

권선 일부가 단락되면 전체 도체길이가 줄어드는 효과가 있으므로 DC 저항이 낮아질 수는 있다.

하지만 몇 개의 턴만 단락된 경우 전체 권선길이에 비해 변화량이 매우 작을 수 있다.

예를 들어 1000턴 가운데 2턴이 단락되었다면 DC 저항의 변화는 매우 작을 수 있다.

그런데 단락된 턴 내부에서는 운전 중 큰 순환전류가 흐를 수 있다.

따라서 심한 국부발열이 발생해도 DC 권선저항만 보면 거의 정상처럼 보일 수 있다.

그래서

권선저항이 정상이다 = 턴간 절연도 정상이다

라고 판단해서는 안 된다.

권선저항은 여러 진단방법 가운데 하나다.

권선저항과 절연저항은 무엇이 다를까?

이 두 시험은 서로 보완적인 관계다.

절연저항이 낮다면 권선과 대지 사이의 절연상태를 먼저 의심할 수 있다.

권선저항이 불평형하다면 권선도체나 접속부의 이상을 의심할 수 있다.

예를 들어 세 상의 권선저항은 균형인데 권선과 대지 사이의 절연저항만 낮다면 습기나 오염, 대지절연 열화 쪽을 먼저 확인할 수 있다.

반대로 절연저항은 충분히 높은데 한 상의 권선저항이 지속적으로 높다면 단자나 권선도체의 전류경로를 살펴보는 것이 더 자연스럽다.

6단자 모터에서는 어떻게 측정할까?

단자함에 U1, V1, W1과 U2, V2, W2 여섯 개의 권선단자가 모두 나와 있다고 하자.

전원을 완전히 차단하고 필요한 안전조치를 한 뒤 Y 또는 Δ 링크를 분리하면 각 권선을 독립적으로 측정할 수 있다.

U1-U2 사이를 측정하면 U상,

V1-V2 사이를 측정하면 V상,

W1-W2 사이를 측정하면 W상의 권선저항을 확인할 수 있다.

이렇게 직접 측정하면 Y결선이나 Δ결선의 등가저항을 따로 계산할 필요가 없기 때문에 가장 해석하기 쉽다.

다만 링크를 분리하기 전에 반드시 원래 결선을 사진이나 기록으로 남겨야 한다.

측정 후 잘못 복구하면 모터에 잘못된 전압이 걸릴 수 있다.

Y결선 상태에서 선간저항을 측정하면 어떻게 될까?

각 상의 권선저항을 모두 R이라고 가정해보자.

Y결선에서 U와 V 사이의 저항을 측정하면 전류는

U상 권선 → 중성점 → V상 권선

순서로 흐른다.

따라서 이상적으로

RUV = 2R

이다.

V-W, W-U 사이도 마찬가지로 약 2R이 된다.

그래서 내부 스타포인트가 연결되어 있어 각 권선을 따로 분리하지 못하는 3단자 모터에서도 세 선간저항을 비교하면 기본적인 불평형 여부를 확인할 수 있다.

Δ결선에서는 왜 결과가 달라질까?

Δ결선에서는 두 단자 사이에 두 개의 전류경로가 만들어진다.

한쪽 경로는 한 개의 권선 R이다.

다른 경로는 나머지 두 권선을 직렬로 통과하므로 2R이다.

이 두 경로가 병렬로 연결되어 보이므로 등가저항은

R × 2R / (R + 2R)

이 된다.

정리하면

2R / 3

이다.

따라서 Δ결선 상태에서 측정한 선간저항은 한 상 권선의 실제 저항과 같지 않다.

이 때문에 결선상태를 모르고 숫자만 비교하면 잘못된 해석을 할 수 있다.

작은 권선저항은 왜 측정하기 어려울까?

소형 모터에서는 권선저항이 몇 Ω 정도 나올 수 있다.

이 정도라면 일반 멀티미터로도 세 상의 상태를 비교하는 데 도움이 된다.

하지만 용량이 커질수록 권선에 굵은 도체를 사용하므로 저항은 매우 작아질 수 있다.

수십 mΩ 또는 그보다 작은 값을 측정해야 하는 경우도 있다.

문제는 일반 멀티미터의 리드선도 저항을 가진다는 점이다.

예를 들어 실제 권선이 0.030Ω인데 리드와 접촉부에서 0.020Ω이 추가된다면 표시값은 0.050Ω에 가까워질 수 있다.

실제 권선보다 측정오차가 상당히 큰 비율을 차지하게 된다.

일반 2선식 측정에는 무엇이 포함될까?

일반적인 멀티미터는 두 개의 리드선을 사용해 전류를 흘리고 그 두 선을 통해 전압도 측정한다.

그래서 측정값에는 개념적으로

권선저항 + 리드선저항 + 접촉저항

이 함께 들어간다.

저항이 큰 대상에서는 리드선저항이 상대적으로 작으므로 큰 문제가 되지 않을 수 있다.

하지만 mΩ 수준에서는 무시하기 어렵다.

작은 저항을 측정할 때 왜 4선식이 필요할까?

정밀한 저저항 측정에서는 4선식 Kelvin 방식을 사용할 수 있다.

두 개의 리드로 시험전류를 흘리고 별도의 두 개 리드로 권선 양단의 전압강하를 측정한다.

전압측정용 리드에는 거의 전류가 흐르지 않기 때문에 리드선 자체의 전압강하 영향을 크게 줄일 수 있다.

측정기는

R = V / I

관계로 권선저항을 계산한다.

그래서 대형 전동기처럼 저항이 매우 작은 권선을 비교할 때는 일반 멀티미터보다 저저항계나 마이크로옴미터를 사용하는 것이 유리하다.

측정단자 상태도 결과에 영향을 준다

권선저항이 작을수록 측정리드와 단자의 접촉상태가 중요하다.

단자표면에 녹, 산화막, 도료, 기름, 먼지 등이 있으면 접촉저항이 추가된다.

특정 상만 값이 높게 나왔는데 리드 위치를 바꾸거나 단자를 청소하자 정상으로 돌아오는 경우도 있을 수 있다.

따라서 이상값이 나오면 권선 내부를 의심하기 전에 측정접촉 상태부터 확인해야 한다.

권선저항은 온도의 영향을 크게 받는다

구리의 저항은 온도가 올라갈수록 증가한다.

따라서 차가운 모터와 운전 직후 뜨거운 모터의 권선저항을 그대로 비교하면 안 된다.

같은 권선이라도 온도만 다르면 저항이 상당히 달라질 수 있다.

구리권선의 온도보정에는 대표적으로

R2 = R1 × (234.5 + T2) / (234.5 + T1)

관계를 사용할 수 있다.

여기서 R1은 T1에서 측정한 저항, R2는 T2 온도로 환산한 저항이다.

정확한 진단에서는 적용규격이나 제조사의 온도보정방법을 따라야 한다.

온도가 얼마나 큰 차이를 만들까?

20°C에서 권선저항이 1.00Ω이라고 가정해보자.

이를 75°C 상태로 단순 환산하면

R75 = 1.00 × (234.5 + 75) / (234.5 + 20)

이므로 약 1.22Ω 정도가 된다.

권선에 아무런 이상이 없어도 온도차만으로 약 22% 정도의 차이가 생길 수 있다는 뜻이다.

따라서 과거값과 비교할 때 온도를 기록하지 않으면 큰 오판이 생길 수 있다.

저항 불평형은 어떻게 계산할까?

세 상 평균을 먼저 구할 수 있다.

Ravg = (Ru + Rv + Rw) / 3

그다음 각 상이 평균에서 얼마나 벗어나는지를

|Rphase – Ravg| / Ravg × 100%

형태로 계산할 수 있다.

이렇게 하면 세 상 중 어떤 상의 편차가 큰지 수치로 비교하기 쉽다.

다만 몇 % 이상이면 무조건 불량이라고 하나의 기준을 모든 모터에 적용해서는 안 된다.

제조사와 적용규격, 측정정밀도에 따라 허용범위가 달라질 수 있다.

한 번의 측정값보다 변화추세가 중요한 이유

정기점검에서 가장 유용한 자료는 과거 기록이다.

예를 들어 같은 조건에서 한 상의 저항이

0.300Ω,

0.302Ω,

0.305Ω,

0.350Ω

처럼 장기간 변화했다고 하자.

다른 두 상은 거의 그대로인데 특정 상만 계속 증가한다면 접속부나 권선경로가 변하고 있다는 신호일 수 있다.

반대로 세 상이 수년 동안 비슷한 범위 안에서 안정적으로 유지된다면 그것 역시 중요한 정보다.

그래서 권선저항은 한 번 측정하고 끝내기보다 추세관리하는 것이 좋다.

접촉저항이 증가하면 왜 발열이 생길까?

접촉부에서 저항이 증가하면 운전 중 손실은

P = I²R

로 증가한다.

전류가 큰 모터에서는 아주 작은 접촉저항도 상당한 열을 만들 수 있다.

온도가 올라가면 접촉부가 더 산화되거나 변색되고, 상태가 악화되면서 저항이 다시 증가할 수 있다.

그래서 느슨한 단자와 부식된 러그는 단순한 기계적 문제가 아니라 전기적인 과열원인이 된다.

케이블까지 포함해서 측정하면 무엇이 달라질까?

제어반에서 모터까지 한 번에 저항을 측정하면 케이블의 저항과 단자, 컨택터 등의 접촉저항까지 포함될 수 있다.

전체 전류경로의 이상을 빠르게 비교하는 데는 유용할 수 있다.

하지만 모터권선 자체의 저항을 정확히 알고 싶다면 모터단자에서 직접 측정하는 것이 더 정확하다.

중요한 것은 기록할 때 어디서부터 어디까지 측정했는가를 명확히 남기는 것이다.

컨택터 접점도 저항불평형의 원인이 될 수 있다

특정 상의 컨택터 접점이 마모되거나 탄화되면 접촉저항이 증가할 수 있다.

이 경우 모터권선은 정상이어도 제어반에서 측정하면 특정 상의 저항이 높게 나올 수 있다.

운전 중에는 그 접점에서 열이 발생하고 전압강하도 커질 수 있다.

따라서 권선저항을 이용한 진단에서는 모터뿐 아니라 전원회로 전체를 단계적으로 분리해서 볼 필요가 있다.

권선저항이 같으면 운전전류도 같을까?

반드시 그렇지는 않다.

DC 권선저항은 전류불평형의 여러 원인 가운데 하나만 보여준다.

실제 교류운전에서는 전원전압 불평형, 회전자 상태, 공극, 권선의 인덕턴스, 부하상태, 자기회로 등도 전류에 영향을 준다.

따라서 세 상의 권선저항이 거의 같은데 운전전류가 크게 다르다면 다른 원인을 찾아야 한다.

권선저항과 임피던스는 다르다

DC 시험에서는 주로 권선의 저항 R을 본다.

하지만 실제 AC 운전에서는 권선이 인덕턴스를 가지므로 리액턴스도 존재한다.

따라서 전동기의 전기적 특성은 단순한 R만으로 결정되지 않는다.

개념적으로

Z = R + jX

와 같이 저항과 리액턴스를 함께 생각해야 한다.

이 때문에 DC 저항값이 같다고 해서 모든 교류특성이 동일하다고 볼 수는 없다.

모터를 재권선한 뒤에도 권선저항을 확인한다

재권선 후에는 세 상의 권선수와 도체굵기, 접속이 제대로 구성되었는지를 확인해야 한다.

한 상의 도체길이가 크게 다르거나 접속부에 문제가 있다면 권선저항에서 차이가 나타날 수 있다.

그래서 재권선 후 각 상의 DC 저항을 비교하는 것은 기본적인 확인항목이 될 수 있다.

하지만 이것만으로 재권선 품질 전체를 판단하는 것은 아니다.

절연시험과 기타 전기시험도 함께 수행해야 한다.

권선저항으로 권선온도를 추정할 수도 있다

구리저항이 온도에 따라 변한다는 특성을 반대로 이용할 수도 있다.

차가운 상태에서 측정한 저항과 운전 후의 저항을 비교하면 평균 권선온도를 추정할 수 있다.

전동기의 온도상승시험에서도 이러한 저항법이 사용될 수 있다.

하지만 운전을 정지하는 순간부터 권선이 식기 시작하므로 정확한 시험에서는 정해진 측정시간과 보정절차가 필요하다.

시험전류도 측정값에 영향을 줄 수 있다

저저항계는 권선에 DC 시험전류를 흘린다.

그 전류가 너무 크거나 오랫동안 흐르면 권선 자체가 가열된다.

권선이 뜨거워지면 저항도 증가한다.

결국 측정하고 있는 동안 측정대상 자체의 값이 변하게 된다.

따라서 시험전류와 측정시간은 계측기 제조사와 시험절차에 맞게 사용해야 한다.

큰 모터에서는 안정화시간이 필요할 수 있다

전동기 권선은 저항만 가진 것이 아니다.

인덕턴스도 가진다.

DC 시험전류를 인가하면 전류가 즉시 최종값으로 올라가는 것이 아니라 어느 정도 시간이 걸릴 수 있다.

따라서 대형 회전기에서는 계측기가 안정값을 표시할 때까지 기다려야 할 수 있다.

또 시험을 끝낼 때는 권선의 자기장에 저장된 에너지도 고려해야 하므로 사용하는 저저항계의 방전절차를 따라야 한다.

측정 전에는 반드시 무전압을 확인해야 한다

권선저항은 활선상태에서 측정하는 시험이 아니다.

전동기 전원을 차단하고 재투입을 방지해야 한다.

인버터에 연결되어 있다면 DC 링크의 잔류전압도 확인해야 한다.

외부전압이 존재하는 회로에 저항계를 연결하면 계측기가 손상될 수 있고 작업자도 위험할 수 있다.

측정 후 결선 복구가 매우 중요하다

Y·Δ 링크를 제거했다면 반드시 원래 결선으로 복구해야 한다.

전원선을 분리했다면 상순서도 확인해야 한다.

접지선도 빠짐없이 연결해야 한다.

측정값이 아무리 정상이어도 결선을 잘못 복구하면 모터를 기동하는 순간 더 큰 문제가 생길 수 있다.

정비작업에서는 측정과 복구가 하나의 작업이다.

기록은 어떻게 남기는 것이 좋을까?

권선저항 정상

이라고 적는 것보다 실제 숫자를 남기는 것이 좋다.

예를 들어

U상 0.482Ω,

V상 0.480Ω,

W상 0.484Ω

처럼 기록한다.

가능하면 권선온도, 주위온도, 측정기, 시험전류, 측정위치, Y·Δ 링크 분리 여부도 함께 기록하는 것이 좋다.

다음 정기점검에서 같은 조건으로 비교할 수 있기 때문이다.

모든 모터에 동일한 정상저항값이 존재할까?

그렇지 않다.

출력이 같아도 정격전압과 극수, 권선방식, 도체굵기와 병렬회로 수가 다르면 저항도 달라진다.

그래서

“7.5kW 모터라면 몇 Ω이 정상이다”

라고 하나의 숫자로 정하기 어렵다.

가장 좋은 자료는 제조사의 기준값과 같은 모터의 초기 측정값이다.

그 자료가 없다면 세 상의 균형과 과거 변화추세를 함께 보는 것이 중요하다.

현장에서 이상값이 나오면 어떤 순서로 볼까?

먼저 측정기와 리드를 확인한다.

단자와의 접촉이 제대로 되었는지 본다.

같은 조건으로 다시 측정한다.

권선온도를 확인한다.

Y·Δ 결선상태를 확인한다.

단자와 러그에 풀림이나 부식이 없는지 본다.

케이블까지 포함해서 측정했다면 모터와 케이블을 분리한다.

그래도 특정 상의 값만 계속 다르다면 내부권선과 접속부를 더 자세히 점검한다.

처음부터 권선불량이라고 단정하지 않고 측정범위를 단계적으로 좁혀가는 방식이 좋다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 권선저항과 절연저항은 완전히 다른 시험이다.

둘째, 같은 모터의 세 상 저항은 같은 온도에서 비교해야 한다.

셋째, 6단자 모터에서는 Y·Δ 링크를 제거하면 각 상을 직접 측정하기 쉽다.

넷째, Y결선 상태의 선간저항은 한 상 저항이 아니라 두 상 저항의 합으로 보인다.

다섯째, Δ결선 상태에서는 한 권선과 나머지 두 권선의 직렬경로가 병렬로 보이기 때문에 선간저항은 한 상 권선저항과 같지 않다.

여섯째, mΩ 수준에서는 일반 2선식 멀티미터의 리드저항이 큰 오차를 만들 수 있다.

일곱째, 작은 저항을 정밀하게 측정하려면 4선식 Kelvin 방식이 유리하다.

여덟째, 권선저항이 정상이어도 턴간 단락이 존재할 수 있다.

아홉째, 특정 상의 높은 저항은 모터 내부뿐 아니라 단자와 케이블, 컨택터에서도 발생할 수 있다.

열째, 한 번의 수치보다 같은 조건에서의 세 상 균형과 장기간 변화추세가 중요하다.

마무리

전동기 권선저항 측정은 단순히 모터에 테스터를 대고 Ω값을 확인하는 작업이 아니다.

정상적인 3상 전동기라면 세 상의 권선은 거의 같은 구조로 만들어진다.

따라서 같은 온도에서 측정한 U상, V상, W상의 저항도 서로 비슷해야 한다.

특정 상의 저항이 증가하면 단자 접촉불량과 내부 접속부 이상, 병렬권선의 일부 단선 등을 의심할 수 있다.

하지만 턴간 단락처럼 DC 저항변화가 매우 작은 고장도 있기 때문에 권선저항 하나만으로 모든 권선상태를 판단해서는 안 된다.

또 결선상태를 반드시 확인해야 한다.

Y와 Δ에서는 단자에서 보이는 저항관계가 서로 다르다.

6단자 모터라면 가능한 경우 각 상을 분리해 직접 측정하는 것이 가장 이해하기 쉽다.

그리고 큰 전동기에서는 저항 자체가 매우 작아 일반 멀티미터만으로 정확하게 측정하기 어려울 수 있다.

이때는 리드선과 접촉저항의 영향을 줄일 수 있는 4선식 Kelvin 측정이 유리하다.

온도 역시 빼놓을 수 없다.

구리저항은 온도가 올라갈수록 증가한다.

따라서 과거값과 비교할 때는 측정온도와 조건을 함께 기록해야 한다.

결국 권선저항 측정에서 가장 중요한 것은

몇 Ω인가

가 아니라

세 상이 서로 균형을 이루고 있는가, 이전 측정값과 비교해 변하고 있는가, 그리고 측정한 저항이 실제로 어느 구간의 저항인가

를 판단하는 것이다.

이 원리를 알고 데이터를 쌓아두면 권선저항은 전동기의 상태변화를 찾는 매우 유용한 정비자료가 된다.

다음 글에서는 실제 운전 중 나타나는 현상으로 넘어가 전동기 3상 전류 불평형은 왜 발생할까?를 살펴본다.

전압불평형과 단자 접촉불량, 권선이상, 회전자 문제에 따라 전류가 어떻게 달라질 수 있는지와 현장에서 어떤 순서로 원인을 좁혀야 하는지 알아본다.