모터 과부하 운전의 원인 및 점검방법

모터 과부하 운전의 원인 및 점검방법

 

 

 

1. 모터의 과부하 - 기계적인 원인

1) 일반적인 과부하

실제 부하의 증가에 따른 과부하로서 대부분 서서히 증가하여 어느 과부하 전류값에서 안정되는 형태를 취하는 과부하를 의미한다 . 대표적인 원인으로는 정상적인 운전상태에서 Pump Discharge Valve측의 Full Opening과 같은 실제적인 과부하현상 등이 있다 .

 

2) JAM 현상

무엇인가에 꽉 조여 있는 상태로서 모터는 매우 낮은 속도로 회전하면서 정격을 크게 초과한 커다란 부하전류가 흐르는 상태를 의미한다 . 대표적인 원인으로는 베어링 그리스의 결빙, Roller와 같은 부하측에 커다란 물체의 침입등을 들 수 있으며 기동시에 발생되는 현상이다.

상당히 기온이 낮은 겨울날에 베어링의 그리스가 결빙되어 커다란 저항이 생겨서 모터가 가속되지 못하고 JAM 현상이 발생된적이 있는데 정격속도의 20% 이내로 회전하면서 커다란 부하전류가 흘러 여러번의 기동실패를 반복한 것이었다 .

 

3) 구속현상 (Locked Rotor)

회전자가 구속되어 모터가 회전하지 못하는 상태가 되며 기동전류와 동일한 크기의 과전류가 흐르는 상태를 의미한다 . 대표적인 원인으로는 베어링 소손에 의한 고착, Pump Casing 내부에 단단한 이물질이 침입하여 Impeller의 회전을 정지시키는 경우 등을 들수 있으며 운전중에 나타나는 현상이다.

 

 

2. 모터의 과부하 - 전기적인 원인

1) 장기간 사용으로 인한 효율 저하에 따른 전류의 증가

모터를 장시간 사용하게 되면 내부의 철심 및 절연물 등의 열화에 따라 철손이 증가하여 실제로 과부하가 아닌 상태에서 정격전류를 초과하는 전류가 흐르는 경 우가 있다.

 

2) 입력전압 불평형에 의한 전류의 증가

3상 입력전압에 불평형이 생기면 전류의 불평형이 생기고 이로 인해 모터의 효율이 급격히 저하하여 실제로 과부하가 아닌 상태에서 정격전류를 초과하는 전류가 흐르는 경우가 있다. 이와 같은 현상의 원인으로서는 각상의 접촉불량에 의한 모터의 단자전압 불평형 등을 생각할 수 있겠다 . NEMA규격에는 전압의 불평형이 효율에 미치는 영향을 명시해 놓고 있는데 이는 뒤에서 다시 설명하도록 한다 .

 

 

3. 과부하시 모터에서 나타나는 현상

1) 기계적인 과부하

모터에 기계적인 과부하가 걸리면 즉시 나타나는 현상은 회전속도의 저하가 발생되는 것이다. 물론 JAM이나 구속현상과 같은 기계적인 과부하에 대해서는 눈으로 즉시 확인이 가능하지만 서서히 증가하는 과부하의 경우 육안으로 속도변화 를 감지할 수는 없다는 어려움이 있다.

모터의 기계적인 과부하가 발생하면 왜 회전속도가 저하하는지에 대해서는 다음의 속도-토크 (전류) 특성곡선으로 쉽게 설명이 가능하다. 참고로 아래 특선곡선 중 곡선 A 와 B 는 전전압 기동시에 속도증가에 따라 모터가 내는 토크와 전류를 나타내며 곡선 C 와 D 는 80 % 감전압 기동시에 속도증가에 따라 모터가 내는 토크와 전류를 나타낸다. 그림에서 아래축은 정격속도의 백분율을, 왼쪽은 정격토크의 백분율을, 오른쪽 은 정격전류의 백분율에 대한 눈금을 나타내고 있다.

전전압 기동시 (맨 좌측) 전류는 정격의 약 600%가 흐르고 기동토크는 정격의 약 80%를 내고 있음을 알수 있으며 80% 감전압 기동시의 기동전류는 전전압 기동전류의 약 80%, 기동전류는 전전압 기동토크의 약 64%가 되는것을 알수 있다.

< Fig01. 속도-토크 특성곡선 >

 

이와 같은 사실에서 정격전압을 기준으로 볼때 모터의 전류는 인가되는 전압에 비례하고 토크는 인가되는 전압의 제곱에 비례함을 알수 있다 . 이를 식으로 나타내면 다음과 같다 .

여기서 IN, VN, TN 은 정격전류, 정격전압, 정격토크를 각각 의미한다. 또한 정격토크의 의미는 정격회전 속도에서의 모터가 내는 토크이며 정격 회전속도는 명판상에 나타나 있는 속도를 의미한다 . 예를 들어 2극일 때는 3570 RPM, 4극일 때는 1780 RPM 등과 같은 동기속도가 아닌 정격슬립이 반영된 실제의 회전속도를 의미하는 것이니 혼돈이 없도록 하기 바란다 . 이와 같은 개념을 바탕으로 이제부터 설명에 들어가도록 하며 다음에 기술되는 내용들은 그 개념을 반드시 파악하도록 하여야 한다 .

 

아래 그림에서 구분을 위해 모터특성은 파란색 , 부하특성은 검은색 , 그리고 모터전류는 빨간색으로 표시했다 . (흑백으로 인쇄하면 구분이 어려울 것임 ) 그리고 구름마크 부분에 포함된 부분이 모터의 특성과 부하의 특성이 만나는 정격운전 점이 되며 이때 모터토크는 정격의 100% , 모터전류 역시 정격의 100%가 됨을 보여주고 있다.

< Fig02. 속도-토크 특성 곡선 >

 

위에서 보인 부하특성은 Pump의 대표적인 형태이며 필요한 유량을 얻기 위해 Discharge Valve를 적당한 만큼 연상태를 나타내고 있다. 만일 위 상태에서 펌프의 밸브를 좀더 열어 부하를 더 준다면 부하의 요구토크가 다음 그림과 같이 모터의 특성곡선을 따라 증가하게 된다 .

< Fig03. 부하증가에 따른 운전점의 이동 >

 

앞의 그림은 부하가 증가하여 새로운 운전점으로 이동할 경우 속도는 저하하고 전류 및 요구토크는 증가한 것을 설명하고 있으며 이 예에서는 토크는 정격의 150%, 부하전류는 정격의 약 200%로 상승함을 보여준다. 이제는 부하가 줄어들 경우에 대하여 알아보자.

< Fig04. 부하감소에 따른 운전점의 이동 >

 

앞의 그림은 부하가 감소하여 새로운 운전점으로 이동할 경우 속도는 상승하고 전류 및 요구토크는 감소한 것을 설명하고 있으며 이 예에서는 토크는 정격의 75%, 부하전류는 정격의 약 80%로 감소함을 보여준다. 이와 같이 유도전동기의 회전속도는 부하에 따라 차이가 나며 전류 역시 이에 따라 변하게 되는것은 당연하다.

이 변하는 궤적은 당연히 속도-토크 특성 곡선 및 속도-전류 특성곡선을 따라서 움직이게 될 것은 또한 당연하다. 결론적으로 한가지만 기억하도록 한다. 유도전동기의 속도는 부하에 따라 변하게되며 부하가 증가하면 속도가 감소하고 부하가 감소하면 속도가 증가하는 서로 상반적인 관계가 있다는 것이다. 그럼 어느정도 속도가 변할까 하는 의문이 생기는데 순수하게 이론적으로 계산하는 것은 매우 복잡하지만 간단하게 보면 다음과 같다 .

위의 속도-토크 특성곡선을 보면 모터로 이용할 수 있는 구간이 최대토크점의 오른쪽 부분이며 이 구간에서 모터의 속도에 대한 토크의 특성은 속도의 증가에 토크가 일정하게 감소하는 거의 직선적으로 비례함을 알 수 있다. 따라서 다음과 같이 간단하게 특성을 추정하는 것이 가능하다고 본다. 지금 정격출력이 1000HP, 동기속도가 1800RPM인 4극 유도전동기 명판상 의 정격속도가 1750RPM 이라고 하면 이때 부하가 500HP 걸려 있다면 모터의 속도는 정격속도에서 슬립 (50 RPM)의 반인 약 25 RPM만큼 빠르게 회전한다고 볼 수 있으며 약 1775RPM으로 회전함을 확인할 수 있다. 만일 부하가 하나도 걸리지 않은 상태인 (부하측의 Coupling 을 풀어낸 상태 ) 우리가 흔히 말하는 No Load Test (Solo Test) 의 경우 모터는 1800RPM 으로 회전하게 된다. 우리는 Solo Test 할때 속도를 점검하지 않는데 이는 경우에 따라서 매우 중요한 사항이니 최초가동시 꼭 점검해놓는 습관을 가지도록 하여야한다.

 

2) 전기적인 과부하

전기적인 원인에 의해서 발생된 과부하의 경우 위에서 살펴본 기계적인 원인에 의한 과부하와는 다른 현상이 발생한다 . 쉽게 말하면 기계적인 과부하의 경우에는 부하의 크기와 모터의 속도는 서로 반비례한 관계를 가지게 되는데 전기적인 원인에 의한 과전류 유입의 경우에는 이러한 규칙이 통하지 않는다는 것이다. 특히 모터의 효율저하에 따른 과전류 유입의 경우 위에서 설명한 동작과는 전혀 맞지 않는 현상이 발생한다. 예를들어 기계적으로는 정격부하가 이하에서 운전되어 정격속도 이상으로 회전하는데 전류는 정격이상으로 소요되는 경우가 발생 한다. 또한 극히 드문 일이지만 모선전압에 불평형이 발생하면 현저한 효율저하가 발 생되고 이에 따라 과전류가 유입하게 되는데 이론적인 측면에서 보면 대부분의 경우 한상이 다른 두상에 비해 전류가 크게 흐른다 . 모터의 내부에 각상 임피던스 불평형이 발생하여 입력전류가 서로 다르게 되는 경우도 위와 거의 유사한 현상이 발생한다.

모선전압이 상당히 안정적인 전력계통에서는 모선전압 자체가 불평형이 되는 경우는 거의 없다고 생각하며 따라서 이 불평형 현상의 대부분은 모터 내부이상에 의한 것으로 볼 수 있다. 그러면 NEMA에서 규정하고 있는 전압 불평형에 의한 모터의 효율저하에 대하여 알아보도록 한다. 자료의 인용출처는 NEMA MG-1, 1987, Part 14, Page 7, Figure 14-1 이다.

< Fig05. 전압 불평형에 따른 모터의 효율저하 특성 >

 

위 표를 보면 전압 불평형율이 2%만 되어도 효율은 원래 자신이 가지고 있던 95%로 줄어들게 됨을 알수 있으며 이는 곧 자기 정격용량의 95% 밖에 사용하지 못하는 것을 의미하는 뜻에서 용량저감율(De-Rating Factor) 라 한다.

여기서 Derating Factor를 계산하는데 사용되는 전압 불평형율은 3상 전압의 평균 값에 대한 이 평균값과 최대의 편차를 가지는 전압의 백분율이다. 이해를 돕기 위해 다음과 같이 예를들어 계산해 보자.

460V 가 공급되는 모터의 모선전압을 측정해서 다음과 같은 결과를 얻었을 경우 불평형율은 다음과 같이 구해진다 .

 

VA = 460 V

VB = 467 V

VC = 450 V

VAVE 는 세 전압의 평균치 (459V)이며 이 평균치와 가장 많은 편차를 갖는 상전압은 VC (450V) 이므로 위의 식과 같이 구해지는 것이다. 이 예제의 경우에 대한 모터용량의 저감율은 표에서 2%에 해당하는 값을 읽으면 되며 그 값은 약5%가 되는 것이다.

이상과 같이 모터의 과부하에 대하여 기계적인 부분의 원인과 전기적인 부분의 원인으로 구분하여 살펴보았다 . 아마도 이외에도 우리가 경험하지 못하고 미처 생각하지 못하는 원인이 있을 수 있으며 항상 업무를 수행하면서 얻은 새로운 경험은 반드시 그 이론적 배경을 철저히 분석하여 우리의 Know-How를 축적해가야 할것이다. 이제는 과부하가 발생되었을 경우 우리가 어떤 항목을 무엇을 사용하여 어떻게 점검해야 하는지에 대한 감을 잡을 수 있을 것이다.

 

 

4. 과부하 발생시의 점검 및 조치사항

앞에서 충분히 그 원인에 대하여 살펴보았으므로 긴 설명은 필요 없을 것으로 생각한다. 다만 정리하는 의미에서 간단하게 과부하 현상이 발생 했을 경우에 점 검해야 할 사항과 조치등에 대하여 간단히 설명해 보도록 한다 .

과부하의 정확한 원인을 파악하고 조치하기 위해서는 다음과 같은 항목의 점검 이 필요함을 알 수 있다 .

· 전압과 전류의 불평형 여부

· 실제 기계적인 과부하 여부를 알수있는 모터의 속도측정

 

따라서 이와 같은 점검작업에 필요한 장비인 전류 및 전압을 측정할 수 있는 Multi-Tester 와 모터의 회전속도를 측정할 수 있는 Tachometer 를 준비하고 해당 항목을 측정하여 결론을 내린 후 필요한 조치를 수행하면 되는 것이다 .

다시 한번 강조하지만 모터의 회전속도를 측정하여 정격속도 이하로 돌면서 정격전류를 초과하면 기계적인 문제점이며 그렇지 않으면 전기적인 문제점일 가능성이 매우 높은것이다.

이상으로 모터 과부하의 원인 및 점검방법에 대한 설명은 마치기로 하며 아무튼 모든 현상이 우리가 생각하는 대로 속단할 수 있는 것은 그리 많지 않다는 것을 다시 한번 말하며 어떤 일을 수행하든 항상 기술자의 자세로 임하여야만 품질 높은 결과를 얻을 수 있다는 것을 강조한다.