모터 고장 및 결함을 이해하는 것은 각 사례에 가장 적합한 보호 장치를 정의하는 데 중요합니다. 모터 제어 및 보호와 관련된 중요한 용어들도 숙지해야 합니다.
비정적 기계인 모터는 전기적 및 기계적 스트레스를 받습니다.
모터 고장은 세 가지 기본 유형으로 나뉩니다: 전기적, 기계적, 기계적에서 전기적으로 진행되는 고장.
과열은 모터 용량 부족, 가변 속도 드라이브(VSD) 사용 시 저속에서 냉각 불충분, 모터의 부하 변화 (예: 설비 걸림), 고온 주변 환경에서 발생할 수 있습니다.
절연 파괴로 인한 권선 소손은 단락을 의미하며 (모터 내부 또는 모터 전원 회로 내부), 과열, 과부하, 과전압이 원인일 수 있습니다.
전기 모터 고장의 약 80%는 모터 고정자 권선 손상과 베어링 결함이 원인입니다.
모터의 베어링 고장은 용도에 맞지 않는 잘못된 베어링을 나타낼 수 있습니다.
수직 장착 모터는 수평 장착 모터와 다른 베어링이 필요합니다. 대형 또는 멀티 벨트 드라이브를 구동하는 모터는 큰 반경 방향 하중을 견디는 베어링이 필요합니다. 모터가 휘어진 베이스 플레이트에 볼트로 고정되면 비틀림이 발생합니다.
베어링은 일반적으로 다른 주요 모터 부품에 비해 작음으로, 손상과 마모에 특히 취약합니다. 일부 연구는 모든 모터 고장의 절반 이상이 베어링 오작동 때문이며, 대부분 윤활 부족 또는 과다가 원인이라고 지적합니다. 베어링 고장의 또 다른 주요 원인은 정렬 불량입니다.
축 정렬 불량은 베어링을 수명 다하기 훨씬 전에 파괴합니다. 모터 축은 구동되는 축과 정확히 일직선이어야 하며, 이는 레이저 같은 정밀 정렬 기술로만 달성 가능합니다.
소음은 모터 문제를 나타내지만 일반적으로 직접적 손상은 유발하지 않음. 그러나 소음은 보통 진동을 동반합니다.
진동은 여러 방식으로 손상을 유발할 수 있습니다. 권선을 느슨하게 만들고, 재료에 균열, 박리, 마모를 일으켜 절연을 기계적으로 손상시킵니다. 과도한 움직임으로 인한 리드선 취약화, 정류자 또는 집전링에서의 브러시 스파크도 진동의 결과입니다.
또한 진동은 볼이 슬리브 베어링을 '브리넬(brinell)' 상태로 만들거나 하우징이 쉘에서 느슨해지게 하여 베어링 고장을 가속화합니다.
소음이나 진동이 발견되면 원인을 신속히 격리하고 수정해야 합니다. 명백해 보이는 소음/진동 원인이 숨겨진 문제의 증상일 수 있으므로 철저한 조사가 필요합니다.
소음과 진동은 정렬 불량한 모터 축 때문이거나 피구동 기계나 동력 전달 시스템에서 모터로 전달될 수 있습니다. 모터 내 전기적 또는 기계적 불평형 결과일 수도 있습니다.
전기적 불평형은 고정자와 로터 사이의 자력 인력이 모터 주변에서 불균일할 때 발생합니다. 이로 인해 축이 회전하며 휘어지며 기계적 불평형을 생성합니다. 전기적 불평형은 보통 전기적 고장을 나타냅니다: 개방된 고정자 또는 로터 권선, 다람쥐 케이지 모터의 개방된 바 또는 링, 동기 모터의 단락된 계자 코일. 불균일한 에어 갭 (보통 심하게 마모된 슬리브 베어링 때문)도 전기적 불평형을 유발합니다.
기계적 불평형의 주요 원인: 왜곡된 장착, 휘어진 축, 불량하게 균형 잡힌 로터, 로터의 느슨한 부품, 불량한 베어링. 소음은 팬이 프레임, 슈라우드, 슈라우드 내 이물질과 충돌할 때도 발생합니다. 베어링이 불량한 경우 (과도한 베어링 소음으로 표시), 베어링이 왜 고장났는지 원인을 규명해야 합니다.
모터가 잦은 연속 기동을 겪으면 로터 권선 또는 로터 바가 가열되어 로터 바와 엔드 링 사이의 전기적 연결이 손상될 수 있습니다.
모터의 정격 전압과 크기에 관계없이 모든 모터는 과전류(단락) 및 과부하로부터 보호되어야 합니다.
소형 및 중형 저압 모터는 보통 과부하와 단락만 보호받으며, 대형 저압 모터와 중압 모터는 추가 보호 기능도 갖춥니다.
과부하 및 과전류 보호는 기동 시 돌입 전류에 둔감하게 설계되어 부적절한 전원 차단을 방지해야 합니다.
저압 모터의 과전류 및 단락 보호는 퓨즈, 개폐기 또는 순간 트립 차단기와 결합하여 수행하며, 이들은 단락, 지락, 고정 로터 전류의 즉각적인 (거의 순간적인) 전류 값에 반응합니다.
역시간 차단기는 열적 및 순간 트립 기능 모두를 가지며 표준화된 레벨에서 트립하도록 사전 설정됩니다. 이는 주거, 상업, 중공업 건축 분야에서 가장 흔히 사용되는 차단기 유형입니다.
이 차단기의 열적 동작은 열에 반응합니다. 모터의 환기 흡입구와 배출구가 권선에서 열을 방출하기에 불충분하면, 열이 차단기의 열적 동작에 의해 감지됩니다.
단락 발생 시, 차단기의 자기적 동작이 순간 전류 값을 감지하고 차단기를 트립시킵니다.
퓨즈는 보통 과부하 보호에 적합하지 않음: 과부하 보호를 위해 크기를 정하면 모터 기동 시 높은 돌입 전류로 퓨즈가 단선되지만, 과부하 백업 보호로는 사용 가능합니다.
퓨즈 보호는 단일 퓨즈만 단선될 때 단상 운전 손상 위험이 있으며 (단상 보호가 제공되지 않는 한), 이는 뒤에서 다룹니다.
대형 저압 모터와 중압 모터는 단락 (상간 및 상-대지)에 대해 과전류 릴레이 (50; 50N; 51; 51N)가 CT에 연결되어 보호합니다.
과부하 보호는 일반적으로 열 과부하 릴레이로 수행됩니다. 이 릴레이는 다음 유형이 있습니다:
열 과부하 보호는 모터의 순간적인 높은 기동 전류를 수용하면서 운전 전류 과부하로부터 정확히 보호합니다. 히터 코일과 바이메탈 스트립의 동작이 시간 지연을 도입하여, 모터가 기동하여 정상 운전 전류로 안정될 때까지 열 과부하가 트립하지 않게 함.
열 과부하 보호는 용도에 따라 수동 또는 자동 리셋 가능하며, 조정 장치로 모터 운전 전류에 정확히 설정할 수 있습니다.
스타터와 모터가 위치한 주변 온도는 바이메탈 스트립 릴레이 선정 시 반드시 고려해야 합니다. 높은 주변 온도는 과부하 트립 시간을 단축시키기 때문입니다.
단축된 과부하 트립 시간은 모터가 스타터보다 더 시원한 주변 온도에 있을 때 불필요한 트립을 유발하고, 모터가 스타터보다 더 뜨거운 주변 온도에 있을 때 모터 소손을 초래할 수 있습니다.
대부분 열 과부하 장치는 최대 40°C에서 사용하도록 정격되어 있으며, 릴레이 디레이팅이 필요할 수 있음.
대부분 릴레이는 정격값의 85%~115% 범위에서 조정 가능.
일부 모델은 주변 온도 보상 기능이 있습니다. 주변 온도 보상 장치의 트립 포인트는 주변 온도에 영향받지 않음하며 일정한 전류 값에서 일관되게 동작합니다.
이 유형의 릴레이는 소형 및 중형 저압 모터에 흔히 사용됩니다.
표준 및 제조사 데이터는 보통 모터 정격 출력에 따른 권장 조정 설정값을 표시하며, 같은 표에 권장 퓨즈 정격 전류 (aM 또는 gG 타입 – 2.4절 참조) 및 순간 차단기가 과전류 보호를 위해 릴레이와 연계되어 표시됩니다 (표 3 참조).
표 3 – 모터 보호용 퓨즈 정격 전류 
이 보호 방식은 대형 저압 모터 및 고압 모터에 사용되며 마이크로프로세서를 포함합니다. 이 장치들은 모터 전류를 모니터링하여 모터 권선 가열을 모델링하며, 계측 및 통신 기능도 포함할 수 있습니다.
대형 저압 모터 및 중압 모터의 일반적인 보호는 다음 장치들로 수행됩니다:
일부 상황에서는 모터를 과부하로부터 보호하지 않는 것이 권장됩니다: 소방용 펌프 및 연기 배출 팬이 해당됩니다.
초대형 저압 모터 및 중압 모터는 고가이므로, 더 포괄적인 보호 체계를 제공하는 것이 현명합니다. 이러한 체계에는:
차동 보호는 보통 공급 전압이 약 4kV 이상인 중대형 모터와 전기적으로 작동하는 (션트 트립) 차단기에 제공됩니다. 차동 보호는 모터 고정자 권선의 결함을 고속으로 방향 판별 및 제거합니다.
전원 시스템이 견고하게 접지된 경우 차동 보호는 상간 및 상-대지 결함 모두를 감지합니다.
차동 보호에서는 각 권선 양단의 전류를 비교하여 결함 상태 존재 여부 판단.
이 기능은 두 세트의 CT, 하나는 모터 피더 시작부에, 다른 하나는 스타 포인트에 필요합니다.
차동 보호 기능은 각 고정자 상의 양쪽이 외부 연결을 위해 모터 밖으로 인출된 경우에만 사용 가능하며, 각 상으로 유입/유출되는 상 전류를 측정할 수 있어야 함. 차동 소자는 각 상에서 유출되는 전류를 유입 전류에서 빼고 결과(차이)를 차동 픽업 레벨과 비교.
이 차이가 픽업 레벨 이상이면 트립 발생.
그림 19 – 모터 차동 보호 
여섯 개의 CT를 합산 구성으로 사용 시, 모터 기동 중 각 상의 두 CT 값이 다를 수 있음 (CT가 완벽하게 동일하지 않음이고 비대칭 전류로 인해 각 상의 CT 출력이 다를 수 있음).
이 구성에서 불필요한 트립 방지를 위해 차동 레벨을 덜 민감하게 설정하거나, 차동 시간 지연을 모터 기동 중 문제 기간을 통과하도록 연장해야 할 수 있습니다.
운전 차동 지연은 애플리케이션에 맞게 미세 조정하여 매우 빠르게 반응하고 낮은 차동 전류 레벨에도 민감하게 할 수 있습니다.
권선 과열 보호는 보통 저항 온도 검출기 (RTD)와 서미스터, 자동 정지 장치로 수행. VSD로 모터 속도 제어 시 별도 부스터 팬을 모터 팬에 부착하여 과열 문제 해결 가능.
불완전 기동 시퀀스/긴 기동 시간은 로터 과열 유발.
다람쥐 케이지 모터에서 로터 열을 물리적으로 측정할 수 없으므로, 고정자를 통해 로터가 끌어들이는 전류를 측정하여 열을 산정해야 함. I²t 커브를 사용하여 로터의 열적 복제품을 구축.
재기동 억제는 릴레이가 로터가 손상될 온도에 도달했다고 판단하면 사용자의 모터 기동을 차단 (기동 시도 시). 릴레이는 로터가 기동할 충분한 열적 여유가 있는 경우에만 재기동 허용.
베어링 보호는 보통 RTD와 서미스터로 온도 모니터링 수행.
진동 보호는 센서/가속도계를 사용하며, 보통 모터와 베어링의 주요 위치에 설치.
베어링이 기계 구동계의 하중 지지 부품이므로, 가속도계는 입력부와 출력부에 설치해야 함.
그림 20 – 모터 진동 센서 
요즘은 필요한 모든 보호 기능을 통합한 IED (2.1절 참조)가 대형 저압 모터 및 중압 모터에 흔히 사용됩니다.
산업기술
전자 애호가라면 VFD(Variable Frequency Drive, 가변 주파수 드라이브)라는 용어를 접해보셨을 것입니다. 가변 속도 드라이브(Variable Speed Drives) 또는 인버터(Inverters)라고도 불립니다. 주 용도는 AC 모터의 속도 제어입니다. 간단히 말해, 모터의 특정 요구 사항에 따라 전기 모터에 공급되는 주파수와 전압을 조절하는 모터 컨트롤러입니다. 일반적으로 VFD 회로도의 3대 구성 요소는 정류기, DC 링크, 인버터입니다. 이 글에서는 VFD 브리지 회로 개념, 각 섹션, VFD 종류, 장단
분명히 공급 결함 등으로 인해 과전압 상태가 발생하는 것을 경험하거나 들어보셨을 겁니다. 화재 발생이나 회로 오작동, 회로 부품 손상 등 과전압의 영향도 보셨을 수 있습니다. 그렇다면 전원 공급 장치에서 과전압 상황을 어떻게 예방할 수 있을까요? 이 기사를 읽으면 사용할 수 있는 과전압 보호 회로 프로젝트 유형을 배울 수 있습니다. 이해를 돕기 위해 회로도도 포함했습니다. 시작해 보겠습니다. 과전압 보호란? 과전압 보호는 더 높은 전압 레벨에서 출력을 클램핑하거나 전원 공급을 차단하는 전원 공급 기능입니다. 종종 보호가 발생하려면
