모터 보호: 유형, 고장 및 장치
모터 보호 시스템은 전기 모터를 다양한 고장과 손상으로부터 보호하는 장치와 방법의 집합입니다. 전기 모터는 소형 가전제품에서 대형 기계에 이르기까지 많은 산업 및 가정용 응용 분야에서 중요한 구성 요소입니다. 따라서 모터와 회로의 정상적인 작동과 안전을 보장하는 것이 중요합니다.
이 글에서는 모터 고장의 종류, 모터 보호 장치의 종류, 그리고 National Electrical Code (NEC)과 모터 특성에 따라 어떻게 선택할 수 있는지에 대해 논의하겠습니다.
모터 고장이란?
모터 고장은 모터가 비정상적으로 작동하거나 고장 나는 상태를 말합니다. 모터 고장은 주로 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다:
외부 고장: 이러한 고장은 전원 공급 네트워크 또는 모터에 연결된 부하에서 발생합니다. 일부 외부 고장의 예는 다음과 같습니다:
불균형 전압: 이는 세 상의 전압이 크기나 위상 각도가 동일하지 않을 때 발생합니다. 이로 인해 모터에서 부정 순환 전류가 발생하여 추가 손실, 발열, 토크 변동이 생깁니다.
저전압: 이는 공급 전압이 모터의 정격 값 아래로 떨어질 때 발생합니다. 이로 인해 토크 감소, 전류 증가, 모터 과열이 발생합니다.
역상 순서: 이는 공급 상의 순서가 역전될 때 발생합니다. 이로 인해 모터가 역방향으로 회전하여 부하나 모터 자체가 손상될 수 있습니다.
동기 손실: 이는 동기 모터가 공급 주파수와 자기 잠금을 잃을 때 발생합니다. 이로 인해 슬립 증가, 사냥, 모터 불안정이 발생합니다.
내부 고장: 이러한 고장은 모터 또는 구동 플랜트에서 발생합니다. 일부 내부 고장의 예는 다음과 같습니다:
베어링 고장: 이는 마찰, 윤활 문제, 기계적 스트레스로 인해 모터 축을 지지하는 베어링이 마모되거나 고장 날 때 발생합니다. 이로 인해 소음, 진동, 축 오차, 모터 정지가 발생합니다.
과열: 이는 과부하, 부족한 냉각, 환경 조건, 절연 파괴로 인해 모터의 온도가 열 한계를 초과할 때 발생합니다. 이로 인해 절연 저하, 와인딩 손상, 모터 효율 저하가 발생합니다.
와인딩 고장: 이는 절연 파괴, 기계적 스트레스, 외부 고장으로 인해 모터의 와인딩이 단락되거나 오픈 서킷 상태가 될 때 발생합니다. 이로 인해 스파크, 연기, 화재, 모터 토크 손실이 발생합니다.
대지 고장: 이는 모터의 한 상 도체가 회로나 장비의 접지 부분과 접촉할 때 발생합니다. 이로 인해 고장 전류, 절연 및 장비 손상, 잠재적인 충격 위험이 발생합니다.
모터 고장은 모터와 그 회로의 성능, 안전, 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 적절한 장치와 방법을 사용하여 이를 감지하고 보호하는 것이 필수적입니다.
모터 보호 장치란?
모터 보호 장치는 모터 또는 그 회로의 전류, 전압, 온도, 속도 또는 토크와 같은 하나 이상의 매개변수를 모니터링하고 제어하는 장치입니다. 모터 보호 장치의 목적은 고장이나 비정상적인 상태에서 모터와 그 회로의 손상을 방지하거나 최소화하는 것입니다.
모터 보호 장치는 기능, 원리, 응용 분야에 따라 다양한 유형이 있습니다. 일반적인 유형은 다음과 같습니다:
퓨즈: 이는 단락이나 과부하로 인해 고전류가 흐를 때 회로를 차단하는 장치입니다. 고장 전류에 의해 가열되어 녹는 금속 스트립이나 와이어로 구성됩니다. 퓨즈는 단순하고 저렴하며 신뢰성이 있으며 단락회로에 대한 빠른 보호를 제공합니다. 그러나 다음의 단점이 있습니다:
재사용이 불가능하며 각 작업 후 교체해야 합니다.
과부하나 저전압에 대한 보호를 제공하지 않습니다.
고장 위치의 표시나 격리를 제공하지 않습니다.
회로 차단기: 이는 단락이나 과부하로 인해 고전류가 흐를 때 회로를 차단하는 장치입니다. 감지 요소에 의해 트리거되는 전자기 메커니즘으로 개폐되는 콘택트 쌍으로 구성됩니다. 회로 차단기는 퓨즈보다 더 진보되었으며 다음과 같은 기능을 제공합니다:
각 작업 후 재사용 및 재설정 가능.
트립 설정을 조정하여 과부하와 저전압에 대한 보호.
수동 또는 자동 작동으로 고장 위치의 표시 및 격리.
과부하 계전기: 이는 과부하로 인해 고전류가 흐를 때 회로를 차단하는 장치입니다. 전류를 측정하는 감지 요소와 전자기 또는 전자 메커니즘으로 개폐되는 콘택트로 구성됩니다. 과부하 계전기는 장시간 과부하나 불균형 전압으로 인한 모터 과열과 절연 손상을 방지하도록 설계되었습니다. 두 가지 주요 유형의 과부하 계전기가 있습니다:
단락회로 전류나 대지 고장에 대한 빠른 반응과 더 나은 보호.
주변 온도에 대한 면역과 조정 필요 없음.
디지털 처리로 인한 더 높은 정확성과 재현성.
상 누락 감지, 역방향 회전 감지, 통신, 진단과 같은 추가 기능.
단락회로 전류나 대지 고장에 대한 느린 반응.
주변 온도에 영향을 받아 조정이 필요할 수 있음.
기계적 마모로 인한 제한된 정확성과 재현성.
열 과부하 계전기: 이는 바이메탈 스트립이나 가열 요소를 사용하여 모터 전류의 온도 상승을 감지합니다. 전류가 설정 값 이상으로 증가하면 열 요소가 굽거나 녹아 콘택트가 개폐됩니다. 열 과부하 계전기는 간단하고 저렴하며 신뢰성이 있으며, 더 높은 과부하일수록 더 빠르게 트립되는 역시간 보호를 제공합니다. 그러나 다음의 단점이 있습니다:
전자식 또는 디지털 과부하 계전기: 이는 전류 변환기나 샌드 리스터를 사용하여 모터 전류를 측정하고 마이크로프로세서 또는 고체 회로를 사용하여 콘택트를 제어합니다. 전류가 설정 값 이상으로 증가하면 전자 요소가 콘택트를 개폐하는 신호를 보냅니다. 전자식 또는 디지털 과부하 계전기는 열 과부하 계전기보다 더 진보되었으며 다음과 같은 기능을 제공합니다:
차동 보호 계전기: 이는 모터 또는 그 와인딩의 입력 및 출력 단자의 전류를 비교합니다. 전류 차이가 특정 값 이상일 때, 즉 와인딩 고장이 있을 때, 계전기가 회로를 트립합니다. 차동 보호 계전기는 저전압 및 고전압 모터에서 상간 및 상대 대지 고장에 대한 매우 민감하고 신뢰성 있는 빠른 보호를 제공합니다.
역방향 회전 보호 계전기: 이는 모터의 회전 방향을 감지하여 역방향으로 작동하지 않도록 합니다. 역방향 회전은 컨베이어 벨트, 펌프, 팬과 같은 응용 분야에서 모터나 부하를 손상시킬 수 있습니다. 역방향 회전 보호 계전기는 회전 방향을 감지하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다:
상 순서 감지: 이 방법은 전압 계전기 또는 와트미터 계전기를 사용하여 공급 전압의 상 순서를 측정합니다. 상 순서가 역전되면, 즉 역방향 회전을 나타낼 때 계전기가 회로를 트립합니다.
부정 순환 감지: 이 방법은 전류 계전기 또는 전력 계전기를 사용하여 모터 전류의 부정 순환 성분을 측정합니다. 부정 순환 성분이 높으면, 즉 역방향 회전을 나타낼 때 계전기가 회로를 트립합니다.
속도 감지: 이 방법은 속도 센서 또는 타코미터를 사용하여 모터 축의 속도를 측정합니다. 속도가 음수면, 즉 역방향 회전을 나타낼 때 계전기가 회로를 트립합니다.
모터 보호 장치 선택 방법
모터 보호 장치의 선택은 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다:
모터의 유형과 크기
모터의 특성 및 등급
가능한 고장의 유형과 심각성
NEC 및 기타 표준의 요구사항
장치의 비용과 가용성
NEC Article 430은 이러한 요인을 기반으로 모터 보호 장치를 선택하는 일반적인 규칙과 지침을 제공합니다. 그러나 각 모터와 장치에 대한 제조업체의 권장 사항과 사양을 참조하는 것도 중요합니다.
모터 보호 장치를 선택하는 몇 가지 일반적인 단계는 다음과 같습니다:
네임플레이트 또는 NEC Table 430.250(AC 모터) 또는 Table 430.251(B)(DC 모터)에서 모터의 만재 전류(FLC)를 결정합니다.
서비스 팩터가 1.15 이상이거나 온도 상승이 40°C 이하인 모터의 경우 FLC의 115% 이상, 다른 모터의 경우 FLC의 125% 이상을 처리할 수 있는 과부하 보호 장치를 선택합니다. 과부하 보호 장치는 열 과부하 계전기, 전자식 또는 디지털 과부하 계전기, 차동 보호 계전기 중 모터의 유형과 크기에 따라 선택할 수 있습니다.
서비스 팩터가 1.15 이상이거나 온도 상승이 40°C 이하인 모터의 경우 FLC의 150% 이상, 다른 모터의 경우 FLC의 175% 이상을 처리할 수 있는 단락 및 대지 고장 보호 장치를 선택합니다. 단락 및 대지 고장 보호 장치는 퓨즈 또는 회로 차단기 중 모터의 유형과 크기에 따라 선택할 수 있습니다.
모터 또는 부하가 역방향 회전을 허용하지 않는 경우 역방향 회전 보호 장치를 선택합니다. 역방향 회전 보호 장치는 상 순서 감지 계전기, 부정 순환 감지 계전기, 속도 감지 계전기 중 모터의 유형과 크기에 따라 선택할 수 있습니다.
모터 회로의 도체 크기를 NEC Table 310.15(B)(16)(일반 배선) 및 NEC Table 430.250(모터 분기 회로)에 따라 선택합니다. 도체의 용량은 서비스 팩터가 1.15 이상이거나 온도 상승이 40°C 이하인 모터의 경우 FLC의 125% 이상, 다른 모터의 경우 FLC의 115% 이상이어야 합니다.
모터의 유형 및 응용 분야에 따라 모터 제어, 시작, 정지, 속도 조정, 통신을 위한 적절한 장치와 방법을 선택합니다.
결론
모터 보호는 전기 공학에서 중요한 측면으로, 전기 모터와 그 회로의 안전과 효율성을 보장합니다. 모터 보호 장치는 모터의 유형과 크기, 가능한 고장의 유형과 심각성, NEC 및 기타 표준의 요구사항, 장치의 비용과 가용성을 기반으로 선택됩니다. 모터 보호 장치에는 퓨즈, 회로 차단기, 과부하 계전기, 차동 보호 계전기, 역방향 회전 보호 계전기가 포함됩니다. 모터 보호 장치는 고장이나 비정상적인 상태에서 모터와 그 회로의 손상을 방지하거나 최소화하기 위해 전류, 전압, 온도, 속도, 토크와 같은 매개변수를 모니터링하고 제어합니다.
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