모터 열 과부하 보호
감응 전동기의 모터 열 과부하 보호를 이해하기 위해서는 세페이즈 감응 전동기의 작동 원리를 논의할 수 있습니다. 하나의 원통형 스태터와 세페이즈 권선이 스태터 내부 주변에 대칭적으로 배치되어 있습니다. 이러한 대칭적인 배치로 인해 세페이즈 전원이 스태터 권선에 공급되면 회전 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 동기 속도로 회전합니다. 로터는 주로 양 끝이 짧게 연결되어 원통형 캐지 구조를 형성하는 고체 구리 막대들로 구성됩니다. 이를 통해 이 모터는 스쿼럴 케이지 감응 전동기라고도 합니다. 어쨌든 세페이즈 감응 전동기의 기본 포인트로 돌아가보겠습니다 - 이는 모터 열 과부하 보호를 명확히 이해하는 데 도움이 됩니다.
회전 자기장이 로터의 각 막대 전도체를 절단하면서, 막대 전도체를 통해 유도 순환 전류가 흐르게 됩니다. 시작 시 로터는 정지 상태이고 스태터 필드는 동기 속도로 회전하므로, 회전 필드와 로터 사이의 상대 운동은 최대입니다. 따라서, 로터 막대에서의 플럭스 절단률은 최대이며, 이 조건에서 유도 전류도 최대입니다. 그러나 유도 전류의 원인이 바로 이 상대 속도이므로, 로터는 이 상대 속도를 줄이려고 하며, 따라서 회전 자기장의 방향으로 회전하여 동기 속도를 따라잡으려고 합니다. 로터가 동기 속도에 도달하면, 로터와 회전 자기장 사이의 상대 속도는 0이 되므로, 더 이상 플럭스 절단이 없으며, 결과적으로 로터 막대에는 유도 전류가 발생하지 않습니다. 유도 전류가 0이 되면, 로터와 회전 자기장 사이의 0의 상대 속도를 유지할 필요가 없어지므로, 로터 속도는 감소합니다.
로터 속도가 감소하면, 로터와 회전 자기장 사이의 상대 속도는 다시 0이 아닌 값을 가지게 되어, 로터 막대에 유도 전류가 다시 발생하게 됩니다. 그러면 로터는 다시 동기 속도를 달성하려고 하며, 이 과정은 모터가 켜져 있는 동안 계속됩니다. 이러한 현상으로 인해 로터는 정상 작동 중에는 동기 속도를 달성하지 못하며, 동시에 멈추지도 않습니다. 동기 속도와 로터 속도 간의 차이는 감응 전동기의 슬립이라고 합니다.
정상적으로 작동하는 감응 전동기의 슬립은 일반적으로 모터의 부하 상태에 따라 1%에서 3% 사이로 변동합니다. 이제 감응 전동기의 속도-전류 특성을 그려보겠습니다 - 큰 보일러 팬의 예를 들어보겠습니다.
특성에서 Y축은 초 단위의 시간을, X축은 스태터 전류의 %를 나타냅니다. 로터가 정지 상태인 경우, 즉 시작 상태에서는 슬립이 최대이므로, 로터에서 유도되는 전류도 최대입니다. 변압 작용으로 인해 스태터는 공급원에서 매우 큰 전류를 소비하게 되며, 이는 정격 만부하 스태터 전류의 약 600% 정도입니다. 로터가 가속되면서 슬립이 감소함에 따라, 로터 전류 및 스태터 전류는 12초 후에 동기 속도의 80%에 도달할 때까지 정격 만부하 전류의 약 500%로 떨어집니다. 그 후, 로터가 정상 속도에 도달하면서 스태터 전류는 급격히 정격 값으로 떨어집니다.
이제 전기 모터의 열 과부하 또는 전기 모터의 과열 문제와 모터 열 과부하 보호의 필요성에 대해 논의하겠습니다.
모터의 과열을 생각할 때, 가장 먼저 떠오르는 것은 과부하입니다. 기계적 과부하로 인해 모터는 공급원에서 더 많은 전류를 소비하게 되어, 모터의 과열로 이어집니다. 또한, 외부 기계적 힘으로 인해 로터가 기계적으로 잠겨서(정지 상태가 되면) 모터는 공급원에서 과도한 전류를 소비하게 되어, 열 과부하 또는 과열 문제가 발생합니다. 또 다른 과열 원인은 낮은 공급 전압입니다. 모터가 공급원에서 소비하는 전력은 모터의 부하 상태에 따라 달라지므로, 낮은 공급 전압에서는 모터가 필요한 토크를 유지하기 위해 메인에서 더 많은 전류를 소비하게 됩니다. 단상 전압으로 인해 모터의 열 과부하가 발생할 수도 있습니다. 공급원의 한 상이 중단되면, 남은 두 상이 필요한 부하 토크를 유지하기 위해 더 많은 전류를 소비하게 되어, 모터의 과열로 이어집니다. 공급원의 세 상 사이의 불균형 상태도 모터 권선의 과열을 일으킵니다. 불균형 시스템은 스태터 권선에 음의 순서 전류를 유발합니다. 또한, 공급 전압의 갑작스런 손실과 재설정으로 인해 모터의 과열이 발생할 수 있습니다. 공급 전압이 갑자기 끊기면, 모터는 감속되고, 전압이 갑자기 재설정되면, 모터는 정격 속도를 달성하기 위해 가속되므로, 모터는 공급원에서 더 많은 전류를 소비하게 됩니다.
열 과부하 또는 모터의 과열로 인해 절연 실패와 권선 손상이 발생할 수 있으므로, 적절한 모터 열 과부하 보호를 위해 모터는 다음 조건에 대해 보호되어야 합니다.
기계적 과부하,
모터 축의 정지,
낮은 공급 전압,
공급원의 단상,
공급원의 불균형,
공급 전압의 갑작스런 손실 및 재설정.
모터의 가장 기본적인 보호 체계는 주로 위에서 언급한 모든 조건을 커버하는 열 과부하 보호입니다. 열 과부하 보호의 기본 원리를 이해하기 위해 기본 모터 제어 체계의 스키마를 살펴보겠습니다.
위의 도면에서 START 버튼이 닫히면, 트랜스포머를 통해 스타터 코일이 에너지화됩니다. 스타터 코일이 에너지화되면, 평소에 열린(NO) 접점 5가 닫혀 모터가 단자에 공급 전압을 받고 회전하기 시작합니다. 이 스타터 코일은 또한 접점 4를 닫아, START 버튼 접점이 닫힌 위치에서 해제된 후에도 스타터 코일이 에너지화되도록 합니다. 모터를 정지시키기 위해서는 스타터 코일과 직렬로 여러 개의 평소에 닫힌(NC) 접점이 있습니다. 그 중 하나는 STOP 버튼 접점입니다. STOP 버튼을 누르면, 이 버튼 접점이 열리고 스타터 코일 회로의 연속성이 끊어져 스타터 코일이 에너지화되지 않게 됩니다. 따라서 접점 5와 4는 평소의 열린 위치로 돌아갑니다. 이렇게 모터 단자에 전압이 없으면, 결국 모터는 멈춥니다. 마찬가지로, 스타터 코일과 직렬로 연결된 다른 NC 접점 (1, 2, 3) 중 하나가 열리면, 모터가 멈춥니다. 이러한 NC 접점은 다양한 보호 계전기에 전기적으로 결합되어, 다양한 비정상 조건에서 모터의 작동을 중단시킵니다.
열 과부하 계전기와 모터 열 과부하 보호에서의 역할을 살펴보겠습니다.
모터 공급 회로에 직렬로 연결된 CT의 2차측은 열 과부하 계전기(49)의 이중금속 스트립에 연결됩니다. 아래 도면에서 볼 수 있듯이, CT의 2차측을 통과하는 전류가 특정 시간 동안 미리 결정된 값보다 클 때, 이중금속 스트립은 과열되어 변형되며, 결국 계전기 49가 작동합니다. 계전기 49가 작동하면, NC 접점 1과 2가 열리면서 스타터 코일이 에너지화되지 않아, 모터가 멈춥니다.
또한, 모터 열 과부하 보호를 제공할 때 기억해야 할 것이 있습니다. 실제로 모든 모터는 미리 결정된 과부하 허용치를 가지고 있습니다. 즉, 모든 모터는 특정 허용 기간 동안 정격 부하를 초과하여 작동할 수 있습니다. 특정 부하에서 모터가 안전하게 작동할 수 있는 기간은 제조사에서 지정합니다. 모터의 다양한 부하와 해당 부하에서 안전하게 작동할 수 있는 허용 기간 간의 관계는 모터의 열 제한 곡선이라고 합니다. 아래의 특정 모터의 곡선을 살펴보겠습니다.
여기서 Y축 또는 수직축은 허용 시간(초)을, X축 또는 수평축은 과부하의 %를 나타냅니다. 곡선에서 알 수 있듯이, 모터는 정격 부하 100%에서 오랜 기간 동안 과열로 인한 손상 없이 안전하게 작동할 수 있습니다. 정격 부하의 200%에서는 1000초, 정격 부하의 300%에서는 100초, 정격 부하의 600%에서는 15초 동안 안전하게 작동할 수 있습니다. 곡선의 상부는 로터의 정상 작동 상태를, 하부는 로터의 기계적으로 잠긴 상태를 나타냅니다.
이제 선택한 열 과부하 계전기의 작동 시간 대 작동 전류 곡선은 모터의 열 제한 곡선 아래에 위치해야만 안전하고 만족스러운 작동이 가능합니다. 자세히 논의해보겠습니다.
모터의 시작 전류 특성을 기억하세요. 감응 전동기의 시작 시, 스태터 전류는 정격 전류의 600%를 초과하지만, 10~12초 후에 급격히 정격 값으로 떨어집니다. 따라서, 정격 전류의 600%인 전류에서 10~12초 이내에 열 과부하 계전기가 작동하면, 모터가 시작될 수 없습니다. 따라서, 선택한 열 과부하 계전기의 작동 시간 대 작동 전류 곡선은 모터의 열 제한 곡선 아래에, 모터의 시작 전류 특성 곡선 위에 위치해야 합니다. 열 과부하 계전기 특성의 가능한 위치는 이러한 두 곡선 사이에 표시된 강조 영역에 있습니다.
열 과부하 계전기를 선택할 때 기억해야 할 또 다른 사항이 있습니다. 이 계전기는 순간 계전기가 아닙니다. 이중금속 스트립이 작동 전류의 최대값에서 가열되고 변형되기까지 최소 시간이 필요하기 때문에, 작동에 최소 지연이 있습니다. 그래프에서 열 계전기가 로터가 갑자기 기계적으로 차단되거나 모터가 시작되지 못하는 경우 25~30초 후에 작동됨을 알 수 있습니다. 이 경우, 모터는 공급원에서 매우 큰 전류를 소비하게 됩니다. 모터가 빠르게 격리되지 않으면, 심각한 손상이 발생할 수 있습니다.
이 문제는 고 피크 업 시간 과전류 계전기를 제공함으로써 해결됩니다. 이러한 과전류 계전기의 시간-전류 특성은, 열 과부하 계전기가 작동하기 전에 작동하지 않도록, 낮은 과부하 값에서는 작동하지 않도록 선택됩니다. 그러나 높은 과부하 값과 로터가 차단된 상태에서는, 열 계전기보다 훨씬 빨리 작동하는 시간 과부하 계전기가 작동합니다.
따라서, 완전한 모터 열 과부하 보호를 위해 이중금속 과부하 계전기와 시간 과전류 계전기가 모두 제공됩니다.
이중금속 열 과부하 계전기의 주요 단점은, 이중금속의 가열 및 냉각 속도가 주변 온도에 영향을 받아, 계전기의 성능이 주변 온도에 따라 다를 수 있다는 것입니다. 이 문제는 RTD(저항 온도 검출기)를 사용하여 해결할 수 있습니다. 더 크고 정교한 모터는 RTD를 사용하여 더 정확하게 열 과부하로부터 보호됩니다. 스태터 슬롯에 RTD가 스태터 권선과 함께 배치됩니다. RTD의 저항은 온도 변화에 따라 변하고, 이 변경된 저항 값은 웨이트스톤 다리 회로로 감지됩니다.
이 모터 열 과부하 보호 체계는 매우 간단합니다. 스태터의 RTD는 균형 잡힌 웨이트스톤 다리의 한 팔을 사용합니다. 계전기 49를 통과하는 전류의 양은 다리의 불균형 정도에 따라 달라집니다. 스태터 권선의 온도가 증가하면, 검출기의 전기 저항이 증가하여, 다리의 균형 상태가 깨집니다. 결과적으로, 계전기 49를 통과하는 전류가 흐르기 시작하고, 이 불균형 전류의 미리 결정된 값에서 계전기가 작동하여, 결국 스타터 접점이 열리고 모터에 대한 공급이 중단됩니다.
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