전동기 속도제어 방식

전동기 속도제어는 전동기의 구조 및 특성에 따라 차이가 있다. 그리고 부하의 특성 속도제어의 범위, 응답성, 기기효율, 조작성, 보전의 난이도 및 경제성 등을 종합적으로 검토하여 결정하여야 한다.

 

<전동기 속도제어 방식 비교>

전동기 종류	속도 제어 인자	속도 제어 방식	특징
유도전동기	주파수(f)	1차 주파수 제어	- 광범위한 속도제어가 가능하다. - 속도제어의 전영역에서 고효율 운전이 가능하다.
	극수(p)	극수변환	- 단계적인 속도제어가 된다. - 다단기는 대형으로 된다.
	Slip(s)	1차 전압제어	- 저속시의 효율이 나쁘다. - 속도 변동이 크다.
		2차 저항제어	- 저속시의 효율이 나쁘다. - 장비가 간단하다
		2차 여자제어	- 효율이 좋다. - 속도 제어 범위가 좁다.
직류전동기	전기자전압(V)	전압제어	- 광범위한 속도제어가 가능하다. - 효율이 좋다. - 응답성이 좋다. - 정토크 특성으로 된다.
	전기자저항(Ra)	저항제어	- 속도 변동이 크다. - 효율이 나쁘다.
	자속(pi)	계자제어	- 속도 제어 범위가 제한이 있다. - 정출력 특성으로 된다.

 

1. 전동기 선정시 고려사항
전동기는 연결되는 부하설비(펌프, 팬, 벨트 등)에 충분한 토크를 공급하여야 하며 주변 전력설비에 악영향이 없도록 전기적 특성 뿐 아니라 사용환경 등에 의한 기계적 특성을 고려하여야한다.

2. 전동기 선정시 고려사항
1) 전동기 주문시 기재 사항
①부하 : 회전관성 MOMENT(GD)
② 정격 : 출력, 주파수, 전압, 회전수
③ 사용의 종류: 연속사용, 단시간 사용 등
④ 보호 형식 : 개방형, 밀폐형
⑤ 주위 조건 : 온도, 설치장소(옥내, 옥외)
⑥ 취부 방식 : 수평형, 수직형, 플랜지형
⑦ 시동 방법 : 전전압 기동, STAR-DELTA 기동, 리액터 기동
⑧ 부하 연결방식 : 직결, 벨트걸기 등
2) 전동기 세부 검토사항
① 기동조건 : 기동토오크, 최대토오크
② 절연등급 : B종, F종, H종
③ 주위조건 : 주위온도, 해발고도, 습도, 기타환경
③ 보호형식 : IP등급, 냉각방식, 설치장소(옥외, 옥내)
⑤ 취부방법 : 수평, 수직 ® 연결방식 : 직결, 벨트, 커플링

3. 전동기 명판의 이해
명판에 포함된 각 정보는 모터의 중요한 특성을 나타내는 것으로 운영자는 각각에 대한 물리적인 개념을 정확히 파악하고 있어야 한다.

1) 정격전압 및 주파수
명판과 상이한 정격전압을 인가하면 절연파괴에 의한 손상이나 출력 부족으로 인한 운전 불능 등 여러 가지 문제를 일으킬 수 있으므로 이 전압을 확인하고 인가하는 것이 기본이며 필수적인 사항이다. 특히 설계 시 정격전압과 주파수의 관계에 의해 철심의 단면적이 결정되는데 단면적은 주파수와 반비례하는 관계가 있으며 만일 동일한 정격 전압의 모터를 명판상에 기재된 것과 다른 주파수를 사용할 경우에는 세심한 검토가 필요하다. 이럴 경우 다음과 같은 기준으로 검토하면 되는데 만일 동일한 정격전압의 모터를 50Hz용으로 제작한 경우에는 60Hz에 사용하는 것이 무방하나 반대로 60Hz용은 50Hz에 사용하면 위에서 설명한 대로 철심의 단면적 부족으로 인해 모터의 철손 (히스테리시스손)이 급격히 증가하여 정격전 이하의 운전에서도 온도상승에 의해 모터가 소손될 수 있다.

2) 정격전류
전기기기가 정격전압이 인가된 상태에서 제 임무를 수행 하는데 필요한 입력전류이며 이 정격전류를 초과하여 장시간 운전하면 온도상승에 의해 수명이 급격히 단축되어 보장된 수명한도 이내에서 소손 되므로 이 전류 값을 초과하는 정도에 따라 설비보호를 위한 장치가 설비의 특성에 맞도록 포함 되어 있다.

3) 정격출력
정격전압과 정격전류를 곱한 값이며 Motor 의 경우에는 제작사에 따라 W 또는 HP(Horse Power = 0.75세)를 적용한다. 모터의 명판상에 기재된 출력은 회전자의 기계 적인 축 출력이며 전기적인 입력과는 다르다는 것을 알고 있어야 한다. 따라서 정력 전류와 정격전류 및 역률 (명판상에 기재되어 있다면) 를 곱하면 정격출력이 되는 것이 아니라 본래는 여기에 고정자 및 회전자의 효율을 고려하여야 되는 것이다.

4. 절연계급
전류에 의해 발생한 손실 열을 유효하게 방출하여 절연물이 손상되지 않도록 하느냐 하는 것이 모터의 수명을 결정 하는 매우 중요한 사항이기 때문에 전류에 의한 열 작용에 따른 절연물의 온도상승 내력을 알고 있는 것이 필요하게 된다. 다음 표의 음영 표시 부분은 산업분야에서 범용적으로 적용되는 절연계급이다.

<절연계급별 특성>

절연계급	최고허용온도	사용재료
Y	90°C	면, 견, 종이, 요소수지, 폴리아미드섬유 등
A	105°C	상기 재료와 절연유 혼합
E	120°C	에폭시수지, 폴리우레탄, 합성수지 등
B	130°C	유리, 마이카, 석면등과 바니스 조합
F	155°C	상기재료와 에폭시수지등과 조합
H	180°C	상기재료와 실리콘수지등과의 조합
C	180°C이상	열 안정 유기재료 [200 C 이상]

5. 온도상승(Temperature Rise)
온도상승이란 모터가 부하를 안고 운전 될 때의 손실 열에 의해 상승된 온도를 의미하며 운전 시 발생 될 수 있는 온도에서 주위온도를 뺀 값이다. 따라서 온도상승 허용치란 절연계급의 허용된 최고온도에서 주위온도를 뺀 값으로써 앞의 표에서 보면 " B" 종 절연의 허용 온도상승은 주위온도(Ambient Temperature) 를 40°C로 기준 할 때 80°C가 되는 것이다. 따라서 모터 제작 시 이런 사항이 반영되어 모터에 정격부하가 걸릴 때 허용온도 상승치 내로 운전 될 수 있도록 모터의 효과적인 열 방산을 위해 냉각방식을 결정하는 외함의 형태가 선정 되는 것이다.

6. 기동계급(KVA Code)
동기 및 유도 전동기에 적용되며 이들은 전기적인 특성에 의해 기동 시 커다란 전류를 필요로 하며 통상 정격전류의 6배 정도가 유입하게 되는데 이는 선로의 전압 강하를 유발하여 운전중인 다른 부하에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 기동 특성을 파악하여 이에 대한 고려를 하여 변압기 및 케이블 등 제반설비를 이에 적합하도록 선정 하여야 한다. 기동계급이란 Motor 의 HP 에 대한 기동시의 필요 KVA를 표시하는 것으로서 결국 정격전류에 대한 기동전류의 크기를 나타내는 것과 동일한 의미이다.
기동계급에는 다음과 같이 19개의 영문자로 표기되며 이를 회전자 구속시의 유입 전력이라는 의미로 Locked-Rotor Indicating Code Letter 이라 한다. 다음 표의 음영 표시 부분은 유도전동기에 범용적으로 적용되는 기동계급 이다.

7. 프레임 사이즈(Frame Size)
모터의 프레임 사이즈란 전동기의 Foot 에서 축 Center 까지 거리로서 전동기의 크기를 알 수 있는 척도가 되는 치수 이며 설치공간 등에 제약을 줄 수 있으므로 전동기 선정 시에 아주 중요한 요소이며 특히 기존 모터의 용량증대를 위해 교체를 검토할 때 가장 우선적으로 파악하여야 하는 내용이다. 프레임 사이즈를 명판에 표시 하는 방법은 미국 전기공업협회(NEMA: National Blectrical Manufacturers Association)와 유럽 전기공업협회(IBC: International Blectro-technical Committee)가 다르며 유럽 및 일본, 우리나라에서는 사용자의 특별한 요구가 없을 경우 이를 1I 단위로 직접기재하여 곧바로 알 수 있는 1BC 표기방법을 채용하여 별 문제가 없으나 NEMA에서는 이것을 특정한 방법으로 나타내고 있다.

8. 형식(Type)
NEMA에서 전동기에 대한 형식(사용장소, 사용지역, 보호등급)을 별도로 정하고 있고, 국내에서는 제조사별로 자체적인 형식(사용장소, 사용지역, 외함구조, 냉각방식 등)을 사용하고 있어 제조사의 Catalog를 참고하여야 한다.

 

9. 주위온도(Ambient Temp.)
전동기가 설치되는 주위온도를 말하며 통상 40°C이며, 이를 초과할 경우 전동기의 과열을 고려하여 정격부하 이하에서 운전을 검토해야 한다.

 

10. S/F (service factor)
정격전압, 주파수 및 허용온도 아래에서 허용할 수 있는 과부하용량을 얻기 위해 정격출력에 곱하는 계수를 말하며, 1.0 이상이면 전동기 명판에 표시하도록 NEMA에 규정되어 있다. 허용과부하 용량은 연속 1시간 이내로 규정하고 있다.

 

11. 전동기의 정격(DUTY)
전동기는 반드시 일정연속 부하를 거는 것만은 아니다. 단시간만 사용되든가, 간헐 적으로 사용되는 경우도 있다. 온도가 포화점에 이르기 전에 정지할 경우 연속적으로 사용할 때 보다 많은 부하를 걸어도 좋다. 그래서 이러한 시간적인 사용상태를 사 용 (1))이라고 한다. 전동기가 보증한 사용한도를 정격이라 하고, 출력시(1)))에 대한 사용한도를 정하는 것과 같이 전압 • 회전속도 주파수 등을 지정한다. 이것을 각각 정격출력, 정격전압, 정격회전속도, 정격주파수 등으로 부른다는 것은 이미 서술하였고, 정격과 사용의 관계를 그림에 표시하였다. 연속정격의 기기에는 연속정격을, 단시간 
사용의 기기에는 단시간정격을, 반복 사용시는 반복정격을 적용하면 경제적인 가격으로 전동기를 구입할 수 있다.

12. 외 보호등급(Enclosure)
전기기기의 외함은 주변의 설치환경, 운전상태 및 조건 등에 따라 내부의 충전부위 및 운동부위를 보호하여야 하므로 매우 중요하며 이런 조건들에 적합하게 선정될 수 있도록 예전에는 다음과 같이 IP 등급과 NEMA Type 으로 구분되어 있었으나 현재는 통합되어 IP 등급이 표준으로 되어 있다.