모터 고장, 전류만으로 미리 안다
한눈에 보기
- 두 통로
- 회전 쪽 상태는 공극 자속을 통해 실려 나오고, 고정자 권선 결함은 상 임피던스 불평형으로 드러난다— 전원 전압 불평형의 몫을 걷어낸 뒤라야 결함으로 읽는다. 상용전원 직입 구동이어야 하고, 회전자 쪽을 보려면 어느 정도 부하가 걸린 상태에서 재야 한다
- 신호를 받는 자리
- 해당 회로에 계측용 CT 가 이미 있다면 제어반에서 쓰던 전류·전압 신호를 그대로 받아, 모터에 센서를 붙이지 않고 운전 중에 진단한다— 전압은 고압반이면 PT, 저압 MCC 라면 주회로에서 직접 받는다
- 결과
- 있고 없고가 아니라 A~D 등급과 정비 권고 시점(24개월 이상 ~ 3개월 안)으로 나온다— 부위마다 잡히는 정도가 다르다. 베어링은 흔적이 작고 주파수도 높아 징후가 보이면 의미가 있지만 안 보인다고 정상이라 단정할 수는 없으므로, 확실히 봐야 하면 진동 진단을 함께 둔다. 확정된 잔존 수명이 아니라 설비 조건과 함께 읽는 값이다
모터가 멈추면 그 설비 전체가 섭니다. 그런데 언제 멈출지는 알기 어렵습니다. 진동 센서를 붙이자니 모터마다 달아야 하고, 지하 기계실이나 옥상에 있는 것은 접근조차 번거롭습니다. 모터에 아무것도 붙이지 않고, 제어반에서 이미 재고 있는 전압·전류만으로 상태를 알아내는 방법이 있습니다. 다만 아무 때나 되는 것은 아닙니다. 회전자 쪽을 보려면 어느 정도 부하가 걸린 채 돌고 있어야 그 결함이 전류에 남기는 흔적이 읽을 만한 크기로 자랍니다.
왜 전류만으로 알 수 있나
모터는 고정자와 회전자 사이의 좁은 틈(공극)에 자속을 세워 돌아갑니다. 회전 쪽 상태가 달라지면 이 공극 자속이 일그러지고, 일그러진 자속이 다시 고정자 전류를 흔듭니다. 전류가 회전 쪽 사정을 실어 나르는 것은 이 통로 때문입니다. 일그러짐이 늘 규칙적인 것은 아니지만, 회전이나 슬립에 맞물려 되풀이되는 결함이라면 그 되풀이되는 주기가 전류 스펙트럼의 특정 자리에 성분으로 남습니다.
회전자 도체가 끊어지면 그 자리에 흘러야 할 전류가 빠져 공극 자속이 어긋나는데, 그 어긋남이 되풀이되는 주기는 회전 주기가 아니라 슬립이 정합니다. 그래서 흔적은 상용주파수 양옆으로 슬립주파수의 두 배만큼 떨어진 자리에 섭니다. 슬립주파수는 슬립에 상용주파수를 곱한 값이므로, 60Hz 계통에서 슬립이 3% 라면 양옆 3.6Hz 남짓 되는 자리입니다. 간격이 슬립에 비례하므로 부하가 무거워지면 벌어지고, 가벼워지면 기본파 쪽으로 바짝 붙습니다. 같은 회전자 쪽이라도 편심은 다르고, 편심 안에서도 둘로 갈립니다. 공극이 좁은 자리가 회전을 따라 도는 동적 편심은 회전 성분이 전류에 실려 상용주파수에서 회전주파수만큼 떨어진 자리에 서지만, 좁은 자리가 한곳에 붙박여 있는 정적 편심은 그 회전 성분이 생기지 않아 이 자리로는 잘 드러나지 않습니다. 60Hz·4극이면 회전주파수가 30Hz 부근이니, 기본파에서 수 Hz 안쪽에 붙는 회전자봉 쪽과는 떨어진 거리가 아예 다릅니다. 축이 어긋나도, 베어링이 닳아도 자속이 흔들려 전류에 실린다는 통로는 같습니다.
다만 모든 결함이 이 통로를 거치는 것은 아닙니다. 고정자 권선 결함은 공극 자속에 실려 오는 것이 아니라, 상마다 임피던스가 달라져 상 전류의 균형이 깨지는 것으로 나타납니다. 그래서 고정자는 스펙트럼의 어느 자리를 짚는 것이 아니라 상 사이 불평형을 함께 봅니다. 다만 들어오는 전압이 이미 불평형이어도 상 전류는 똑같이 어긋나므로, 전원 전압을 함께 재어 그 몫을 걷어낸 뒤라야 결함으로 읽을 수 있습니다. 전류로 들여다보는 통로가 공극 자속과 상 불평형 두 갈래라는 뜻입니다. 고장의 종류마다 통로가 다르고 자리를 정하는 식도 달라, 파형을 분석하면 무엇이 나빠졌는지 갈라 볼 수 있습니다. 다만 식이 다르다는 것이지 자리가 반드시 떨어져 서 준다는 뜻은 아닙니다. 편심과 축 정렬 불량·축 휨처럼 회전주파수가 함께 얽히는 성분끼리는 실제 스펙트럼에서 겹치거나 가까이 서기도 해서, 자리 하나만 보고 부위를 단정하기 어려운 경우가 있습니다. 네 부위가 같은 정도로 갈리는 것도 아닙니다. 이것은 뒤에서 따로 짚습니다.
단, 전류에 실려 오는 것이 모터 사정만은 아닙니다. 전원 자체가 일그러져 있으면 그 성분이 모터 결함과 비슷한 자리에 서기 때문에, 전원 특성(전압 불평형·고조파)을 먼저 확인해 판정의 조건으로 깔아 둡니다. 결함 자리를 정하는 데 필요한 회전속도도 속도계 없이 전류에서 끌어냅니다 — 회전자 슬롯이 전류에 남기는 성분이 어느 주파수에 서 있는지를 보고 거꾸로 속도를 푸는 방식입니다. 세 갈래로 나눠 읽는 방법과 회전속도를 끌어내는 순서는 이 글의 범위가 아닙니다.
무엇을 알아내나
모터 고장은 크게 네 곳에서 시작됩니다. 각각 전류 파형에 남기는 흔적이 다릅니다.
부하 쪽 문제도 함께 보인다
모터 자체는 멀쩡한데 모터가 돌리고 있는 것에 문제가 생기는 경우가 있습니다. 펌프에 이물이 끼거나, 팬의 날개가 손상되거나, 벨트가 헐거워지는 식입니다.
이런 이상은 토크의 변화로 나타납니다. 전압·전류에서 토크를 계산해 내면, 그 파형과 주파수를 보고 부하 쪽 상태까지 판단할 수 있습니다. 모터를 교체했는데도 같은 증상이 되풀이된다면, 원인이 모터가 아니라 부하 쪽에 있었던 경우를 의심해 볼 만합니다.
결과는 어떻게 나오나
진단은 「이상 있음 / 없음」의 두 갈래가 아닙니다. 정상 상태와 고장 상태 사이를 여러 단계로 나눠, 지금이 어디쯤인지와 언제까지 손을 대야 하는지를 함께 제시합니다.
| 판정 등급 | 정비 권고 시점 | 무엇을 하면 되나 |
|---|---|---|
| A | 24개월 이상 | 열화 징후가 잡히지 않습니다. 이 결과 때문에 앞당길 정비가 없으므로, 기존 정기 점검 주기는 그대로 둡니다. |
| B | 12개월 안 | 변화가 보이기 시작했습니다. 관찰 주기를 좁힙니다. |
| C | 6개월 안 | 정비 계획을 세울 때입니다. 예비품을 준비합니다. |
| D | 3개월 안 | 가까운 시일 안에 조치가 필요합니다. |
가운데 칸의 개월 수는 분해·교체 같은 정비를 언제까지 하면 되는가입니다. 평소의 정기 점검은 하던 대로 하고, 정비 시점만 이 결과로 조정합니다.
A 는 「아직 징후가 없다」는 뜻이지 「2년 뒤에 고장 난다」는 뜻이 아닙니다. B·C·D 는 열화 징후가 이미 전류에 잡히기 시작했다는 뜻이고, 권고 시점은 그 징후가 얼마나 자랐는지에 맞춰 붙인 여유입니다. 「고장이 임박했다」가 아니라 「언제까지 손대면 된다」로 나오기 때문에, 다음 정기 보수 때 함께 처리할지 따로 일정을 잡을지를 판단할 수 있습니다.
정리
- 모터 상태가 전류에 실려 나오는 통로가 둘입니다. 회전 쪽 상태는 공극 자속을 통해 실려 나오고, 고정자 권선 결함은 공극을 거치지 않고 상 임피던스 불평형으로 드러납니다. 뒤엣것은 전원 전압 불평형의 몫을 걷어낸 뒤라야 결함으로 읽습니다. 그래서 전압·전류만으로 진단이 됩니다. 단 상용전원 직입 구동이어야 하고, 회전자 쪽을 보려면 어느 정도 부하가 걸린 상태에서 재야 합니다.
- 해당 회로에 계측용 CT 가 이미 있다면, 제어반에서 쓰던 전류·전압 신호를 그대로 받으므로 모터에 센서를 붙이지 않고 운전 중에 진단합니다. 없다면 CT 부터 달아야 하고, 관통형이면 정전 시간이 듭니다. 전압은 고압반이면 PT 로, 저압 MCC 라면 주회로에서 직접 받습니다.
- 고정자·회전자·축 정렬·베어링 네 부위를 갈라 보고, 부하 쪽 이상도 토크로 잡힙니다. 다만 자리를 정하는 식이 다를 뿐 실제 스펙트럼에서는 겹칠 수 있고, 베어링은 전류로 잡기 가장 어려운 부위라 안 보인다고 정상이라 단정할 수 없습니다.
- 결과는 있고 없고가 아니라 A~D 등급과 그에 따른 정비 권고 시점(24개월 이상 ~ 3개월 안) 으로 나옵니다. 확정된 잔존 수명이 아니라 설비 조건과 함께 읽는 값입니다. 그래도 고장이 난 뒤에 급하게 대응하는 것보다는 정비 시점과 예산을 앞당겨 잡을 여지가 생깁니다.