한눈에 보기
- 손실이 갈리는 기준은 부하가 아니라 그 손실이 무엇에 매여 있느냐입니다.
- 고정손은 자속과 회전속도에, 동손은 전류와 저항에 매여 있습니다.
- 표유부하손처럼 어느 쪽에도 딱 붙지 않는 몫이 있어 경계는 생각보다 흐립니다.
고정손과 동손 — 손실이 갈리는 자리
모터에서 버려지는 전기는 흔히 고정손과 동손 둘로 나눠 설명합니다. 그런데 둘을 가르는 선이 정확히 어디에 그어져 있는지는 잘 다루지 않습니다. 「부하와 관계있느냐」로 나눈다고만 알고 있으면, 부하는 그대로인데 소비전력이 늘어난 현장에서 어디를 봐야 할지 짚지 못합니다. 선이 실제로 그어진 자리와, 그 선이 흐려지는 지점을 정리했습니다.
갈리는 기준은 「부하」가 아닙니다
고정손을 「부하와 무관한 손실」, 동손을 「부하에 따라 변하는 손실」이라고 설명하는 것이 보통입니다. 결과만 보면 맞는 말이지만, 원인과 결과를 뒤집어 놓은 설명입니다.
손실은 부하를 보고 갈리는 것이 아니라 무엇에 매여 있느냐로 갈립니다. 고정손은 자속(권선에 전류가 흘러 철심 안에 생기는 자기의 흐름)과 회전속도에 매여 있고, 동손은 전류와 저항에 매여 있습니다.
유도전동기는 부하가 늘면 축을 돌리는 힘을 더 내야 하므로 전류가 늘어납니다. 반면 자속은 전압과 주파수의 관계로 정해지므로, 전원이 그대로인 동안에는 부하가 변해도 크게 달라지지 않습니다. 그래서 결과적으로 「부하와 무관한 쪽」과 「부하를 따라가는 쪽」으로 보이는 것입니다. 부하는 갈림의 기준이 아니라, 기준을 적용했을 때 나타나는 결과입니다.
두 묶음 안에는 각각 두 가지가 들어 있습니다
「고정손」과 「동손」은 각각 한 가지 손실의 이름이 아니라 묶음의 이름입니다. 묶음 안을 열어 보면 매여 있는 대상이 서로 다릅니다.
| 묶음 | 안에 든 것 | 무엇에 매여 있나 |
|---|---|---|
| 고정손 | 철손 — 철심이 자화되는 방향을 계속 바꾸면서 생기는 손실 | 자속의 크기와 주파수 |
| 기계손 — 베어링 마찰과 냉각팬이 공기를 미는 데 드는 힘 | 회전속도 | |
| 동손 | 고정자 권선 동손 — 고정자 쪽 코일에서 생기는 손실 | 고정자 전류의 제곱과 권선 저항 |
| 회전자 도체손 — 회전자 도체 막대에서 생기는 손실 | 회전자 전류의 제곱과 도체 저항 |
같은 고정손 묶음 안에서도 손을 쓸 수 있는 자리가 다릅니다. 전압을 낮추면 철손은 줄지만 기계손은 거의 그대로입니다. 속도를 낮추면 기계손은 줄고, 철손은 전압을 함께 어떻게 다루느냐에 따라 갈립니다. 전압과 주파수의 비를 유지하며 감속하면 자속은 그대로이고 주파수만 낮아지므로 철손도 함께 줄어듭니다. 반대로 주파수만 낮추고 전압을 그대로 두면 자속이 커져 철손이 늘어납니다. 같은 「감속」이라도 결과가 반대로 나오는 것이므로, 속도를 낮출 때 전압을 어떻게 다룰지는 별도 문서에서 다룰 예정입니다.
- 「고정손」의 고정과 「고정자」의 고정은 다른 뜻입니다. 고정손은 값이 부하를 따라 움직이지 않는다는 뜻이고, 고정자는 돌지 않는 부분이라는 뜻입니다. 고정자 권선에서 생기는 손실은 고정손이 아니라 동손입니다.
- 「동손」의 동은 구리를 가리키지만, 회전자 도체가 늘 구리인 것은 아닙니다. 농형 회전자는 알루미늄으로 만드는 경우가 많습니다. 그래서 회전자 쪽은 「동손」보다 도체손이라고 부르는 편이 실제에 가깝습니다.
어느 쪽에도 딱 붙지 않는 몫 — 표유부하손
위 네 가지를 다 더해도 실측한 손실과 맞지 않고 얼마간이 남습니다. 이 남는 몫을 표유부하손이라고 합니다. 제 갈 길로 가지 못하고 새어 나간 자속이 철심 가장자리나 구조물에 만드는 소용돌이 전류, 도체 안에서 전류가 고르게 흐르지 않아 생기는 몫 따위가 여기 섞여 있습니다.
표유부하손은 부하가 커지면 함께 커지므로 성질은 동손 쪽에 가깝습니다. 다만 전류의 제곱에 그대로 비례한다고 보기는 어렵고, 기기 구조에 따라 편차가 큽니다. 인버터로 구동하면 전류에 고조파(기본 주파수의 정수배로 겹쳐 흐르는 성분)가 섞여 이 몫이 커지는 경향이 있습니다.
손실이 갈리는 자리에는 이렇게 회색지대가 있습니다. 둘로 나눈 설명은 방향을 잡기 위한 단순화이지, 모든 손실이 두 통에 깔끔히 담긴다는 뜻은 아닙니다.
「고정」이라는 말에 속지 않기
고정손은 항상 같은 값이라는 뜻이 아니라 부하에 직접 매이지 않는 값이라는 뜻입니다. 매여 있는 대상인 자속과 회전속도가 변하면 고정손도 변합니다.
수전 전압이 정격보다 높게 유지되는 계통에서는 자속이 커져 철손이 늘어납니다. 부하가 거의 없는 시간에도 늘어납니다. 대체로 전압의 제곱에 가깝게 커지는 것으로 보지만, 철심이 포화에 가까워지면 그보다 가파르게 늘어날 수 있습니다.
전체 손실 가운데 고정손과 동손이 각각 얼마를 차지하는지는 하나의 숫자로 말할 수 없습니다. 기기 용량대와 형식, 그리고 그때의 부하율에 따라 갈리기 때문입니다. 경향만 말하면, 정격 부근에서 돌 때는 동손 쪽이 크고, 부하가 가벼워질수록 고정손이 차지하는 몫이 커집니다. 동손은 전류를 따라 줄지만 고정손은 전원이 그대로인 동안 거의 그대로 남기 때문입니다. 여기에 앞에서 본 표유부하손이 얼마간 더해지므로, 두 몫만 더해서 전체가 채워지지도 않습니다. 어느 쪽이 더 큰지는 그 설비의 실제 부하율에서 재 봐야 알 수 있습니다.
동손도 전류만의 함수가 아닙니다
동손은 전류의 제곱과 저항의 곱으로 정해집니다. 전류만 보고 동손을 말할 수 없는 이유가 여기 있습니다. 구리는 뜨거워지면 저항이 커지므로, 같은 전류가 흘러도 뜨거운 권선에서 손실이 더 큽니다.
그래서 막 기동한 모터와 몇 시간 돌아 온도가 오른 모터는 같은 부하에서도 동손이 다릅니다. 효율을 잴 때 기준 온도를 함께 정해 두는 것은 이 때문입니다. 손실이 늘면 발열이 늘고, 발열이 늘면 저항이 올라 손실이 다시 느는 되먹임도 있습니다. 정상 범위에서는 서서히 진행되지만, 냉각이 나빠지면 이 고리가 조여집니다.
세 상의 전압이 고르지 않을 때도 동손이 늘어납니다. 불평형을 나타내는 역상 성분의 전류가 본래 흐르던 전류에 겹쳐 흐르는데, 동손은 전류의 제곱을 따라가므로 전류가 늘어난 비율보다 손실이 더 크게 늘어납니다. 게다가 역상분에 대한 회전자 쪽 임피던스는 매우 작아, 전압이 조금 기울어도 전류 쪽 불평형은 그보다 훨씬 크게 나타납니다. 늘어난 손실도 고정자에 고르게 퍼지지 않고 회전자 쪽에 몰리므로, 겉으로 드러나는 전류 차이보다 실제 열은 더 심하게 치우칩니다. 상간 불평형을 어디서부터 문제로 볼지는 별도 문서에서 다룰 예정입니다.
현장에서는 어디를 보나
전력계 하나로는 두 손실을 나눌 수 없습니다. 계기에 찍히는 것은 입력 전력의 합계뿐입니다. 나누려면 운전 상태를 바꿔 가며 재야 하는데, 그 절차는 따로 정해진 시험 방법이 있어 이 글에서는 다루지 않습니다. 대신 증상을 보고 어느 쪽 손실인지 좁히는 순서는 세울 수 있습니다.
| 증상 | 먼저 볼 것 | 왜 |
|---|---|---|
| 부하는 그대로인데 소비전력이 늘었다 | 수전 전압이 올라갔는지 | 자속이 커져 철손이 늘어납니다 |
| 권선과 주위 온도가 올라갔는지 | 저항이 커져 같은 전류에도 동손이 늘어납니다 | |
| 세 상 전류가 서로 다르다 | 전압 불평형과 결선·권선 상태 | 역상 성분 전류가 겹쳐 흘러 동손이 늘어납니다 |
| 소음·진동이 늘고 축이 뻑뻑하다 | 베어링과 냉각팬 | 기계손이 늘어난 자리입니다 |
| 부하를 많이 줄여도 소비가 잘 안 떨어진다 | 부하를 줄여도 남는 소비의 크기 | 고정손 쪽이 클 수 있습니다. 저부하 구간의 효율은 따로 다룹니다 |
정리
- 손실이 갈리는 기준은 부하가 아니라 무엇에 매여 있느냐입니다. 고정손은 자속과 회전속도에, 동손은 전류와 저항에 매여 있습니다.
- 고정손 안에는 철손과 기계손이, 동손 안에는 고정자 권선 동손과 회전자 도체손이 들어 있습니다. 매인 대상이 서로 다릅니다.
- 표유부하손은 어느 쪽에도 딱 붙지 않습니다. 둘로 나눈 그림은 단순화입니다.
- 고정손은 값이 고정된 것이 아니라 부하에 직접 매이지 않을 뿐입니다. 전압이 오르면 부하가 없는 시간에도 늘어납니다.
- 동손은 전류만의 함수가 아니라 저항과 함께 정해집니다. 권선이 뜨거우면 같은 전류에도 커집니다.