전기기사실기(단답형) 전동기 해설 페이지

1) 제어장치 2) 기동장치 3) 차단장치

[해설]

MCC(Motor Control Center)는 여러 전동기의 제어 기기를 한 함에 모아 둔 전동기 제어반으로, 기능에 따라 세 장치로 이루어진다.

• 제어장치 — 계전기·타이머 등으로 운전 순서와 조건을 제어한다.
• 기동장치 — 전자접촉기 등으로 전동기를 기동·정지시킨다.
• 차단장치 — 배선용차단기 등으로 사고전류를 끊어 회로를 보호한다.

외우는 요령: 전동기를 제어하고, 돌리고, 끊는 장치로 기억한다.

1) 지락보호 2) 역상보호 3) 구속보호 4) 단락보호 5) 결상보호

[해설]

3상 전동기는 전동기 보호계전기로 다음 이상 상태를 감지해 차단한다.

• 지락보호 — 권선 절연이 나빠져 대지로 전류가 새는 것을 끊는다.
• 역상보호 — 상순이 바뀌어 전동기가 거꾸로 도는 것을 막는다.
• 구속보호 — 회전자가 걸려 멈춘 채 기동전류 수준의 큰 전류가 계속 흐를 때 권선 소손을 막는다.
• 단락보호 — 상과 상이 붙어 흐르는 큰 단락전류를 즉시 끊는다.
• 결상보호 — 한 상이 끊겨 남은 두 상에 전류가 몰리는 단상운전을 막는다.

혼동 주의: 결상은 한 상이 빠진 것이고, 역상은 세 상은 다 있지만 순서가 바뀐 것이다.

1) 전동기 보호용 배선용 차단기 2) 전동기용 퓨즈 3) 정지형 계전기 4) 열동 계전기

[해설]

전동기가 과부하로 권선이 타는 소손을 막기 위해 과부하 보호장치를 두며, 내선규정 계열 기준에서 드는 장치는 다음 네 가지다.

• 전동기 보호용 배선용 차단기 — 전동기 기동전류에 맞춘 특성으로 과전류를 차단한다.
• 전동기용 퓨즈 — 기동전류에는 끊어지지 않고 지속되는 과전류에 녹아 끊어진다.
• 정지형 계전기 — 전자식·디지털식처럼 반도체 회로로 전류를 검출해 차단 신호를 낸다.
• 열동 계전기 — 과전류에 의한 열로 바이메탈이 휘면서 접점을 연다.

혼동 주의: 열동 계전기는 열(바이메탈)로 동작하고, 정지형 계전기는 움직이는 부분 없이 전자회로로 동작한다.

1) 자체에 과부하 소손 방지장치가 있는 경우 2) 취급자가 상주하여 운전할 경우 <상주 운전> 3) 부하의 성질상 과부하가 될 우려가 없는 경우 4) 전동기의 출력이 4[KW] 이하이고, 취급자가 상시 감시할 수 있는 경우<상시 감시> 5) 단상으로 16[A](배선용차단기 20[A]) 이하 분기회로에서 사용할 경우 6) 전동기의 출력이 0.2[KW] 이하일 경우

[해설]

한국전기설비규정(KEC)과 내선규정은 과부하로 소손될 위험이 낮은 전동기에 과부하 보호장치 생략을 허용한다.

• 자체 소손 방지장치가 있는 경우 — 전동기에 내장된 보호장치가 같은 역할을 한다.
• 취급자가 상주해 운전하는 경우 — 이상을 사람이 즉시 알아채고 멈출 수 있다.
• 부하 성질상 과부하 우려가 없는 경우 — 구조상 정격 이상 부하가 걸리지 않는다.
• 출력 4[kW] 이하이고 취급자가 상시 감시할 수 있는 경우 — 소용량이라 감시만으로 대응된다.
• 단상 16[A](배선용차단기 20[A]) 이하 분기회로 — 분기 과전류차단기가 전동기 보호를 겸한다.
• 출력 0.2[kW] 이하 — 소손돼도 위험이 작은 소형 전동기다.

혼동 주의: 상주 운전은 출력 조건이 없지만, 상시 감시는 4[kW] 이하 조건과 함께 붙는다.

1) 제5고조파 제거 2) 돌입전류 억제 3) 파형개선

[해설]

직렬리액터는 전력용 콘덴서와 직렬로 달아 콘덴서 회로에 생기는 고조파와 돌입전류 문제를 막는 설비다.

• 제5고조파 제거 — 제5고조파에 대해 회로를 유도성으로 만들어, 콘덴서와 공진해 고조파가 커지는 것을 막는다.
• 돌입전류 억제 — 콘덴서를 투입하는 순간 흐르는 큰 충전전류를 리액턴스로 제한한다.
• 파형개선 — 고조파가 줄어 전압·전류 파형이 정현파에 가까워진다.

외우는 요령: 리액터 용량은 이론상 콘덴서 리액턴스의 4%이지만, 주파수 변동 여유를 두어 실제로는 6%로 설치한다.

전동기 전원측에 직렬로 리액티를 설치하여, 리액터의 전압강하에 의해 전동기에 인가되는 전압을 감압하여 기동하는 방법

[해설]

리액터기동은 전원과 전동기 사이에 리액터를 직렬로 넣어 기동하는 감압기동법이다.

기동할 때 리액터에서 생기는 전압강하만큼 전동기 단자전압이 낮아져 기동전류가 줄어든다. 속도가 오르면 리액터를 단락해 전전압 운전으로 전환한다.

기동토크는 전압의 제곱에 비례해 크게 줄어들므로, 무거운 부하를 건 채 기동하는 데에는 불리하다.

1) 전전압 기동법 2) 기동보상기법 3) Y- △ 기동법 4) 리액터 기동법

[해설]

농형 유도전동기는 회전자 저항을 바꿀 수 없다. 그래서 전원 쪽 전압을 조절해 기동전류를 제한한다.

• 전전압 기동법 — 정격전압을 바로 가하는 직입 방식으로, 소용량 전동기에 쓴다.
• 기동보상기법 — 단권변압기로 낮춘 전압으로 기동한 뒤 전전압으로 바꾼다.
• Y-Δ 기동법 — 기동할 때 Y결선으로 상전압을 1/√3로 낮춰 기동전류와 토크를 1/3로 줄이고, 운전할 때 Δ결선으로 바꾼다.
• 리액터 기동법 — 1차측에 직렬 리액터를 넣고, 그 전압강하로 전압을 낮춰 기동한다.

혼동 주의: 2차 저항 기동법(기동저항기법)은 권선형 유도전동기의 기동법이다.

기동보상기법

[해설]

기동보상기법은 단권변압기의 탭으로 낮춘 전압을 걸어 기동한 뒤 전전압으로 전환하는 감압기동 방식이다.

탭으로 기동전압을 알맞게 고를 수 있어 기동전류와 기계적 충격이 작아 수명에 유리하다. 대용량 전동기에도 쓸 수 있어 경제성 면에서도 균형이 좋다.

혼동 주의: Y-Δ 기동은 설비가 싸지만 전압이 1/√3로 고정되고 전환 순간 충격이 커서 수명 면에서 기동보상기법보다 불리하다.

1) 극수 변환법 2) 전원전압 제어법 3) 주파수 변환법

[해설]

농형 유도전동기는 회전자 저항을 바꿀 수 없어 속도식의 극수·주파수·슬립을 조절해 속도를 제어한다.
N = (1 − s) × 120f / P

• 극수 변환법 — 고정자 권선의 결선을 바꿔 극수 P를 바꾸며, 속도가 단계적으로 변한다.
• 전원전압 제어법 — 토크가 전압의 제곱에 비례하는 성질을 이용해 슬립을 키워 속도를 낮춘다.
• 주파수 변환법 — 인버터로 주파수 f를 바꿔 넓은 범위에서 연속 제어하며, V/f 일정으로 운전한다.

혼동 주의: 2차 저항 제어법과 2차 여자법은 권선형 전용 속도제어법이다.

단상 유도전동기는 회전자계가 생기지 않아 자기기동을 하지 못하므로 보조권선에 의해 회전자계를 발생시켜 기동한다

[해설]

단상 권선에 교류를 흘리면 교번자계만 생기고 회전자계가 생기지 않아 정지 상태의 기동토크가 0이다. 그래서 스스로 기동(자기기동)하지 못한다.

보조권선(기동권선)에 주권선과 위상이 다른 전류를 흘려 두 자계를 합성하면 회전자계가 만들어져 기동한다. 일단 돌기 시작하면 주권선만으로 회전을 유지한다.

반발기동형 > 반발유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상기동형 > 세이딩코일형

[해설]

단상 유도전동기는 스스로 회전자계를 만들지 못해 기동장치가 필요하며, 그 방식에 따라 기동토크가 달라진다.

• 반발기동형 — 정류자에 댄 단락 브러시로 회전자에 유도된 전류가 반발 토크를 만들어 기동토크가 가장 크다.
• 반발유도형 — 반발 기동용 정류자 권선에 농형 권선을 함께 둔 구조라 반발기동형 다음으로 크다.
• 콘덴서기동형 — 콘덴서로 보조권선 전류의 위상차를 90°에 가깝게 만들어 분상기동형보다 토크가 크다.
• 분상기동형 — 보조권선의 저항만으로 위상차를 만들어 토크가 중간 정도다.
• 세이딩코일형 — 자극 일부에 감은 단락코일이 만드는 약한 이동자계로 돌아 토크가 가장 작다.

외우는 요령: 반발기동 → 반발유도 → 콘덴서 → 분상 → 세이딩 순으로 적는다.

기동권선의 접속을 반대로 결선한다

[해설]

분상기동형은 주권선과 기동권선의 전류 위상차로 회전자계를 만들므로, 두 권선의 상대적인 접속 극성이 회전방향을 정한다.

기동권선의 접속만 반대로 바꾸면 위상관계가 뒤집혀 회전자계가 반대로 돌고 전동기도 역회전한다.

혼동 주의: 주권선과 기동권선을 모두 뒤집으면 위상관계가 그대로라 방향이 바뀌지 않는다. 전원 두 선을 서로 바꾸는 것도 같은 이유로 효과가 없다.

지정된 폭발성 가스 중에서도 사용이 가능하도록 특별히 고안된 전동기

[해설]

방폭형 전동기는 폭발위험장소에서 전동기 자체가 점화원이 되지 않도록 만든 전동기다.

핵심은 지정된 폭발성 가스 속에서도 쓸 수 있게 특별히 고안되었다는 점이다. 내부의 불꽃이나 고온부가 외부 가스에 옮겨붙지 않도록 내압방폭구조·안전증방폭구조 등으로 만든다.

1) 고정자 권선의 내부 오접속 2) 3선중 1 선 단선 3) 공극 불균등 4) 기동기 고장 5) 큰 전압강하로 인한 기동토크 부족 6) 코일 단선 및 소손 7) 회전자 도체의 집속불량 8) 결선의 오접속 결선

[해설]

농형 3상 유도전동기가 기동하지 못하는 것은 회전자계가 제대로 생기지 않거나 기동토크가 부하토크보다 작기 때문이다.

• 고정자 권선의 내부 오접속 — 극·상 배치가 틀어져 정상적인 회전자계가 생기지 않는다.
• 3선 중 1선 단선 — 결상되면 단상 상태가 되어 기동토크가 0이 된다.
• 공극 불균등 — 회전자가 한쪽으로 끌리는 자기적 불평형이 생기고 심하면 고정자와 닿는다.
• 기동기 고장 — 기동장치가 동작하지 않아 전동기에 전압이 정상적으로 걸리지 않는다.
• 큰 전압강하로 인한 기동토크 부족 — 토크는 전압의 제곱에 비례하므로 전압이 떨어지면 부하를 이기지 못한다.
• 코일 단선 및 소손 — 권선에 전류가 흐르지 못하거나 단락으로 자계가 약해진다.
• 회전자 도체의 집속불량 — 농형 도체 바와 단락환의 접속이 불량하면 회전자 전류가 흐르지 못한다.
• 결선의 오접속 결선 — Y·Δ 결선이나 단자 접속을 잘못하면 전압·상 배치가 맞지 않는다.

외우는 요령: 전원(단선·전압강하) → 고정자(오접속·코일) → 공극 → 회전자 → 기동기 순서로 짚으면 빠짐없이 떠올릴 수 있다.

회전중인 전동기 1차 권선의 3선중 2선의 접속을 바꾸어서 전동기 회전방향과 역방향의 토크를 발생시켜 급제동하는 방식

[해설]

역상제동(플러깅)은 회전자계의 방향을 반대로 뒤집어 제동토크를 얻는 전기적 제동법이다.

회전 중인 전동기 1차 권선의 3선 중 2선을 바꿔 접속하면 상순이 바뀌어 회전방향과 반대인 토크가 생겨 급제동된다. 정지 직전에 전원을 끊지 않으면 역회전하므로 플러깅 릴레이로 전원을 차단한다.

혼동 주의: 발전제동은 전동기를 발전기로 돌려 그 전력을 저항에서 열로 소비하고, 회생제동은 그 전력을 전원으로 되돌린다.

1) 보호방식이 사용장소에 적절할 것 2) 부하의 토크특성에 적합할 것 3) 운전형식에 맞는 냉각방식일 것 4) 용도에 맞는 기계적 형식일 것

[해설]

동력용 전동기는 사용장소 환경, 부하 특성, 운전 조건, 용도의 네 관점에서 선정한다.

• 보호방식 — 먼지·물·폭발성 가스 등 사용장소에 맞는 방진·방수·방폭 구조를 고른다.
• 토크특성 — 부하의 기동토크·속도-토크 특성을 감당해야 기동 실패나 과부하가 없다.
• 냉각방식 — 연속·단시간·반복 등 운전형식에 따라 발열이 달라 그에 맞는 냉각이 필요하다.
• 기계적 형식 — 횡형·입형, 축 연결·설치 방법 등 용도에 맞는 구조를 고른다.

외우는 요령: 장소-보호, 부하-토크, 운전-냉각, 용도-형식으로 짝지어 기억한다.

1) 에너지 절약형 공조설비 채택 2) 부하역률 개선 3) 부하에 적정한 용량의 전동기 채택 4) 고효율 전동기 채택 5) 전동기 제어시스템 채택

[해설]

동력설비의 에너지 절약은 손실이 적은 기기 선정과 부하에 맞춘 운전이 두 축이다.

• 에너지 절약형 공조설비 — 동력 부하에서 비중이 큰 공조설비의 소비전력을 줄인다.
• 부하역률 개선 — 콘덴서로 무효전력을 줄여 선로손실과 변압기 손실을 낮춘다.
• 적정 용량 전동기 — 용량이 너무 크면 경부하로 운전되어 효율과 역률이 떨어지므로 부하에 맞는 용량을 고른다.
• 고효율 전동기 — 동손과 철손을 줄여 같은 출력에서 소비전력이 적다.
• 전동기 제어시스템 — 인버터 등으로 부하 변동에 맞춰 회전수를 조절한다.

실무 의미: 팬·펌프는 소요동력이 회전수의 세제곱에 비례하므로, 인버터로 속도를 제어하면 절감 효과가 크다.

1) 회전자의 불평형 2) 회전자의 편심 3) 베어링 불량 4) 에어갭의 회전시 변동 5) 설치 불량 및 연결 불량

[해설]

전동기 진동은 크게 기계적 원인(회전체·베어링·설치)과 전자기적 원인(공극 변동)으로 나뉜다.

• 회전자의 불평형 — 질량 분포가 고르지 않아 회전할 때마다 원심력이 한쪽으로 쏠린다.
• 회전자의 편심 — 회전 중심과 축 중심이 어긋나 주기적인 힘이 생긴다.
• 베어링 불량 — 마모·손상된 베어링은 축을 안정적으로 받치지 못한다.
• 에어갭의 회전 시 변동 — 고정자와 회전자 사이 간격이 돌면서 변하면 자기흡인력이 불균일해진다.
• 설치 불량 및 연결 불량 — 기초 볼트 풀림이나 커플링 축심 불일치가 진동을 키운다.

혼동 주의: 공극 불균등은 기동불능 원인에도 나오지만, 진동 원인에서는 회전 중 공극이 변한다는 점이 핵심이다.

1) 전자적 소음 : 전자력에 의한 진동으로 발생하는 소음 2) 기계적 소음 : 브러쉬 진동이나 베어링에 의해 발생하는 소음 3) 통풍 소음 : 팬 또는 호|전자 에어덕트에 의해 발생하는 소음

[해설]

전동기 소음은 발생 원인에 따라 전자적·기계적·통풍 소음의 세 가지로 나눈다.

• 전자적 소음 — 고정자와 회전자 사이의 전자력이 주기적으로 변해 철심이 진동하면서 나는 소리다.
• 기계적 소음 — 브러시의 진동이나 베어링의 마찰·손상에서 나는 소리다.
• 통풍 소음 — 냉각 팬이나 회전자 에어덕트를 지나는 공기 흐름에서 나며, 회전수가 높을수록 커진다.

외우는 요령: 원인을 자기력·마찰·바람으로 짝지어 떠올린다.

(1) 분상 기동형 : ㉡ (기동권선 두 선 접속을 바꿔 반전)
(2) 반발 기동형 : ㉢ (브러시 위치를 옮겨 역회전)
(3) 쉐이딩 코일형 : ㉠ (자속 이동방향 고정으로 역회전 불가)

[해설]

단상 유도전동기는 스스로 기동토크를 내지 못해 기동 장치가 만드는 자계의 방향이 회전 방향을 정한다. 그래서 그 자계 방향을 바꿀 수 있는지에 따라 역회전 방법이 달라진다.

• 분상 기동형 — 주권선과 기동권선의 위상차로 회전자계가 생기므로 기동권선 두 선의 접속을 바꾸면 역회전한다.
• 반발 기동형 — 정류자에 닿는 브러시의 위치가 자속의 축을 정하므로 브러시 위치를 옮기면 역회전한다.
• 쉐이딩 코일형 — 쉐이딩 코일이 자극 한쪽에 고정돼 있어 자속이 늘 한 방향으로만 이동하므로 역회전이 불가능하다.

혼동 주의: 분상 기동형에서 주권선과 기동권선의 접속을 둘 다 바꾸면 회전 방향이 그대로이므로, 기동권선 한쪽만 바꾼다.