전기기사실기(단답형) 전동기 해설 페이지

1) 제어장치 2) 기동장치 3) 차단장치

[해설]

MCC(Motor Control Center)는 여러 전동기를 한곳에 모아 운전·보호·차단을 통합 관리하는 배전반으로, 기능별로 크게 세 장치로 구성된다.

차단장치는 배선용차단기 등으로 회로를 개폐·차단해 사고전류로부터 전동기와 배선을 보호하고, 기동장치는 전자접촉기 등을 통해 전동기를 기동·정지시키는 역할을 한다.

제어장치는 계전기·타이머 등으로 기동장치의 동작 순서와 조건을 제어해 전동기가 정해진 방식대로 운전되도록 한다.

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

[해설]

3상 전동기는 정상 운전을 벗어나는 여러 이상 상태에서 소손·오동작을 막기 위해 보호 기능을 함께 갖춘다.

단락보호와 지락보호는 각각 상간 단락전류와 대지 누설전류로부터 전동기·배선을 지키고, 구속보호는 회전자가 멈춘 채 큰 전류만 흐르는 상태에서 권선이 타는 것을 막는다.

역상보호는 상순이 바뀌어 전동기가 역회전하는 것을, 결상보호는 한 상이 단선돼 나머지 상에 과전류가 집중되는 것을 막는 보호로, 다섯 가지 모두 정상 회전자계를 벗어난 상태를 감지한다는 공통점이 있다.

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

[해설]

전동기가 과부하 상태에서 권선이 타버리는 것을 막기 위해 전류를 감시하다가 일정 수준을 넘으면 회로를 차단하는 장치들을 과부하 보호장치라 한다.

전동기 보호용 배선용 차단기와 전동기용 퓨즈는 과전류를 직접 차단하는 방식이고, 열동 계전기는 전류에 의한 발열로 바이메탈이 휘는 원리를 이용해 과부하를 감지한다.

정지형 계전기는 반도체 소자로 전류를 검출·판단하는 방식으로, 기계식 열동계전기보다 응답이 빠르고 정밀하다는 차이가 있다.

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]

과부하 보호장치를 생략할 수 있는 것은 전동기 자체나 사용 조건에서 이미 과부하로 인한 소손 위험이 충분히 낮다고 보기 때문이다.

전동기 자체에 소손 방지장치가 있거나 취급자가 상주해 운전하는 경우, 부하 성질상 과부하가 될 우려가 없는 경우에는 별도 보호장치 없이도 안전이 확보된다.

이 밖에 출력 0.2[kW] 이하의 소용량, 출력 4[kW] 이하이면서 취급자가 상시 감시할 수 있는 경우, 단상 16[A](배선용차단기 20[A]) 이하 분기회로에서 사용하는 경우도 생략이 인정된다.

1) 제5고조파 제거 2) 돌입전류 억제 3) 파형개선

[해설]

직렬리액터는 주로 전력용 콘덴서와 직렬로 설치되어 콘덴서 회로에서 생기는 문제를 억제하는 부속설비다.

콘덴서 투입 시 흐르는 큰 돌입전류를 억제하고, 계통에 존재하는 제5고조파를 제거해 콘덴서의 과열과 공진을 방지한다.

그 결과 전압·전류 파형이 개선되어 정현파에 가까워지므로, 콘덴서 보호와 전력품질 개선을 동시에 담당하는 설비로 이해하면 된다.

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

[해설]

리액터기동은 전동기 전원측에 리액터를 직렬로 넣고, 리액터에서 생기는 전압강하만큼 전동기 인가전압을 낮춰 기동하는 감압기동법의 하나다.

전압을 낮추면 기동전류도 함께 줄어 기동 시 계통에 주는 전압강하 충격이 완화되며, 속도가 정격에 가까워지면 리액터를 단락·분리해 전전압 운전으로 전환한다.

Y-Δ 기동과 달리 권선을 재결선하지 않고 리액터의 임피던스만으로 전압을 조정하므로 전환 시 충격이 작은 대신, 기동토크가 전압의 제곱에 비례해 크게 줄어든다는 점이 구조적 특징이다.

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

[해설]

농형 유도전동기의 기동법은 모두 기동전류를 억제하기 위한 방식이며, 전동기 용량과 계통 조건에 따라 선택이 달라진다.

전전압(직입) 기동법은 소용량에서 별도 장치 없이 정격전압을 바로 인가하는 가장 단순한 방식이고, Y-Δ 기동법은 기동 시 권선을 Y로 접속해 상전압을 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$로 낮춘 뒤 운전 시 Δ로 전환한다.

기동보상기법은 단권변압기 탭으로 전압을 단계적으로 낮춰 기동하고, 리액터 기동법은 직렬 리액터의 전압강하로 감압하는 방식으로, 두 방식 모두 중·대용량 전동기의 기동전류와 전압강하를 억제하는 데 쓰인다.

기동보상기법

[해설]

기동보상기법은 단권변압기 탭으로 기동전압을 단계적으로 낮췄다가 전전압으로 옮기는 방식이라 전환 시 충격이 적고 대용량 전동기에도 적용할 수 있어, 여러 기동법 가운데 수명과 경제성 면에서 균형이 가장 좋은 선택으로 꼽힌다.

Y-Δ 기동은 설비가 저렴하지만 결선 전환 순간의 전류·기계적 충격이 반복돼 수명에 불리하고, 리액터 기동은 리액터 자체의 설치비가 커 대용량에서는 상대적으로 부담이 크다.

1) 극수 변환법 2) 전원전압 제어법 3) 주파수 변환법

[해설]

유도전동기의 회전속도는 $N = (1-s)\dfrac{120f}{P}$로 정해지므로, 회전자 저항을 직접 바꿀 수 없는 농형에서는 극수 P·주파수 f·슬립 s를 조정하는 세 갈래만 남는다.

극수 변환법은 고정자 권선의 결선을 바꿔 극수를 단계적으로 변경하는 방식이고, 주파수 변환법은 인버터로 주파수를 연속적으로 바꿔 넓은 범위의 속도제어가 가능하다.

전원전압 제어법은 토크가 전압의 제곱에 비례해 줄어드는 성질을 이용해 슬립을 키움으로써 속도를 낮추는 방식으로, 주로 소용량·가변토크 부하에 쓰인다.

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

[해설]

단상 유도전동기는 고정자 권선에 단상 전류만 흘러 회전자계가 만들어지지 않으므로, 정지 상태에서는 스스로 회전을 시작하지 못한다.

이 때문에 별도의 보조권선(기동권선)을 두어 주권선과 위상차가 있는 전류를 흘려 인위적으로 회전자계를 만들어야 기동 토크가 발생한다.

일단 회전을 시작해 어느 정도 속도에 오르면 주권선만으로도 회전을 유지할 수 있어, 기동 후에는 원심스위치 등으로 보조권선을 회로에서 분리하는 구조가 일반적이다.

반발기동형 > 반발유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상기동형 > 세이딩코일형

[해설]

기동토크의 크기는 각 방식이 회전자계를 만드는 힘의 세기에 따라 정해지며, 이 순서(반발기동형 > 반발유도형 > 콘덴서기동형 > 분상기동형 > 세이딩코일형)는 전기기사 실기에서 암기형으로 자주 출제되는 표준 순위이다.

반발기동형은 브러시와 정류자를 이용해 회전자에 직접 전류를 유기시키는 직류전동기에 가까운 구조라 기동 초기부터 큰 토크를 낼 수 있고, 세이딩코일형은 보조 자속이 약해 기동토크가 가장 작다.

콘덴서기동형과 분상기동형은 모두 보조권선(기동권선)의 위상차로 회전자계를 만드는 방식이지만, 콘덴서를 이용해 위상차를 90°에 가깝게 만드는 콘덴서기동형이 저항만으로 위상차를 얻는 분상기동형보다 토크가 크다.

기동권선의 접속을 반대로 결선한다

[해설]

분상기동형은 주권선과 기동권선(보조권선)이 만드는 두 자계의 위상관계로 회전자계의 방향이 정해지므로, 기동권선의 접속을 반대로 결선하면 위상관계가 반전되어 회전방향이 바뀐다.

기동권선 양단만 서로 바꿔 연결하면, 원심력 스위치가 끊어지기 전까지의 짧은 기동 구간에서 회전자계가 반대방향으로 형성되어 전동기가 반대로 기동한다.

이때 주권선과 기동권선 중 어느 한쪽만 뒤집어야 하며, 양쪽을 모두 뒤집으면 위상관계가 원래대로 돌아와 방향이 바뀌지 않는다. 실무에서는 기동권선이 원심력 스위치와 함께 인출되어 결선 변경이 쉬우므로 기동권선 쪽을 바꾸는 것을 표준 답안으로 쓴다.

지정된 폭발성 가스 중에서도 사용이 가능하도록 특별히 고안된 전동기

[해설]

방폭형 전동기는 가연성·폭발성 가스가 존재하는 위험장소에서도 전동기 내부의 스파크나 고온부가 외부 폭발성 분위기에 점화되지 않도록 설계된 전동기이다.

대표적으로 내압방폭구조(내부 폭발이 발생해도 그 압력을 견디고 화염이 외부로 전파되지 않도록 하는 구조)와 안전증방폭구조(정상운전 중 점화원이 될 수 있는 부분의 온도 상승과 아크 발생을 구조적으로 억제하는 구조)가 널리 쓰인다.

답안을 쓸 때는 단순히 방폭 구조라는 표현보다 지정된 폭발성 가스 분위기에서 사용 가능하도록 특별히 고안되었다는 목적을 명시하는 것이 핵심이다.

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 대부분 전원측 결상·단선이나 전동기 내부 권선·회전자의 이상으로 정상적인 회전자계나 기동토크가 만들어지지 않기 때문이다.

• 3선 중 1선이 단선되거나 고정자 권선이 잘못 결선되면 정상적인 회전자계가 형성되지 않는다.
• 공극이 불균등하거나 회전자 도체의 집속이 불량하면 자속 분포가 흐트러져 토크가 발생하지 않는다.
• 코일이 단선·소손되거나 기동기가 고장 나면 전동기에 전류 자체가 정상적으로 공급되지 않는다.
• 전원측 전압강하가 커서 기동토크가 부하토크보다 작아지면 회전자가 움직이지 못한다.

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

[해설]

역상제동은 회전 중인 전동기의 1차 권선 3선 중 2선을 서로 바꿔 접속함으로써 회전자계의 방향을 반대로 만들어, 회전방향과 반대인 역토크로 급제동하는 방식이다.

3상 중 2상의 상순을 바꾸면 회전자계가 원래 회전자의 회전방향과 반대로 회전하게 되어 제동토크가 발생하며, 이 결선 자체는 회전방향을 바꾸는 정역운전 결선과 동일하다.

다만 정지 직전에 전원을 차단하지 않으면 전동기가 반대방향으로 재기동하므로, 실제로는 속도검출용 계전기(플러깅 릴레이)로 정지 시점에 전원을 끊어 준다.

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

[해설]

동력부하용 전동기 선정은 설치 환경조건과 부하 특성에 적합한 기종을 고르는 것이 핵심이며, 답안의 네 가지 항목은 각각 환경·부하·냉각·기계적 형식이라는 서로 다른 관점을 나타낸다.

• 먼지·습기·폭발성 가스 등 설치장소 환경에 맞는 보호방식을 선정해야 절연·안전이 확보된다.
• 부하의 기동토크·속도-토크 특성에 맞지 않으면 기동 실패나 과부하가 발생하므로 부하의 토크특성 적합성이 필요하다.
• 연속운전·단시간운전 등 운전형식에 따라 발열량이 달라지므로 이에 맞는 냉각방식을 선택해야 한다.
• 입형·횡형 등 설치 공간과 부하 연결 방식에 맞는 기계적 형식이어야 한다.

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 부하에 맞는 용량 선정과 손실이 적은 기기·제어방식 채택이라는 두 축으로 이루어진다.

• 부하보다 과대한 전동기를 쓰면 경부하 운전 시 효율이 떨어지므로 부하에 적정한 용량의 전동기를 선정한다.
• 동손·철손을 줄인 고효율 전동기를 채택하면 동일 출력에서 손실이 줄어든다.
• 인버터 등 전동기 제어시스템을 적용해 부하 변동에 맞춰 회전수를 조절하면 불필요한 손실을 줄일 수 있다.
• 부하역률을 개선하면 무효전력에 의한 선로손실이 줄어들고, 공조설비도 에너지 절약형으로 채택하면 전체 동력 소비가 감소한다.

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

[해설]

전동기의 진동은 대부분 회전체의 기계적 불평형이나 설치·조립 불량에서 비롯된다.

• 회전자의 질량이 균일하지 않은 불평형이나 축심이 어긋난 편심은 회전 시 주기적인 힘을 발생시켜 진동을 일으킨다.
• 베어링이 마모되거나 손상되면 회전축을 안정적으로 지지하지 못해 진동이 커진다.
• 고정자와 회전자 사이 공극(에어갭)이 회전 중 일정하지 않으면 자기적 흡인력이 불균등해져 진동이 발생한다.
• 전동기 설치 기초나 연결부(커플링 등)의 불량도 진동의 직접적인 원인이 된다.

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 소음, 기계적 소음, 통풍 소음 세 가지로 분류하며, 각각 자기적 힘·기계적 마찰·공기 흐름이라는 서로 다른 발생 메커니즘을 갖는다.

전자적 소음은 고정자·회전자 사이의 전자력이 주기적으로 변동하면서 발생하는 진동성 소음이고, 기계적 소음은 브러시의 진동이나 베어링의 마찰·손상에서 발생한다.

통풍 소음은 냉각용 팬이나 회전자 에어덕트를 공기가 지나면서 생기는 소음으로, 회전수가 높을수록 커지는 경향이 있다.

(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]

세 가지 단상 유도전동기 모두 보조 자계(기동권선 또는 브러시 자속)의 방향을 바꾸는지 여부에 따라 역회전 가능 여부와 방법이 갈린다.

분상 기동형은 주권선과 기동권선의 위상차로 회전자계 방향이 정해지므로, 기동권선 두 선의 접속을 바꾸면(㉡) 위상관계가 반전되어 역회전한다.

반발 기동형은 정류자에 접촉하는 브러시의 위치로 자속의 방향이 결정되므로, 브러시 위치를 이동시키면(㉢) 회전방향이 바뀐다.

쉐이딩 코일형은 쉐이딩 코일이 고정된 위치에 있어 자속이 항상 주극에서 쉐이딩극 방향으로만 이동하므로 구조상 역회전이 불가능하다(㉠).