전동기 기동방식 선정

왜 배우는가: 전동기 기동방식은 기동전류로 인한 전압강하, 기동토크 부족, 기계적 충격을 동시에 고려해 정해야 하며, 설비 설계와 비상전원 연계 검토에서 반복적으로 판단하는 항목이다. 1교시 용어형과 3교시 논술형에서 모두 출제되어 원리와 선정 기준을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제119회 3교시 3번, 제110회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전동기 기동방식 선정은 전동기의 기동전류, 기동토크, 부하 특성, 전원 용량을 종합해 전압강하와 기계적 충격을 허용 범위 안에 두는 기동법을 고르는 설계 행위다.

• 기동전류 — 기동 순간 전동기가 전원에서 끌어오는 전류로, 정격전류의 5~7배 수준이다.
• 기동토크 — 정지 상태에서 부하를 가속하는 데 필요한 토크다.
• 전압강하 — 기동전류가 전원 임피던스에 흘러 생기는 전압 저하다.
• 감압기동 — 전동기에 인가되는 전압을 낮춰 기동전류를 줄이는 방식이다.
• Y-△ 기동 — 기동 시 고정자를 Y로 결선해 전압을 상전압으로 낮추는 감압기동법이다.
• 가속 토크 — 전동기 토크와 부하 토크의 차이로, 가속에 쓰이는 토크다.
• 비상전원 — 상용전원 정전 시 소방 등 필수 부하에 공급되는 전원이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 전동기를 켜는 순간 큰 전류가 흘러 전원 전압이 떨어지고 기계에 충격이 가해진다. 기동방식 선정은 이 전류와 토크를 적절히 조절해 전동기가 안전하게 목표 속도에 도달하도록 방법을 고르는 일이다.

정식으로는 3상 유도전동기의 기동 시 기동전류 I_{St}와 기동토크 T_{St}, 그리고 부하 토크 특성을 비교해 직입기동, 감압기동(Y-△, 기동보상기, 리액터), 권선형의 2차 저항기동, 인버터 기동 중 하나를 택하는 절차를 뜻한다.

농형 유도전동기는 회전자가 단락된 구조라 기동저항을 넣을 수 없다. 따라서 기동전류는 인가전압에 비례해 그대로 흐르며, 전압을 낮추는 방법으로만 제한한다. 기동토크는 전압의 제곱에 비례하므로 전압을 낮추면 토크도 함께 크게 줄어든다. 이 관계가 기동방식 선정의 출발점이다.

Y-△ 기동에서는 Y 결선 때 상전압이 선간전압의 1/\sqrt{3}이 되어 기동전류와 기동토크가 모두 직입기동 대비 1/3 수준으로 줄어든다. 이 때문에 가볍게 기동할 수 있지만, 기동토크도 같이 줄어드는 것이 한계다.

3. 등장 배경과 필요성

유도전동기는 구조가 간단하고 튼튼해 산업용·건축설비용으로 가장 많이 쓰인다. 그러나 직입기동 시 큰 기동전류가 짧은 시간이라도 전원 설비에 부담을 준다. 수 kW 이상 전동기를 직접 기동하면 전압강하가 조명·제어 기기에 영향을 주므로, 용량이 큰 전동기일수록 감압기동의 필요가 커진다.

건축물에서는 여러 전동기가 동시에 기동하거나 자가발전기로 전원을 공급하는 경우가 많아, 기동전류 크기가 발전기 용량 선정에도 직접 영향을 준다. 또 기동 충격은 펌프·송풍기 같은 기계 설비의 수명과 배관 응력에도 관계되므로, 전기적 조건과 기계적 조건을 함께 봐야 한다.

이 때문에 기동방식은 전동기 용량, 전원 용량, 부하 기동 특성, 기계 보호, 비상전원 연계를 함께 검토해 결정한다.

4. 구성요소·원리·절차

전동기 기동방식은 기동 순간의 큰 전류와 토크를 제한하면서 부하를 가속하는 방법이다. 농형 유도전동기는 회전자 저항을 넣을 수 없으므로 고정자 쪽 전압이나 결선을 바꿔 기동전류를 줄인다. 구성요소와 역할을 표로 정리하면 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 직입기동 때 기동전류는 인가전압에 비례하고 기동토크는 전압의 2승에 비례한다. 따라서 전압을 낮추면 기동전류와 토크가 함께 줄어든다. 농형 전동기의 기동전류는 정격전류의 5~7배 수준이다.

Y-△ 기동은 정격 운전이 △결선이므로 기동 시에만 Y결선으로 바꾼다. Y결선의 상전압은 △결선의 1/√3 이므로 선전류와 토크는 각각 1/3 이 된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

$I_{st(Y)} = \frac{1}{3} I_{st(\Delta)}, \quad T_{st(Y)} = \frac{1}{3} T_{st(\Delta)}$

여기서 I_{st} 는 기동전류(A), T_{st} 는 기동토크(N·m)이다. 기동전류와 토크가 모두 1/3 로 줄어드는 점이 Y-△ 기동의 핵심이다.

Y-△ 기동은 기동전류와 기동토크가 모두 1/3 로 줄어든다

절차는 다음과 같다.

• 전원 투입 후 전자접촉기 MC-Y 와 MC-M 을 닫아 고정자를 Y결선으로 기동한다.
• 타이머가 설정 시간(일반적으로 수 초 이내)을 세면 MC-Y 를 열고 MC-Δ 를 닫는다.
• 전환 순간 Y 결선 개방 후 △ 결선을 닫아 전전압을 인가한다. 두 접촉기가 동시에 닫히면 단락되므로 인터록을 둔다.
• △ 결선으로 정상 운전을 유지하고 과부하계전기로 보호한다.

전환 시 전원 재투입에 따른 전류·토크 쇼크가 생긴다는 점도 함께 알아 둔다. 이 쇼크는 기계 부하와 전원 용량에 따라 크기가 달라진다. 기동 중 부하 토크가 Y결선 토크보다 크면 기동하지 못하므로, Y-△ 기동은 무부하 또는 경부하에서 쓰는 것이 원칙이다.

도식 1개(흐름도)를 아래에 둔다.

5. 관련 법령·기준·표준

전동기 기동방식의 기준은 전기설비 기준(KEC)과 전동기 보호 기준에 따른다. 전동기 회로의 보호와 전선 선정은 KEC 의 전동기 회로 규정을 따른다. 기동방식 선정에 쓰는 기준값을 표로 정리하면 다음과 같다.

직입기동은 전압강하가 큰 소용량에서만 허용한다. 소용량 기준은 기준 문헌마다 다르므로 설계 시 전원 용량과 함께 판단한다. 감압기동 방식(Y-△, 리액터, 기동보상기, 인버터)은 전압강하와 기계적 충격을 줄이는 목적으로 선택한다.

Y-△ 기동은 전압 변동과 전환 쇼크를 수반하므로, 기동 후 △ 결선 전환 시점에 전류 피크가 생긴다는 점을 설계에 반영한다. 기동 시간이 길거나 부하 관성이 크면 기동 실패와 과열 위험이 있다.

개정 연혁은 전기설비 기준이 한국전기설비규정(KEC)으로 2021-01-01 부터 적용되는 점을 기준 체계로 함께 둔다.

6. 유형과 비교

전동기 기동방식은 전압을 낮추는지, 회로를 바꾸는지, 전동기 종류를 달리하는지에 따라 나뉜다. 가장 기본이 되는 비교는 직입기동과 감전압기동의 차이다. 감전압기동에는 Y-△기동, 리액터기동, 기동보상기(단권변압기)기동, 저항기동, 소프트스타터(사이리스터)가 있다.