전동기 기동 방식 선정 및 3상 농형유도전동기 기동

왜 배우는가: 전동기 기동 방식은 기동전류로 인한 전압강하와 부하 가속 조건이 맞물려 실무 설계·보수에서 매번 판단해야 하는 문제다. 기술사 시험에서도 선정 기준과 방식별 특징을 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 2교시 1번, 제113회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

전동기 기동 방식 선정이란 정지 상태의 전동기를 전원 용량, 기동토크, 부하 특성에 맞춰 가속하는 방법을 정하는 것이다.

키워드는 다음과 같다.

• 기동전류(Starting Current)
• 기동토크(Starting Torque)
• 전압강하(Voltage Drop)
• 감압기동(Reduced-Voltage Starting)
• 직입기동(Direct-On-Line Starting)
• 가속시간(Acceleration Time)
• 부하 토크 특성
• 농형 유도전동기(Squirrel-Cage Induction Motor)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전동기를 켤 때 한꺼번에 큰 전류가 흐르지 않도록 하면서도 부하를 움직일 만큼 충분한 힘이 나오게 하는 것이다. 정지 상태에서는 회전하는 상태보다 훨씬 큰 토크가 필요하므로, 기동 방식은 이 두 조건의 균형을 맞추는 과정이다.

정식 정의는 다음과 같다. 전동기 기동 방식 선정은 전원 측 허용 전압강하, 전동기의 기동전류·기동토크, 부하의 토크-속도 특성과 관성, 운전 빈도 등을 함께 검토하여 가장 적합한 기동 방법을 정하는 절차다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

기동전류는 전동기가 정지 상태에서 전원에 연결될 때 흐르는 전류다. 농형 유도전동기는 기동저항을 넣어 전류를 제한할 수 없으므로, 기동 시 정격전류의 5~7배 정도가 흐르는 것이 일반적이다. 기동전류는 인가 전압에 비례한다.

기동토크는 정지 상태에서 부하를 움직이기 위해 전동기가 내는 회전력이다. 기동토크는 인가 전압의 제곱에 비례하므로, 전압을 낮추면 기동토크가 크게 줄어든다.

가속시간은 정지 상태에서 정격 속도에 도달할 때까지 걸리는 시간이다. 부하 관성이 클수록 가속시간이 길어지고, 이 구간에서 전동기 열용량과 기계 부품의 응력이 함께 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

농형 유도전동기는 구조가 간단하고 튼튼하여 산업 현장에서 가장 널리 쓰인다. 그러나 회전자 권선에 기동저항을 넣을 수 없어 기동전류를 직접 제한하기 어렵다. 그래서 전압을 낮추거나 임피던스를 넣는 등의 기동 방식이 필요해졌다.

대용량 전동기가 같은 모선에 연결되면 기동 순간의 전압강하가 조명 깜박임, 접촉기 탈락, 인접 설비 오동작을 일으킬 수 있다. 전원 용량이 전동기에 비해 작을수록 이 문제가 두드러진다.

또한 부하의 종류에 따라 요구 토크가 다르다. 펌프나 팬은 기동토크가 비교적 낮아도 되지만, 컨베이어나 압축기는 큰 기동토크가 필요하다. 따라서 하나의 방식으로 모든 경우를 해결할 수 없고, 전원·전동기·부하 세 측면을 함께 보고 방식을 고르는 과정이 필요하다.

이 필요성 때문에 기동 방식 선정은 전기응용기술사 시험에서 고려 사항과 방식별 특징을 함께 묻는 주요 주제가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

전동기 기동 방식은 전원, 전동기, 부하, 기동장치의 네 요소가 함께 작동하는 구성으로 이해한다. 전원 측에서는 기동전류가 전원 임피던스에 흘러 전압강하를 만들고, 전동기 측에서는 기동토크가 부하토크보다 커야 가속이 이루어진다. 기동장치는 이 둘 사이에서 전류와 토크를 조정하는 역할을 한다.

농형 유도전동기는 회전자 권선이 단락된 구조라서 권선형처럼 회전자 저항을 넣어 기동전류를 제한할 수 없다. 따라서 고정자 전압을 낮추는 것이 기동전류 제한의 기본 원리다. 기동전류는 인가전압에 비례하고 기동토크는 전압의 제곱에 비례한다. 그러므로 전압을 낮추면 전류 감소율보다 토크 감소율이 커진다는 점을 답안에 함께 적는다.

농형 유도전동기 기동장치의 구성 요소는 다음과 같다.

기동 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 전원 측 전압강하와 부하 토크를 확인하고 기동 방식을 후보로 고른다.
• 기동 시 결선(Y 또는 감압 탭 또는 사이리스터 제어)을 설정한다.
• 전동기를 가속하며 전류와 속도를 감시한다.
• 설정 속도에 도달하면 전전압 또는 Δ 결선으로 전환한다.
• 전환 시 과도 전류와 기계적 충격이 허용 범위인지 확인한다.

Y-Δ 기동의 원리는 다음과 같다. 상전압이 Y 결선에서 V/\sqrt{3} 이고 Δ 결선에서 V 이므로, 같은 선간전압에서 Y 기동 시 상전압은 Δ 운전 시의 1/√3 배가 된다. 기동전류와 기동토크는 상전압의 제곱에 비례하므로 전전압 Δ 직입 대비 1/3 수준으로 줄어든다.

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

여기서 I_{st(\Delta)}는 Δ 직입 기동전류, T_{st(\Delta)}는 Δ 직입 기동토크다. 두 값 모두 1/3이 되므로 기동 가능 여부는 부하 토크가 1/3 기동토크보다 작은지로 판단한다.

기동보상기 방식은 탭 전압 aV를 공급하면 기동전류는 a배, 기동토크는 a^2배가 된다. 탭 비율을 낮출수록 전류 억제 효과는 크지만 토크 감소도 커지므로 부하 요구와 함께 탭을 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

농형 유도전동기 기동 방식은 전기설비 관련 법규와 설계 기준의 영향을 받는다. 국내에서 적용되는 기준은 다음과 같다.

전압강하 제한값은 설계 기준에 따라 다르므로 조문 수치를 직접 쓰기보다 기준의 취지를 함께 적는다. 다만 기동 시 전압강하는 전원 측 조명·제어기기 동작에 영향을 주므로 허용 범위를 사전에 확인한다.

기준값 정리는 다음과 같다.

개정 연혁은 전기설비 기준이 KEC로 통합된 이후 기동 관련 기술 기준이 이 체계에서 정리된다는 점을 기억한다.

감압기동 적용의 한계

감압기동은 기동전류를 낮추지만 토크도 함께 낮아지므로 무부하 또는 경부하 기동에 적합하다. 부하 토크가 큰 설비에 무리하게 적용하면 기동이 완료되지 않아 과열이 생긴다. 따라서 부하 특성과 기동 방식을 함께 검토한다.

6. 유형과 비교

3상 농형유도전동기의 기동 방식은 전원 측에 가해지는 전압 크기를 낮추는지, 임피던스를 넣는지, 결선을 바꾸는지, 주파수까지 조정하는지에 따라 나뉜다. 기동 전류와 기동 토크의 관계를 기준으로 비교하면 선정 근거가 명확해진다.