현대 전동기

1. 현대 전동기

2. 소개 순서 Ⅰ. 유도전동기의 원리 및 종류 Ⅱ. 전동기 주요 용어 이해 Ⅲ. 인버터용 전동기(Inverter Duty Motor Ⅳ. 축 전 압 과 Bearing Damage Ⅴ. 전동기의 결선도

3. 아라고 원판과 유도전동기의 원리 전류와 자석의 상호작용에 의한 회전력 방향 자석의 N극을 시계방향으로 회전시키면 상대적으로 원판은 자기장 사이를 반시계 방향으로 움직이는 것과 같다. 플레밍의 법칙 따라서 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판의 중심으로 향하는 기전력이 유도된다. 자석이 움직이는 방향과 동일 기전력에 의해 맴돌이 전류가 흐르고 이 전류에 의해 플레밍의 왼손법칙에 따라 원판은 자기력을 받아 시계방향으로 회전한다. 단, 이 때 원판은 자석보다는 빨리 회전할 수 는 없다. 또한 원판이 자석과 같은 속도로 회전한다면 원판이 자석을 쇄교할 수 없으므로 원판은 반드시 자석보다 늦게 회전한다.

4. 아라고 원판과 유도전동기의 원리 비교 실제 유도 전동기 아라고의 원판 자석의 이동 회전자계 생성 <3상 교류 > 동기속도Ns 원판 원통형 도체

5. 3상 유도전동기의 종류 1). 농형 유도 전동기 a) 농형 유도 전동기는 여러 방면에 걸쳐 가장 널리 사용되고 있다. 일반적으로 전동기라 하면 대부분 이 전동기를 의미하며 다음과 같은 특징이 있다. -. 구조가 간단하고 견고하기 때문에 고장이 적다. -. 운전이 쉽다. -. 보수 및 수리가 간단하다. b) 구조 및 특성 농형 회전자에는 슬롯의 구조에 따라 여러가지가 있으며 그 형상이나 크기에 따라 전동기의 특성도 변한다. -. 일반형 : 일반형은 기동전류가 크고 기동 토오크가 작다. -. 특수형 : 일반형의 기동특성을 개선한 것으로 2중 농형, Deep Slot형, AL-Diecasting형 등이 있으며 기동시 2차 저항을 크게하고 운전시에는 2차 저항이 작게 되도록 회전자 슬롯 형상을 고안하였다.

6. 2). 권선형 유도 전동기 a) 권선형 유도 전동기는 회전자 철심에 3상 권선을 감아 2차 권선으로 하고, 그 각 상 권선의 3개의 단자는 축에 설치된 슬립링을 경유하여 브러시에 의해 2차 전류를 외부로 안내하는 구조로 되어있다. -. 따라서, 2차측에는 2차 저항기를 접속할 수 있고, -. 이 2차 저항기의 저항값을 가감함으로써 기동전류를 제한함과 동시에 -. 큰 기동 토오크를 발생시킬 수 있다. b) 용도 권선형 유도전동기의 용도는 다음의 경우에 농형 유도전동기 대신 사용될 수 있다 -. 기동시 특별히 큰 토오크가 필요한 경우. -. 부하의 GD^2가 매우 커서 농형 유도 전동기로는 시동이 불가능한 경우. -. 빈번한 기동, 정지, 가역 운전이 요구되어, 농형 유도 전동기로는 열적으로 감당할 수 없는 경우. -. 전원 용량이 작아 기동 전류에 의한 기동시의 전압 강하가 문제가 되는 경우. -. 속도 제어가 필요한 경우.

7. 권선형 & 농형 전동기 내부 구조 권 선 형 인 버 터

8. 전동기의 각종손실 철심에 의한 손실 1 차 동손 권선의 저항에 의한 손실 철 손 ▶ 고품질 코어 사용 ▶ 철심장 증대 ▶ 자속밀도저감 ▶ 권선 단면적 증대 ▶ 도체 전류 밀도 및 도체 저항 감소 팬, 베어링의 풍손, 마찰손실 기계손 표류 부하손 ▶ 팬형상 및 구조 최적화 ▶ 베어링 엄선 사용 2 차 동손 누설 자속에 의한 손실 2차도체에 의한 손실 ▶ 슬롯 조합 최적화 ▶코어표면가공 향상▶ 회전자 슬롯 절연 으로 와류손 감소 ▶도체 단면적 증대 로 도체 저항 감소 ▶ 다이 캐스팅 향상 으로 기공최소화

9. 전동기의 효율과 손실 유효출력 유효출력 효율= X 100 (%) = X 100 유효입력 유효출력 +손실 전동기의 손실

10. 전동기의 온도상승과 수명 ☞ 운전수명 ▷ F종 절연 사용, B종온도 상승의 이점 ▷ 절연수명 약 4배 증가 ▷ 베어링수명 약 2배증가 ☞ 유지비용 감소 ▷ 높은 신뢰성으로 낮은 고장률

11. 1 9 전동기 선정 절차 전동기의 악세서리 2 10 보호방식 전동기의 기동방식 3 11 반폐전폐 구분 인버터 전동기 4 12 절연과 온도상승 사전동기의 축전압 5 13 냉매온도와 해발고도 전동기의 결선 6 14 전동기 기동시간과 관성특성 및 기동빈도의 제한 전압 주파수 변동에 따른 특성의 개략치 7 전돈기의 기본 수식 8 전동기의 각종 Curve Ⅱ. 전동기 사양서 주요 용어 이해 목 차

12. 1. 전동기의 선정절차 1). 전동기의 선정에 있어서는 전체의 설비중에서 어떠한 위치를 차지하며, 어떠한 작용이 기대되는가를 고려하여 목적에 맞는 것을 선택하도록 한다. 구체적으로는 다음과 같은 조건을 충분히 파악한 후에 신뢰성, 보수성, 경제성을 감안하여 종합적으로 검토할 필요가 있다. a) 부하 기계의 특성 : 기동시, 운전중, 정지시의 특성 b) 전동기의 사용 조건 : 연속, 단시간, 반복 c) 전원 조건 : 전원용량, 허용 전압 강하, 배선 사이즈, 선로 길이 등 d) 주위 환경 조건 : 온도, 습도, 먼지, 부식, 폭발성 가스, 옥외설치 등 2). 부하 특성 파악 : 전동기는 부하 기계를 구동하는 것이기 때문에 전동기의 토오크를 부하가 요구하는 토오크에 어떻게 잘 적합시키는가 하는 것이 선정의 포인트가 된다. 즉, 전동기의 선정에 있어서 가장 먼저 해야 하는 것은 부하 기계가 필요로 하는 특성을 조사하는 것이다. a) 기동 특성 : 기동시 토오크 특성, 기동빈도 와 기동시간, 부하 GD^2, 기동 전류 제한 의무. b) 운전중 특성 : 부하의 변동과 최대값, 속도 제어를 필요로 할 경우의 범위, 정밀도 응답성, 운전시간 또는 운전 주기 등 c) 정지시의 특성 : 정지 시간 제한의 유무, 제동의 필요성

13. 2. 보호방식 기호표 )

14. 3. 전폐 반폐구분

15. 180℃ 온 도 (℃) 155℃ 130℃ 120℃ 125℃ 105℃ 80℃ 75℃ 40℃ 40℃ 40℃ 40℃ E B F H 절연계급 4. 절연과 온도상승 절연종별 사용 한계온도 온도상승치 주위온도

16. 5. 냉매온도와 해발고도에 따른 출력변화

17. 6. 전동기 기동시간과 관성특성 및 기동빈도의 제한 1). 전동기의 회전수를 0 에서 정격속도까지 가속시키는 데 필요한 기동 시간(t)은 플라이 휠 효과(GD^2) 및 회전수(N), 그리고 평균 가속 토오크(Ta)로 계산되어 진다. 2). 부하의 GD^2가 커짐에 따라 기동 시간은 길어지며, 기동 전류 때문에 전동기 온도상승 이 현저해 진다. 이 때문에 전동기의 회전자의 온도 상승 한도에 의해 부하의 GD^2가 제한을 받게 된다. 3). 부하 최대 허용 GD^2가 있기 때문에 반드시 전동기 축으로 환산한 부하 GD^2값을 확 인 할 필요가 있다. 4). 선정 기준 : 부하 GD^2가 클 경우나 가속 토오크가 작을 경우에는 기동 시간이 길어져, 기동전류에 의한 전동기 회전자 과열이 우려됨으로, 이 경우에는 전동기의 종류, 기동방식, 열용량 등을 재검토 해야 한다.

18. 5). 전동기 기동빈도의 제한 a) 전동기를 정격 RPM 까지 가속하여 기동 완료후 회전자가 보유하는 운동에너지는 기동 완료까지의 회전자에서 발생한 손실과 같다. b) 유도 전동기를 무부하로 운전할 경우 회전자에서 발생하는 손실은 역상 제동 1회는 기동의 3배, 역전 운전 1회는 기동의 4배에 해당하는 손실이 생기게 된다. c) 부하의 GD^2가 전동기의 최대 허용 GD^2보다 작은 경우라도, 운전 형편상 기동 빈도가 높고 또한 그 시간 간격이 짧아 회전자 속에 발생한 열이 충분히 방열되지 않은 경우에는 회전자에 열이 축적되어 회전자 Bar와 End-Ring사이의 균열 등의 사고가 발생할 수 있다. d) 선정 기준 : 부하 기계가 어떤 사용 방식을 취하는 가를 파악하고, 기동 빈도가 많을 경우 전동기 열용량이나 접점 마모 등의 문제가 있기 때문에 전동기 및 제어 기구 를 신중하게 선정하여야 한다. ² (0.85 x 기동전류) x 기동횟수 x 저항값 ² x 기동시간 기동시간에 따른 권선온도상승= 388 x 권선Coil무게 x 1.5

19. 7. 전동기 기본수식 P_input = x V x I x P.F P_output = x V x I x P.F x Eff 3 3 kW 기동kVA I = NEMA Code Letter = 기동kVA = x V x Ist 3 x V x I x P.F x Eff HorsePower(Hp) 3 Ns - n 120 x f 120 x f x (1-Slip) Slip = n = Ns = Ns Pole Pole ² n n ² ² ² GD + GD n ² x m GD x T = m GD T = L m L x t= L m n m n T - T 375 L L m L Poutput Poutput 974 x kW 기동kVA x 100 = x 100 Eff = Torque = 기동계급 = Poutput + Loss Pinput rpm HP NEMA Code Leter NEMA Code Leter f : 주파수(Hz) P_input : 입력(kW) F : 5.0~5.6 t : 기동시간(sec.) P_output : 출력(kW) G : 5.6~6.3 ² ² ² : Motor측으로 환산 GD (kgm ) GD I : 정격전류(A) m H : 6.3~7.1 ² ² ² : 부하 GD (kgm ) GD Ist : 기동전류(A) L n : 부하rpm Ns : 동기속도 L n : Motor rpm n : rpm m

20. 8. 전동기의 각종 Curve THERMAL LIMIT & TIME CURRENT CURVE SPEED & TORQUE & CURRENT CURVE SPEED & CURRENT CURVE AT FULL VOLTAGE SPEED & CURRENT CURVE AT 80% VOLTAGE 3 SPEED & TORQUE CURVE AT FULL VOLTAGE SPEED & TORQUE CURVE AT 80% VOLTAGE 2 OUTPUT VS EFF.,P.F & CURRENT CURVE COLD TIME CURRENT CURVE AT FULL VOLTAGE EFF HOT 1 P.F TIME CURRENT CURVE AT 80%VOLTAGE CURRENT

21. 최대토오크 Breakdown torque 기동전류 650% 기동토오크 Locked rotor torque 전동기 토오크 Curve Pull-up torque 전부하Torque 부하 토오크 Curve 동기속도 (100% rpm) Slip=0 속도=0 (0 % rpm) Slip=1

22. I²R=Loss발생 --->열 V W U ① 전류(A) TH01 TH02 U V W WT11 WT21 WT31 WT22 WT32 WT12 WT13 WT23 WT33 ③ 저 항 V W U WTD 직열연결 TS02 TS01 온도 열 ④ 전 압 BT21 BT11 BTD부하 BTD반부하 BT22 BT12 V 열 9. 전동기의 악세서리 WTD 직열연결 WTD ② 저 항 BT21 BT11 온도 BTD부하 BTD반부하 -5℃ +5℃ BT22 BT12 BT11 Space Heater BT12 BT11 Space Heater BT12

23. 10. 전동기의 기동방식 1. 기동 방식의 선정 삼상 유도전동기의 기동전류는 정격전류의 약 3~7배 정도이다. 이것은 정지시에 시스템이 가진는 Inertia를 극복할 수 있도록 충분히 전동기를 자화시키는데 필요한 에너지가 크기 때문이다. 기동시 Network으로부터 큰 전류를 끌어냄으로써, Voltage drop, High transient, 그리고 어떤경우에는 Uncontrolled shutdown 등을 일으킨다. 높은 기동전류는 또한 권선이나 회전자 Bar, 부하기기, 그리고 Foundation에 엄청난 기계적 Stress를 가하게 된다. 여러가지 기동방식이 있으나, 이것들은 모두 이러한 부정적 영향들을 줄이기위한 목적이 있다. 기동방식 선정시에는 부하기기, 전동기 그리고 Power network을 고려하여야하며, 구체적으로는 아래의 사항들을 고려하여야 한다. -. 기동시 전압 강하 -. 기동시 필요한 가속토오크 -. 필요한 기동시간

24. 2. 각종 기동방법 2.1 Direct-on-Line(DOL, 직입기동) Start 직입기동은 Stable power supply, Mechanically stiff and well-dimensioned shaft systems에 적절한 방식이며, 단순하고, 비용이 적게들며, 가장 흔한 방식이다. 2.2 Star-Delta(Y/D) Start 대부분의 저압 전동기들은 400V 전원에 Delta로 연결되거나, 690V 전원에 Star로 연결되어 운전될 수 있다. 이러한 유연함은 저전압으로 전동기를 기동하는 방식으로 활용될 수 있다. Y/D 기동방식은 기동전류를 DOL대비 약 1/3으로 줄일수 있으나, 한편으로는 기동토오크도 약 1/4으로 감소한다. 전동기는 Y 결선상태에서 기동을 시작하여, 정격속도에 가까워 져서 Delta 결선으로 전환된다. 이방식은 Delta로 결선되어있는 전동기에 한해서 적용될 수 있다.

25. 2.3 Reactor start 전동기를 기동하는 동안, 철심에 코일을 감은 Reactor를 전동기와 직렬로 연결함으로써, 전압비에따라 기동전류를 제한하는 방식이다. 이 방식 또한 기동토오크의 저감을 가져온다. 이방식의 장점은 다른방식에비해 비교적 저렴하다는 것이다. 2.4 Auto transformer start Auto T/R 기동방식은 Reactor 기동방식과 유사하다. 기동전류 및 기동토오크를 낮추기위해 전압을 제한하는 Transformer를 사용하며, Reactor 기동시보다는 같은 전압에서 기동전류 및 기동토오크가 더 작다. Reactor 보다 가격면에서 비싸다.

26. 2.5 Soft starter Soft starter는 반도체 소자를 이용한 전압 조정기이다. 기동을 시작하면, Soft starter는 점차적으로 전동기의 전압을 충분히 증가시켜서, 전류나 토오크의 Peak가 없이 전동기가 부하를 가속시켜 정격속도까지 이르게 한다. Soft starter는 또한, Process를 정지시키는 것을 Control하기위해서도 사용된다. Soft starter는 Frequency converter 보다는 가격이 저렴하나, Frequency converter와 마찬가지로 Grid에 Harmonic Current를 투입시켜 다른 Process에 방해가 될 수 있다. 2.6 Frequency Converter (Inverter) 원래, Inverter는 전동기를 연속적으로 구동하기 위해 설계되지만, 기동용으로 사용될 수 도 있다. Inverter는 전동기가 Zero speed에서 Full Speed 까지 정격전류에서 정격토오크를 발생시키도록 할 수 있기때문에, 기동시 전류를 줄일 수 있다.

27. 기동방식에 따른 전동기 전류, 토오크 변화

28. 전압,주파수 변동에 따른 특성의 개략치

29. 11.인버터 전동기 ☞인버터는 상용전원을 직류로 정류하고 스위칭에 의하여 제어하므로 써지전압이 인버터의 출력전압에 중첩되어집니다. 예) 440V의 경우 단자전압의 피이크= 440V x 1.1x2x√2 = 1369V ☞마이크로 써지는 모터의 절연을 약화시킵니다. (스위칭에 의한 서지전압이 중첩되거나 선로의 공진이나 반사파에 의한 서지전압이) - 부분방전(Partical Discharge)으로 절연피막의 손상을 가속시킴 ☞Ground , Phase Coil간, Coil turn간 절연파괴 ☞NEMA MG1 Part31, Motors with base rating voltage ≤ 600volts Vpeak ≤Vrated x 1.1x2x√2 , Rise time ≥ 0.1㎲

30. 메인 파우어 케이블 길이(전압 및 케리어 주파수) 전압 230V이하 460V이하 575V이하 절연시스템 케리어주파수 3k 6k 9k 12k 3k 6k 9k 12k 3k 6k 9k 12k Super Aid (HSD Type) 케이블길이(m) 300 300 300 300 68 40 30 26 18 12 9 7.5 Super Pro (HID,HVD Type) 케이블길이(m) 450 450 450 450 265 165 120 99 83 53 38 30 메인 파우어 케이블의 길이가 위표 한계를 초과 하는 경우는 인버터 출력단에 Long 리드 필터(과전압 억제용)를 설치 바랍니다. -. 인버터와 전동기 사이의 배전거리를 짧게할수록 좋습니다.(보통 30m이상이면 서지전압 발생함)

31. In-Slot권선작업 예 시작Turn 마지막Turn 시작Turn 마지막Turn Super Pro 절연 시스템 인버터 전용 모타 절연 시스템 ☞Super Pro 절연 시스템은 스위칭(케리어) 주파수에 의한 절연파괴 현상 방지 절연임 ☞ 내코로나 내력이 우수한 특수 마그네트 에나멜 코일 적용 ☞In-Slot 권선작업 ☞ 상간 및 대지간 절연 강화 ☞ 내코로나 및 내열성이 우수한 바니쉬 적용 ☞ 권선단부 전자기적 내력강화

32. Single Speed 결선도 13. 전동기의 결선 1 겸용전압 Star-Delta기동 L1 L2 L3 Delta결선 (운전시) Star결선 (기동시) Star결선 (높은전압) Delta결선 (낮은전압) 6 1 1 2 3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 2 3 4 3 1 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 5 2 L1 L2 L3 6 4 5 6 4 5 6 4 5 6 4 5 1 2 3 3 2 낮은전압 높은전압 12 1 7 Delta결선 (운전시) Star결선 (기동시) Delta결선 (운전시) Star결선 (기동시) 12 1 6 9 6 4 7 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 9 10 4 3 2 5 1 2 3 1 2 3 10 1 2 3 1 2 3 3 8 11 2 11 12 10 11 12 10 11 8 5 12 10 11 7 8 9 4 5 6 4 5 6 6 4 5 4 5 6 7 8 9 7 8 9 11 12 7 8 9 10

33. Pole Change(2Speed) 결선도 정토오크형 (Constant Torque) 가변토오크형 (Variable Torque) 정출력형 (Constant Horsepower) 2U 2U 2U 1U 1W 1W 1U 1W 1U V1 2W 2V 1V 2W 2V 2V 2W 1V Speed L1 L2 L3 Open Together Speed L1 L2 L3 Together Speed L1 L2 L3 Open Together Open Low 1U 1V 2U,2V,2W Low 1U 1V 1W All others Low 1U 1V 1W All others 1W High 2U 2V 2W 1U,1V,1W High 2U 2V 2W 1U,1V,1W High 2U 2V 2W 1U,1V,1W 1U 1U 2U 1U 2U 2W2 2U1 2W1 2U2 1V 1V 1W 2W 2V2 2V1 2V 1W 2W 2V 1W 1V HIGH SPEED HIGH SPEED LOW SPEED LOW SPEED HIGH SPEED LOW SPEED Speed L1 L2 L3 Open Speed Open Together Speed L1 L2 L3 Open L1 L2 L3 2U1,2V1,2W1 Low 1U 1V 1W 2U,2V,2W Low 1U 1V 1W 2U,2V,2W Low 1U 1V 1W 2W2,2U2,2V2 High High 2U 2V 2W 1U,1V,1W 2U 2W 1U,1V,1W 2V Y 1U,1V,1W 2W2,2U2,2V2 2U1 2V1 2W1 High 2U1 2V1 2W1 △ 1U,1V,1W 2W2 2U2 2V2

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