펌프이론 1.4 – 모터

모터들은 전 세계에서 많은 산업 기자재에 설치되어 사용된다.
전기 모터를 사용하는 이유는 회전을 발생시키는 것이며 이것은 전기적 에너지를 기계적인 회전 에너지로 전환하는 기계장치라는 의미를 가진다.
펌프는 기계적인 에너지로 구동되는 것이며 이 기계적인 에너지는 모터에서 전기적 에너지가 변환 되면서 발생한다.

NEMA

The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – 국제 전기 제품 생산자 연합은 모터를 포함하여 전반적인 전기 제품에 대한 표준을 정하였다.
NEMA는 주로 북부 아메리카에서 사용되는 모터들에 대한 규정을 확립하였다. 여기서 설정된 기준은 일반 산업용을 주된 대상으로 하고있으며, 전기 장치 제조업자들로부터 그 기준에 대한 신뢰성을 지지 받고 있다.
NEMA 표준 출판 No.MG1에서 그 기준에 대한 내용을 확인할 수 있으며 몇몇 대형 펌프는 NEMA기준 이하인 것으로 나타난다.

이런 모터의 구조는 일반 운전 중이나 예측된 오류 상황에서 허용 온도, 불꽃 발생, 아크 발생에 대한 안전도를 증가시킨 것이다. 안전도 증가 모터에 대한 온도 분류는 내부, 외부 양쪽에서 해당되기 때문에 고정자에 감긴 코일의 온도를 측정하는 것은 매우 중요하다.

불꽃 발생이 없는 모터 – protection type Ex (nA)
불꽃 발생이 없는 모터 (type nA)는 zone 2에서 사용되는 장비 분류 3G에 해당된다.
이 분류의 모터들은 일반적인 운전조건 하에서 폭발할 수 있는 환경에서 어떤 형태로든 불꽃이 발생되지 않는 모터이다. (Fig. 1.4.6 참조)

먼지 점화 방지(DIP)
먼지 점화 방지에는 두 가지 종류가 있다: 2D / 장비 분류 2 제품과 3D/ 장비 분류 3 제품이다.

zone 22에 사용되는 모터는 IP55인증이 있어야 하며 먼지로부터 보호되어야 한다.
2D/ 장비 분류 2 제품과 3D/ 장비 분류 3 제품사이에 유일하게 다른 점은 IP 보호 등급이다.

설치 (국제 설치 – International Mounting,IM)

모터를 펌프에 연결하는 것에는 세 가지 설치 방법이 있다 – 횡형 설치, 프리-홀 플랜지와 플랜지 있는 모터(FF), 나사-홀 모터와 플랜지 있는 모터(FT). Fig. 1.4.8에서 세 가지 다른 종류의 모터 설치 방법을 보여 주고 있으며 이는 각 설치 법에서 표준으로 적용된다.
모터의 설치에 대해서는 아래와 같은 기준에 따라 서술하였다.

● IEC 60034-7, Code I ,
즉, DIN 42590 code로 사용된 후 IM으로 임명되었음.

● IEC 60034-7, Code II

외형보호 등급 (진입 보호 – IP)

외형보호 등급이란 고체나 물 유입에 대한 모터의 보호 등급을 말한다.
외형보호 등급은 IP 다음에 적히는 두 자리 숫자로 그 등급이 표시된다.
(예: IP55) 첫 번째 숫자는 접촉과 고체의 인입에 대한 보호 정도를 나타내고 두 번째 숫자는 물의 유입에 대한 보호 등급을 표시한다.
(Fig. 1.4.9 참조)

드레인 홀은 고정자 하우징에 일시적인 응결로 인해 발생된 물을 배수할 수 있게 한다. 습한 환경에 모터가 설치된 경우에 바닥에 있는 배수 구멍은 열어두어야 한다. 배수 구멍이 열리게 되면 모터의 밀봉 등급은 IP55에서 IP44로 변경된다.

Direct-on-line 기동 (DOL)

이름에서 알 수 있듯이, 이 기동방법은 모터를 직접 공급받는 전원에 연결시켜서 기동하는 방법이다. 안정적인 전원 공급과 기계적으로 안정되고 샤프트 시스템의 치수 가공이 잘된, 펌프와 같은 기계에서 사용이 적합하다.
이 방식을 적용할 때에는 전문가와 상의가 필요하다.

Star/delta 기동

3상 유도 모터에 사용되는 Start/delta 기동의 목적은 기동 전류를 줄이는 것이다. 처음 기동을 위해서 star (Y)에 연결된 코일이 감긴 연결자에 전류를 공급한다. 그런 뒤에 코일이 감긴 델타 ( )에 다시 연결되어 모터의 회전수를 증가시킨다.

1.4.3 전압

모터의 정격 전압은 어떤 일정한 전압 범위 안에 있다. Fig. 1.4.14는 50Hz와 60Hz에서 전형적인 전압을 보여준다.

국제 기준 IEC 60038에 따르면, 모터는 주 전압 편차 10%인 전압에서 운전되어야 한다고 기술되어있다.

IEC 60034-1 표준에 따라 설계된 모터들에 한해서는 넓은 전압 범위를 가진다. 예) 380-415V, 주 전압은 5%의 편차를 가진다.

모터가 정격 전압의 범위 내에서 운전될 때 실제 절연 등급에 대한 허용 최대 온도는 넘지 않는다.
한계 조건에서 온도는 일반적으로 약 10 Kelvin 증가한다.

1.4.4 주파수 변환기

주파수 변환기는 종종 펌프의 속도 조절을 위해 쓰인다. (4장 검토)
주파수 변환기는 주 전압을 새로운 전압과 주파수로 바꿔주면서 모터가 다른 속도로 운행 가능하게 해준다. 하지만, 이렇게 주파수를 조정하여 운전하는 것은 아래와 같은 문제점이 있다.

● 모터에서 발생되는 소음이 가끔 시스템에 전달되어 매우 듣기 거북한 소음으로 변화되기도 한다.

● 주파수 변환기와 모터사이에서 높은 전압.

주파수 변환기와 연결된 모터의 절연

주파수 변환기와 연결된 모터들에서 일반적인 모터와 구별하여 다른 절연방식들이 적용된다.

상 절연이 없는 모터
상 절연을 사용하지 않고 생산된 모터는 460V이상의 전압이 코일에서 분열적인 방출이 일어날 위험을 증가시키고 그 결과, 모터가 파손된다.
따라서 위와 같은 사항은 모든 모터를 생산할 때 고려되어야 한다. 최고전압이 650V의 지속적인 전압은 모터에 손상을 일으키는 원인이 된다.

상 절연이 있는 모터
3상 모터에서는 보통 상 절연을 사용하며, 공급전원이 500V보다 낮으면 특별한 사전 주의가 필요하진 않는다.

절연이 강화된 모터
공급 전원이 500V~690V사이인 경우, 모터는 한층 강화된 절연을 채택하거나 delta U/delta t 필터를 사용해 보호해야 한다. 690V나 그보다 높은 전압이 공급 전압인 경우에는 모터는 절연 강화와 delta U/delta t 필터, 이 두 가지를 사용해야 한다.

절연 베어링이 사용되는 모터
베어링을 통해 전류가 흐르는 것을 막기 위해서, 모터 베어링은 전기적으로 절연이 되어야 한다. 프레임 크기가 280이상인 모터부터 적용된다.

모터 효율

일반적으로, 전기 모터들은 매우 효율적이다. 모터 크기에 따라서 몇몇 모터는 전기력이 축동력으로 전환하는데 80~93% 정도의 효율을 가지고 있고 가끔 대형 모터는 이보다 높은 효율을 유지한다. 전기 모터에는 두 가지 에너지 손실이 발생되는데 이는 부하 의존 손실과 부하 비의존 손실이다.

부하 의존 손실은 전류 단면적에 따라 다양하며 아래와 같은 요소를 포괄한다.

● 권선 손실 (동선 손실)
● 로터 손실 (미끄러짐 손실)
● 공회전 손실 (모터의 다른 부분에서)

부하 비의존 손실은 아래와 같다.

● 순수 손실
● 기계적 손실 (마찰 손실)

효율에 따라 모터들은 여러 가지 부류로 구분된다.
가장 중요한 기준으로는 EU기준들 (EFF1,EFF2,EFF3)중 CEMEP와 미국 기준 중 EPAct 이다.

열 보호 (TP)

IEC 60034-11 표준에 따르면 모터의 열 보호 등급은 아래 표에서 나온 등급규칙에 맞게 모터의 명판에 명기되어야 한다.

PTC 서스미터
PTC(Positive Temperature Coefficient) 서스미터는 생산 중에 모터의 권선 내부에 설치될 수 도 있고 또는 생산 된 후에 새롭게 설치될 수도 있다.
일반적으로 3 PTCs는 직렬로 설치되는데, 코일의 각 상은 1번이다.
이들은 90도에서 180도까지 5도차 정도의 온도 범위에서 시동 온도로 정해진 것으로 구입된다. PTCs는 서스미터가 시동 온도에 도달했을 경우 서스미터의 빠른 저항 증가를 감지하는 서스미터 중계기에 연결되어진다.
이런 장치들은 비선형이다. 대기온도에서 세 개를 한 세트로 했을 경우 저항치는 약 200~300ohm이 되고, 시동온도에 서스미터가 이르게 된경우 이 저항치는 빠르게 증가한다. 만약 이 온도가 어느 정도 이상 증가되면 PTC 서스미터는 수천 ohm에 도달하게 된다. 서스미터 중계기는 보통 3000 ohm에서 시동한다고 설정하거나 DIN 44082 기준서에 명시된 것에 따라 시동을 설정한다. 만약 PTCs를 권선에 맞춘다면 11kW보다 낮은 모터에 대한 PTCs로 TP 설정표을 보면 TP211이다. 만약 PTCs를 새로 설치한다면 TP는 TP111이 된다. 11kW보다 큰 경우에는 보통 TP111이 TP로 설정된다.

가열 장치

가열장치는 모터의 가열상태를 유지하게끔 한다. 가열장치는 모터가 습기가 많거나 물이 잘 응결되는 곳에서 특히 사용된다. 이런 가열장치를 사용하여 모터가 항상 주변보다 따뜻하게 유지시키고 모터 내부의 습도가 항상 100% 이하가 되도록 한다.

유지
모터는 정기적으로 점검해야 한다. 모터를 청결하게 관리하는 것도 적정한 통풍을 유지해야 한다. 만약 펌프가 먼지가 있는 곳에 설치되었다면 펌프는 정기적으로 청소, 점검이 이루어 져야 한다.

베어링
보통 모터들은 고정된 베어링을 부하측에 가지고 있고, 반부하측에는 축방향으로 움직일 수 있는 베어링이 있다. 이렇게 축방향으로 움직여야 하는 이유는 제품의 편차, 제품 운전 중 열팽창을 고려해야 하기 때문이다.

영구 윤활 베어링 내장 모터
폐쇄형 영구 윤활 베어링에는 아래에 있는 고온용 윤활제 중 하나가 사용된다.

● 리튬 베이스 그리스
● Polyurea 베이스 그리스

기술적인 특성은 표준 DIN – 51825 K2 또는 그보다 강화된 조건에 맞아야 한다.
기본적인 그리스의 점도는 반드시 아래 조건 보다 커야 한다.

● 50 cSt(10 m /sec, 섭씨 40도 조건)
● 8 cSt(mm /sec, 섭씨 100도 조건)

윤활 시스템이 있는 모터
보통 프레임 크기 160인 모터나 그보다 큰 모터는 부하측 또는 반부하측에 그리스 주입 니플이 있다.