3상 전동기에서 결상 운전은 왜 위험한가요?

Question

• 전기기기를 공부하다 보면 3상 유도전동기에서 결상 상태가 매우 위험하다고 배우는데, 처음에는 한 상만 없어지는 것이라 단순히 힘이 조금 약해지는 정도 아닌가 싶어서 궁금했습니다. 실제로는 전동기 과열과 소손까지 이어질 수 있다고 하는데 왜 그렇게 위험한지도 알고 싶습니다.

특히 결상이 발생해도 전동기가 완전히 멈추지 않고 계속 돌아가는 경우가 있다고 들었습니다. 그렇다면 한 상이 끊어졌는데 어떻게 계속 회전할 수 있는지도 이해가 잘 안 됩니다.

또 결상 시 남은 두 상 전류가 증가한다고 배우는데, 왜 한 상이 없어졌는데 오히려 다른 상 전류는 더 커지는지도 궁금합니다. 단순히 공급 전력이 줄어드는 것이 아니라 특정 권선에 과부하가 걸린다는 느낌인데 실제 내부에서는 어떤 전자기 현상이 발생하는지도 알고 싶습니다.

그리고 실제 산업현장에서는 EOCR이나 결상계전기를 사용하는데, 왜 이런 보호장치가 꼭 필요한지도 궁금합니다. 만약 보호 없이 계속 운전하면 전동기 내부에서는 어떤 문제가 진행되는지도 알고 싶습니다.

또 기동 중 결상과 운전 중 결상이 서로 위험도가 다르다고 들었는데 왜 그런 차이가 생기는지도 궁금합니다. 결국 결상 운전이 왜 유도전동기에 치명적인 문제인지, 그리고 실제 전동기 내부 전류와 토크는 어떻게 변하는지 자세히 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.

결상 운전은 한 상이 빠져서 힘만 조금 약해지는 문제가 아니라, 3상 전동기의 회전자계 균형이 무너지는 상태라서 매우 위험합니다. 3상 유도전동기는 세 상 전류가 120도씩 차이를 두고 흐르면서 일정하게 회전하는 자기장을 만듭니다. 그런데 한 상이 끊어지면 이 균형 잡힌 회전자계가 깨지고, 전동기 내부에는 불완전하고 찌그러진 회전자계가 형성됩니다.

운전 중 결상이 발생해도 전동기가 바로 멈추지 않는 이유는 이미 회전하고 있던 관성 때문입니다. 회전자는 계속 돌고 있고, 남은 두 상만으로도 어느 정도 회전 자계 비슷한 효과가 만들어지기 때문에 당장은 계속 도는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 정상적인 3상 운전이 아니기 때문에 토크는 크게 떨어지고, 토크가 흔들리면서 진동과 소음이 증가할 수 있습니다.

문제는 남은 두 상 전류가 크게 증가한다는 점입니다. 전동기는 부하를 계속 돌리기 위해 필요한 기계적 출력을 유지하려고 하는데, 한 상이 빠지면 정상적인 전력 공급이 불가능해집니다. 그러면 남은 두 상 권선에 더 큰 전류가 흐르면서 부족한 토크를 보상하려고 합니다. 이때 권선 발열이 급격히 커집니다. 전동기 권선의 발열은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 전류가 조금만 늘어도 온도 상승은 훨씬 커질 수 있습니다.

기동 중 결상은 더 위험할 수 있습니다. 전동기가 정지 상태에서 한 상이 빠진 채로 기동하면 정상적인 회전자계가 만들어지지 않아 스스로 충분히 회전하지 못할 가능성이 큽니다. 이 상태에서는 큰 기동전류가 계속 흐르면서 권선이 빠르게 과열될 수 있습니다. 운전 중 결상은 관성 때문에 한동안 돌 수 있지만, 계속 운전하면 결국 과열과 절연 열화로 이어집니다.

EOCR이나 결상계전기가 필요한 이유도 여기에 있습니다. 사람이 보기에는 전동기가 그냥 도는 것처럼 보여도 내부 권선은 이미 과전류와 불평형 전류로 손상되고 있을 수 있습니다. 보호장치는 상전류 불평형이나 결상을 감지해 전동기를 빠르게 정지시켜 권선 소손을 막아줍니다.

정리하면 결상 운전은 단순 출력 저하가 아니라 전류 불평형, 토크 맥동, 발열 증가, 절연 열화가 동시에 발생하는 위험한 상태입니다. 특히 펌프, 팬, 컨베이어처럼 장시간 운전되는 설비에서는 결상을 방치하면 전동기 소손으로 이어질 수 있으므로 반드시 보호장치를 통해 빠르게 차단해야 합니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

3상 전동기에서 한 상이 끊기면 남은 두 상으로만 전류가 몰리면서 권선이 뜨거워지다 결국 타버릴 수 있어서 아주 위험해요. 돌아가던 관성 덕분에 멈추진 않지만 힘이 부족해지니 전류를 더 끌어다 쓰게 되고, 기동할 때 결상이 되면 아예 출발조차 못해서 열만 받다 고장날 수 있습니다. 그래서 EOCR 같은 보호장치로 미리 전원을 차단하는 게 필수적인데, 이런걸 놓치면 수리비가 더 많이 나올수있습니다.