모터는 산업 환경 어디에서나 사용되고 있고 점점 더 복잡해지고 기술적으로 발전하고 있으며, 때로는 가동 중에 최고의 성능을 유지하는 것이 어렵습니다. 모터 및 드라이브 문제의 원인이 전문 지식이라는 단일 영역에 국한되지 않는다는 것을 기억해야 합니다. 기계적 문제 및 전기적 문제가 모두 모터 고장의 원인이 될 수 있으며 올바른 지식을 갖춘다는 것은 비용이 많이 드는 가동 중지 시간과 자산 가동 시간 개선 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.
권선 절연 파괴 및 베어링 마모는 모터 고장의 가장 일반적인 두 가지 원인이지만, 이러한 조건은 여러 가지 이유로 발생합니다. 이 문서에서는 권선 절연 및 베어링 고장의 가장 일반적인 13가지 원인을 사전에 감지하는 방법을 보여줍니다.
전력 품질
1 - 과도 전압
과도 전압은 플랜트 내부 또는 외부의 여러 소스에서 발생할 수 있습니다. 인접한 부하 켜기 또는 끄기, 역률 보정 커패시터 뱅크, 심지어 먼 지역의 날씨 조건 때문에도 배전 시스템에 과도 전압이 발생할 수 있습니다. 이러한 과도 현상은 진폭과 주파수가 다양하며 모터 권선 절연의 약화 또는 절연 파괴의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 과도 현상의 소스를 찾는 것은 발생 빈도가 낮고 증상이 여러 가지 방식으로 나타날 수 있기 때문에 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 반드시 직접 장비를 손상시키지는 않지만 작동에 방해가 될 수 있는 과도 현상이 제어 케이블에 발생할 수 있습니다.
영향: 모터 권선 절연 파괴로 조기 모터 고장 및 예상치 않은 가동 중지가 발생할 수 있습니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 1770 시리즈 3상 전력 품질 분석기
중요도: 높음
2 - 전압 불균형
3상 배전 시스템에서 단상 부하를 처리하는 경우가 많습니다. 임피던스 또는 부하 분배의 불균형이 세 위상 모두에 걸쳐 불균형의 원인이 될 수 있습니다. 모터에 대한 케이블 연결, 모터의 종단 및 권선 자체에 잠재적 결함이 있을 수 있습니다. 이러한 불균형 때문에 3상 전원 시스템의 각 위상 회로에서 응력이 발생할 수 있습니다. 가장 단순한 수준에서, 모든 3상 전압은 진폭이 항상 동일해야 합니다.
영향: 불균형이 발생하면 하나 이상의 위상에서 전류가 과도하게 흘러 작동 온도가 증가하고 절연이 파괴될 수 있습니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 1770 시리즈 3상 전력 품질 분석기
중요도: 중간
3 - 고조파 왜곡
간단히 설명하자면 고조파는 모터 권선에 에너지를 공급하는 고주파수 AC 전압 또는 전류의 원치 않는 추가 소스입니다. 이 추가 에너지는 모터 샤프트를 회전하는 데 사용되지 않지만 권선에서 순환하여 결국 내부 에너지 손실의 원인이 됩니다. 이러한 손실은 열의 형태로 소산되어 시간의 경과에 따라 권선의 절연 성능이 저하됩니다. 전류의 일부 고조파 왜곡은 전자 부하를 처리하는 시스템의 모든 부분에서 발생합니다. 고조파 왜곡 조사를 시작하려면 전력 품질 분석기를 사용하여 변압기의 전류 레벨 및 온도를 모니터링하여 과도한 응력이 발생하지 않도록 합니다. 각 고조파는 허용 가능한 왜곡 레벨이 다르며, IEEE 519-1992와 같은 표준에 따라 정의됩니다.
영향: 모터 효율이 감소하여 비용이 추가되고 작동 온도가 올라갑니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 1770 시리즈 3상 전력 품질 분석기
중요도: 중간
가변 주파수 드라이브
4 - 드라이브 출력 PWM 신호에 대한 반사
가변 주파수 드라이브에서는 펄스 폭 변조(PWM) 기법을 사용하여 모터에 대한 출력 전압 및 주파수를 제어합니다. 소스와 부하 사이에 임피던스 불일치가 있으면 반사가 발생합니다. 부적절한 설치, 부적절한 구성 요소 선택 또는 시간 경과에 따른 장비의 성능 저하로 인해 임피던스 불일치가 발생할 수 있습니다. 모터 드라이브 회로에서 반사의 피크 값은 DC 버스 전압 레벨만큼 높을 수 있습니다.
영향: 모터 권선 절연 파괴로 인해 계획되지 않은 가동 중지 시간이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke MDA-550 시리즈 III 모터 드라이브 분석기, Fluke 1587 FC 절연 멀티미터
중요도: 높음
5 - 시그마(Sigma) 전류
시그마 전류는 기본적으로 시스템에서 순환하는 표류 전류입니다. 시그마 전류는 도체의 신호 주파수, 전압 레벨, 정전 용량 및 인덕턴스의 결과로 생성됩니다. 이러한 순환 전류가 보호 접지 시스템을 통과하면서 불필요한 트립이 발생하거나 경우에 따라 권선에 과도한 열이 발생할 수 있습니다. 시그마 전류는 모터 케이블에서 나타날 수 있으며, 어느 한 시점에서 각 상의 전류의 합계입니다. 완벽한 상황에서 세 전류의 합은 0이 됩니다. 즉, 드라이브에서 나오는 반환 전류가 드라이브로 가는 전류와 같습니다. 시그마 전류를 접지 도체로 여러 전류를 용량성으로 결합할 수 있는 여러 도체의 비대칭 신호로 이해할 수도 있습니다.
영향: 보호 접지 전류 흐름으로 인한 알 수 없는 회로 트립
측정 및 진단 계기: Fluke MDA-550 시리즈 III 모터 드라이브 분석기
중요도: 낮음
6 - 작동 과부하
모터 과부하는 모터에 과도한 부하가 생길 때 발생합니다. 모터 과부하에 수반되는 주요 증상은 과도한 전류 요구량, 토크 부족 및 과열입니다. 과도한 모터 열은 모터 고장의 주요 원인입니다. 모터 과부하의 경우 베어링, 모터 권선 및 기타 구성 요소를 포함한 개별 모터 구성 요소는 제대로 작동할 수도 있지만 모터는 계속 열을 내면서 작동합니다. 따라서 모터 과부하를 확인하는 것으로 문제 해결을 시작하는 것이 좋습니다. 모터 고장의 30%는 과부하로 인해 발생하므로 모터 과부하를 측정하고 식별하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.
영향: 모터의 전기 및 기계 구성 요소가 조기에 마모되어 영구적인 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke Ti480 PRO 적외선 카메라, Fluke 289 True-RMS 산업용 로깅 멀티미터
중요도: 높음
기계적
7 - 정렬 불량
정렬 불량은 모터 드라이브 샤프트가 부하에 올바르게 정렬되지 않거나 모터를 부하에 결합하는 구성 요소가 잘못 정렬된 경우에 발생합니다. 많은 전문가들이 플렉시블 커플링으로 정렬 불량을 제거하거나 보상할 수 있다고 생각하지만 플렉시블 커플링은 커플링의 정렬 불량을 막아줄 뿐입니다. 플렉시블 커플링을 사용하는 경우에도 샤프트를 잘못 정렬하면 손상을 일으키는 순환력이 샤프트를 따라 모터 내부로 전달되어 모터가 과도하게 마모되고 기계적 부하가 뚜렷하게 증가합니다. 또한, 정렬이 잘못되면 부하 및 모터 드라이브 샤프트 양쪽 모두에 진동이 발생할 수 있습니다. 정렬 불량에는 다음과 같은 몇 가지 유형이 있습니다.
- 각도 정렬 불량: 샤프트 중심선이 교차하지만 평행하지 않습니다.
- 평행 정렬 불량: 샤프트 중심선이 평행하지만 동심이 아닙니다.
- 복합 정렬 불량: 평행 및 각도 정렬 불량의 조합입니다. (참고: 거의 모든 정렬 불량이 복합 정렬 불량입니다. 하지만 각도 및 평행 구성 요소를 개별적으로 처리하면 정렬 불량을 더 쉽게 수정할 수 있기 때문에 실무자는 정렬 불량을 두 가지 유형으로 설명합니다.)
영향: 기계 드라이브 구성 요소가 조기에 마모되어 조기에 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 810 진동 테스터, Fluke 830 레이저 샤프트 정렬 도구
중요도: 높음
8 - 샤프트 불균형
불균형은 회전부의 질량 중심이 회전축 위에 있지 않은 상태입니다. 즉, 로터 어딘가에 "무거운 지점"이 있습니다. 모터 불균형을 제거할 수는 없지만 정상 범위를 벗어나는 시점을 식별하고 문제를 해결하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 불균형은 다음과 같은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다.
- 오염물질의 축적
- 평형추의 소실
- 제조적 변화
- 모터 권선의 질량 불균일 및 기타 마모 관련 요인.
진동 테스터 또는 분석기를 사용하면 회전 장비가 균형을 이루는지 여부를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
영향: 기계 드라이브 구성 요소가 빨리 마모되어 조기에 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 810 진동 테스터
중요도: 높음
9 - 샤프트 느슨함
정렬 불량은 모터 드라이브 샤프트가 부하에 올바르게 정렬되지 않거나 모터를 부하에 결합하는 구성 요소가 잘못 정렬된 경우에 발생합니다. 많은 전문가들이 플렉시블 커플링으로 정렬 불량을 제거하거나 보상할 수 있다고 생각하지만 플렉시블 커플링은 커플링의 정렬 불량을 막아줄 뿐입니다. 플렉시블 커플링을 사용하는 경우에도 샤프트를 잘못 정렬하면 손상을 일으키는 순환력이 샤프트를 따라 모터 내부로 전달되어 모터가 과도하게 마모되고 기계적 부하가 뚜렷하게 증가합니다. 또한 정렬이 잘못되면 부하 및 모터 드라이브 샤프트 양쪽 모두에 진동이 발생할 수 있습니다. 정렬 불량에는 다음과 같은 몇 가지 유형이 있습니다.
- 회전 느슨함은 베어링처럼 기계의 회전 요소와 고정 요소 사이의 간극이 지나치기 때문에 발생합니다.
- 비회전 느슨함은 풋과 기초 또는 베어링 하우징과 기계와 같이 일반적으로 고정된 두 부품 사이에서 발생합니다.
진동 테스터 또는 분석기를 사용하면 회전 장비가 균형을 이루는지 여부를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
영향: 기계 드라이브 구성 요소가 조기에 마모되어 조기에 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 810 진동 테스터, Fluke 830 레이저 샤프트 정렬 도구
중요도: 높음
10 - 베어링 마모
베어링에 고장이 발생하면 기계, 윤활 또는 마모 관련 문제 때문에 항력이 증가하고, 열 방출이 증가하며, 효율이 떨어집니다. 베어링 고장은 다음과 같이 여러 가지 원인으로 발생할 수 있습니다.
- 부하가 설계보다 무거움
- 윤활이 적절하지 못하거나 정확하지 않음
- 베어링 씰링의 효과가 없음
- 샤프트 정렬 불량
- 피팅이 잘못됨
- 정상적인 마모
- 유도성 샤프트 전압
일단 베어링 고장이 시작되면 모터 고장을 가속화하는 계단식 효과도 발생합니다. 모터 고장의 13%는 베어링 고장으로 인해 발생하고, 시설 내 기계적 고장의 60% 이상은 베어링 마모로 인해 발생하므로 이러한 잠재적 문제를 해결하는 방법을 배우는 것이 중요합니다.
영향: 회전 구성 요소의 마모가 가속화되어 베어링 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 810 진동 테스터
중요도: 높음
설치 요인이 부적절함
11 - 소프트 풋
소프트 풋(Foot)은 모터 또는 피구동 구성 요소의 장착 풋이 고르지 않거나 장착 풋이 놓이는 장착 표면이 고르지 않은 상태를 가리킵니다. 이 상태에서 풋의 장착 볼트를 조이면 새로운 변형과 정렬 불량이 발생하는 난처한 상황이 발생할 수 있습니다. 의자나 테이블이 평평하지 않으면 대각선 방향으로 흔들리는 것처럼 두 개의 대각선 위치에 있는 장착 볼트 사이에 소프트 풋이 나타나는 경우가 많습니다. 소프트 풋에는 두 가지 종류가 있습니다.
- 평행 소프트 풋 - 장착 풋 중 하나가 다른 세 풋보다 높은 위치에 있을 때 평행 소프트 풋이 발생합니다.
- 각도 소프트 풋 - 각도 소프트 풋은 장착 풋 중 하나가 장착 표면에 대하여 평행 또는 "정상"이 아닐 때 발생합니다.
두 경우 모두 기계 장착 풋 또는 풋이 놓이는 장착 기초에 불규칙성이 생겨서 소프트 풋이 발생할 수 있습니다. 어떤 경우든 소프트 풋 상태를 발견하고 해결해야 샤프트를 적절하게 정렬할 수 있습니다. 일반적으로 고품질 레이저 정렬 도구를 사용하여 회전 기계에 소프트 풋 문제가 있는지 여부를 결정할 수 있습니다.
영향: 기계 드라이브 구성 요소의 정렬 불량
측정 및 진단 계기: Fluke 830 레이저 샤프트 정렬 도구
중요도: 중간
12 - 파이프 변형
파이프 변형은 장비 및 인프라의 나머지 부분에 작용하는 새로운 응력, 변형 및 힘이 모터와 드라이브로 역방향으로 전달되어 정렬 불량 상태를 유발하는 상태를 말합니다. 가장 일반적인 예는 다음과 같이 배관에 힘이 가해질 수 있는 간단한 모터/펌프 조합입니다.
- 기초의 변화
- 밸브 또는 다른 구성 요소를 새로 설치
- 물체가 파이프에 부딪히거나 파이프를 구부리거나 단순하게 누르는 경우
- 파이프 행거 또는 벽면 장착 하드웨어가 파손되었거나 없음
이러한 힘은 펌프에 각도 또는 오프셋 힘을 가할 수 있으며, 이로 인해 모터/펌프 샤프트가 잘못 정렬될 수 있습니다. 이러한 이유로, 설치 시에만 그치지 않고 기계 정렬을 점검하는 것이 중요합니다. 정밀 정렬은 시간이 지나면서 변경될 수 있는 일시적인 상태입니다.
영향: 샤프트 정렬 불량 및 이후에 회전 구성 요소에 발생하는 응력으로 조기에 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke 830 레이저 샤프트 정렬 도구
중요도: 낮음
13 - 샤프트 전압
모터 샤프트 전압이 베어링 그리스의 절연 용량을 초과하면 외측 베어링에 플래시오버 전류가 발생하여 베어링 레이스에 피팅과 그루빙이 발생합니다. 베어링의 원래 형태가 사라지기 시작하고 금속 조각이 그리스와 혼합되어 베어링 마찰이 증가하면서 이 문제의 첫 번째 징후로 소음과 과열이 발생합니다. 이로 인해 모터 작동 후 몇 개월 내에 베어링이 파손될 수 있습니다. 베어링 고장은 모터 수리 및 가동 중지 시간 양쪽 모두에서 비용이 많이 드는 문제이기 때문에 샤프트 전압과 베어링 전류를 측정하여 이를 방지하는 것이 중요한 진단 단계입니다. 샤프트 전압은 모터가 통전되고 회전하는 동안에만 존재합니다. 카본 브러시 프로브를 부착하면 모터가 회전하는 동안 샤프트 전압을 측정할 수 있습니다.
영향: 베어링 표면에 아크가 발생하여 피팅과 플루팅이 생겨서 진동이 과도하게 발생하고 결과적으로 베어링에 고장이 발생합니다.
측정 및 진단 계기: Fluke MDA-550 시리즈 III 모터 드라이브 분석기
중요도: 높음
성공을 위한 네 가지 전략
모터 제어 시스템은 제조 플랜트 전체의 중요 공정에서 활용되고 있습니다. 장비에 고장이 발생하면 잠재적인 모터 또는 부품 교체 및 모터의 동력을 받는 시스템에 대한 장비 가동 중지 시간 양쪽에서 금전적 손실이 크게 발생할 수 있습니다. 유지보수 엔지니어와 기술자에게 올바른 지식을 제공하고, 작업 부하의 우선 순위를 정하고, 예방 유지보수를 관리하여 장비를 모니터링하고 간헐적이고 식별하기 어려운 문제를 해결하면 경우에 따라 정상적인 시스템 작동 응력으로 인한 고장을 피하고 전체적인 가동 중지 비용을 줄일 수 있습니다. 다음과 같이 네 가지 주요 전략을 수행하여 모터 드라이브 및 회전 구성 요소의 조기 고장을 복원하거나 방지할 수 있습니다.
- 작동 상태, 기계 사양 및 성능 공차 범위를 문서화합니다.
- 설치 시, 유지보수 전후, 그리고 정기적으로 중요한 측정값을 캡처하고 문서화합니다.
- 측정값에 대한 아카이브 참조를 만들어서 추세를 쉽게 분석하고 상태 조건 변화를 식별합니다.
- 개별 측정값에 대한 도표를 작성하여 기준선 추세를 수립합니다. +/-10% ~ 20%(또는 시스템 성능 또는 중요도에 따라 결정된 기타 %) 이상의 추세 라인 변화를 조사하여 근본 원인을 찾아서 문제가 발생하는 이유를 이해해야 합니다.