6개월 후, 모터가 굉음을 내며 멈춥니다. 주 생산 라인을 구동하던 200마력 장치가 고장 났습니다. 권선은 검게 변하고, 절연체는 부스러졌으며, 고정자 하우징은 마치 산업용 화장터처럼 여전히 열기를 내뿜고 있습니다. Class 20 과부하 계전기는 살인이 벌어지는 것을 지켜봤지만, 아무런 조치도 취하지 않았습니다.
6개월 전, 모터를 보호할 수 있는 계전기 등급 대신 가장 많은 시간을 주는 등급을 선택했기 때문입니다.
어떻게 $200 구성 요소 결정이 $50,000 이상의 재앙으로 변할 수 있을까요? 그 답은 대부분의 엔지니어가 모르는 사이에 고장을 방지하는 대신 고장 조건을 만드는 모터 보호 장치를 지정하는 이유를 밝혀줍니다.
“보수적인” Class 20 선택이 Class 10보다 모터를 더 빨리 파괴하는 이유
콜드 스타트 킬러는 대부분의 엔지니어가 고려하지 않는 열 물리학을 이용합니다. 주말 동안의 셧다운 후, 모터 권선은 차갑습니다. 즉, 정상적인 고온 작동 시보다 동일한 온도에 도달하기 전에 10-20% 더 많은 전류를 흡수할 수 있습니다. 시운전 중에 측정한 8초의 시작 시간? 월요일 아침의 현실을 위해 1-3초를 더하십시오. 여기서 무기가 작동합니다. Class 20은 모터가 열 파괴에 도달하는 데 최대 20초를 제공합니다. Class 10은 4-10초 안에 트립됩니다. 엔지니어는 접촉기에서는 반올림하고 피자 토핑에서는 반올림하는 것을 좋아합니다. 하나가 다른 것보다 더 잘 작동합니다.
모터 절연체는 잔인한 수학을 따릅니다. 한계 이상으로 10°C 상승할 때마다 절연 수명이 절반으로 줄어듭니다. 600% 시동 전류에서 그 “보수적인” 20초 창은 사형 선고가 됩니다. I2t 관계는 귀하의 공학 학위에 관심이 없습니다. 손상 ∝ I2 × t. 마침표. 600% 전류(정상 가열의 36배)에서 대부분의 산업용 모터에서 열 손상이 발생하기 전에 약 12초가 남습니다. 이는 Class 20의 트립 창 내에 있지만 Class 10의 더 빠른 응답으로 안전하게 보호됩니다.
고장난 모터를 열면 증거가 이야기를 들려줍니다. 산업적 외상을 겪은 것처럼 보이는 권선, 손상된 절연체, 한계를 넘어 응력을 받은 구리 도체. Class 20 계전기는 안전 한계를 넘어 온도가 상승하는 것을 12초 이상 동안 지켜보면서 ‘시간이 충분히 남았다'고 생각했습니다. 모터의 열 예산이 먼저 소진되었습니다.
열 예산: 모터가 생각보다 시간이 적은 이유
고등학교 물리 선생님은 열 예산에 대해 언급하지 않았지만, 이는 모터 보호에서 가장 중요한 방정식입니다. 이를 수표 계좌처럼 생각하십시오. 모터의 온도 제한을 초과하는 모든 정도는 유한한 계좌에서 인출되는 것을 나타냅니다. Class 10 보호는 잔액을 모니터링하고 초과 인출 전에 인출을 중지합니다. Class 20은 최대 20초 동안 무제한 지출을 제공한 다음 계좌가 0에 도달하면 놀란 척합니다.
전류-시간 관계는 선형 직관에 어긋납니다. 200% 전류에서 열 손상이 발생하기 전에 몇 분이 남습니다. 400% 전류에서는 아마도 30초가 남습니다. 600% 시동 전류에서는 약 12초가 남습니다. I2t 보호 모델은 공학적 직관에 관계없이 적용됩니다. ∫(I2 – 1)dt가 열 한계에 도달하면 절연 파괴가 시작됩니다. 대부분의 엔지니어는 “20초”를 보고 “보수적”이라고 생각합니다. 모터는 600% 전류를 보고 비상 열 프로토콜을 시작합니다.
10°C 세금은 눈치채지 못하는 사이에 열 예산을 훔칩니다. 40°C 주변 온도 이상으로 10°C 상승할 때마다 모터 용량과 계전기 감도가 모두 감소합니다. 오후 중반까지 60°C에 도달하는 제어판? 손을 떼게 만들 정도로 뜨겁습니다. 25A 접촉기의 용량을 7암페어 빼앗을 정도로 뜨겁습니다. 열 응력이 최고조에 달할 때 보호 격차가 정확히 넓어집니다. 10°C 세금이 모터 권선에서 징수됩니다.
모터 고장을 방지하는 과부하 계전기 등급을 선택하는 5단계 방법
1단계: 모터의 실제 열 예산 계산
명판 낙관론이 아닌 실제 열 제한부터 시작하십시오. Class F 절연이 적용된 일반적인 NEMA Design B 모터의 경우 600% 고정자 구속 전류에서 약 12-15초 후에 열 손상이 발생합니다. 그러나 대부분의 엔지니어가 놓치는 현실은 차가운 권선이 온도 제한에 도달하기 전에 10-20% 더 많은 전류를 흡수한다는 것입니다. 측정된 8초의 시작 시간은 월요일 아침 재시작 시 9-11초가 됩니다.
전문가 팁 #1: 콜드 스타트 승수: 차가운 모터 권선은 뜨거운 모터보다 시동 시 10-20% 더 많은 전류를 흡수합니다. 시운전 중에 측정한 8초의 시작 시간? 월요일 아침의 현실을 위해 1-3초를 더하십시오. 계산 결과 열 손상까지 10초가 걸리는 것으로 나타나면 Class 20의 20초 창은 보수적인 것이 아니라 파괴적입니다.
실제 조건을 고려하십시오. 높은 관성 부하는 시작 시간을 연장하고, 낮은 전압은 시작 시간을 연장하고, 차가운 주변 온도는 시작 시간을 연장합니다. 실제 변수에 대해 20% 안전 여유를 적용하십시오. 모터가 안전한 가속을 위해 10초가 필요하고 열 손상이 12초에 발생하면 Class 10의 4-10초 창이 보호를 제공합니다. Class 20의 6-20초 창은 파괴 위험이 있습니다.
2단계: 트립 시간을 열 손상 곡선에 매핑
조정 분석은 간단합니다. 모터 열 손상 곡선을 계전기 트립 특성과 겹쳐 놓습니다. 600% 전류에서 12초의 열 손상 시간이 있는 일반적인 200마력 모터(460V 시스템의 경우 240-250A FLA)의 경우 보호 요구 사항이 명확해집니다. Class 10은 4-10초 동안 트립을 제공합니다. 이는 열 손상 전에 일관되게 발생합니다. Class 20은 6-20초를 허용합니다. 때로는 보호적이고 때로는 파괴적입니다. “때로는”은 보호 전략이 아닙니다.
전문가 팁 #2: 600% 규칙: 항상 모터 고정자 구속 시간 기능이 계전기 등급 제한과 10% 여유를 초과하는지 확인하십시오. 모터가 600% 전류에서 12초 동안 생존하면 Class 10은 4-10초를 제공합니다. Class 20은 6-20초를 제공합니다. 최대 시간을 제공하는 것이 아니라 열 손상 전에 트립되는 등급을 선택하십시오.
그러나 여기서 좋은 엔지니어와 훌륭한 엔지니어를 구분하는 반직관적인 진실이 있습니다. 더 빠른 보호는 종종 더 많은 성가신 트립이 아닌 더 적은 성가신 트립을 의미합니다. 보호가 빠르고 예측 가능하게 작동하면 실제 작동 조건에 더 가깝게 설정을 최적화할 수 있습니다. Class 20의 넓은 창은 모터를 죽이는 가끔의 늦은 트립을 피하기 위해 보수적인 설정을 강요합니다. Class 10의 일관되고 빠른 작동은 보호와 작동 효율성 모두를 위한 최적화를 가능하게 합니다.
3단계: 숨겨진 보호 요구 사항 고려
단상 감지는 NEMA와 IEC 보호 철학 간의 가장 중요한 숨겨진 차이점을 나타냅니다. IEC 60947-4-1:2020은 Class 10 계전기가 130% 전류에서 10분 이내에 단상 조건을 감지하고 대응하도록 규정합니다. NEMA ICS 2-223:2023은 Class 20 계전기에 대한 단상 감지를 요구하지 않습니다. 단상으로 인해 3분 이내에 모터가 파괴되는 펌프, 냉각기 및 팬 응용 분야에서 그 “보수적인” Class 20 선택은 Class 10이 자동으로 포착하는 고장 모드를 만듭니다.
전문가 팁 #3: 단상 사각지대: NEMA Class 20 계전기는 단상 감지를 요구하지 않습니다. IEC Class 10은 요구합니다. 펌프 및 냉각기 응용 분야에서 단상으로 인해 3분 이내에 모터가 파괴될 수 있습니다. 그 “보수적인” Class 20 선택은 Class 10이 자동으로 포착하는 고장 모드를 만듭니다.
환경적 디레이팅은 가장 필요한 경우 보호 기능을 감소시킵니다. 10°C 세금은 모터와 계전기 모두에 적용됩니다. 약 40°C 주변 온도 이상으로 10°C 상승할 때마다 계전기 감도가 2-6% 감소합니다(제조업체에 따라 다름). 여름 오후 동안 60°C에 도달하는 제어판? 25A Class 20 계전기는 21-23A 유효 용량에 더 가깝게 작동하는 반면 모터는 여전히 최대 부하에서 24A를 요구합니다. 열 응력이 최고조에 달할 때 보호 격차가 넓어집니다.
응용 분야의 실제 고장 모드에 대해 선택 사항의 품질을 확인하십시오. 높은 관성 부하는 더 느린 보호가 아닌 더 빠른 보호가 필요합니다. 빈번한 시작 주기는 넓은 창이 아닌 예측 가능한 트립 시간이 필요합니다. 중요한 응용 분야에는 전자 IEC 계전기가 제공하는 고급 기능이 필요합니다. 접지 오류 감지, 위상 불균형 보호, 시작 이력을 고려한 열 모델링. 물론 금요일 오후 4시 45분에 고장이 발생했습니다. 이는 10°C 세금 인출이 일주일 동안 지속된 후 열 예산이 마침내 고갈되었을 때입니다.
보호 속도에 대한 이해는 모터 살인을 방지합니다.
콜드 스타트 킬러에 대한 이해는 모터 살인을 방지합니다. 열 예산 매핑은 절연 파산을 방지합니다. 느린 속도의 잘못된 보안을 피하면 치명적인 고장을 방지할 수 있습니다. 다음에 지정하는 과부하 계전기는 모터를 보호하거나 모터가 스스로 파괴되는 동안 잘못된 보안을 제공합니다. 차이점은 계전기 가격이 아니라 더 빠른 보호가 종종 더 안전한 작동을 의미한다는 것을 이해하는 것입니다.
Class 10 대 Class 20 결정은 트립을 조사하라는 문자 메시지를 받는지 아니면 생산이 중단되었다는 새벽 2시 긴급 전화를 받는지 결정합니다. 파괴가 펼쳐지는 것을 지켜볼 시간이 가장 많은 등급이 아니라 열 손상이 발생하기 전에 트립되는 등급을 선택하십시오. 모터의 열 예산은 유한합니다. 현명하게 사용하십시오. 그렇지 않으면 콜드 스타트 킬러가 이자를 붙여 빚을 징수할 것입니다.
전문가 팁 #4: 온도 디레이팅 함정: 약 40°C 주변 온도 이상으로 10°C 상승할 때마다 과부하 계전기의 용량이 2-6% 감소합니다(제조업체에 따라 다름). 오후에 60°C에 도달하는 제어판? 25A Class 20 계전기는 21-23A 유효 용량에 더 가깝게 작동할 수 있습니다. 그러나 모터는 여전히 24A를 소비하고 있습니다. 수학이 맞지 않고 모터는 빌린 시간으로 살고 있습니다.
모터 보호는 시간이 가장 긴 등급을 선택하는 것이 아니라 모터의 열 예산이 생각보다 빨리 소진된다는 것을 이해하는 것입니다. 특히 10°C 세금과 콜드 스타트 킬러가 함께 작동할 때 그렇습니다. Class 10 보호는 열 예산을 감시하고 초과 인출 전에 인출을 중지합니다. Class 20은 계좌가 비워지고 모터가 죽을 때까지 무제한 지출을 제공합니다. 다음 $50,000 모터 살인을 방지하는 선택은 열 예산을 무시하는 것이 아니라 존중하는 선택입니다.
