순간적인 전압강하(Voltage Sag)는 짧게는 몇 밀리초, 길어야 몇 초밖에 되지 않지만, 유도전동기에는 상당한 충격을 줄 수 있습니다. 전동기 내부에서는 토크 손실, 속도 저하, 과전류, 보호장치 오작동 등 연쇄적인 반응이 발생합니다.
사례: 0.3초 전압강하로 멈춘 컨베이어
캘리포니아의 식품 포장 공장에서 컨베이어가 갑자기 멈췄습니다. 조사 결과, 단 0.3초간의 전압강하로 인해 모터의 토크가 줄었고, 과부하 릴레이가 작동해 라인이 정지된 것이었습니다.
15분간 생산 중단 → 수천 달러 손실 발생
전압강하란?
전압강하(Sag)는 RMS 전압이 순간적으로 70~90% 수준으로 떨어지는 현상이며, 지속 시간은 수 밀리초 ~ 수 초입니다.
- 대형 모터 기동
- 배전선 사고
- 계통 스위칭
- 낙뢰 또는 설비 이상
전압강하가 유도전동기에 미치는 영향
1. 토크 감소
전동기의 토크는 전압의 제곱에 비례하므로:
토크 ∝ 전압²예: 전압이 80%로 떨어지면 토크는 64% 수준으로 감소
2. 과전류 발생
토크가 줄면 모터는 속도를 유지하려고 전류를 더 끌어다 씀
- 과열
- 릴레이 트립
- 배선 열화
3. 슬립 증가, 속도 감소
속도가 떨어지며 슬립이 증가 → 진동, 불안정 운전, 정지 위험
4. 보호장치 오작동
릴레이, 인버터, 컨트롤러가 전압강하를 “고장”으로 인식 → 불필요한 정지 발생
5. 열 스트레스 및 절연 손상
짧은 시간 과전류 → 발열(I²R 손실) → 코일, 절연, 베어링 열화
6. 재기동 시 과부하
정지된 모터 재기동 시 → 6~8배 전류 유입 → 차단기 트립 또는 2차 전압강하 발생
사례: 재기동 동시 작동으로 전체 설비 정지
한 음료공장에서 1초간 전압강하 → 5대 모터 동시 정지 → 순간 재기동 시 과전류 발생 → 메인 차단기 트립 → 40분간 생산 중단
전압강하 영향을 받은 모터의 증상
- 순간적 느려짐, 멈춤
- 예기치 않은 정지
- 과전류 경보
- 부하 증가 없이 발열
- 인버터 오류 또는 저전압 메시지
예방 전략
- 전압 감시 릴레이 설치
- Ride-through 기능 있는 인버터 사용
- 보호장치 지연 설정
- 전압 강하 내성 있는 소프트스타터 사용
- DVR(동적 전압 복원장치) 또는 리액터 적용
- 제어계통 UPS 백업
순간적인 전압 강하는 전동기 입장에선 **"순간적으로 힘이 빠진 상황"**입니다.
이로 인해 다음과 같은 요소별 문제가 생깁니다:
1. 토크 감소 (Torque Drop)
- 유도전동기의 토크는 전압의 제곱에 비례합니다.
→ T ∝ V²
예: 전압이 90%로 떨어지면
→ 토크는 (0.9)² = 81% 수준으로 감소
왜 문제냐?
→ 전동기가 부하를 이길 수 있는 힘이 줄어듦 → 속도 떨어짐, 진동, 심하면 멈춤
실제 사례:
공장의 컨베이어가 순간 정지 → 제품 손상 → 재가동 지연
2. 전류 증가 (Overcurrent)
전압이 낮아지면 전동기는 속도를 유지하려고 더 많은 전류를 끌어다 씁니다.
→ 전류가 과도하게 증가하면:
- 전선/모선 발열
- 보호장치 오작동
- 차단기 또는 서멀릴레이 작동 가능성 ↑
실제 사례:
에어컴프레서 운전 중 전압 강하 → 과전류 → 서멀릴레이 차단 → 생산 라인 정지
3. 슬립 증가 (Slip Increase)
슬립(Slip)이란, 고정자 회전자 간 속도 차이입니다.
전압 강하 → 토크 약화 → 모터가 부하를 못 이김 → 회전속도 ↓
→ 슬립 ↑
→ 효율 낮아짐, 과열 발생 가능
결과적으로:
회전자가 더 뒤처지면서 진동 증가, 과열, 소음 등 동반
4. 회전속도 저하 또는 정지 (Speed Loss or Trip)
전동기가 어느 정도 이상의 하중을 견디지 못하면:
- 속도가 서서히 줄거나
- 급격히 줄면서 보호장치에 의해 정지(Trip)
특히 모터 기동 후 일정시간 이내일수록 위험
실제 사례:
펌프 운전 중 순간 전압강하 발생 → 속도 저하 → 유량 급감 → 설비 압력 불안정
5. 기동 실패 또는 재기동 시 과부하 (Restart Issues)
순간 전압강하 후 모터가 멈췄다면:
- 재기동 시 순간 기동전류(5~8배) 흐름
- 전압이 회복되지 않은 상태라면 기동 실패하거나 과부하 발생
추가 위험:
여러 모터가 동시에 다시 기동 → 전력계통에 2차 충격
6. 설비 보호장치 오작동 (False Trips or Delays)
- 전압이 순간 떨어지면, 과전류가 일시적으로 발생
- 리미트스위치, 릴레이, 인버터가 **“오작동”**할 가능성 ↑
- 특히 민감한 인버터/PLC 제어 계통은 꺼질 수 있음
실제 사례:
순간 전압강하로 압축기용 인버터 정지 → 냉각수 공급 실패 → 전체 설비 열정지
7. 열 축적 및 절연 손상 가능성 (Thermal Stress)
전압강하 → 전류 증가 → 전기 저항에 의한 발열 증가
이게 반복되면?
- 절연 열화
- 모터 수명 단축
- 권선 열화 → 고장 가능성 ↑
8. 동기화 손실 (Loss of Synchronism)
대형 기계 또는 동기식 전동기/발전기와 연결된 경우,
전압강하로 동기화(Synchronism)가 깨질 수 있음
→ 이탈, 진동, 급격한 전류 불균형 등 위험 요소 발생
9. 생산성 저하 & 연쇄 정지 (Downtime Chain Reaction)
순간 정지로 인한 피해는 단일 장비 이상입니다.
- 한 대의 모터 정지
→ 라인 전체 중단
→ 생산 지연
→ 비용 손실
10. 보완대책이 없다면 반복 피해
전압강하는 일시적일 수 있지만,
설비는 매번 손상을 누적시킵니다.
→ 정기적으로 보호장치 점검 필요
→ 순간전압강하 대응 장치 필요 (예: AVR, UPS, 전압 유지 보상 장치)
결론 요약 (한눈에 보기)
| 토크 감소 | 전압이 낮으면 토크도 줄어들어 부하 감당 못함 |
| 전류 증가 | 속도 유지 위해 전류 급증 → 과열, 보호장치 작동 |
| 슬립 증가 | 효율 저하, 회전속도 불안정, 진동 증가 |
| 속도 저하 | 설비 성능 저하, 경우에 따라 정지 발생 |
| 재기동 과부하 | 일괄 기동 시 전력계통에 무리 |
| 보호장치 오작동 | 릴레이, 인버터 등이 과민하게 반응 |
| 열 손상 | 누적 발열로 절연 열화 위험 |
| 동기 손실 | 대형 설비에선 시스템 불안정 초래 |
| 생산성 저하 | 설비 정지 → 생산 중단 → 금전적 손실 |
| 반복 피해 | 전압강하 대응 장치 미설치 시 장기적 문제 축적 |