전동기 서비스팩터(과부하율)가 의미하는 것

Just what does motor service factor mean?

전동기 서비스팩터(과부하율)가 의미하는 것

 

In previous chapter we talked about the need to apply ac motors within the proper voltage and frequency range. A related topic that prompts frequent questions is the effect of ac motor service factor on selection and application.

 

앞 장에서 언급한 것처럼, 교류전동기에 가해지는 전압과 주파수는 적절한 범위 내에 있어야 한다. 이와 관련하여, 교류전동기를 선정할 때 자주 묻는 질문 중 하나는 서비스팩터의 영향에 관한 것이다.

 

Service factor is a multiplier that is applied to the motor’s normal horsepower rating to indicate an increase in power output (or overload capacity) that the motor is capable of providing under certain conditions. Common values of service factor are 1.0, 1.15, and 1.25. Any service factor greater than 1.0 must be indicated on the motor nameplate; in some cases the running current at service factor loading is also indicated on the nameplate as service factor amperes or SFA.

 

서비스팩터는 전동기 정격용량에 곱하는 계수로서, 특정 조건 아래에서 전동기가 제공할 수 있는 출력의 증가(또는 과부하 용량)를 나타낸다. 서비스팩터의 대표적인 값으로는 1.0, 1.15 및 1.25가 있다. 1.0보다 큰 서비스팩터는 반드시 전동기 명판에 표시해야 한다. 어떤 경우에는 서비스팩터 부하에서의 운전전류를 전동기 명판에 서비스팩터 전류(SFA)라는 항목으로 표시하기도 한다.

 

In the above description, it’s the “certain conditions” where problems may occur. The service factor is not intended as a general increase in the motor horsepower rating. In most cases, a 10-hp motor with a 1.15 service factor should not be treated as an 11.5-hp motor and is not considered acceptable for application to a pump or fan expected to operate continuously at 11 brake hp. Let’s examine the reasons for this.

 

위에서 언급한 “특정 조건”이라는 말은 문제의 소지가 있다. 서비스팩터는 전동기 정격 출력의 전반적인 증가를 뜻하지 않는다. 일반적으로, 1.15의 서비스팩터를 가진 10 마력의 전동기가 11.5 마력 전동기로 간주되지 않으며, 이 전동기를 연속적으로 11 마력의 축동력으로 운전되는 펌프나 팬에 사용해서는 안 된다. 그 이유를 알아보자.

 

Standard Operation 
표준 운전

In our earlier discussion, we indicated that the National Electrical Manufacturer’s Association (NEMA) standard for motors, NEMA MG-1, establishes the operating conditions required for proper performance and normal life expectancy of ac motors. Motors are designed to deliver their rated horsepower under voltage variations of ± 10% of rated and frequency variations of ± 5% of rated. The combined variation of voltage and frequency is limited to ± 10%. When operated within these limits, with shaft load at or less than rated, the motor current and winding temperatures will remain within rated values, and normal motor life can be expected.

 

앞에서 말한 것처럼, 전동기에 대한 미국전기기기제조자협회 표준NEMA MG-1은 교류전동기의 적절한 성능과 정상적인 예상수명에 필요한 운전조건을 규정하고 있다. 전동기는 정격을 중심으로 ±10 %의 전압변동과 ±5 %의 주파수변동 하에서 정격출력을 낼 수 있도록 설계된다.전압변동과 주파수 변동의 통합 변동은 ±10 % 이내로 제한된다. 이 범위 내에서 전동기가 정격 이하의 축 부하로 운전될 때, 전동기 전류와 권선온도는 정격치를 유지할 것이며 또한 정상적인 수명이 예상된다.

 

Service Factor Operation 
서비스팩터 운전

NEMA MG-1 also defines the limits for operation of an ac motor within the service factor range. The first of these is that rated voltage and frequency must be maintained — the normal tolerance on these values is lost. The loss of the frequency tolerance is usually an insignificant factor, as most facilities are connected to the utility grid and experience very stable frequency. Utility voltage, however, is not as stable as frequency and many facilities may experience occasional periods of low voltage during peak load periods due to utility voltage variation coupled with in-plant voltage drop. Under these conditions, a motor driving a load within its service factor rating may experience an unacceptable increase in current and temperature.

 

아울러 NEMA MG-1은 서비스팩터 범위내에서 교류전동기의 운전에 대해 규정하고 있다. 그 중 하나는 정격전압과 정격주파수를 반드시 유지하라는 것이다. 즉, 이들 값에 대한 정상적인 허용범위가 사라지게 된다.일반적으로, 주파수 허용범위는 큰 의미가 없는데, 왜냐하면 대부분의 시설들은 공공 전력망에 접속되어 주파수가 매우 안정적이기 때문이다.그러나 공공 전력망의 전압은 주파수만큼 안정적이지 못하며, 많은 시설들이 첨두부하시 전력망의 전압변동과 구내 전압강하로 인해 때때로 낮은 전압을 겪게 된다. 이런 조건하에서는, 전동기가 서비스팩터 용량 이하의 부하를 구동하더라도 그 전류와 온도는 허용되지 않는 값까지 상승할 수 있다.

 

Other considerations of operation in the service factor range directly affect motor life expectancy. The motor is permitted under the standard to operate at a 10˚C higher winding temperature rise under service factor load than under its normal rated load. The primary factor in normal aging and failure of electrical insulation is temperature, with a rough rule of thumb being that life expectancy is halved for each 10˚ increase in operating temperature. Thus, continuous operation at service factor load can be expected to a higher rate of motor failure due to insulation breakdown. The increased load may also reduce bearing life. Finally, the efficiency, power factor, and speed of the motor at service factor load may vary from their values at rated load. Efficiency can typically be expected to decrease.

 

서비스팩터 운전에서 고려해야 할 또 한 가지 사항은 그것이 전동기 예상수명에 영향을 미친다는 사실이다. NEMA 규정에 따르면, 전동기는 서비스팩터 부하에서는 정상적인 정격 부하에서보다 10 ˚C 더 높은 권선온도상승이 허용된다. 전기설비의 절연 열화와 고장의 주요 요인은 온도이고, 운전온도가 10 ˚C 증가할 때마다 그 수명이 대략 절반으로 줄어든다고 알려져 있다. 그러므로 서비스팩터 부하로 연속하여 운전할 경우, 절연파괴로 인해 전동기 고장률이 증가할 것으로 예상된다. 부하 증가는 또한 베어링 수명을 감소시킨다. 마지막으로, 서비스팩터 부하에서 전동기의 효율, 역률, 속도는 정격부하에서의 값과 달라질 수 있다. 특히 효율은 감소할 것으로 예상된다.

 

Limit Operation at SF Load 
과부하에서의 제한적 운전

With the above information in hand, it becomes apparent that relying on the service factor of the motor under continuous-duty conditions would be unwise in most cases. The appropriate use of this rating is to handle short-term or occasional overloads. It may also be suitable in situations where the supply voltage is stable and motor life expectancy is not a concern.

 

위와 같은 사실에 비추어, 전동기를 서비스팩터 부하로 연속 운전하는 것은 대부분의 경우 현명한 처사가 아니라는 점은 명백하다. 과부하 정격을 올바르게 사용하는 방법은, 단기적으로 또는 필요한 경우 일시적으로 과부하 운전을 하는 것이다. 게다가 이러한 과부한 운전은 공급 전압이 안정적이고 전동기 수명이 관심사가 아닌 상황일 때만 적합하다고 하겠다.

 

출처: Timothy Coyle, P.E. / tcoyle@hdrinc.com

        senior electrical engineer with HDR (Minneapolis).