대형 팬 모터, 모터 프레임에 접지할 수 없을 때

모터 프레임은 애초에 목표가 아니었습니다. 프레임에 붙일 수 없다면 다른 곳을 찾으면 되고, 그 다른 곳은 대개 브러시에서 손 뻗으면 닿는 거리에 있습니다.

대형 팬처럼 모터나 축이 커서 축전류 저감 장치를 모터 본체가 아닌 위치에 설치해야 하는 경우가 있습니다. 이때 프레임이 손에 닿지 않으니 가까운 접지선에 물리게 되는데, 그러면 효과가 잘 나지 않습니다. 왜 그런지부터 짧게 보겠습니다.

목표는 베어링 외륜이 앉은 구조물입니다

인버터 구동 모터에서 정전 결합이 만드는 것은 회전자와 프레임 사이의 전위차입니다. 외부 접지 기준과의 전위차가 아닙니다. 그 전위차가 베어링을 사이에 두고 걸리기 때문에 내륜과 외륜 사이에서 방전이 일어납니다.

그래서 저감 장치가 할 일은 대지로 전류를 빼는 것이 아니라, 축과 「베어링이 앉아 있는 쇳덩어리」의 전위를 맞춰 주는 것입니다. 전류가 베어링을 건너뛰고 브러시로 지나가게 만드는 지름길이죠. 멀리 있는 접지 단자함은 이 조건을 만족하지 않습니다. 게다가 긴 둥근 전선은 고주파에서 임피던스가 크게 올라가 지름길 구실을 못 합니다.

뒤집어 말하면, 모터 프레임이 특별해서 거기에 붙였던 것이 아닙니다. 일반적인 모터에서는 베어링이 프레임에 들어 있으니 프레임이 곧 목표였을 뿐입니다. 베어링이 다른 곳에 있으면 목표도 그리로 옮겨 갑니다.

쇠로 이어졌나, 전선으로 이어졌나

모터 프레임에 붙일 수 없어 가까운 다른 구조물을 쓰는 경우, 거기에 접지선이 물려 있으면 안심하기 쉽습니다. 그런데 판단 기준은 접지 여부가 아닙니다. 그 구조물이 베어링 하우징과 어떻게 이어져 있느냐입니다.

볼트로 이어진 같은 쇳덩어리라면 좋습니다. 모터 프레임보다 나을 수도 있습니다. 강재는 어떤 케이블보다 넓고 두꺼워 고주파 임피던스가 낮기 때문입니다. 이때 접지선이 물려 있다는 사실은 판단과 무관합니다. 그것은 안전 접지의 몫이고, 여기서 필요한 것은 등전위입니다. 우연히 같은 쇳덩어리였을 뿐입니다.

반대로 전선으로만 이어져 있다면 소용이 없습니다. 전류는 편조선을 지나 그 구조물까지 잘 가다가, 거기서부터 접지선을 타고 몇 미터를 돌아 모터로 돌아옵니다. 편조선으로 얻은 것이 그 구간에서 사라집니다.

게다가 이때는 축전류를 건물 접지망에 밀어 넣게 됩니다. 그 전류는 접지망을 타고 다른 장비 쪽으로 흘러갑니다. 내 모터를 지키려다 옆 설비에 노이즈를 보내는 셈입니다.

현장에서 가장 흔한 오판이 「이 프레임은 접지돼 있으니 괜찮겠지」입니다. 접지선이 물려 있다는 사실이 오히려 판단을 흐립니다.

• 브러시 접점에서 베어링 하우징까지 전선을 거치지 않고 볼트로 이어진 금속 경로를 짚어 갈 수 있는가
• 도장이나 녹이 낀 플랜지 접합부는 금속 연속성을 끊을 수 있으니 의심할 것
• 같은 기초·같은 스키드면 대개 괜찮고, 다른 기초나 다른 층이면 의심할 것
• 직류 도통 시험은 참고만. 가늘고 긴 점퍼선도 밀리옴으로는 멀쩡하게 나오지만 고주파는 다른 얘기입니다

어디에 붙이나 — 순서대로

1. 가장 가까운 베어링 하우징·페데스탈. 팬 축에 브러시를 달았다면 그 축을 받치는 베어링 하우징이 목표입니다. 대개 브러시 브래킷 바로 옆에 있고, 딸려 온 편조선 길이가 대체로 여기에 맞습니다.
2. 구조물 자체를 도체로 씁니다. 베이스 프레임이나 페데스탈 같은 강재는 어떤 케이블보다 넓고 두껍습니다. 고주파에는 훨씬 좋은 길입니다. 짧게 올라타기만 하면 나머지는 구조물이 옮겨 줍니다.
3. 모터와 팬의 구조물을 따로 이어 줍니다. 둘이 공통 베이스에 앉아 있지 않거나 커플링이 절연체라면 두 구조물 사이에 전위차가 생깁니다. ABB의 기술 문서도 모터와 피구동 기계의 프레임 전위를 맞춰 양쪽 베어링을 지나는 전류 경로를 단락시키라고 권고합니다.
4. 거리를 어쩔 수 없다면 두 가닥을 나란히, 사이를 띄워서. 편조선 두 개를 병렬로 쓰면 인덕턴스가 절반이 됩니다. 다만 서로 붙여 놓으면 효과가 없으니 떨어뜨려 배치합니다. 차선책이지 정석이 아닙니다.

공통으로 지킬 것은 짧게, 넓게, 금속 대 금속입니다. 도장면이나 녹 위에 조이면 그 지점이 새로운 임피던스가 되므로 접촉부는 도장을 벗기고 체결합니다.

대형 모터는 설계 단계의 답이 하나 더 있습니다

업계 시방에서는 100마력을 넘는 모터에 대해 반부하측 베어링을 절연하고 부하측에 저감 장치를 다는 방식을 권합니다. 한쪽 길을 아예 끊어 놓고 남은 한쪽만 관리하는 접근입니다. 대형 팬 모터는 대개 여기에 해당합니다.

이 방법은 이미 돌아가는 설비에 나중에 적용하기가 어렵습니다. 베어링을 절연품으로 바꾸려면 분해가 따르기 때문입니다. 그래서 새로 도입하거나 정비 주기에 모터를 내리는 시점이 판단하기 좋은 때입니다. 서보 모터에서도 같은 이유로 제작 단계 설치가 유리하다는 점을 다룬 적이 있는데, 이유는 같습니다. 공간과 접근성이 나중에는 줄어듭니다.

현장에서 확인할 것

• 편조선이 브러시 근처 구조물에서 끝나는지, 아니면 멀리 돌아 나가는지
• 그 구조물이 브러시가 접촉한 축을 받치는 베어링과 같은 쇳덩어리인지
• 체결부에 도장이나 녹이 낀 채 조여져 있지 않은지
• 커플링이 절연체인지 (수지제·타이어형이면 두 구조물이 전기적으로 끊겨 있습니다)
• 경로에 유연 전선관 구간이 있는지 (임피던스가 들쭉날쭉해집니다)

확인은 축전압을 재 보는 것이 빠릅니다. 장치를 달았는데도 축전압이 여전히 높다면 장치보다 연결 지점을 먼저 의심할 일입니다. 베어링을 열어 볼 기회가 있다면 프로스팅이나 플루팅 여부로 전기적 손상인지 가릴 수 있습니다.

※ 이 글의 권고는 제조사·기관의 설치 지침에 근거합니다 — ABB Technical Guide No.5: Bearing Currents in Modern AC Drive Systems, Electro Static Technology High-Frequency Bonding for Inverter-Driven Motors and Systems(2016) 및 동사 시방 지침, MIL-STD-464C. 실측 논문이 아니라 설계·시공 지침 문서입니다.