진동 센서 없이 전류만으로 모터 고장을 알 수 있나요?

진동 분석으로 모터 상태를 보려면 베어링마다 센서를 붙이거나 사람이 측정기를 들고 설비 옆까지 가야 합니다. 그래서 「전기실에서 전류만 재서 같은 걸 알 수 없느냐」는 질문이 나옵니다.

답은 잘 잡는 고장과 놓치기 쉬운 고장이 갈린다입니다. 전류 분석은 진동 분석을 대신하는 방법이 아니라, 진동이 약한 자리를 맡고 진동이 강한 자리는 진동에 맡기는 방법입니다.

전류 분석은 표준으로 정해진 진단 방법입니다

운전 중인 모터의 전압·전류를 분석해 상태를 진단하는 방법은 국제표준 ISO 20958(기계 시스템의 상태 감시와 진단 — 3상 유도전동기의 전기 신호 분석)로 정해져 있습니다. 2013년에 나와 2023년에 다시 확인된 현행 표준이고, 대상은 3상 유도전동기입니다.

모터 전류에 회전자·고정자·베어링의 상태가 각각 정해진 주파수로 섞여 나온다는 원리와 결함별 주파수는 스마트 모터 진단 시스템에 정리해 두었습니다. 이 글은 그 원리가 현장에서 어디까지 통하는지를 다룹니다.

전류가 잘 잡는 것 — 회전자와 전기 쪽

고장	전류로 잡히는 이유
회전자 바 균열 · 파손	회전자 자기장이 비대칭이 되어 전원 주파수 양옆에 측대역 성분이 생깁니다
공극 편심	회전자와 고정자 사이 간격이 고르지 않으면 자기장이 흔들려 특정 주파수가 커집니다
고정자 권선 이상 · 전원 불평형	전류와 전압 자체의 불평형으로 나타납니다. 진동 센서로는 원인이 전기 쪽인지 알기 어렵습니다

이 고장들은 자기장 자체를 바꾸기 때문에 전류에 직접 나타납니다. 진동 센서는 그 결과로 생긴 떨림을 보는 것이라 한 단계 떨어져 있습니다.

회전자 바와 공극 편심은 전류 분석이 가장 오래 쓰여 온 영역입니다. 이 분야를 정리한 IEEE 전문서는 이 두 고장을 전류로 진단한 산업 현장 사례 50건을 담고 있는데, 진단이 맞지 않았던 사례도 따로 실었습니다. 잘 맞는 영역이지만 모든 모터에서 맞는 것은 아니라는 뜻입니다.

전류가 약한 것 — 베어링 초기 손상

베어링은 사정이 다릅니다. 베어링 결함은 축을 아주 조금 흔들어 공극을 미세하게 바꾸는 만큼만 전류에 실립니다. 진동 센서는 그 충격을 베어링 바로 옆에서 받지만, 전류에는 한 번 걸러진 작은 흔적만 남습니다.

여러 결함 베어링으로 실험한 연구는 전류에서 베어링 결함 주파수를 찾는 것이 진동에서 찾는 것보다 훨씬 어렵다고 결론 내렸습니다. 특히 내륜 결함은 전류에서 특징을 찾기가 매우 어려웠고, 같은 베어링이라도 설치 상태에 따라 결과가 달라 민감도를 정하기 어렵다고 했습니다.

그래서 전류 분석 장비가 「베어링 이상」을 알려 줄 때는 이미 손상이 어느 정도 진행된 경우가 많다고 보는 것이 안전합니다. 베어링이 가장 중요한 설비라면 진동 측정을 빼지 않는 편이 맞습니다.

그래서 어떻게 나눠 쓰나

이런 경우	맞는 방법
펌프·팬처럼 대수가 많은 일반 설비	전류 — MCC 판넬에서 차례로 재서 의심 설비를 먼저 가려냄
수중 펌프, 터널 배기 팬, 높은 곳처럼 사람이 가기 어려운 설비	전류 — 설비에 다가가지 않고 전기실에서 잼
회전자나 전원 쪽이 의심되는 설비	전류
멈추면 손실이 큰 설비의 베어링	진동을 함께 — 전류로 넓게 보고 진동으로 깊게 봄

정리하면 전류로 넓게 훑어 이상한 설비를 고르고, 고른 설비를 진동으로 자세히 보는 순서입니다. 들고 다니며 재는 휴대형 모터 진단 장비가 앞쪽 일을 맡습니다.

인버터로 돌리는 설비는 한 가지를 더 봐야 합니다. 모터 전류만 보면 이상이 모터에서 왔는지 인버터나 공급 전원에서 왔는지 가르기 어렵습니다. 상시형 모터 진단 장치가 인버터 입력과 출력을 함께 재는 이유입니다.

베어링이 같은 자리에서 반복해 상한다면

진동이든 전류든 베어링이 상했다는 것을 알려 줄 뿐 왜 상했는지까지 말해 주지는 않습니다. 인버터 설비에서 베어링이 되풀이해 상한다면 축전류를 의심해 볼 차례이고, 그 확인은 축전압 측정으로 합니다. 원인을 두고 베어링만 바꾸면 같은 비용이 되풀이됩니다.

근거: ISO 20958:2013 Condition monitoring and diagnostics of machine systems — Electrical signature analysis of three-phase induction motors(2023 재확인). W. T. Thomson, I. Culbert, Current Signature Analysis for Condition Monitoring of Cage Induction Motors: Industrial Application and Case Histories, Wiley-IEEE Press, 2017. R. R. Obaid, T. G. Habetler, J. R. Stack, 「Stator current analysis for bearing damage detection in induction motors」, IEEE SDEMPED 2003, pp. 182–187, DOI 10.1109/DEMPED.2003.1234570. T. G. Habetler 외, 「Complete current-based induction motor condition monitoring: stator, rotor, bearings, and load」, IEEE CIEP 2002, pp. 3–8, DOI 10.1109/CIEP.2002.1216628.