3단 스피드 선풍기 모터의 정상 및 고정 운전에 대한 전압, 전류 및 온도 신호 분석 Analysis on the Voltage, Current and Temperature Signals for Free and Locked Operation of Three Speed Electric Fan원문보기
본 논문은 선풍기 모터의 회전을 정상 및 고정상태로 구분하여 주권선에서의 전압 및 전류, 모터 전체의 온도특성을 분석하여 전기화재 위험성을 제시하는 것을 목표로 하고 있다. 전압과 전류 신호에 대하여, 전압의 경우 정상상태와 고정상태에 대하여 큰 차이점은 없었으며, 전류의 경우는 비정상상태(최대 203 mA)보다 정상상태(최대 309 mA)가 상당히 높았다. 온도신호의 경우, 모터 전반에 있어서 온도 분포도가 다르게 나타났으며, 정상상태의 경우는 $4^{\circ}C$, 고정상태는 $18^{\circ}C$ 차를 보였다. 특히 대부분의 선풍기의 전기배선이 모터의 고정자철심에 부착되어 있었으며 해당전선의 허용온도가 $60^{\circ}C$를 감안했을 때에 절연열화가 가속될 수 있다. 또한 본 데이터는 선풍기 안전장치개발의 기초자료나 전기화재에 대한 조사 자료로 활용할 수 있다.
본 논문은 선풍기 모터의 회전을 정상 및 고정상태로 구분하여 주권선에서의 전압 및 전류, 모터 전체의 온도특성을 분석하여 전기화재 위험성을 제시하는 것을 목표로 하고 있다. 전압과 전류 신호에 대하여, 전압의 경우 정상상태와 고정상태에 대하여 큰 차이점은 없었으며, 전류의 경우는 비정상상태(최대 203 mA)보다 정상상태(최대 309 mA)가 상당히 높았다. 온도신호의 경우, 모터 전반에 있어서 온도 분포도가 다르게 나타났으며, 정상상태의 경우는 $4^{\circ}C$, 고정상태는 $18^{\circ}C$ 차를 보였다. 특히 대부분의 선풍기의 전기배선이 모터의 고정자철심에 부착되어 있었으며 해당전선의 허용온도가 $60^{\circ}C$를 감안했을 때에 절연열화가 가속될 수 있다. 또한 본 데이터는 선풍기 안전장치개발의 기초자료나 전기화재에 대한 조사 자료로 활용할 수 있다.
This paper is aimed to find electrical fire danger for analyzing the characteristics of temperature, current and voltage signals for motor on electric fan. In order to attain this purpose, detected were the temperature, current and voltage signals on electric wire with free (normal state) and locked...
This paper is aimed to find electrical fire danger for analyzing the characteristics of temperature, current and voltage signals for motor on electric fan. In order to attain this purpose, detected were the temperature, current and voltage signals on electric wire with free (normal state) and locked (abnormal state) motor. For voltage and current signals, voltage signal is no big difference with normal and abnormal states and current signal is higher in abnormal state (highest 309 mA) than the normal state (highest 203 mA). In the case of Temperature signal, the temperature distribution of the motor as a whole is different. It is difference in the case of the normal state $4^{\circ}C$ and the abnormal state $18^{\circ}C$. In particular, most of the electric wiring to the motor of the fan is attached to the fixture of motor back. Considering at allowable temperature ($60^{\circ}C$) of the electric wire could be accelerated to insulation deterioration. The results of this study will be effectively used in analyzing for electric fire and developing the preventive devices of electric fan.
This paper is aimed to find electrical fire danger for analyzing the characteristics of temperature, current and voltage signals for motor on electric fan. In order to attain this purpose, detected were the temperature, current and voltage signals on electric wire with free (normal state) and locked (abnormal state) motor. For voltage and current signals, voltage signal is no big difference with normal and abnormal states and current signal is higher in abnormal state (highest 309 mA) than the normal state (highest 203 mA). In the case of Temperature signal, the temperature distribution of the motor as a whole is different. It is difference in the case of the normal state $4^{\circ}C$ and the abnormal state $18^{\circ}C$. In particular, most of the electric wiring to the motor of the fan is attached to the fixture of motor back. Considering at allowable temperature ($60^{\circ}C$) of the electric wire could be accelerated to insulation deterioration. The results of this study will be effectively used in analyzing for electric fire and developing the preventive devices of electric fan.
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문제 정의
정상상태와 이상상태 모두 30 min으로 측정하였으며 모터 권선(주권선 + 보조권선) 모두를 실시간으로 측정하였다. 전체 측정을 통하여 권선의 최고 온도와 최저온도를 각각 측정하여 구속시에 온도집중 지역을 찾고자 하였다. Figure 2(a)는 전압, 전류 및 온도를 측정하기 위한 개략도를 나타내었고, Figure 2(b)는 실제 실험 장치를 나타내었다.
제안 방법
5 m의 이격거리를 두고 실시간 저장이 가능한 열화상 카메라로 측정하였다. 데이터의 신뢰성을 위하여 메이커가 다른 열화상 카메라를 추가로 정착하여 10 min 간격으로 온도를 측정하였다. 정상상태와 이상상태 모두 30 min으로 측정하였으며 모터 권선(주권선 + 보조권선) 모두를 실시간으로 측정하였다.
따라서, 본 연구에서는 정상상태와 모터 구속상태로 구분하였으며, 각각에 대하여 전압 및 전류신호를 주 권선에서 측정하였고 또한, 권선 전체의 열적 특성을 도출하기 위하여 실시간 저장이 가능한 시스템을 이용하여 시간에 따른 권선 전체의 온도 분포를 측정하였으며 그 데이터를 도출하였다. 본 데이터의 경우는 선풍기의 화재 조사나 선풍기 화재 방지용 감지기 개발의 기초 자료로 활용가능하다.
선풍기 모터의 회전을 정상(날개 정착 및 미정착) 및 고정상태로 구분하여 주권선에서의 전압 및 전류, 모터 전체의 온도특성을 분석하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험결과에 대하여 전압, 전류에 대한 실효값과 온도 특성을 각각 비교 분석하였다.
실험의 목적은 전압, 전류 및 온도 신호의 특성을 도출하는 것으로 정상상태로 날개를 정착한 것과 미(未)정착한 것, 날개를 고정한 고정상태, 3가지로 구분하여 실험하였다. 선풍기는 전기안전용품안전기준 요구사항에 맞게 정상상태에서의 전압, 전류 및 온도값을 테스트를 받고 있으며, 정상상태에서의 제품마다 온도차를 보이고 있는데 보통 ±9 ℃의 차가 나타나며(6,8) 정상실험에서 도출하고자 하는 신호 특성에 대해 문제가 없는 것으로 판단하여 보조권선에 탭을 낸 선풍기로 H사의 58 W 4대를 선택하였다.
전류 실험 방법은 정상상태의 전류를 먼저 측정하고 모터 구속시의 전류를 측정하여 전류값의 변화를 측정하였다. 온도 실험방법은 주권선과의 거리는 0.5 m의 이격거리를 두고 실시간 저장이 가능한 열화상 카메라로 측정하였다. 데이터의 신뢰성을 위하여 메이커가 다른 열화상 카메라를 추가로 정착하여 10 min 간격으로 온도를 측정하였다.
전압 실험 방법은 주권선의 전압 프로브를 설치하고 정상상태와 구속상태에서 1~3단 스피드로 변환하였고 전압의 크기를 분석하였다. 전류 실험 방법은 정상상태의 전류를 먼저 측정하고 모터 구속시의 전류를 측정하여 전류값의 변화를 측정하였다. 온도 실험방법은 주권선과의 거리는 0.
전압 실험 방법은 주권선의 전압 프로브를 설치하고 정상상태와 구속상태에서 1~3단 스피드로 변환하였고 전압의 크기를 분석하였다. 전류 실험 방법은 정상상태의 전류를 먼저 측정하고 모터 구속시의 전류를 측정하여 전류값의 변화를 측정하였다.
전압은 주권선에서의 전압 특성을 분석하였다. 대부분의 연구가 전원부의 전압 특성을 나타낸 것(5,6)으로 정상상태(날개 정착 및 미정착)와 이상상태에서의 전압의 변화가 거의 없는 것으로 나타나 있다.
데이터의 신뢰성을 위하여 메이커가 다른 열화상 카메라를 추가로 정착하여 10 min 간격으로 온도를 측정하였다. 정상상태와 이상상태 모두 30 min으로 측정하였으며 모터 권선(주권선 + 보조권선) 모두를 실시간으로 측정하였다. 전체 측정을 통하여 권선의 최고 온도와 최저온도를 각각 측정하여 구속시에 온도집중 지역을 찾고자 하였다.
대상 데이터
전원부는 Figure 2(b)의 1)은 정격용량 5 KVA의 전원발생기를 이용하여 상용전원인 220 V로 유지하도록 하였다. Figure 2(b)의 2)에서 사용된 선풍기는 국내의 H사의 58 W 선풍기를 이용하였다. Figure 2(b)의 3)은 FLIR 4시리즈로 −40~1,000 ℃까지 온도 분석이 가능하며, 동영상과 실시간저장이 가능한 열화상카메라이다.
본 연구에서도 보조권선 회로로 설계된 선풍기를 이용하였다.
선풍기는 전기안전용품안전기준 요구사항에 맞게 정상상태에서의 전압, 전류 및 온도값을 테스트를 받고 있으며, 정상상태에서의 제품마다 온도차를 보이고 있는데 보통 ±9 ℃의 차가 나타나며(6,8) 정상실험에서 도출하고자 하는 신호 특성에 대해 문제가 없는 것으로 판단하여 보조권선에 탭을 낸 선풍기로 H사의 58 W 4대를 선택하였다.
이론/모형
NI-9215는 4채널로 구성되어 있으며 4채널에 입력되는 신호를 동시에 분석하여 이를 PC로 전달하게 된다. 전압 및 전류에 대한 모니터링 소프트웨어는 LabVIEW의 SignalExpress를 이용하였다. Figure 2(b)의 5)는 PC로 전압 및 전류의 SignalExpress와 온도의 FLIR R&D 소프트웨어를 설치하여 저장할 수 있도록 하였으며, Figure 2(b)는 전압, 전류 및 온도 측정장치를 나타내었다.
성능/효과
1) 전압과 전류 신호에 대하여, 전압의 경우 정상상태와 고정상태에 대하여 큰 차이점은 없었으며, 전류의 경우는 정상상태와 확연히 구별되는 전류값이 나타났다. 선풍기에 대한 안전장치 개발 시에 전압보다는 전류신호를 적용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
전류의 경우는 정상상태에서 날개 정착시에 5~8 mA가 높게 나타났으며, 정상상태와 구속상태에서는 확연한 차를 보였다. 1단 스피드에서는 정상상태에서 평균 118 mA가 나타났으며, 구속상태에서는 평균 177 mA가 59 mA의 차를 보였다. 2단 스피드의 경우는 정상상태에서는 평균 151 mA이며, 구속시에는 230 mA로 79 mA의 차가, 3단의 경우는 정상일 때 203 mA, 구속상태에서는 309 mA로 106 mA의 차가 나타났다.
2) 온도의 경우 정상상태의 모터 전반에 있어서 온도분포가 각각 다르게 나타났으며, 약 4 ℃의 차를 보였고, 날개를 정착했을 때 가장 높은 온도는 57.0 ℃, 날개를 미정착한 상태로 가장 높은 온도는 63.9 ℃로 날개의 정착시기류의 순환으로 인하여 10 ℃ 낮게 나타났다. 고정상태의 경우는 모터 전반에 있어서 온도 분포도가 각각 다르게 나타났으며 같은 시간대에 가장 높은 온도가 149 ℃였고, 가장 낮은 온도는 131 ℃로 약 18 ℃의 차이를 보였다.
1단 스피드에서는 정상상태에서 평균 118 mA가 나타났으며, 구속상태에서는 평균 177 mA가 59 mA의 차를 보였다. 2단 스피드의 경우는 정상상태에서는 평균 151 mA이며, 구속시에는 230 mA로 79 mA의 차가, 3단의 경우는 정상일 때 203 mA, 구속상태에서는 309 mA로 106 mA의 차가 나타났다. Figure 3(b)는 전류값을 나타낸 것으로 전류신호에 대해서는 정상과 확연히 구분되었다.
후속연구
따라서, 본 연구에서는 정상상태와 모터 구속상태로 구분하였으며, 각각에 대하여 전압 및 전류신호를 주 권선에서 측정하였고 또한, 권선 전체의 열적 특성을 도출하기 위하여 실시간 저장이 가능한 시스템을 이용하여 시간에 따른 권선 전체의 온도 분포를 측정하였으며 그 데이터를 도출하였다. 본 데이터의 경우는 선풍기의 화재 조사나 선풍기 화재 방지용 감지기 개발의 기초 자료로 활용가능하다.
참고문헌 (8)
National Fire Data System, "http://www.nfds.go.kr/", (2014).
Tokyo Fire Department, "New Fire Investigation Handbook", pp. 148-153 (2004).
SEGYE.com, "Motel fire by internal defects of fans manufacturers pay your insurance 60%" (2014).
119New, 'Caution' of fan fire in Summer, 2013.
H. S. Kim, H. R. Kim, C. S. Choi and J. H. Chung, "The Analysis of the Fire Hazard According to Layer Short- Circuit of Motor Winding for the Fan", Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference, pp. 135-139 (2000).
S. H. Hong, S. H. Lee, S. T. Park, H. J. Yu and W. J. Jeon, "A Experiment Study on the Electrical Fire Hazards Analysis of Electric Fan", Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference, pp. 344-349 (2007).
Korean Industrial Standard, "KSC 3304" (2006).
Korean Industrial Standard, K60335-2-80, K60335-1(4.1) (2004).
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