KR100740630B1 - 유도 전동기 회전자 이상 검출방법 및 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기 회전자 이상 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로서,

고정자 코어(10)의 내부에 회전자 코어(21)가 설치되며, 회전자 코어(21)의 외주 측에는 방사상으로 다수개의 회전봉이 규칙적으로 배치 형성된 구조를 갖는 유도 전동기의 회전자 이상을 검출하는 방법으로서, 유도 전동기 내부에 취부된 자속센서(50)에서 자속 변화율 신호를 감지하고, 이를 전압의 형태로 입력받는 단계; 상기 입력된 전압 신호의 한 주기를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위로 나누고, 회전자가 정상 상태일 때 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하여 기준치로서 데이터베이스에 저장하는 단계; 실제 운전 시, 상기 자속센서(50)에서 감지된 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 입력받고, 상기 각 시간 단위별로 실제 감지된 전압 평균치를 구하여 데이터베이스에 저장된 상기 기준치와 각각 비교하는 단계; 상기 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계;를 포함하여 구성된 검출방법과 이를 다른 측면으로 구현한 검출장치를 제공한다.

유도 전동기, 회전자 이상, 검출

Description

유도 전동기 회전자 이상 검출방법 및 검출장치 {Diagnostic method and apparatus for rotor of induction motor}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 회전자 이상 검출장치의 구성도,

도 2는 유도 전동기내에 취부된 자속센서에서 검출한 전압의 출력파형 그래프,

도 3은 도 2의 출력파형을 각각의 회전봉별 구간으로 나눌 때의 각 구간별 전압 평균값을 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 고정자 코어 11: 수용공

12: 슬롯 13: 티스

21: 회전자 코어 22: 축공

23: 슬롯 50: 자속센서

100: 자속 신호 전처리 모듈 110: 데이터베이스

200: 비교 모듈 300: 이상 신호 발생 모듈

본 발명은 유도 전동기 회전자 이상 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로서, 유도 전동기내에 취부된 자속센서에서 출력되는 전압의 순시파형을 분석하고, 이를 정상 상태에서의 전압 데이터베이스와 비교함으로써, 유도 전동기 회전자의 이상 상태를 자동으로 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

유도 전동기는 교류 전동기의 일종으로서 일반적으로 구조가 간단하고 내구성이 우수하며, 가격이 저렴하여 산업 일반에 널리 사용되고 있다.

유도 전동기는 그 내부 구조상, 고정자와 회전자로 구성되며, 고정자 권선에 교류가 흐를 때 발생하는 회전 자기장에 의해서 회전자에 토오크가 발생하여 전동기가 회전하게 된다.

이러한 유도 전동기는 회전자의 권선 형태에 따라 알루미늄 환봉이 회전봉(또는 회전자 도체)을 형성하는 농형 유도 전동기(squirrel cage induction motor)와, 회전자에도 고정자와 마찬가지로 권선이 결선되어 있는 권선형 유도 전동기(wound-rotor induction motor)로 나뉘어 진다.

종래에는 유도 전동기의 이상을 분석하기 위해 온도, 진동 등 유도 전동기의 기계적 인자의 변화에 의거하여 이상 상태를 분석해 왔다. 이렇게 유도 전동기의 온도 또는 진동을 측정하기 위해서는 유도 전동기 내부 또는 외부에 온도센서 또는 진동센서가 설치되어야 한다.

그러나, 온도 또는 진동값은 유도 전동기의 운전상태, 즉 속도나 부하량에 따라 크게 변화하게 되므로, 정확한 진단을 위해서는 하나의 유도 전동기에 대해 다양한 실험을 통한 데이터베이스가 구축되어야 하는 불편함이 있었고, 유도 전동기의 용량 또는 종류가 바뀔 경우에는 또 다시 처음부터 데이터베이스를 구축해야 하는 불편함이 있었다.

특히, 유도 전동기의 고장 중 회전자의 이상 상태는 온도 또는 진동값의 관측만으로는 기술적으로 분석하기 대단히 어렵다는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 유도 전동기내에 취부된 자속센서에서 출력되는 전압의 순시파형을 분석하고, 이를 정상 상태에서의 전압 데이터베이스와 비교함으로써, 유도 전동기 회전자의 이상 상태를 자동으로 검출하는 유도 전동기 회전자 이상 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 검출방법을 또다른 측면으로 구현한 유도 전동기 회전자 이상 검출장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유도 전동기 회전자 이상 검출방법은, 고정자 코어(10)의 내부에 회전자 코어(21)가 설치되며, 회전자 코어(21)의 외주 측에는 방사상으로 다수개의 회전봉이 규칙적으로 배치 형성된 구조를 갖는 유도 전동기의 회전자 이상을 검출하는 방법으로서, 유도 전동기 내부에 취부된 자속센서(50)에서 자속 변화율 신호를 감지하고, 이를 전압의 형태로 입력받는 단계; 상기 입력된 전압 신호의 한 주기를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위로 나누고, 회전자가 정상 상태일 때 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하여 기준치로서 데이터베이스에 저장하는 단계; 실제 운전 시, 상기 자속센서(50)에서 감지된 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 입력받고, 상기 각 시간 단위별로 실제 감지된 전압 평균치를 구하여 데이터베이스에 저장된 상기 기준치와 각각 비교하는 단계; 상기 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계;를 포함하여 구성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의한 유도 전동기 회전자 이상 검출장치는, 고정자 코어(10)의 내부에 회전자 코어(21)가 설치되며, 회전자 코어(21)의 외주 측에는 방사상으로 다수개의 회전봉이 규칙적으로 배치 형성된 구조를 갖는 유도 전동기의 회전자 이상을 검출하는 장치로서, 유도 전동기 내부에 취부되어 회전자의 회전에 따른 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 감지하는 자속센서(50); 상기 입력된 전압 신호의 한 주기를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위로 나누고, 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하는 자속 신호 전처리 모듈(100); 회전자가 정상 상태일 때 상기 자속 신호 전처리 모듈(100)에 의해 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치를 기준치로서 저장하는 데이터베이스(110); 실제 운전 시, 상기 자속 신호 전처리 모듈(100)에서 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치와 데이터베이스(110)에 저장된 상기 기준치를 각각 비교하고, 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하는 비교 모듈(200);을 포함하여 구성된다.

보다 바람직하게, 상기 자속센서(50)는, 고정자 코어(10)의 내측에 형성된 다수개의 티스(13) 중 적어도 하나의 티스를 코일로 감은 형태로 형성된다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 회전자 이상 검출장치의 구성도, 도 2는 유도 전동기내에 취부된 자속센서에서 검출한 전압의 출력파형 그래프, 도 3은 도 2의 출력파형을 각각의 회전봉별 구간으로 나눌 때의 각 구간별 전압 평균값을 나타낸 그래프이다.

예시된 바와 같이, 유도 전동기의 고정자 코어(10)의 내부에는 소정의 공극(air gap)을 두고 회전자 코어(21)가 설치된다.

회전자 코어(21)의 중앙에는 회전축(도면 미도시)이 결합될 수 있도록 축공(22)이 관통 형성되고, 외주 측에는 방사상으로 다수개의 슬롯(23)이 규칙적으로 배치 형성된다. 각 슬롯(23)의 내부에는 예를 들어, 피복되지 않은 동봉(銅棒)이나 알루미늄의 주물이 삽입되어 회전봉(또는 회전자 도체)을 형성하게 된다.

회전봉의 양단에는 각 회전봉을 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링(end-ring, 도면 미도시)이 각각 구비된다.

고정자 코어(10)는 예를 들어, 다수개의 강판을 절연 적층하여 형성되는 것으로서, 그 내부에는 회전자 코어(21)가 설치될 수 있도록 수용공(11)이 관통 형성되고, 이 수용공(11)의 둘레방향을 따라 내측으로 개방된 다수개의 슬롯(12)이 형성되며, 각 슬롯(12) 내에는 고정자 코일(도면 미도시)이 권회된다.

즉, 고정자 코어(10)에는 수용공(11)의 둘레방향을 따라 방사상으로 배치되면서 상기 수용공(11)과 연통된 다수개의 슬롯(12)이 형성되며, 각 슬롯(12) 사이에는 소정 폭을 갖는 복수개의 티스(13)가 형성된다.

또한, 고정자 코일은 서로 전자기적으로 위상차를 가지도록 슬롯에 권회되는 주권선 및 보조권선을 구비하고 있다.

본 실시예의 유도 전동기 회전자 이상 검출장치는, 유도 전동기 내부에 취부되어 회전자의 회전에 따른 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 감지하는 자속센서(50)를 구비한다.

이러한 자속센서(50)로서는, 공지된 다양한 형태의 자속센서가 유도 전동기 내부에 취부되어 사용될 수 있으며, 유도 전동기의 설계구조 상 고정자 코어(10)의 내측에 형성된 다수개의 티스(13) 중 적어도 하나의 티스를 코일로 감은 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 자속센서(50)가 취부되는 위치는 중요하지 않으며, 자속신호가 양호하게 들어올 수 있는 위치라면 티스(13)의 어느 부분이든 관계가 없다. 또한, 자속센서(50)는 1개만 설치되어도 된다.

입력된 전압 신호의 한 주기(도 2의 T)를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위(도 2의 Δt)로 나누고, 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하는 자속 신호 전처리 모듈(100)이 자속센서(50)에 연결 설치된다.

자속센서(50)에서 감지하는 전압의 실제 순시파형은 도 2에 실선으로 도시된 것처럼 뾰족뾰족한 미세 파형이 연속적으로 이어져 전체 파형을 이룬 형태를 가지므로, 전체 파형의 주기를 정확하게 파악하기 위하여 자속 신호 전처리 모듈(100) 내에는 예를 들어, 60Hz의 상용주파수를 잘 통과시키는 저주파 필터가 구비된다.

저주파 필터는 예를 들어, 프로그램으로 구현된 디지털 필터의 형태가 될 수 있으며, 도 2에 실선으로 예시된 것과 같은 파형을 통과시켜 정현파 형태로 필터링된 파형을 구현하여 전체 파형의 주기를 구할 수 있게 된다. 이렇게 구해진 주기를 자속 신호 전처리 모듈(100)에 입력된 회전봉의 개수로 나누면, 입력된 전압 신호의 한 주기가 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위(도 2의 Δt)로 나뉘어 지게 된다.

회전자가 정상 상태일 때 상기 자속 신호 전처리 모듈(100)에 의해 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치를 기준치로서 저장하는 데이터베이스(110)가 자속 신호 전처리 모듈(100)에 연결 설치된다.

또한, 데이터베이스(110)와 자속 신호 전처리 모듈(100)에는 비교 모듈(200)이 연결 설치된다.

비교 모듈(200)은, 실제 운전 시에 자속 신호 전처리 모듈(100)에서 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치와 데이터베이스(110)에 저장된 기준치를 각각 비교하며, 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기 준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하게 된다.

이러한 비교 모듈(200)에는 이상이 있는 것으로 판단 시에 이상 신호를 발생시키는 이상 신호 발생 모듈(300)이 더욱 연결 설치되는 것이 바람직하며, 비교 모듈(200) 또는 이상 신호 발생 모듈(300)은 도시되지 않은 제어부에 연결되어 온라인(on-line) 상에서 유도 전동기의 회전자 상태를 자동으로 진단할 수 있도록 전체 시스템이 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 각 모듈 또는 데이터베이스 등의 구성요소는 별도의 독립적인 하드웨어인 것처럼 도시되어 있지만, 이것은 역할에 따른 기능적인 구분을 나타낸 것이며, 상기 각 모듈은 PLC 또는 마이컴과 같은 제어용 하드웨어와 응용 프로그램의 상호 동작을 포괄하는 의미로 사용된 것이다.

이하에서는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유도 전동기 회전자 이상 검출방법에 대하여 설명한다.

상기와 같은 검출장치가 구비된 상태에서 유도 전동기가 작동되면, 유도 전동기 내부에 취부된 자속센서(50)에서는 자속 변화율 신호의 순시파형을 감지하고, 자속 신호 전처리 모듈(100)에서는 이를 도 2에 도시된 것과 같은 전압의 형태로 입력받는다.

고정자 코어(10)의 티스(13)를 코일로 감은 형태의 자속센서를 사용하는 경우에는, 상기 과정 중에 티스(13)를 통과하는 자속이 자장의 형태로 코일에 유기되 어 코일 양단에 전압으로 나타나고 이를 측정하게 된다.

자속 신호 전처리 모듈(100)에서는 입력된 전압 신호의 한 주기(도 2의 T)를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위(도 2의 Δt)로 나누고, 회전자가 정상 상태일 때 상기 각 시간 단위별(다른 관점에서 각 회전봉 별)로 도 3에 도시된 것과 같이 전압 평균치를 구하여 기준치로서 데이터베이스(110)에 저장한다.

즉, 회전봉의 개수에 따라 한 주기에 나타나는 시간 단위(Δt)의 개수가 정해지고, 시간 단위(Δt)의 개수만큼 유기 전압의 데이터 수가 기준치로서 저장되는 것이다.

회전자가 정상 상태일 때의 데이터는, 유도 전동기의 제작 또는 수리 이후 시제품의 운전시로부터 획득하는 것이 바람직하다.

실제 운전 시, 비교 모듈(200)은 자속센서(50)에서 감지된 자속 변화율 신호의 순시파형을 전압의 형태로 입력받고, 상기 각 시간 단위별(다른 관점에서 각 회전봉 별)로 실제 감지된 전압 평균치를 구하여 데이터베이스(110)에 저장된 해당 시간 단위의 기준치와 1:1로 각각 비교한다.

이러한 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위(다른 관점에서 해당 회전봉)의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 비교 모듈(200)은 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하게 되어, 이상 신호 발생 모듈(300)을 통해 이상 신호를 발생시키게 된다.

종래에 이상 진단을 위하여 사용되던 온도 또는 진동값과 같은 물리량은, 부 하조건(예를 들어, 주파수, 전류)에 따라 변화가 있기 때문에, 각 부하조건마다 해당 물리량을 측정하여 데이터를 확보하고 이를 종합적으로 테이블화하여 데이터베이스를 구비해야 하며, 현재 값과 비교하기 위해서 테이블화된 기준치를 근거로 보간 작업 등이 선행되어야 하므로 상당히 복잡한 과정이 필요하였다.

그러나, 본 발명에서는 이상 진단을 위한 물리량으로서 자속을 사용하는바, 자속은 기본적으로 부하조건에 따라 거의 변화가 없는 값이므로, 한번 측정한 값을 가지고 데이터베이스를 구성할 수 있으며, 현재 실시간의 자속전압 데이터와 직접 비교하면 되므로, 비교 및 이상 상태 진단 과정이 훨씬 간편하다는 장점이 있다.

한편, 이렇게 각 시간 단위별로 감지된 전압의 평균치를 이용하여 회전자의 이상 유무를 판단하게 되면, 특히 해당 회전봉의 열화 등으로 인한 내부 변형을 잘 반영할 수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

이와 같은 본 발명은, 유도 전동기가 운전되고 있는 상태에서 유도 전동기의 자속만을 측정하여 온라인(on-line) 상에서 유도 전동기의 회전자 상태를 자동으로 진단할 수 있도록 해주므로써, 유도 전동기의 예방 정비 및 교체, 그리고 설비 자 체의 운용을 최적으로 수행할 수 있도록 해주며, 사고를 미연에 방지하여 조업의 안정성을 크게 높일 수 있을 뿐만 아니라, 적기에 유도 전동기의 관리가 가능하여 정비 비용의 절감 효과를 가져올 수 있다.

특히, 본 발명은 각 시간 단위별로 감지된 전압의 평균치를 이용하여 회전자의 이상 유무를 판단하므로, 해당 회전봉의 열화 등으로 인한 내부 변형을 잘 반영할 수 있다는 장점을 제공한다.

Claims (3)

1. 고정자 코어(10)의 내부에 회전자 코어(21)가 설치되며, 회전자 코어(21)의 외주 측에는 방사상으로 다수개의 회전봉이 규칙적으로 배치 형성된 구조를 갖는 유도 전동기의 회전자 이상을 검출하는 방법으로서,

   유도 전동기 내부에 취부된 자속센서(50)에서 자속 변화율 신호를 감지하고, 이를 전압의 형태로 입력받는 단계;

   상기 입력된 전압 신호의 한 주기를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위로 나누고, 회전자가 정상 상태일 때 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하여 기준치로서 데이터베이스에 저장하는 단계;

   실제 운전 시, 상기 자속센서(50)에서 감지된 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 입력받고, 상기 각 시간 단위별로 실제 감지된 전압 평균치를 구하여 데이터베이스에 저장된 상기 기준치와 각각 비교하는 단계;

   상기 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계;를 포함하여 구성된 유도 전동기 회전자 이상 검출방법.
2. 고정자 코어(10)의 내부에 회전자 코어(21)가 설치되며, 회전자 코어(21)의 외주 측에는 방사상으로 다수개의 회전봉이 규칙적으로 배치 형성된 구조를 갖는 유도 전동기의 회전자 이상을 검출하는 장치로서,

   유도 전동기 내부에 취부되어 회전자의 회전에 따른 자속 변화율 신호를 전압의 형태로 감지하는 자속센서(50);

   상기 입력된 전압 신호의 한 주기를 회전봉 수에 대응하는 소정의 시간 단위로 나누고, 상기 각 시간 단위별로 전압 평균치를 구하는 자속 신호 전처리 모듈(100);

   회전자가 정상 상태일 때 상기 자속 신호 전처리 모듈(100)에 의해 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치를 기준치로서 저장하는 데이터베이스(110);

   실제 운전 시, 상기 자속 신호 전처리 모듈(100)에서 구해진 각 시간 단위별 전압 평균치와 데이터베이스(110)에 저장된 상기 기준치를 각각 비교하고, 비교 결과, 특정 시간 단위에 실제 감지된 전압 평균치가 해당 시간 단위의 기준치와 비교하여 일정 수준 이상 또는 이하의 값을 갖는 경우, 해당 시간 단위에 대응하는 회전봉에 이상이 있는 것으로 판단하는 비교 모듈(200);을 포함하여 구성된 유도 전동기 회전자 이상 검출장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 자속센서(50)는,

   고정자 코어(10)의 내측에 형성된 다수개의 티스(13) 중 적어도 하나의 티스를 코일로 감은 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 유도 전동기 회전자 이상 검출장치.

Images