KR100915012B1

KR100915012B1 - Device for diagnosing defects of generators using stator-current

Info

Publication number: KR100915012B1
Application number: KR1020070092286A
Authority: KR
Inventors: 김영일
Original assignee: 주식회사 부시파워; 박기주
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-09-04
Also published as: KR20090027086A

Abstract

본 발명은 발전기의 고정자에 흐르는 전류의 주파수 스펙트럼을 이용하여 발전기의 고정자 결함 여부를 진단하는 장치에 관한 것으로서, 발전기 고정자 권선의 전류를 측정하는 전류센서; 위 전류센서에서 출력되는 신호의 외부 잡음을 저역통과 필터를 통해 제거한 뒤, 영교차 검파하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너; 위 시그널 컨디셔너에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기; 위 디지털 신호로 변환된 시그널 컨디셔너의 출력 신호를 버터워스로 디지털 필터링하고, 해닝 윈도우를 창 함수로 적용하여 주파수 보정하고, 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수 스펙트럼 분포를 구하는 신호처리부; 및 위 신호처리부에 의해 구해지는 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 가운데 하나 이상을 판단함으로써 발전기 고정자의 결함 여부를 판단하는 진단부를 포함하여 이루어진다. 이때, 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형의 판단을 위해 각각 별도의 진단알고리즘을 사용한다.The present invention relates to an apparatus for diagnosing a stator defect of a generator using a frequency spectrum of current flowing through a stator of a generator, the apparatus comprising: a current sensor for measuring a current of a generator stator winding; A signal conditioner that removes external noise of the signal output from the current sensor through a low pass filter, and then detects zero crossing and converts it into a trigger signal of the A / D converter; An A / D converter for converting an analog signal output from the signal conditioner into a digital signal; A signal processor for digitally filtering the output signal of the signal conditioner converted into the digital signal with Butterworth, applying a Hanning window as a window function, frequency correcting, and obtaining a frequency spectrum distribution by fast Fourier transform (FFT); And generator stator by determining at least one of stator iron core vibration defect, stator winding single phase defect, stator winding mechanical fault, stator coil short circuit, and voltage unbalance applied to generator using frequency spectrum distribution obtained by the signal processor. It comprises a diagnostic unit for determining whether the defect. In this case, a separate diagnostic algorithm is used to determine the stator iron core vibration defect, the stator winding single phase defect, the stator mechanical defect, the stator coil short circuit, and the voltage unbalance applied to the generator.

Description

Device fault diagnosis device using stator current {Device for diagnosing defects of generators using stator-current}

본 발명은 발전기 결함 진단 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전기의 고정자에 흐르는 전류의 주파수 스펙트럼을 이용하여 발전기의 고정자 결함 여부를 진단하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a generator fault diagnosis apparatus, and more particularly, to an apparatus for diagnosing a stator defect of a generator using a frequency spectrum of current flowing through a stator of a generator.

최근 비상용 디젤 발전기의 예방진단에 관한 중요성이 증대되면서, 종래의 오프라인에서의 진단 방법의 단점을 개발 보완하기 위한 온라인 진단 방법이 활발하게 연구되고 있다. 빌딩 및 대수용가, 선박, 플랜트 등에서 널리 사용되고 있는 디젤 발전기에 고장이 발생할 경우, 해당 기기와 관련된 모든 시스템의 가동이 중지되어 심각한 피해를 초래할 수 있다. 비상용 디젤 발전기의 이상 검출은 일반적으로 기기 주요 부분의 온도 및 진동을 상시 측정하고, 그 값을 해당 기기의 온도 또는 진동 기준 값과 비교하여 정상상태, 수리가 요구되거나 작동 가능한 상태 및 비상 멈춤이 필요한 상태 등으로 구분하는 방법을 적용하고 있다. 그러나 이러한 방법은 점진적 이상 발생에 대한 예방적 차원의 정보를 제공해주지 못할 뿐만 아니라 이상 발생 원인을 파악하기 위해서는 별도의 계측장비가 요구되는 등 번거롭고 분석시에 전문가에 의존해야 하는 등의 단점을 내포하고 있다. Recently, as the importance of preventive diagnosis of emergency diesel generators is increased, online diagnostic methods for actively developing and supplementing the shortcomings of the conventional offline diagnostic methods have been actively studied. In the event of a failure of a diesel generator, which is widely used in buildings, water vehicles, ships and plants, all systems related to the equipment can be shut down, causing serious damage. Anomalous detection of emergency diesel generators usually measures the temperature and vibration of the main parts of the appliance at all times, and compares the values with the temperature or vibration reference values of the appliance to determine whether it is in a steady state, requiring repair or operation, and requiring emergency stops. The method of classifying into states is applied. However, this method does not provide preventive information on the occurrence of gradual abnormalities, and also has disadvantages such as the need for a separate measuring device to identify the cause of the abnormalities, and the reliance on experts for analysis. have.

한편 디젤 발전기의 고장의 원인으로는 고정자 결함이 전체고장의 85% 이상을 차지하고 있으며, 나머지는 회전자와 유지보수 미비와 운전과실 등에 따른 고장이 차지하고 있다. 디젤 발전기 고정자는 크게 철심과 코일, 그리고 브라켓 등 기타부분으로 나눌 수 있다. 철심의 고장 원인으로는 철심의 이완 및 손상, 기계적 충격에 의한 철심 단락, 부식, 그리고 철심의 과열 등이 있으며, 코일의 고장원인은 과열에 의한 코일의 손상, 오손, 코일 단락 및 스페이서 헐거움, 부분방전 및 아크 발생에 의한 코일 손상, 슬롯 내 코일의 이완 및 탈락 등이 있다.Stator defects account for more than 85% of the total failure, and the rest are due to poor rotor, poor maintenance, and faulty operation. Diesel generator stators can be divided into iron cores, coils, and other parts such as brackets. The core causes of failure include iron core relaxation and damage, iron core short circuit due to mechanical shock, corrosion, and iron core overheating.The cause of coil failure is coil damage due to overheating, fouling, coil short circuit and spacer loose, Coil damage due to discharge and arc generation, coil loosening and dropping in slots, and the like.

본 발명은 디젤 발전기의 고정자 고장의 대부분을 차지하는 상기와 같은 고정자의 철심 및 코일의 손상 여부에 대한 결함 진단을 위한 것으로서, 발전기 고정자 권선에 클램프 CT센서를 부착하여 디지털 신호처리에 의한 주파수 스펙트럼 영역에서의 특정 값을 구한 후, 이의 절대크기와 특징값을 파악 분석하는 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.The present invention is for diagnosing the defect of the core and coil of the stator, which occupies most of the stator failure of the diesel generator, the clamp CT sensor attached to the generator stator winding in the frequency spectrum region by digital signal processing After obtaining a specific value of, it is a problem to provide a device for grasping and analyzing its absolute size and feature value.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치는,발전기 고정자 권선의 전류를 측정하는 전류센서; 위 전류센서에서 출력되는 신호의 외부 잡음을 저역통과 필터를 통해 제거한 뒤, 영교차 검파하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너;위 시그널 컨디셔너에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기;위 디지털 신호로 변환된 시그널 컨디셔너의 출력 신호를 버터워스로 디지털 필터링하고, 해닝 윈도우를 창 함수로 적용하여 주파수 보정하고, 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수 스펙트럼 분포를 구하는 신호처리부; 및위 신호처리부에 의해 구해지는 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 가운데 하나 이상을 판단함으로써 발전기 고정자의 결함 여부를 판단하는 진단부를 포함하여 이루어지며,이때, 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형의 판단을 위해 각각 별도의 진단알고리즘을 사용하며,고정자 철심 진동 결함진단알고리즘은, 상수변수값인 발전기 회전자 정수와 동적편심 정수값을 읽어 들이는 단계;슬립주파수를 계산하는 단계;동적 편심주파수를 계산하는 단계;고정자 코어값과 공극값을 계산하는 단계;고정자 코어표면의 진동주파수(평균값과 최대값)를 계산하는 단계;편심값=(최대진동주파수 - 평균진동주파수)/평균진동주파수를 계산하는 단계; 및편심값이 기준편심값보다 큰지 여부를 판단하여 크면 감시 및 진단단계를 수행하고 그렇지 않으면 위 동적편심주파수를 계산하는 단계를 다시 수행하는 단계를 구비하여 이루어지며,고정자 권선의 단상 결함진단알고리즘은,발전을 시작하는 단계;실시간 스팩트럼 데이터를 수집하는 단계;회전주파수값을 읽어들이는 단계;발전주파수값을 읽어들이는 단계; 및읽어들인 주파수값의 피크값을 계산한 뒤 기준값을 초과하는지 여부를 판단하여 기준값을 초과하지 않으면 다시 피크값을 계산하고 초과하면 경보를 울리는 단계를 구비하여 이루어지며,고정자의 기계적 결함진단알고리즘은,발전기 슬롯주파수를 읽어들이는 단계;고정자 슬롯주파수를 계산하는 단계;발생되는 고주파를 계산하는 단계;고정자의 기계적 고장에 따른 고주파를 검출하고, 최대값과 평균피크레벨값을 계산하는 단계;%D=(최대값 - 평균피크레벨값)/평균피크레벨값을 계산하는 단계; 및위 %D를 기준값과 비교하여 %D가 더 크면 경보를 울리고, 그렇지 않으면 위 %D를 다시 계산하는 단계를 구비하여 이루어지며,고정자 코일의 선간 단락진단알고리즘은,슬립주파수를 읽어들이는 단계;고정자의 상수변수값을 읽어들이는 단계;슬롯 통과주파수를 계산하는 단계;하모닉스의 피크값을 측정하는 단계;최대값의 룩업테이블을 작성하는 단계; 및최대값을 초과하는지 비교하여 초과하면 내부권선의 결함을 경보하고 아니면 위 슬롯 통과주파수를 계산하는 단계를 다시 수행하는 단계를구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Generator fault diagnosis apparatus using a stator current according to the present invention for solving the above problems, the current sensor for measuring the current of the generator stator winding; Signal conditioner that removes the external noise of the signal output from the current sensor through the low pass filter, detects the zero crossing and converts it into the trigger signal of the A / D converter; converts the analog signal output from the signal conditioner into a digital signal A / D converter; Signal processing unit to digitally filter the output signal of the signal conditioner converted to the above digital signal with Butterworth, frequency correction by applying the Hanning window as a window function, and obtain a frequency spectrum distribution by fast Fourier transform (FFT) ; And determining one or more of the stator iron core vibration defect, the stator winding single phase defect, the stator winding mechanical fault, the stator coil short circuit, and the voltage unbalance applied to the generator using the frequency spectrum distribution obtained by the signal processor. It includes a diagnosis unit for determining whether there is a fault, in this case, a separate diagnosis for the determination of the stator iron core vibration defect, the stator winding single phase defect, the stator winding mechanical fault, the stator coil short line, the voltage unbalance applied to the generator An algorithm, wherein the stator iron core vibration fault diagnosis algorithm, reads the constant values of generator rotor constants and dynamic eccentricity constants; calculating slip frequency; calculating dynamic eccentric frequency; stator core value And calculating a pore value; vibration frequency of the stator core surface ( Calculating an average value and a maximum value); calculating an eccentricity value = (maximum vibration frequency-average vibration frequency) / average vibration frequency; And determining whether the eccentricity value is greater than the reference eccentricity value, if it is large, performing a monitoring and diagnosing step, otherwise performing the step of calculating the above dynamic eccentric frequency, and the single phase defect diagnosis algorithm of the stator winding Starting power generation; collecting real-time spectrum data; reading a rotation frequency value; reading a generation frequency value; And calculating the peak value of the read frequency value and determining whether the reference value is exceeded, and if the reference value is not exceeded, calculates the peak value again and sounds an alarm if it exceeds. The mechanical fault diagnosis algorithm of the stator is performed. Reading a generator slot frequency; calculating a stator slot frequency; calculating a generated high frequency; detecting a high frequency according to a mechanical failure of the stator, calculating a maximum value and an average peak level value;% Calculating D = (maximum value-average peak level value) / average peak level value; And comparing the above% D with a reference value and alarming if the% D is greater, otherwise calculating the% D again, wherein the line short circuit diagnosis algorithm of the stator coil comprises: reading a slip frequency; Reading a constant variable value of the stator; calculating a slot pass frequency; measuring a peak value of the harmonics; creating a lookup table of maximum values; And comparing and exceeding the maximum value to alert the defect of the internal winding or to perform the step of calculating the upper slot pass frequency again.

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본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치는, 발전기 내부에 센서를 취부할 필요없이 발전기 출력단자에 CT를 클램프하여 데이터를 취득한 후, 전류 신호의 주파수 스펙트럼 분포와 크기, 변화추이 분석 및 경보 신호 발생 등의 기능을 구현함으로써 현장에서 온라인으로 쉽게 발전기의 고정자 권선 및 철심의 고장 여부를 진단할 수 있다. Generator fault diagnosis apparatus using the stator current according to the present invention, after acquiring the data by clamping the CT to the generator output terminal without the need to install a sensor inside the generator, the frequency spectrum distribution and magnitude of the current signal, analysis of the change trend and alarm By implementing functions such as signal generation, it is easy to diagnose the failure of the stator windings and iron cores of the generator online in the field.

도 1은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 구성도.1 is a block diagram of a generator stator fault diagnosis system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 블럭도.2 is a block diagram of a generator stator fault diagnosis system according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 작동 절차를 나타내는 흐름도.Figure 3 is a flow chart showing the operating procedure of the generator stator fault diagnosis system according to the present invention.

도 4는 Hanning 윈도우 특성 곡선을 나타내는 그래프.4 is a graph showing a Hanning window characteristic curve.

도 5는 Hanning 윈도우 보간을 나타내는 그래프.5 is a graph showing Hanning window interpolation.

도 6은 FFT를 수행하여 주파수 스펙트럼을 얻는 단계를 나타내는 흐름도.6 is a flowchart illustrating steps of performing an FFT to obtain a frequency spectrum.

도 7은 고정자 철심 진동의 결함 진단 방법 흐름도.7 is a flowchart of a method for diagnosing defects in stator core vibrations.

도 8은 고정자 권선의 단상 결함 진단 방법 흐름도.8 is a flow chart of a method for diagnosing single phase defects of a stator winding;

도 9는 고정자의 기계적 불량 검출 방법 흐름도.9 is a flowchart illustrating a method for detecting mechanical failure of a stator.

도 10은 고정자 코일의 선간 단락 검출 방법 흐름도.10 is a flowchart for detecting a line short circuit between the stator coils.

도 11은 전압 불평형 검출 방법 흐름도.11 is a flowchart illustrating a voltage unbalance detection method.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, a generator failure diagnosis apparatus using a stator current according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 구성도, 도 2는 그 블럭도, 도 3은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 작동 절차를 나타내는 흐름도이다.1 is a block diagram of a generator stator fault diagnosis system according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram thereof, and FIG. 3 is a flowchart showing an operation procedure of the generator stator fault diagnosis system according to the present invention.

발전기 고정자 권선에 설치된 클램프 CT센서(10)에 의해 검출된 전류신호를 각 상별로 순차적으로 연속 측정한다.The current signal detected by the clamp CT sensor 10 installed in the generator stator winding is sequentially measured for each phase.

고정자 결함 신호는 수십kHz사이의 주파수 대역에서 분포하고 있으므로 가능한 넓은 주파수 대역에서 신호를 취득하고 분석하는 것이 필요하다. 시그널 컨디셔너(Signal Conditioner, 20)는 디젤 발전기 운전 중에 발생하기 쉬운 수백kHz 주파수대역 이하의 외부잡음을 함께 저역통과 필터를 통해 제거한다. 저역통과 필터는 기준신호를 필터링한 후에 영교차 검파(Zero Crossing Detection)하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환시킨다.The stator fault signal is distributed in the frequency band of several tens of kHz, so it is necessary to acquire and analyze the signal in the widest possible frequency band. The signal conditioner (20) eliminates the external noise of several hundred kHz frequencies below the low-pass filter, which tends to occur during diesel generator operation. The low pass filter filters the reference signal and then converts it into a trigger signal of the A / D converter by zero crossing detection.

A/D 변환기(30)는 14bit의 최대 10MHz까지 샘플링이 가능한 것으로서 내부에 메모리 기능을 포함하고 있으며, 클램프 CT센서를 통해서 입력되는 전류신호를 디지털로 변환한다.The A / D converter 30 is capable of sampling up to 10 MHz of 14 bits and includes a memory function therein, and converts the current signal input through the clamp CT sensor into digital.

신호처리부(40)는 6-Pole의 버터워스 필터링(Butterworth filtering)을 프로그램하여 하드웨어적인 필터의 단점을 보완함으로써 외부 노이즈에 강한 전류신호를 얻게 한다. 이렇게 필터링한 신호를 정규화(Normalizing) 과정을 거쳐 다시 창(Window) 함수로 보정한다. 고정자의 스펙트럼 신호는 랜덤하고 높은 주파수로 인해 이를 직접 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하기 어려우므로 다운 샘플링을 수행하기 위해 고정자 전류 주파수 신호를 창 함수로 보정하여 정확하고 주파수 측정과 레벨을 얻는 기법을 사용한다. 창 함수로써 해닝 윈도우(Hanning Window)를 적용하여 정확한 주파수 신호를 얻도록 프로그래밍한다.The signal processor 40 programs Butterworth filtering of 6-Pole to compensate for the disadvantages of the hardware filter to obtain a strong current signal against external noise. The filtered signal is normalized and then corrected again using the Window function. Since the stator's spectral signal is difficult to perform a fast Fourier transform (FFT) directly due to its random and high frequency, a technique for obtaining accurate and frequency measurements and levels by correcting the stator current frequency signal with a window function to perform downsampling use. Program the Hanning Window as a window function to get the correct frequency signal.

이하 창 함수(window function)의 선택에 관하여 설명한다.The selection of the window function is described below.

전류피크의 주파수는 해상도에 따른 오차가 있으므로 주파수 보정을 하여 정확한 주파수를 구할 필요가 있다. 따라서 정확한 주파수와 레벨을 찾기 위해서는 창 함수에 따른 보간을 해야 한다. 창 함수의 수학적인 공식은 수학식 1과 같이 5개의 계수로 이루어져 계수를 변경함으로써 다양한 창 함수를 만들 수 있다.Since the frequency of the current peak has an error according to the resolution, it is necessary to correct the frequency to obtain an accurate frequency. Therefore, to find the correct frequency and level, we need to interpolate according to the window function. The mathematical formula of the window function consists of five coefficients, as shown in Equation 1, and various window functions can be made by changing the coefficients.

각 함수의 계수는 표 1과 같다.The coefficients of each function are shown in Table 1.

Hanning과 Hamming은 매우 유사한 특성을 갖고 있는데, 사이드로브 감쇠율이 Hamming은 20[dB/dec]로서 60[dB/dec]인 Hanning에 비해 떨어지므로 본 시스템은 스펙트럼신호분석 시 Hanning을 사용하여 정확한 주파수 성분을 취득하도록 한다.Hanning and Hamming have very similar characteristics. The side lobe attenuation is 20 [dB / dec], which is lower than Hanning, which is 60 [dB / dec]. To get.

각 창 함수에 따른 주파수 영역의 특성은 표 2와 같다.Table 2 shows the characteristics of the frequency domain for each window function.

여기서 △f는 라인과 라인간의 주파수 폭 또는 해상도를 나타낸다.Where Δf represents the frequency width or resolution between lines.

Hanning 창 함수에 의해 얻어지는 주파수 영역의 필터특성을 나타내면 잡음대역폭이 1.5△f이고 리플이 1.42[dB]이므로 도 4와 같다. 따라서 정확한 주파수와 레벨을 찾기 위해서는 도 5와 같이 창 함수에 따른 보간을 해야 한다.The filter characteristics of the frequency domain obtained by the Hanning window function are shown in FIG. 4 because the noise bandwidth is 1.5 Δf and the ripple is 1.42 [dB]. Therefore, to find the correct frequency and level, it is necessary to interpolate according to the window function as shown in FIG. 5.

도 6은 FFT를 수행하여 주파수 스펙트럼을 얻는 단계를 나타내는 흐름도이다. 고정자 전류신호를 100[㎑]로 샘플링하여 10K개 수집한 후 Hanning 창 함수를 이용하여 FFT 연산을 수행한 후, 여러 개의 FFT 연산을 평균하여 평균 스펙트럼을 메모리에 저장한다. 100[㎑]로 샘플링한 시간신호 샘플을 1/100 샘플링하여 1000[㎐]로 10K개 데이터를 저장한 뒤 같은 방법으로 FFT 연산을 반복 수행한 후, 0~1000[㎐] 범위의 스펙트럼도 평균화하여 평균 스펙트럼을 저장하여 진단시에 데이터로 활용한다.6 is a flowchart showing a step of obtaining a frequency spectrum by performing an FFT. After collecting stator current signal at 100 [㎑] and collecting 10K, FFT calculation is performed by using Hanning window function. After averaging several FFT operations, the average spectrum is stored in memory. Sample the time signal sampled at 100 [㎑] by 1/100, store 10K data at 1000 [㎐], repeat the FFT operation in the same way, and then average the spectrum in the range of 0 ~ 1000 [㎐]. The average spectrum is stored and used as data during diagnosis.

진단부(50)는 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 발전기 고정자의 결함 여부를 판정하기 위해 스펙트럼 분포함수와, 하모닉, 에너지 밀도 등을 파라미터로 하여 분석 및 진단한다. 진단 결과는 디스플레이 장치에 표시된다.The diagnosis unit 50 analyzes and diagnoses the spectral distribution function, the harmonic, the energy density, and the like as parameters to determine whether the generator stator is defective by using the frequency spectrum distribution. The diagnostic result is displayed on the display device.

본 발명에서는 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 여부를 주파수 스펙트럼으로 판단하여 고정자 결함 여부를 진단한다.In the present invention, the stator iron core vibration defect, the single phase defect of the stator winding, the mechanical defect of the stator, the line short circuit between the stator coils, and the voltage unbalance applied to the generator are judged by the frequency spectrum to diagnose the stator defect.

도 7은 고정자 철심 진동의 결함 진단 방법 흐름도이다. 발전기 고정자 철심 구조물에 작용하는 철심 표면 진동 주파수는 진동력 함수의 하모닉 성분을 예측하기 위한 수단을 제공해주므로 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.7 is a flowchart illustrating a defect diagnosis method for stator iron core vibrations. The core surface vibration frequency acting on the generator stator core structure provides a means for estimating the harmonic component of the vibration force function, and thus can be expressed as Equation 2.

여기서f_sv: 철심 표면 진동주파수n'_rt: 발전기 회전자 정수R: 회전자 봉 수n'_d: 발전기 동적편심 정수s: 슬립p: 피크값n'_sa: 발전기 공극정수n'_ws: 발전기 고정자 철심 정수f₁: 전원주파수 Where f _sv : iron core surface oscillation frequency n ' _rt : generator rotor constant R: number of rotor rods n' _d : generator dynamic eccentricity constant s: slipp: peak value n ' _sa : generator pore constant n' _ws : generator stator Iron core constant f ₁ : Power frequency

도 7을 보면 고정자 철심 진동의 결함을 진단하기 위해서는 S110 ~ S180의 단계를 거쳐야 한다. 처음에 상수변수값 Rotor, dynamic dev를 읽어들이는 단계(S110)가 필요하다. Rotor는 발전기 회전자 정수를, dynamic dev는 동적편심 정수값을 나타낸다. 이후 슬립 주파수를 계산하고(S120), 동적 편심 주파수를 계산한다(S130). 그리고 고정자 코어값과 공극값을 계산한 뒤(S140), 고정자 코어 표면의 진동 주파수(평균최대값)를 계산한다(S150). 그리고 수학식 3을 통해 편심값을 계산한다(S160). 여기서 max는 최대값, avg는 평균값, %D는 편심값이다.그리고 기준편심값과 수학식 3의 값을 비교하여 수학식 3의 값이 기준편심값보다 크면 편심이 상당히 심한 상태를 나타내므로 고정자 철심 진동의 결함이 있을 가능성이 있기 때문에 고정자 철심 진동을 감시하여 진단을 행하고(S180), 그렇지 않으면 고정자 철심 진동의 결함이 없다고 판단하여 위 단계(S130)를 다시 수행한다.한편 고정자 철심에 작용하는 하모닉 성분의 힘들은 철심 표면에 전달되는 주파수와 같은 진동을 일으킨다. 따라서 철심 표면의 진동신호는 정적과 동적편심의 주파수 성분을 포함하게 된다. 고정자 프레임 진동에서 주요한 슬롯 하모닉 중 하나는 동적편심의 함수로서 변화한다. 따라서 고정자 전류분석에 의해 고정자 철심 진동주파수 성분을 찾을 수 있으므로 고정자 철심 진동에 대한 결함 여부를 진단할 수 있다.Referring to Figure 7 in order to diagnose the defect of the stator core vibrations must go through the steps of S110 ~ S180. First, a step S110 of reading constant variable values Rotor and dynamic dev is required. Rotor is the generator rotor constant and dynamic dev is the dynamic eccentric integer. After that, the slip frequency is calculated (S120), and the dynamic eccentric frequency is calculated (S130). After calculating the stator core value and the void value (S140), the vibration frequency (average maximum value) of the surface of the stator core is calculated (S150). And the eccentric value is calculated through Equation 3 (S160). Where max is the maximum value, avg is the average value, and% D is the eccentricity value. The value of Equation 3 is greater than the reference eccentricity value when the value of Eq. Since there is a possibility that there is a defect in the core core vibration, the diagnosis is performed by monitoring the stator core vibration (S180), otherwise it is determined that there is no defect in the stator core vibration, and the above step (S130) is performed again. Harmonic forces cause vibrations, such as the frequency transmitted to the iron core surface. Therefore, the vibration signal on the iron core surface includes the frequency components of static and dynamic eccentricity. One of the major slot harmonics in stator frame oscillation changes as a function of dynamic eccentricity. Therefore, the stator core vibration frequency component can be found by the stator current analysis, so it is possible to diagnose whether there is a defect in the stator core vibration.

도 8은 고정자 권선의 단상 결함 진단 방법 흐름도이다. 도 8에 따르면 이 발명을 위해서는 단계(S210 ~ S290)들을 차례로 수행하여야 한다. 즉 고정자 권선의 단상에 결함이 있는지 여부를 알기 위해서는 먼저 발전을 시작하고(S210), 이후 실시간 스팩트럼 데이터를 수집한다(S220). 그리고 회전주파수값을 읽어들이고(S230) 나서 발전주파수값을 읽어들인다(S240). S240의 수행이 끝나면 주파수별로 다음 단계들을 수행한다. 즉 1차 내지 2차 발전주파수인 경우에는 피크값을 계산한 뒤(S250) 피크값이 기준치를 초과하는지 비교하여(S260), 기준치를 초과하면 고정자 권선의 단상에 결함이 있는 것으로 판단하여 출력상의 경보를 울리고(S310), 만약 기준치를 초과하지 않았으면 S250 단계를 다시 수행한다. 그리고 1차 내지 2차 회전주파수인 경우에는 피크값을 계산하여(S270), 피크값이 기준치를 초과하는지 비교하여(S280), 기준치를 초과하면 고정자 권선의 단상에 결함이 있는 것으로 판단하여 출력상의 경보를 울리고(S310), 만약 기준치를 초과하지 않았으면 S270 단계를 다시 수행한다. 그리고 1/2차 하모닉값의 피크값을 계산한 뒤(S290), 피크값이 기준치를 초과하는지 비교하여(S300), 기준치를 초과하면 고정자 권선의 단상에 결함이 있는 것으로 판단하여 출력상의 경보를 울리고(S310), 만약 기준치를 초과하지 않았으면 S290 단계를 다시 수행한다.단상결함은 3상 발전기가 여러 가지 원인으로 2상으로만 운전되는 것을 의미하는 것으로서, 시동할 때 디젤 발전기가 간신히 규정속도에 도달하게 되며, 불평형 자기력에 의해 기동시 소음이 매우 크게 나타난다. 발전기가 시동할 때 진동 스펙트럼은 보통 1*와 2*(회전주파수)와 1*와 2*(전원주파수), 그리고 1/2*(하모닉)과 공진주파수에서 큰 진폭을 보이므로 이를 이용하여 발전기 고정자에 대한 결상 여부를 판별할 수 있다. 여기서 *는 차수(degree)를 뜻한다. 단상화의 원인은 발전기 고정자 코일의 단선 또는 출력단자 회로의 차단기나 연결선이 개방된 경우이다. 고정자 코일의 단선은 코일의 저항이나 전류측정으로 쉽게 확인할 수 있다.8 is a flowchart illustrating a method for diagnosing single phase defects of a stator winding. According to FIG. 8, steps S210 to S290 must be sequentially performed for this invention. In other words, in order to know whether there is a defect in a single stage of the stator winding, power generation is started first (S210), and then real-time spectrum data is collected (S220). Then, the rotation frequency value is read (S230) and then the generation frequency value is read (S240). After the execution of S240, the following steps are performed for each frequency. That is, in the case of the first to second generation frequency, the peak value is calculated (S250) and the peak value exceeds the reference value (S260). If the reference value is exceeded, it is determined that there is a defect in the stator winding's single phase. The alarm sounds (S310), if the reference value is not exceeded and performs the step S250 again. In the case of the first to second rotation frequency, the peak value is calculated (S270), and the peak value is compared with the reference value (S280). If the reference value is exceeded, it is determined that there is a defect in the stator winding single phase. The alarm sounds (S310), if the reference value is not exceeded and performs the step S270 again. After calculating the peak value of the 1 / 2th harmonic value (S290), and comparing the peak value with the reference value (S300), if the reference value is exceeded, it is determined that there is a defect in the stator winding's single phase and an alarm on the output is generated. (S310), if the reference value is not exceeded, perform step S290 again. Single-phase fault means that the three-phase generator is operated only in two phases for various reasons, and the diesel generator barely regulates the speed at start-up. In this case, the noise is very large at the start due to the unbalanced magnetic force. When the generator starts up, the vibration spectrum usually exhibits large amplitudes at 1 * and 2 * (rotational frequency) and 1 * and 2 * (power frequency), and 1/2 * (harmonic) and resonant frequency, It is possible to determine whether the stator is missing. Where * stands for degree. The cause of the single phase is the disconnection of the generator stator coil or the breaker or connection of the output terminal circuit is open. The disconnection of the stator coil can be easily confirmed by measuring the resistance or current of the coil.

도 9는 고정자의 기계적 불량 검출 방법 흐름도이다. 도 9에 따르면 이 발명은 S410 ~ S470의 단계들로 이루어진다. 이 발명에 따라 고정자의 기계적 불량을 검출하기 위해서는, 발전기의 슬롯주파수값을 읽어들이고(S410), 고정자의 슬롯주파수를 계산한다(S420). 그리고 발생되는 고주파를 계산한다(S430). 이후 고정자의 기계적 고장에 따른 고주파를 검출하고 Cmax, 평균 피크 레벨값을 계산한다(S440). 그리고 나서 %D값을 구하며(S450), 구한 %D값을 기준값과 비교하여(S460), 만약 그 값이 기준값보다 크면 고정자의 기계적인 고장이 있는 것으로 판단하여 경고를 발하고(S470), 만약 기준값 이하이면 S450 단계를 다시 수행한다. 디젤 발전기에서 헐거운 고정자 코일에 의한 대부분의 문제는 회전수에 고정자 슬롯 수를 곱한 주파수와 발전기 전원주파수의 하모닉 성분과의 합으로서 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.9 is a flowchart illustrating a method for detecting mechanical failure of a stator. According to Figure 9 the invention consists of the steps of S410 ~ S470. In order to detect the mechanical failure of the stator according to the present invention, the slot frequency value of the generator is read (S410), and the slot frequency of the stator is calculated (S420). And calculate the generated high frequency (S430). After detecting the high frequency according to the mechanical failure of the stator and calculates the Cmax, average peak level value (S440). Then, the% D value is obtained (S450), and the obtained% D value is compared with the reference value (S460). If the value is larger than the reference value, it is determined that there is a mechanical failure of the stator and a warning is issued (S470). If the reference value is less than the step S450 is performed again. Most problems caused by loose stator coils in diesel generators can be expressed as Equation 4 as the sum of the frequency multiplied by the number of stator slots and the harmonic component of the generator power frequency.

여기서f_sh3: 발전기 고정자의 기계적 결함 특성주파수n_st: 발전기 고정자 정수s: 슬립p: 피크값n_ws: 고정자 슬롯 정수(1, 3, 5, …)f₁: 전원주파수(발전기 발전주파수)f_rpm: 발전기의 분당회전수에 따른 전원주파수S: 고정자 슬롯 수 Where f _sh3 : Mechanical fault characteristic of generator stator n _st : Generator stator constant s: Slip p: Peak value n _ws: Stator slot constant (1, 3, 5,…) f ₁ : Power frequency (generator generation frequency) f _rpm : Power frequency according to the revolutions per minute S: Number of stator slots

고정자 코일 권선의 높은 저항이나 조인트 불량 등은 위 식과 같이 고정자 슬롯 주파수와 발전기 발전 주파수에 대한 하모닉 성분의 주파수 스펙트럼이 발생하여 전류 CT센서의 스펙트럼 신호의 측정에 의해 검출할 수 있다.High resistance or joint failure of the stator coil winding can be detected by measuring the spectral signal of the current CT sensor because the frequency spectrum of the harmonic component of the stator slot frequency and the generator generating frequency is generated as shown in the above equation.

도 10은 고정자 코일의 선간 단락 검출 방법 흐름도이다. 발전기가 작동 상태에 있을 때 전기적 절연과 관련된 결함을 완벽히 검출할 수 있는 방법이나 현재 상용화된 계측기는 없다. 전류 분석과 부 시퀀스(negative sequence) 임피던스와 같은 기술이 온라인 발전기 고정자 모니터링의 방법으로 알려져 있으나 아직 실증된 장치는 없는 실정이다. 그러나 발전기의 전류 측정으로 특정 주파수를 계측해보면 발전기 고정자의 불평형의 변화를 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 고정자 코일에 선간 단락이 있는 경우 전류측정에 의한 슬롯통과 주파수의 하모닉을 살펴보면 전동기의 전기적 특성을 검출할 수 있다. 클램프 전류센서를 사용하여 신호 분석기에 입력하고, 입력된 신호는 FFT로 처리되어 스펙트럼으로부터 슬롯통과 주파수를 쉽게 분석할 수 있다. 스펙트럼 상에 나타나는 주파수는 고정자 슬롯과 회전주파수의 곱으로 구해지는 슬롯통과 주파수의 전원 하모닉으로 나타낼 수 있다. 10 is a flowchart of a method for detecting a short circuit between lines of a stator coil. There is no way to fully detect faults associated with electrical isolation when the generator is in operation, but no instrument is currently available. Techniques such as current analysis and negative sequence impedance are known as on-line generator stator monitoring methods, but there are no proven devices. However, measuring a specific frequency by measuring the current in the generator shows that an unbalanced change in the generator stator can be detected. If there is a short circuit between the stator coils, the electrical characteristics of the motor can be detected by looking at the harmonics of the slot pass frequency by current measurement. A clamp current sensor is used to input the signal analyzer, which is then processed by the FFT for easy analysis of slot-pass frequencies from the spectrum. The frequency appearing on the spectrum can be represented by the power harmonic of the slot pass frequency obtained by multiplying the stator slot and the rotational frequency.

도 11은 전압 불평형 검출 방법 흐름도이다. 3상 디젤 발전기에 인가되는 각 상의 유도전압이 동일하지 않을 때, 발전기 고정자 권선에 불평형 전류가 흐르게 된다. 약간의 전압 불평형이라도 전류는 더 큰 불평형의 결과로 나타난다. 전압 불평형을 갖고 작동하는 발전기의 온도 상승은 같은 부하 조건으로 평형된 정상 전압으로 작동하는 발전기보다 더 크게 된다. 디젤 발전기에서는 전압 불평형이 2% 이상으로 작동되는 것을 피해야 한다. 발전기에 불평형 전압의 영향은 평형을 이룬 전압에서 발생하는 회전에 반대 방향을 갖는 "부 시퀀스전압(negative sequence voltage)"의 개입과 같은 결과를 나타낸다. 도 11에서 보는 바와 같이 부 시퀀스전압은 회전자의 회전에 대항하는 공극의 자속을 발생하며, 높은 전류를 발생하는 경향이 있다. 작은 부 시퀀스전압이라도 평형된 전압 조건하에서 나타나는 전류를 훨씬 초과하여 고정자 권선에 전류를 발생시킬 수 있다.11 is a flowchart illustrating a voltage unbalance detection method. When the induction voltage of each phase applied to the three-phase diesel generator is not the same, an unbalanced current flows in the generator stator windings. Even with slight voltage unbalance, current results in greater unbalance. The temperature rise of a generator operating with voltage unbalance is greater than a generator operating with a steady voltage balanced under the same load conditions. In diesel generators, voltage unbalance should be avoided for operations above 2%. The effect of unbalanced voltages on generators is the same as the involvement of "negative sequence voltages" in the opposite direction to rotations occurring at balanced voltages. As shown in FIG. 11, the sub-sequence voltage generates magnetic flux of voids against rotation of the rotor, and tends to generate high current. Even a small negative sequence voltage can generate current in the stator windings far beyond the current seen under balanced voltage conditions.

Claims

A current sensor for measuring a current of the generator stator winding;

A signal conditioner that removes external noise of the signal output from the current sensor through a low pass filter, and then detects zero crossing and converts it into a trigger signal of the A / D converter;

An A / D converter for converting an analog signal output from the signal conditioner into a digital signal;

A signal processor for digitally filtering the output signal of the signal conditioner converted into the digital signal with Butterworth, applying a Hanning window as a window function, frequency correcting, and obtaining a frequency spectrum distribution by fast Fourier transform (FFT); And

Using the frequency spectrum distribution obtained by the signal processor, the generator stator can Including a diagnosis unit for determining whether there is a defect,

In this case, a separate diagnostic algorithm is used to determine the stator core vibration defect, the stator winding single phase defect, the stator mechanical defect, the stator coil short circuit, and the voltage unbalance applied to the generator.

Stator iron core vibration defect diagnosis algorithm,

Reading generator rotor constants and dynamic eccentric integer values, which are constant variable values;

Calculating a slip frequency;

Calculating a dynamic eccentric frequency;

Calculating stator core values and void values;

Calculating vibration frequencies (average value and maximum value) of the stator core surface;

Calculating an eccentricity value = (maximum vibration frequency-average vibration frequency) / average vibration frequency; And

Determining whether the eccentricity value is greater than the reference eccentricity value, and if it is large, performing the monitoring and diagnosing step, otherwise calculating the dynamic eccentric frequency,

Single-phase fault diagnosis algorithm of stator winding

Starting development;

Collecting real-time spectrum data;

Reading a rotation frequency value;

Reading a generation frequency value; And

After calculating the peak value of the read frequency value is determined whether the reference value is exceeded, if the reference value is not exceeded, calculates the peak value again, and if it exceeds, and comprises an alarm ringing,

The mechanical defect diagnosis algorithm of the stator is

Reading a generator slot frequency;

Calculating a stator slot frequency;

Calculating the generated high frequency;

Detecting a high frequency according to a mechanical failure of the stator and calculating a maximum value and an average peak level value;

Calculating% D = (maximum value-average peak level value) / average peak level value; And

Compare% D above to the reference value and sound an alarm if% D is greater, otherwise recalculate% D above

It is equipped with

The line short circuit diagnosis algorithm of the stator coil is

Reading a slip frequency;

Reading a constant variable value of the stator;

Calculating a slot pass frequency;

Measuring a peak value of the harmonics;

Creating a lookup table of maximum values; And

Compare and exceed the maximum value and if it exceeds the alarm of the internal winding, or repeat the step of calculating the upper slot pass frequency again.

Generator fault diagnosis apparatus using a stator current, characterized in that provided.

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