KR101228386B1 - 전동기 절연 상태 진단 시스템 - Google Patents

Abstract

전동기 절연 상태 진단 장치가 개시된다. 전동기 절연 상태 진단 장치는 전원 공급부, 전류 측정부, 및 절연 상태 인자 산출부를 포함한다. 전원 공급부는 전동기가 정지하는 경우 전동기로 직류 전압 및 교류 전압을 각각 공급하고, 전류 측정부는 전압 공급시 전동기로 공급되는 전압 및 전류값을 측정하며, 절연 상태 인자 산출부는 직류 전압 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 전동기의 직류 절연 저항값을 산출하고, 교류 전원 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 전동기로 공급되는 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상각을 산출한다. 이러한 구성으로, 고가의 특수 장비가 없이도 높은 빈도로 용이하게 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

전동기, 절연 상태, 진단

Description

전동기 절연 상태 진단 시스템{System for monitoring insulation condition of electric motors}

본 발명은 전기 기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 기기의 상태를 진단하는 시스템에 관한 것이다.

전기 기기의 절연은 기기가 동작하는 데에 있어서 필수적인 구성 요소의 하나로서, 전기 기기의 신뢰도를 결정짓는 중요한 역할을 한다. 최근 20년 동안 IEEE, EPRI, ALLianz 등에서 발표한 전기 기기 신뢰도 조사에 따르면, 기기의 연 고장률은 평균 3%이며 가동률이나 부하가 높은 제지업이나 광업과 같은 악조건 속에서 운전되는 경우에는 연 고장률이 12%에 이른다고 한다.

이에 대한 고장 원인 분석에 따르면 고정자와 관련된 고장이 전체 고장의 30%~40%로 전기 절연은 기기의 가장 약한 구성 요소 중의 하나라고 할 수 있다. 전기 기기 고장은 기기의 보수/수리에 필요한 비용에 의한 손실뿐만 아니라, 전동기가 포함된 공정 자체를 멈추기 때문에 공정 정지에 따른 생산성 저하에 의한 막대한 경제적 손실을 초래한다.

전동기 고장 중에서도 전기 절연 파괴에 의한 고장은 아크사고의 원인이 되 기 때문에 화재와 인명 피해의 원인이 되기도 한다. 따라서 전동기 고장에 의한 피해를 방지하기 위하여 전동기의 절연 상태를 정기적으로 정확하게 진단하는 것은 신뢰성 있는 운전을 위해 필수적이라 할 수 있다.

일반적으로 전기 기기에 사용되는 고정자 권선 절연은 열적, 기계적, 전기적, 환경적 스트레스 등 복합적인 원인에 의하여 점진적으로 열화가 진행된다. 열화 메커니즘을 정리하면 다음과 같다.

1. 열적 열화: 정격 부하를 기준으로 설계된 기기는 과부하의 경우 정격 전류 이상의 전류가 흐르게 되어 권선의 온도를 상승시킨다. 한편, 전동기의 경우 기동 시 정격 부하에서의 전류보다 5~8배 많은 전류가 흐르는데, 이로 인해 권선의 온도가 급격히 증가하게 된다.

짧은 시간 동안 반복적인 기동, 즉 사이클링을 행할 경우 고정자 권선의 절연은 팽창과 수축이 반복되고 이로 인하여 절연에 균열이 생기게 된다. 또한 상전압 불균형으로 인한 역상 전류로 인하여 3.5%의 전압 불균형이 발생하면 권선의 온도는 25%나 증가하게 된다. 인버터 구동 기기의 증가에 따라 높은 고조파의 전류가 권선에 흐르게 되고 이로 인하여 동손, 철손 등이 증가하여 권선의 온도를 증가시킨다.

2. 전기적 열화: 전기기기 고정자 권선 절연의 전기적 열화는 순간적이거나 반복적인 과전압과 전압 서지에 의해 동도체 표면, 절연 표면과 내부, 슬롯, 단말 권선에 방전이 발생하여 열화가 진행된다.

전기기기가 기동할 때나 전력 시스템 계통에서 절연 파괴, 낙뢰 등의 문제가 발생했을 때, 역률 개선을 위해 사용되는 커패시터 스위치가 ON, OFF 할 때, 인버터 구동을 통해 기기를 구동할 때 등의 원인들로 과전압과 전압 서지가 발생할 수 있다.

3. 기계적 열화: 고정자 권선 절연의 기계적 스트레스 진동, 충격, 마모 등이다. 진동은 기기가 구동을 하면 발생하는데 고정자 권선에 전류가 흐르면 전류가 흐르는 도선 단면적의 직각 방향으로 유도된 힘이 코일에 발생하게 되고 이로 인하여 전원 주파수의 2배로 진동하게 되어 절연이 열화된다.

또한 베어링, 축 또는 커플링에 문제가 있어 회전자가 고정자와 접촉하게 되거나 볼트나 너트가 풀려진 경우, 고정자에 충격과 마모 등이 가해져 고정자 권선 절연 열화를 유발한다.

4. 환경적 열화: 외부에서 유입되거나 내부에서 발생한 먼지, 페인트, 기름, 수분 등이 절연과 만나 침식 및 화학적 변질을 일으켜 고정자 권선의 절연을 열화시킨다.

이와 같이 열거한 열적, 전기적, 기계적, 환경적 열화가 전기기기에서 복합적으로 작용하여 고정자 권선의 절연을 열화시키고, 그 결과 고정자 권선 절연의 열화가 진행되면서 턴 절연이나 상간 절연 혹은 주절연 파괴의 형태로 고장이 나타나게 된다.

전기 기기의 절연 상태를 진단하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다. 먼저, 오프라인 절연 진단은 전기기기를 정기적으로 점검할 때 전동기가 멈춘 상태에서 각상의 권선을 분리한 상태에서 행하는 방법이다.

절연의 상태를 진단하기 위해 가장 많이 사용되는 절연 상태 인자는 절연 저항, polarization index, dissipation factor, power factor tip-up, 절연 커패시턴스 등으로 같은 기기에 대해 정기 점검 때마다 측정된 값들의 시간에 따른 변화를 관찰하여 절연의 상태를 진단한다.

오프라인 방식의 가장 큰 단점은 3-6년에 한 번씩 행하는 정기 점검 시에만 진단을 할 수 있기 때문에, 절연의 상태를 자주 진단할 수 없는 데에 있다.　 또한 전동기를 멈추고 전원선 및 세 상의 선을 모두 끊은 상태에서 진단을 행하기 때문에 인력과 비용이 많이 소비된다.

따라서 진단할 때 절연의 열화가 많이 진행된 상태가 아니면 권선을 대체하지 않기 때문에 다음 정기 점검까지 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 없다.　3-6년에 한 번 진단 데이터를 측정하므로 데이터를 같은 조건에서 측정하기가 힘들기 때문에 일관성이 없을 수 있으며, 데이터수가 적기 때문에 기기의 현재 상태나 고장 시기 예측이 힘들다.

다음으로, 온라인 절연 진단은 전기기기가 운전 중일 때 절연의 상태를 진단하므로, 기기의 절연 진단을 위해 공정 전체를 멈추지 않아도 되며, 전동기 운전 중에 언제든지 진단을 할 수 있기 때문에 절연의 상태를 자주 진단할 수 있다.

특히, 온라인 부분 방전 감지는 부분 방전에 의한 절연 파괴를 감지하는 방법으로 그 사용이 증가하고 있으며 연구가 활발히 진행되고 있다.　 부분 방전은 2300V급 이상의 대용량 상용 구동 전동기나 400V급 이상의 인버터 구동 전동기에서 절연 파괴의 중요한 요인이며, 현재 제품으로 판매되는 온라인 부분 방전 진단기는 부분 방전에 의한 전동기 고장을 방지하는 데에 매우 효과적이다.　

그러나 부분 방전은 측정 결과의 해석이 주관적이며, 고가의 특수한 장비가 요구되기 때문에 고가의 대용량 전동기에만 적용되고 있는 실정이다. 따라서 오프라인 진단 기법보다 진단 빈도를 높이면서 저가로 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있는 기술이 산업 현장에서 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고가의 특수 장비가 없이도 높은 빈도로 용이하게 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전동기 절연 상태 진단 시스템은 전원 공급부, 전류 측정부, 및 절연 상태 인자 산출부를 포함한다.

전원 공급부는 전동기가 정지하는 경우 전동기로 직류 전압, 및 교류 전압을 각각 공급하고, 측정부는 전압 공급시 전동기로 공급되는 전압 및 전류값을 측정하며, 절연 상태 인자 산출부는 직류 전압 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 전동기의 직류 절연 저항값을 산출하고, 교류 전원 공급시 측정되는 전압 및 전류값을 이용하여 전동기로 공급되는 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상각을 산출한다.

이러한 구성으로, 고가의 특수 장비가 없이도 높은 빈도로 용이하게 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

전원 공급부는 전동기 전원 공급단으로부터 공급받은 전원을 이용하여 직류 및 교류 전압을 전동기로 공급할 수 있다. 이와 같은 구성으로, 별도의 전원 공급원이 없이도 전동기 정지시마다 전동기의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

전원 공급부는 전동기 전원 공급단에서 전동기로 공급되는 전원 공급선과 병 렬 연결될 수 있다. 이와 같이, 전원 공급선과 병렬 연결됨으로써 개폐기에 의한 전동기로의 차단시에 전원 공급부가 전동기로 전원을 공급할 수 있게 된다.

또한, 전원 공급부는 전원 공급선의 개폐기 양단에 각각 연결될 수 있다. 이 경우 전동기 절연 상태 진단 시스템을 개폐기 박스안에 설치할 수 있게 되고 이로 인해 시스템 설치를 위한 별도의 공간이 필요하지 않을 수 있게 된다.

절연 상태 인자 산출부는 위상각을 이용하여 전동기의 커패시턴스값을 산출할 수도 있고, 전동기의 유전 정접값을 산출할 수도 있다. 이와 같은 구성으로, 산출된 데이터를 이용하여 필요한 보다 다양한 절연 상태 인자값들을 얻을 수 있게 된다.

또한, 전동기 절연 상태 진단 시스템은 절연 상태 인자 산출부에서 산출된 값들을 저장하는 절연 상태 인자 저장부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성으로, 단순히 측정시의 전동기의 절연 상태는 물론, 절연 상태의 변화 추이를 파악할 수 있게 된다.

본 발명에 의해, 고가의 특수 장비가 없이도 높은 빈도로 용이하게 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

또한, 별도의 전원 공급원이 없이도 전동기 정지시마다 전동기의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

또한, 산출된 데이터를 이용하여 필요한 보다 다양한 절연 상태 인자값들을 얻을 수 있게 된다.

또한, 전원 공급선과 병렬 연결됨으로써 개폐기에 의한 전동기로의 차단시에 전원 공급부가 전동기로 전원을 공급할 수 있게 되며, 또한 개폐기 양단에 연결됨으로써 개폐기 박스안에 설치될 수 있게 되어, 설치를 위한 별도의 공간이 필요하지 않을 수 있게 된다.

또한, 단순히 측정시의 전동기의 절연 상태는 물론, 절연 상태의 변화 추이를 파악할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전동기 절연 상태 진단 시스템의 개략적인 블록도이다.

전동기 절연 상태 진단 시스템(110)은 전원 공급부(110), 측정부(120),및 절연 상태 인자 산출부(130), 및 절연 상태 인자 저장부(140)를 포함한다.

전원 공급부(110)는 작동 입력이 있는 경우 전동기의 전원 공급단에서 전동기로의 전원 공급이 차단되는 경우에만 전동기로 직류 전압, 및 교류 전압을 각각 공급한다. 이때, 전원 공급부(110)는 전동기 전원 공급단에서 전동기로 공급되는 전원 공급선과 병렬 연결되고, 전원 공급선을 통한 전동기로의 전원 공급이 차단되는 경우에만 전동기 전원 공급단으로부터 전원을 공급받을 수 있다.
이와 같은 구성으로, 절연 상태 진단 시스템(100)의 구동만을 위한 별도의 전원 공급원이 없이도 전동기 정지시에 전동기의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다. 또한, 이와 같이 전원 공급부(110)가 전원 공급선과 병렬 연결됨으로써, 개폐기에 의한 전동기로의 전원 차단시에 전원 공급부(110)가 전동기로 전원을 공급할 수 있게 된다.

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또한, 전원 공급부(110)는 전원 공급선의 개폐기 양단에 각각 연결될 수 있다. 이 경우 전동기 절연 상태 진단 시스템을 개폐기 박스안에 설치할 수 있게 되고 이로 인해 시스템 설치를 위한 별도의 공간이 필요하지 않을 수 있게 된다. 또한, 일반적으로 복수의 전동기에 대한 복수의 개폐기가 하나의 개폐기함 속에 설치되므로, 복수의 전동기에 대한 진단 결과를 하나의 개폐기함에서 용이하게 확인할 수 있게 된다.

전동기 정지시 전원 공급부(110)의 작동은 센서 등을 이용해 자동으로 수행될 수도 있겠지만, 사용자 등에 의해 입력되는 외부 작동 입력에 의해 수행될 수도 있을 것이다. 이와 같은 수동 작동의 경우 개폐기 차단 후에 일어날 수 있는 안전 사고의 위험을 방지할 수 있게 된다.

측정부(120)는 전압 공급시 전동기로 공급되는 전압 및 전류값을 측정한다. 전류의 측정은, 예를 들어,미리 정해진 측정 저항의 저항값과 측정 저항 양단의 전압 강하값을 이용해 측정할 수 있다.

절연 상태 인자 산출부(130)는 직류 전압 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 전동기의 직류 절연 저항값을 산출하고, 교류 전원 공급시 측정되는 전압 및 전류값을 이용하여 전동기로 공급되는 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상각을 산출한다.

절연 상태 인자 산출부(130)는 위상각을 이용하여 전동기의 커패시턴스값을 산출할 수도 있고, 전동기의 유전 정접값을 산출할 수도 있다. 이와 같은 구성으 로, 산출된 데이터를 이용하여 필요한 보다 다양한 절연 상태 인자값들을 얻을 수 있게 된다.

이러한 구성으로, 고가의 특수 장비가 없이도 높은 빈도로 용이하게 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단할 수 있게 된다.

또한, 산출 인자 저장부(140)는 전동기 절연 상태 진단 시스템은 절연 상태 인자 산출부에서 산출된 값들을 저장한다. 이와 같은 구성으로, 단순히 측정시의 전동기의 절연 상태는 물론, 절연 상태의 변화 추이를 파악할 수 있게 된다.

도 2는 도 1의 전동기 절연 상태 진단 시스템의 회로를 도시한 개략적인 도면이다. 도 2에는 도 1의 전동기 절연 상태 진단 시스템의 절연 진단 개념을 구현한 일 예가 도시되어 있다.

본 발명에서는 전동기가 정지할 때마다 도 2에 보인 것과 같은 능동형 전동기 진단 시스템을 이용하여 절연 저항, 커패시턴스, 유전 정접 시험 등의 표준 절연 시험을 행하여 전동기 및 케이블의 절연 상태를 진단한다. 표준 절연 시험을 행하기 위하여 절연 진단 회로에서 절연에 DC, AC 두 가지 전압을 구분하여 공급한다.

도 2에서 볼 수 있듯이, DC 절연 저항 (Insulation Resistance) 시험의 경우, 시험 표준 전압을 인가하기 위해 단상 입력 전원을 변압기를 통하여 증폭시킨 후 다이오드와 커패시터를 이용하여 평활화한다.

AC 시험의 경우 회로에 인가되는 정격 교류전원을 절연에 인가한다. Electrically Controlled Mechanical Switch는 마이크로 프로세서에서 신호를 받아 DC 혹은 AC 테스트 중 한 가지를 선택한다. 스위치는 절연에 인가되는 전압을 선택하고 스위치 후단에 연결된 측정 저항을 통하여 (저항에 걸리는 전압을 측정하고 저항값으로 나누어서) 전류를 측정한다. DC 테스트의 경우 DC 표준 전압을 절연에 인가하고 흐르는 전류값으로 나누어 식(1)과 같이 DC 절연 저항을 계산한다.

(1)

AC 테스트의 경우 정격 전원을 절연에 인가하고 그 때 흐르는 전류를 측정하여 전압과 전류 사이의 위상각으로부터 커패시턴스와 유전정접 시험을 행하며 식(2)-(3)과 같이 계산한다.

(2)

(3)

케이블이나 전동기의 절연이 열화됨에 따라서 누설전류 성분이 증가하기 때문에 DC 테스트의 경우 측정되는 절연 저항값이 감소하고 AC 테스트의 경우 위상각이 90^o에서부터 감소한다.

본 발명은 이와 같이 전동기를 전원에서 분리할 필요 없이 전동기가 정지할 때마다 저가의 절연 진단 회로를 이용하여 케이블과 전동기의 절연 상태를 자동적으로 진단할 수 있는 시스템을 제시한다.

본 발명에서는 전원부에 장착되어 전동기 정지중에 전압/전류신호를 전동기에 주입하여 자동으로 절연 진단 시험을 행하여 전동기/케이블 절연 상태를 오프라인으로 진단할 수 있는 능동형 진단 시스템 개시한다.

본 발명에서 제안하고자 하는 방법은 기존에 존재하는 절연 진단 기법을 전동기의 운전이 정지될 때마다 자주 시행할 수 있게 하여 전동기의 신뢰성을 높일 수 있다. 현재 절연 진단 시험용 장비는 고가의 수입품인데 반하여 본 진단 회로를 구성하는 데 들어가는 비용은 적으며, 시험을 위해 공정을 멈추거나 별도의 인력을 필요로 하지 않기 때문에 매우 저가이다.

이하에서는 도 1의 전동기 절연 상태 진단 시스템을 실제 제품으로 구현한 예를 설명한다.

도 1의 시스템은 전동기가 정지할 때마다 자동으로 전동기와 케이블의 절연시험을 행하는 능동형 절연 진단 시스템이다. 도 2의 도면은 도 1의 시스템의 개념도라 할 수 있다.

본 시스템은 전원부에 부착되는 제품으로 전동기가 정지할 때마다 자동으로 절연 진단 시험을 행한다. 직류와 교류 두 가지 시험을 할 수 있는데 직류시험은 입력되는 교류 정격 전압을 변압기를 통하여 승압하고 다이오드와 커패시터를 거쳐 평활화하여 직류 시험 전압을 만들어낸다.

교류 시험은 입력되는 교류 정격 전압을 그대로 사용하고 시험 전압은 릴레 이를 통하여 선택된다. 릴레이는 두 가지 시험 전압 외에 접지점, open 상태의 두 가지 연결점이 필요하다. 전동기가 구동중에 있을 때는 open 상태에 위치해 있어야 하고 직류 시험이 끝난 후 교류 시험을 하기 전에 절연 커패시터의 방전을 위하여 접지점에 연결이 되어야 한다.

마이크로 컨트롤러에서 릴레이의 연결 상태를 컨트롤하여 진단 시험을 선택한다. 절연 상태를 측정하는 방법은 릴레이 후단의 측정 저항에서부터 절연 진단에 필요한 전압과 전류를 측정하여 절연 저항(1)이나 커패시턴스(2), 유전 정접(3)을 계산한다.

측정 장치의 입력 저항값이 절연 저항과 비교하여 크지 않기 때문에 절연 시험에 영향을 미칠 수 있다. 전동기에 입력되는 전압을 바로 측정하면 누설 전류 성분에 측정 장치로 누설되는 전류성분이 포함될 수 있다. 이를 피하기 위하여 절연 시험 전압 측정시에 측정 저항의 앞단과 접지점 사이의 전압을 측정해야 한다.

직류 시험의 경우 절연에 인가되는 전압과 전류의 크기로부터 절연 저항을 계산할 수 있고 교류 시험의 경우 인가전압과 전류의 위상 차이로부터 커패시턴스와 유전 정접을 알 수 있다. 위상각을 계산하기 위하여 전압과 전류의 FFT 계산이 필요하다.

기존의 절연 진단 방법은 전동기가 전원에서 분리되어야 하고 시험자가 직접 절연 진단 시험을 전동기에 행해야 하기 때문에 시험 횟수가 제한될 뿐만 아니라 시험 자체에도 인력이 많이 소모된다. 또한 대부분의 절연 시험 장비가 고가이다.

그러나, 본 제품은 저가로 구현이 가능하고 전동기가 정지할 때마다 절연 시 험이 가능하기 때문에 전동기의 신뢰성을 높일 수 있다. 절연 시험 자체도 자동으로 진행이 가능하고 전동기 연결선을 분리할 필요가 없기 때문에 절연 진단 시험에 드는 인력 소모를 줄일 수 있다.

도 3은 전동기 절연 상태 진단 시스템의 전력 회로부를 도시한 도면이다.

도 3에서, 전력 회로부는 절연 인가 전압을 생성하고 시험에 따라 인가 전압을 결정하여 측정하기 위한 측정 저항으로 구성되어 있다. 직류 시험의 경우 직류 시험 인가 표준전압을 생성하기 위하여 입력전원으로부터 변압기를 통하여 전압을 상승한다. 변압기의 턴수 비는 입력 전압과 직류 시험 표준 전압의 비율로 결정이 되는데 본 제품은 입력 220V에 저압 전동기를 대상으로 하므로 직류 500V의 표준전압을 기준으로 하여 310:500으로 턴수비를 결정하였다.

증폭된 교류전압을 다이오드와 커패시터를 통하여 평활화하여 500V의 표준전압을 만든다. 다이오드는 역방향 전압이 500V의 직류전압이기 때문에 1000V 이상의 역 저지 전압을 가지는 것을 선정하였다. 다이오드 후단의 맥류전압을 평활화하기 위하여 450V 10uF 커패시터 두 개를 직렬로 연결하였다.

두 커패시터의 전압 분배를 균등하게 하기 위하여 병렬로 1㏁, 1/2W의 저항을 연결하였다. 표준전압이 500V이고 전동기의 절연이 가장 좋지 않은 경우로 1㏁을 예상하여 정상 시험상태에서 흐를 수 있는 최대 누설 전류를 0.5mA로 산정하였고 1mA의 퓨즈를 추가하여 전동기 절연 파괴시나 다른 비 정상적인 상황으로부터 회로를 보호할 수 있도록 하였다.

교류 시험의 경우는 상용 입력 전원을 그대로 절연에 인가하면 되기 때문에 회로 보호를 위한 퓨즈만 추가하였다. 시험 전압 선택을 위하여 릴레이를 추가하였다. 릴레이는 총 4가지 연결이 가능하여야 한다. 직류, 교류 시험 시 각각 필요한 전압 단자에 연결이 되어야 한다.

직류 시험을 행한 후에 교류 시험을 행하려 할 때 직류 시험으로 인하여 절연 커패시터가 충전되어 있을 수 있다. 이를 방전시키기 위하여 접지 단자를 추가하여 직류 전압을 방전한 후에 교류 시험을 할 수 있도록 하였다. Open 단자는 전동기가 구동 시에 진단 회로가 영향을 미치지 않게 하기 위하여 추가하였다.

측정 저항을 추가하여 누설 전류 값을 측정할 수 있게 하였고 측정 저항 양단에 걸리는 전압으로부터 절연 누설 전류를 계산할 수 있다.

도 4는 전동기 절연 상태 진단 장치의 절연 상태 인자 계산 알고리즘을 도시한 도면이다.

절연 상태 인자 계산은 마이크로 컨트롤러에서 수행된다. 마이크로 컨트롤러는 동작 지시, 계산, 저장, 통신, 보호 등 크게 다섯 가지 역할을 한다. 절연 진단 시험은 직류시험을 먼저 행하고 교류시험을 하는 순서로 진행된다. 마이크로 컨트롤러에서는 릴레이에 신호를 주어 시험에 따라 릴레이의 연결을 바꿀 수 있도록 하게 된다.

전동기가 구동할 때는 Open 상태로 유지를 하고 직류 시험이 끝나고 교류 시험이 시작되기 전에는 접지단자에 연결하여 방전할 수 있도록 한다. 측정된 두 전압으로부터 절연 상태 인자를 계산한다. 직류 시험의 경우 측정되는 인가 전압과 전류의 평균을 취하여 식 (1)과 같이 절연 저항을 계산한다.

교류 시험의 경우 측정되는 전압과 전류를 FFT하여 기본파 성분을 구한 후 두 성분의 위상 차이를 계산하여 커패시턴스와 유전 정접을 계산한다. 누설 전류가 매우 작기 때문에 계산 전에 릴레이를 접지 단자로 연결하여 전압과 전류를 측정하여 보정한다. 계산 알고리즘은 도 4에 도시된 바와 같다.

절연 상태 인자는 온도에 민감하기 때문에 측정 온도를 알 수 있도록 온도 센서를 추가하여 온도에 대한 보상을 하거나 측정 온도를 표기하여 시험자가 보상할 수 있도록 해야 한다.

절연은 재질이나 환경에 따라서 인자 값이 변화하기 때문에 현재의 값 자체보다는 변화하는 추이가 중요하다. 따라서 측정할 때마다 그 값을 저장하여 변화의 추이를 관찰하는 것이 필수적이다. 마이크로 프로세서도 시험 날짜, 절연 상태 인자 측정 값, 측정 시 온도 등을 저장하는 기능을 갖추어야 하고 필요에 따라 과거의 측정 데이터를 다시 확인하거나 출력기능이 필요하여 외부로 데이터를 꺼낼 수 있는 통신 포트도 추가되어야 한다.

전동기가 구동 중에 진단 회로가 동작하게 되면 회로가 단락 되어 큰 사고가 발생할 수 있다. 따라서 전동기에 전원이 인가되었는지 확인하고 전원이 인가되어 있으면 진단회로 자체를 구동시키지 않아야 한다.

도 2에 표시된 Motor ON/OFF 단자로부터 전동기 터미널에 걸리는 전압을 측정하여 이 전압이 일정 전압 이상이면 진단 회로를 동작시키지 않는 보호 기능이 추가되어야 한다. 또한 절연 상태 인자 값이 일정 수준을 넘으면 경고 신호를 준 후 진단 회로가 동작이 되지 않도록 하는 기능 또한 필요하다.

도 5는 절연 상태 진단 시스템의 표시부를 도시한 개략적인 도면이다.

도 5에서, 표시부는 진단 회로의 현재 상태나 절연 상태 인자 값을 표시해주는 부분이다. 현재 진단 시험을 행하고 있으면 Testing에 불이 들어오고 행하지 않고 있으면 idle에 불이 들어오게 하여 현재 진단 회로의 상태를 나타낼 수 있도록 하였다.

절연 상태 인자 3가지와 시험 시각, 온도 등을 표시하기 위하여 5가지 버튼을 추가하였다. 시각 버튼은 과거 측정하였던 데이터를 다시 체크하기 위한 것이고 버튼을 한번씩 누를 때마다 과거의 날짜로 한 단계씩 이동한다.

절연 상태 인자 표시 버튼은 현재 선택된 날짜에서 측정된 절연 상태 인자를 표시하고 온도 버튼은 시험 당시의 온도를 나타내는 것으로서 절연 상태 인자 값의 보정을 위한 것이다. 절연 상태 인자 값이 일정 수준을 넘어가거나 회로에 이상이 생기면 그 정보를 알 수 있도록 경고 표시등을 추가하였다.

본 시스템은 전동기가 동작하지 않을 때에 절연 진단을 행하는 제품이다. 전동기가 멈춘 후에 사용자가 시험 버튼을 누르면 마이크로 컨트롤러는 Motor ON/OFF 단자로부터 전동기에 전원이 공급되지 않고 있는지 확인한다.

전동기에 전원이 공급되어 있는 상태면 진단 시험을 시작하지 않고 경고 표시등에 불이 들어오도록 한다. 전동기에 전원이 공급되어 있는 상태가 아니면 진단 시험을 실시하는데 직류 시험을 먼저 시행하고 이후에 교류시험을 행하여 시험 중에는 TESTING 표시등에 불이 들어오도록 한다.

마이크로 컨트롤러에서 릴레이에 신호를 주어 릴레이 단자를 직류 시험에 위 치하게 한다. 직류 전압이 절연에 인가되고 이 때 직류 인가전압과 저항 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 이로부터 절연 저항 값을 계산하고 측정이 끝나면 마이크로 컨트롤러의 지시에 따라 릴레이의 단자를 접지 단자에 연결한다.

인가전압 측정부의 전압이 접지단과 같은 수준으로 내려온 것을 확인한 후에 다시 릴레이를 동작시켜서 교류 전압 인가 단자에 연결한다. 교류 인가전압과 누설 전류를 측정하여 커패시턴스와 유전정접을 계산하고 계산이 끝난 후 릴레이를 동작하여 접지 단에 연결한다.

표시부 화면에 측정한 데이터를 표시하고 계산된 절연 상태 인자를 저장한다. 모든 작업이 끝난 후 릴레이를 OPEN 상태에 위치한 후에 IDLE 표시등에 불이 들어오게 한다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전동기 절연 상태 진단 시스템의 개략적인 블록도.

도 2는 도 1의 전동기 절연 상태 진단 시스템의 회로를 도시한 개략적인 도면.

도 3은 전동기 절연 상태 진단 시스템의 전력 회로부를 도시한 도면.

도 4는 전동기 절연 상태 진단 장치의 절연 상태 인자 계산 알고리즘을 도시한 도면.

도 5는 절연 상태 진단 시스템의 표시부를 도시한 개략적인 도면.

Claims (7)

1. 전동기 전원 공급단에서 전동기로 전력을 공급하는 전원 공급선과 병렬 연결되고, 상기 전동기 전원 공급단으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 전동기로 직류 전압, 및 교류 전압을 각각 공급하는 전원 공급부;

   상기 전압 공급시 상기 전동기로 공급되는 전압 및 전류값을 측정하는 측정부; 및

   상기 직류 전압 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 상기 전동기의 직류 절연 저항값을 산출하고, 상기 교류 전압 공급시 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 상기 전동기로 공급되는 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상각을 산출하는 절연 상태 인자 산출부를 포함하는 전동기 절연 상태 진단 시스템으로서,

   상기 전동기 절연 상태 진단 시스템의 외부로부터 인가되는 상기 전동기 절연 상태 진단 시스템의 작동 입력이 있는 경우, 상기 전원 공급부는 상기 전원 공급선을 통한 상기 전동기로의 전원 공급이 차단되는 경우에만 상기 전동기 전원 공급단으로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전동기 절연 상태 진단 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전원 공급부는 상기 전원 공급선의 개폐기 양단에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 전동기 절연 상태 진단 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 절연 상태 인자 산출부는 상기 위상각을 이용하여 상기 전동기의 커패시턴스값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전동기 절연 상태 진단 시스템.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 절연 상태 인자 산출부는 상기 위상각을 이용하여 상기 전동기의 유전 정접값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전동기 절연 상태 진단 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 절연 상태 인자 산출부에서 산출된 값들을 저장하는 절연 상태 인자 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 절연 상태 진단 시스템.

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