KR101446530B1 - 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체 - Google Patents

Abstract

삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체가 개시된다. 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템은 교번 자계 발생부, 입력 전류 측정부, 및 자성 쐐기 탈락 진단부를 포함한다. 교번 자계 발생부는 삼상 교류 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면상에서 회전축을 관통하는 복수 방향의 교번 자계를 발생하고, 입력 전류 측정부는 복수 방향을 구성하는 각 방향의 교번 자계가 발생할 때마다 삼상 교류 전동기로 입력되는 전류를 측정함으로써 교번 자계가 발생되는 복수 방향 각각에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하며, 자성 쐐기 탈락 진단부는 삼상 교류 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 최대값이 미리 설정된 제 1 기준값 이하이고, 상기 리액턴스값의 적어도 일부가 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기가 탈락되었다고 진단한다. 이와 같은 구성에 의하면, 공정 정지, 전동기의 분해 등을 수행하지 않고서도, 용이하고 저렴하며 높은 진단 빈도로 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 여부에 대한 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.

Description

삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체{System and method for diagnosing magnetic wedges for three phase AC motors, and a medium having computer readable program for executing the method}

본 발명은 전기 기기 진단 시스템, 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동기의 자성 쐐기 탈락을 진단하기 위한 방법, 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 고정자 코어 한 슬롯의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 대형 전동기는 open slot form wound 고정자를 사용하며, 코일과 공극 사이에는 쐐기가 존재하게 된다.

쐐기로는 에폭시 쐐기와 자성 쐐기가 주로 사용되는데, 큰 출력의 전동기(500kW 이상)나 저속의 전동기(4극 이상)에서는 자성 물질의 쐐기를 사용하는 것이 추세이다.

자성 쐐기는 기존의 에폭시 쐐기보다 비투자율이 높아서 자속이 쐐기를 통해 흐르고, 그 결과 자속의 분포가 보다 더 고르게 된다. 이에 따라, semi-closed slot 고정자와 비슷한 효과를 가지게 된다.

그러므로 기존의 에폭시 쐐기를 사용할 경우와 비교하여 자성 쐐기를 사용할 경우, 공극에서 자속 변동이 줄어들어 표면 코어 손실과 소음이 줄어들고, 유효 공극이 줄어들어 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스가 증가하고 자화 전류와 copper 손실이 감소하며, 그 결과 전동기의 효율과 역률이 증가한다.

그런데 자성 쐐기는 대부분 철 분말(70~75%)과 접착제 성분으로 이루어져 있기 때문에 물리적 강도가 강하지 않아 마모, 탈락, 분해 등이 발생할 수 있다. 이와 같이 자성 쐐기가 탈락되는 경우 전동기의 신뢰성, 안정성, 효율이 저하되기 때문에 자성 쐐기의 탈락을 정기적으로 진단하는 것이 매우 중요하다.

자성 쐐기의 상태를 진단하는 방법에 대한 연구는 아직 초기 단계이다. 현재 현장에서 자성 쐐기의 탈락을 진단하는 방법으로는 전동기를 분해하여 직접 관찰하는 시각적 조사 방법이 유일하다.

전동기를 분해하지 않는 방법으로서, Borescope를 사용하여 자성 쐐기의 탈락으로 인한 회전자 표면 손상을 관찰하거나, 자성 쐐기의 마모, 분해로 인한 철 분말 등의 잔해물을 관찰하는 방법도 있지만, 모든 전동기에 적용 가능하진 않다.

도 2와 도 3은 시각적 조사 방법을 이용하기 위해 분해된 전동기의 사진이다.

도 2에서 자성 쐐기가 탈락된 부분을 직접 관찰할 수 있으며, 도 3에서는 자성 쐐기가 탈락되며 회전자와 접촉하여 회전자의 표면이 닳은 상태를 확인할 수 있다.

그런데 이와 같은 시각적 조사에 의하면, 정확한 진단은 가능하나 공정 정지, 전동기의 분해가 요구되어 불편하며 빈번한 진단이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공정 정지 시마다 전동기의 분해를 수행하지 않고서도, 분해 점검(시각적 조사 방법)과 비교하여 용이하고 저렴하며 높은 진단 빈도로 정확한 진단을 수행할 수 있는 전동기의 자성 쐐기 탈락 진단 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템은 교번 자계 발생부, 입력 전류 측정부, 및 자성 쐐기 탈락 진단부를 포함한다.

교번 자계 발생부는 삼상 교류 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면상에서 회전축을 관통하는 복수 방향의 교번 자계를 발생하고, 입력 전류 측정부는 복수 방향을 구성하는 각 방향의 교번 자계가 발생할 때마다 삼상 교류 전동기로 입력되는 전류를 측정함으로써 교번 자계가 발생되는 복수 방향 각각에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하며, 자성 쐐기 탈락 진단부는 삼상 교류 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 최대값이 미리 설정된 제 1 기준값 이하이고, 상기 리액턴스값의 적어도 일부가 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기가 탈락되었다고 진단한다.

이와 같은 구성에 의하면, 공정 정지, 전동기의 분해 등을 수행하지 않고서도, 용이하고 저렴하며 높은 진단 빈도로 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 정도에 대한 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.

자성 쐐기 탈락 진단부는 제 1 기준값과 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 평균의 차인 제 1 차이값의 크기와 제 1 기준값과 미리 설정된 제 2 기준값의 차인 제 2 차이값의 크기의 비율을 이용하여 탈락된 자성 쐐기의 수를 산출할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 자성 쐐기의 탈락 여부는 물론, 다수의 자성 쐐기가 탈락한 경우 탈락한 자성 쐐기의 수까지 용이하게 파악할 수 있게 된다.

이때, 제 1 기준값은 자성 쐐기가 탈락되지 않은 상태에서의 삼상 교류 전동기의 리액턴스값일 수 있고, 제 2 기준값은 자성 쐐기가 모두 탈락된 상태에서의 삼상 교류 전동기의 리액턴스값일 수 있다.

아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 구현한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체가 개시된다.

본 발명에 의하면, 공정 정지, 전동기의 분해 등을 수행하지 않고서도, 용이하고 저렴하며 높은 진단 빈도로 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 정도에 대한 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.

또한, 자성 쐐기의 탈락 여부는 물론, 다수의 자성 쐐기가 탈락한 경우 탈락한 자성 쐐기의 수까지 용이하게 파악할 수 있게 된다.

도 1은 고정자 코어의 한 슬롯의 일 예를 도시한 도면.
도 2와 도 3은 시각적 조사 방법을 이용하기 위해 분해된 전동기의 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 진단 시스템의 개략적인 블록도.
도 5는 도 4의 자성 쐐기 탈락 진단 시스템의 사용 상태를 도시한 도면.
도 6은 교번 자계의 각도가 0도일 때, θ=90(4극이므로 θ _m =45)에 자성 쐐기가 위치한 경우(위)와 탈락된 경우(아래)의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 7은 교번 자계의 각도가 90도일 때, θ=90(4극이므로 θ _m =45)에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 8은 인가되는 교번 자계의 각도에 대응해 산출되는 삼상 교류 전동기의 등가 리액턴스를 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 진단 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 4에서 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템(100)은 교번 자계 발생부(110), 입력 전류 측정부(120), 및 자성 쐐기 탈락 진단부(130)를 포함한다. 도 4에서 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템(100)의 각 구성 요소들은 하드웨어만으로 구성될 수도 있겠지만, 하드웨어와 함께 동작하는 소프트웨어로도 구현될 수 있을 것이다.

교번 자계 발생부(110)는 삼상 교류 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면상에서 상기 회전축을 관통하는 복수 방향의 교번 자계를 발생한다.

입력 전류 측정부(120)는 복수 방향을 구성하는 각 방향의 교번 자계가 발생할 때마다 삼상 교류 전동기로 입력되는 전류를 측정함으로써 교번 자계가 발생되는 복수 방향 각각에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정한다.

자성 쐐기 탈락 진단부(130)는 삼상 교류 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 최대값이 미리 설정된 제 1 기준값 이하이고, 상기 리액턴스값의 적어도 일부가 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기가 탈락되었다고 진단한다.

이때, 제 1 기준값은 자성 쐐기가 탈락되지 않은 상태에서의 삼상 교류 전동기의 리액턴스값일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 공정 정지, 전동기의 분해 등을 수행하지 않고서도, 용이하고 저렴하며 높은 진단 빈도로 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기 탈락 여부에 대한 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.

자성 쐐기 탈락 진단부는 제 1 기준값과 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 평균의 차인 제 1 차이값의 크기와 제 1 기준값과 미리 설정된 제 2 기준값의 차인 제 2 차이값의 크기의 비율을 이용하여 탈락된 자성 쐐기의 수를 산출할 수 있다.

이때, 제 2 기준값은 자성 쐐기가 모두 탈락된 상태에서의 삼상 교류 전동기의 리액턴스값일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 자성 쐐기의 탈락 여부는 물론, 다수의 자성 쐐기가 탈락한 경우 탈락한 자성 쐐기의 수까지 용이하게 파악할 수 있게 된다.

도 5는 도 4의 자성 쐐기 탈락 진단 시스템의 사용 상태를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 전동기가 정지 중일 때에 휴대가 가능한 3상 인버터를 이용하여 전동기에 여러 각도의 교번 자계를 발생시킨 후, 측정값들을 이용하여 자성 쐐기의 상태를 진단할 수 있다.

진단은 위의 도 5에서와 같이, 모터 제어 센터(Motor control center; MCC)나 모터 단자(Motor terminal)에서 수행 가능하다. 작은 테스트 신호로도 자성 쐐기의 상태를 진단할 수 있기 때문에 실험 장비의 스펙은 전동기의 스펙보다 훨씬 더 낮은 사양으로 구현될 수 있다.

또한, 교번 자계를 발생시키기 때문에 토크가 유도되지 않아 회전자는 회전하지 않는다. 교번 자계의 여러 각도에 따른 등가 리액턴스의 패턴과 값을 자성 쐐기 상태의 진단 척도로 사용하게 된다.

교번 자계의 전기각을 θ라 할 경우, 교번 자계는 θ와 θ+180° 사이에서 진동한다. 인버터를 이용하여 다음의 3상 전압을 인가하면 교번 자계가 발생한다.

이때, V는 여자 전압의 크기이고 ω는 주파수이다. 위의 전압을 인가하면 고정자와 회전자에 전류가 흐르며, θ 방향으로의 전압과 전류의 벡터는 다음과 같다.

v _abcs , i _abcs 는 고정자 전압과 전류의 행렬이며, k는 2/3이다. 위의 전압, 전류의 페이저(phasor)를 이용하여 θ 방향으로의 등가 입력 임피던스를 구하면 다음과 같다.

즉, 인버터를 이용하여 3상 전압을 인가하고 3상 전류를 측정하여 θ 방향으로의 등가 임피던스를 구한다. 각 각도(θ)에 따른 등가 리액턴스(X _eq )의 패턴과 값을 관찰하여 자성 쐐기의 탈락을 진단한다. 등가 저항(R _eq )의 경우 자성 쐐기의 유무에는 관계없이 온도에 따라서만 변하므로 진단의 척도로 사용할 수 없다.

자성 쐐기가 탈락했을 경우의 결과를 Finite element(FE) 시뮬레이션을 통해 살펴보면 다음과 같다. 시뮬레이션의 조건은 4극 전동기, 50Hz의 교번 자계이다.

도 6은 교번 자계의 각도가 0도일 때, θ=90(4극이므로 θ _m =45)에 자성 쐐기가 위치한 경우(위)와 탈락된 경우(아래)의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 자성 쐐기가 위치한 경우, 자속이 고정자, 회전자 표면, 그리고 자성 쐐기를 통과한다.

그런데 자성 쐐기가 탈락된 경우, 자속이 자성 쐐기가 있던 위치를 통과하지 못하며 그 결과 자속의 세기와 모양이 변한다. 자속이 공기보다 비투자율이 더 높은 자성 쐐기를 통과하다가 비투자율이 낮은 공기를 통과하게 되므로 등가 릴럭턴스가 증가하게 되어 등가 인덕턴스가 감소한다.

도 7은 자성 쐐기가 탈락된 또 다른 경우를 도시한 도면이다. 도 7은 교번 자계의 각도가 90도일 때, θ=90(4극이므로 θ _m =45)에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우의 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.

이 경우와 같이 교번 자계의 각도와 자성 쐐기의 위치가 같으면 자성 쐐기가 자속이 흐르는 경로에 위치하지 않기 때문에 자성 쐐기의 유무는 등가 리액턴스에 영향을 미치지 않는다.

그러므로 자성 쐐기가 있는 경우와 탈락된 경우 각 각의 등가 리액턴스 값이 같다. 앞서 살펴 본 경우(교번 자계와 자성 쐐기의 위치가 전기적으로 90도 차)에서는 자성 쐐기가 있는 경우와 탈락된 경우 각 각의 등가 리액턴스 값이 가장 큰 차이를 보인다.

이 결과를 바탕으로 교번 자계를 0도부터 180도까지 일정 각도 간격으로 증가시키며 인가했을 때, 등가 리액턴스의 패턴을 알 수 있으며 그래프로 나타내면 도 8과 같다.

도 8은 인가되는 교번 자계의 각도에 대응해 산출되는 삼상 교류 전동기의 등가 리액턴스를 도시한 도면이다.

도 8에서, x축은 교번 자계의 각도이고 y축은 등가 리액턴스 값이다. 자성 쐐기가 빠지지 않은 전동기의 경우, 대칭적이기 때문에 교번 자계의 각도에 따라 등가 리액턴스의 값에 변화가 없다.

θ _m =45(θ=90)에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우의 등가 리액턴스를 보면, 이상없는 전동기의 등가 리액턴스와 비교하여 0도와 180도(교번 자계와 자성 쐐기의 위치가 전기적으로 90도 차)에서 가장 큰 차이를 보이고 90도(교번 자계와 자성 쐐기의 위치가 같음)에서 같다.

θ _m =0에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우의 등가 리액턴스를 보면, 이상없는 전동기의 등가 리액턴스와 비교하여 0도와 180도(교번 자계와 자성 쐐기의 위치가 같음)에서 같고 90도(교번 자계와 자성 쐐기의 위치가 전기적으로 90도 차)에서 가장 큰 차이를 보인다.

여러 개의 자성 쐐기들이 탈락될 경우, 각 교번 자계의 각도에서 개별로 빠졌을 때의 이상 없는 전동기와의 리액턴스 차이가 서로 합산된다.

θ _m =45, 135에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우, 자성 쐐기의 탈락으로 인한 릴럭턴스의 증가가 서로 합산되어 0도와 180도에서 이상없는 전동기와의 리액턴스 차이가 θ _m =45의 경우보다 더 커진다.

θ _m =0, 45에 위치한 자성 쐐기가 탈락된 경우, 불균형이 서로 상쇄되어 이상없는 전동기에 비해 더 낮은 리액턴스 값의 일정한 패턴을 가진다. 즉 서로 전기적으로 180도(4극이므로 기계적으론 90도) 떨어진 자성 쐐기들이 탈락될 경우 그 영향은 패턴의 불균형이 더욱 강해지도록 더해지며, 서로 전기적으로 90도(4극이므로 기계적으론 45도 떨어진 자성 쐐기들이 탈락될 경우 그 영향은 패턴의 불균형을 상쇄시키는 방향으로 더해진다.

그러므로 탈락되는 자성 쐐기의 개수가 많아지면 많아질수록 탈락 위치에 관계없이 등가 리액턴스의 감소는 더 심해진다. 자성 쐐기의 탈락은 시간이 지남에 따른 등가 리액턴스의 패턴이나 값의 변화로 진단할 수 있다.

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.

100: 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템
110: 교번 자계 발생부
120: 입력 전류 측정부
130: 자성 쐐기 탈락 진단부

Claims (9)

1. 삼상 교류 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면상에서 상기 회전축을 관통하는 복수 방향의 교번 자계를 발생하는 교번 자계 발생부;
   상기 복수 방향을 구성하는 각 방향의 교번 자계가 발생할 때마다 상기 삼상 교류 전동기로 입력되는 전류를 측정함으로써, 상기 교번 자계가 발생되는 복수 방향 각각에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정부; 및
   상기 삼상 교류 전동기로 입력되는 전압과 상기 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 최대값이 미리 설정된 제 1 기준값 이하이고, 상기 리액턴스값의 적어도 일부가 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 상기 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기가 탈락되었다고 진단하는 자성 쐐기 탈락 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자성 쐐기 탈락 진단부는 상기 제 1 기준값과 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 평균의 차인 제 1 차이값의 크기와 상기 제 1 기준값과 미리 설정된 제 2 기준값의 차인 제 2 차이값의 크기의 비율을 이용하여 탈락된 자성 쐐기의 수를 산출하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제 1 기준값은 상기 자성 쐐기가 탈락되지 않은 상태에서의 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값인 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제 2 기준값은 상기 자성 쐐기가 모두 탈락된 상태에서의 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값인 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 시스템.
5. 삼상 교류 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면상에서 상기 회전축을 관통하는 복수 방향의 교번 자계를 발생하는 교번 자계 발생 단계;
   상기 복수 방향을 구성하는 각 방향의 교번 자계가 발생할 때마다 상기 삼상 교류 전동기로 입력되는 전류를 측정함으로써, 상기 교번 자계가 발생되는 복수 방향 각각에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정 단계; 및
   상기 삼상 교류 전동기로 입력되는 전압과 상기 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 최대값이 미리 설정된 제 1 기준값 이하이고 상기 리액턴스값의 적어도 일부가 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 상기 삼상 교류 전동기의 자성 쐐기가 탈락되었다고 진단하는 자성 쐐기 탈락 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 자성 쐐기 탈락 진단 단계는 상기 제 1 기준값과 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값의 평균의 차인 제 1 차이값의 크기와 상기 제 1 기준값과 미리 설정된 제 2 기준값의 차인 제 2 차이값의 크기의 비율을 이용하여 탈락된 자성 쐐기의 수를 산출하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제 1 기준값은 상기 자성 쐐기가 탈락되지 않은 상태에서의 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값인 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제 2 기준값은 상기 자성 쐐기가 모두 탈락된 상태에서의 상기 삼상 교류 전동기의 리액턴스값인 것을 특징으로 하는 삼상 교류 전동기 자성 쐐기 탈락 진단 방법.
9. 제 5 내지 8항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체.
   

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