KR101852246B1

KR101852246B1 - 전동기의 진단 장치 및 개폐 장치

Info

Publication number: KR101852246B1
Application number: KR1020157026395A
Authority: KR
Inventors: 도모코 다나베; 마코토 가네마루; 미츠루 츠키마; 다이스케 이시모토; 가즈후미 하야시
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2018-04-25
Also published as: KR20150125690A; WO2014156386A1; JPWO2014156386A1; JP5875734B2

Abstract

각 전동기에, 제로 상 전류 검출기와 상 전류 검출기와 상 전압 검출기를 장착하고, 전압 전류 분석만으로 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 검출한다. 그리고, 이 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 검출하기 위한 전압 전류 분석의 순서를 소정의 순번으로 정한다. 추가로, 감시 진단 장치에 구비된 감시 인터벌 조정부로, 전동기의 이상 판정의 레벨, 운전 이력의 길이, 혹은 전동기의 중요도에 따라 감시 인터벌을 변경한다.

Description

전동기의 진단 장치 및 개폐 장치{ELECTRIC MOTOR DIAGNOSIS DEVICE AND SWITCHING DEVICE}

본 발명은, 전동기 상태를 감시하고 이상 상태에 대해서 전동기를 보호하는 진단 장치 및 개폐 장치에 관한 것이다.

플랜트에는 전동기가 다수 존재하고 있으며, 그 설비의 진단은 메인터넌스 부문이 오감 진단에 의해 판정되고 있다. 특히 중요도가 높은 전동기에 대해서는, 정기적인 진단이 필요하게 되기 때문에 비용이 비싸다. 또한, 전동기에서는, 그 열화가 시작되면 가속도적으로 열화의 진행이 일어난다. 교류기의 경우에는 기계적 스트레스와 열(熱) 열화로 생긴 절연물의 공극이나 손상부가 방전 등으로 인터레이어 쇼트(interlayer short-circuit)(층간 단락)를 유발하고, 돌연, 절연 파괴에 이르는 경우가 있기 때문에, 한번 전동기가 열화하면 열화가 진전하는 상태 밖에 진행되지 않는다(예를 들면, 호쿠토 덴키 가부시키가이샤, 「회전기의 보수(保守)·점검·보수(補修)」, 오움사, 2010, p32 참조).

그래서, 전동기의 상시 감시 기술에 관심이 높아지고 있다. 그렇지만, 전동기의 상시 감시의 상당수는, 전동기마다 다양한 센서를 장착하는 것을 전제로 하고 있다. 예를 들면, 토크 미터나 인코더, 가속도 센서 등이다. 다만, 수백~수천대의 모터를 집중 관리하는 모터 컨트롤 센터에의 적용은 배선의 수가 많아지기 때문에, 그 적용은 현실적이지 않다. 그 때문에, 특수한 센서를 이용하지 않고 모터 컨트롤 센터에서 계측되는 전류와 전압의 정보로부터 전동기 상태를 간이(簡易)적으로 진단하여, 신뢰성, 생산성, 안전성을 향상시키는 장치가 필요하다.

전동기의 상시 감시 및 이상을 검출한 경우의 전동기의 보호에 대해서는, 이하에 내용을 설명하는 특허문헌 1~4에 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 전동기의 각 상 전류를 검출하여 각 상간(相間) 전류 비율을 산출하고, 산출한 각 상간 전류 비율을 기준값과 비교하고, 산출 전류 비율이 큰 경우에 인터레이어 쇼트로 판정한다. 다음으로 진동 센서로 전동기의 베어링부의 진동을 검출하여 진동 스펙트럼을 작성해, 소정 주파수의 레벨 성분이 기준값보다 큰 경우에, 베어링이 손상되어 있다고 판정한다. 또한, 온도 센서로 전동기의 온도를 검출하고, 검출 온도가 기준 온도보다 큰 경우에, 과열되어 있다는 판정을 하고 있다. 그 때문에, 다양한 센서를 이용하여 전동기의 진단을 하고 있어 모터 컨트롤 센터에의 적용에는 적합하지 않다.

특허문헌 2에서는, 부하 전류와 제로 상 전류 중 적어도 어느 한쪽을 측정하고, 주파수 해석한 결과로부터 설비의 이상 진단을 실시하고 있다. 토크 변동시의 부하 전류의 파형과 그 주파수 해석(FFT)으로부터, 유도 전압기의 커플링의 축 이탈(axial eccentricity)이나 축 베어링이 파손되어 있는 등의 이상 진단 및, 베어링의 윤활유 상태 변화의 진단, 설치 볼트의 느슨해짐 진단을 행한다. 또, 제로 상 전류의 FFT로부터 인터레이어 쇼트 검출을 하고 있다. 각 해석 기술의 설명이 되어 있지만, 알고리즘의 순번에 대하여 최적화되어 있지 않고, 또 모터 컨트롤 센터에 장치하는 마이크로 컴퓨터에서 FFT 해석은 바람직하지 않다. 왜냐하면, 마이크로 컴퓨터는 처리 능력이 낮기 때문에 FFT 해석 등의 고도의 해석을 행하는데는 적합하지 않기 때문이다. 만일 처리 능력이 높은 마이크로 컴퓨터를 사용하더라도, 비용이 비싸지는 문제가 있다.

특허문헌 3에서는, 복수대의 전동기를 전압 전류 해석으로 이상을 검출하는 감시 장치에 대해 기재되어 있다. 통상과 상이한 전류 위상차를 검출함으로써 전동기의 이상 판정을 한다. 그 때문에, 위상차만으로는 이상 원인을 특정하지 못해 정밀한 진단을 할 수 없다. 또한 샘플링 간격이 전동기의 상태를 따르지 않고 일정하다.

특허문헌 4에서는, 교류 회로의 전압, 주파수, 제로 상 전류를 이용하여 대지 절연 저항분의 누설 전류를 계산하고, 대지 절연 저항의 열화를 감시하는 절연 열화 감시 시스템에 대해 기재되어 있다. 대지 정전 용량분의 누설 전류량이 누설 전류의 주파수에 의존하는 특성을 이용하여, 누설 전류의 2 종류 이상의 주파수(예를 들면, 기본 주파수와 7차 고조파)에 기인하는 성분으로부터 누설 전류량을 계산하지만, 고조파를 산출하기 위해서 고속 샘플링할 필요가 있다.

일본 공개 특허 공보 제 2007－014151 호 일본 공개 특허 공보 제 2010－288352 호 일본 공개 특허 공보 제 2011－147317 호 일본 공개 특허 공보 제 2012－251817 호

전동기 상태를 감시하기 위해서, 전동기마다 상이한 센서를 장착하는 것을 전제로 하고 있어, 복수의 전동기를 진단하는데 적합하지 않다. 또한 중요도가 높은 설비 혹은 연속 운전 설비에 효율적인 감시 시스템이 필요하다.

그래서, 본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 전류 전압 분석만으로 4 종류의 상이한 전동기의 이상의 검출(지락(地絡) 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 베어링 불량 검출, 토크 이상 검출의 4 종류의 검출)을 할 수 있고, 추가로 전류 전압 분석의 순번을 고려하여 전동기를 상시 감시함으로써 전동기의 보호를 높인 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 이 전동기의 진단 장치를 개폐 장치에 구비함으로써, 진동 센서 등의 전용 계측기를 설치하지 않고 전동기를 제어 가능한 모터 컨트롤 센터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 전동기의 진단 장치는,

복수의 전동기에 접속되는 전원 회로의 상 전류를 검출하기 위한 상 전류 검출기와,

삭제

상기 전원 회로의 제로 상 전류를 검출하기 위한 제로 상 전류 검출기와,

상기 상 전류 검출기 및 상기 제로 상 전류 검출기의 출력으로부터, 상기 전동기의 이상을 판정하는 감시 진단부

를 구비하되,

상기 감시 진단부에서의 상기 전원 회로의 상 전류 및 제로 상 전류의 해석에 의해, 전기 회로와 대지가 상대적으로 낮은 임피던스로 전기적으로 접속되는 상태의 검출인 지락 검출, 전동기의 코일층 간의 단락의 검출인 인터레이어 쇼트 검출, 전동기의 회전축의 축 베어링의 불량 검출인 베어링 불량 검출, 전동기의 회전축 주위의 힘의 모멘트의 이상 검출인 토크 이상 검출의 상이한 4 종류의 이상의 검출을 포함한, 전동기의 이상의 검출을 행하는 것과 아울러, 최초에 지락 검출을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

삭제

본 발명에 따르면, 전압 전류 분석만으로 4 종류(상술한 4 종류)의 상이한 전동기의 이상을 검출함으로써, 플랜트 설비 내의 복수대의 전동기의 정밀도 높은 열화 진단을 행하는 것이 가능해진다. 즉, 지금까지 설비의 진단은 메인터넌스 부문이 오감에 의해 행하고 있었다. 이 메인터넌스는, 통상, 상시 감시가 아니라, 1개월마다, 1년 후 등의 단위로, 전동기의 이상을 진단함으로써 행해지고 있었다. 그것에 비해, 본 발명에 따르면, 4 종류의 상이한 전동기의 이상 검출 기술을 이용해 상시 감시함으로써, 통상 행해지는 메인터넌스 시기보다 빠른 단계에서, 또한 사람의 오감으로는 판단할 수 없는 것의 진단을 행하는 일도 가능해진다.

또, 개폐 장치가 상기 진단 장치를 구비함으로써, 진단용의 계측기를 추가하지 않고 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 상시 감시하는 모터 컨트롤 센터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 복수대의 전동기 감시 진단 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전동기의 감시 진단의 일례를 나타내는 개략 설명도이다.
도 3은 전동기의 오동작 요인 비율의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 이상 검출 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 고정자 전류 파워 스펙트럼의 실측예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 이상 검출 알고리즘을 설명하기 위한 다른 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 전동기의 감시 진단의 다른 예를 나타내는 개략 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 이상 레벨과 감시 인터벌의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 각 전동기의 감시 인터벌의 조정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 전동기의 운전 이력에 따른 감시 인터벌의 조정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 전동기의 중요도에 따른 감시 인터벌의 조정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 중앙 제어부를 이용한 복수대의 전동기 감시 진단 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 각 전동기의 감시 인터벌의 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 전동기의 운전 이력에 따른 감시 인터벌의 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 전동기의 중요도에 따른 감시 인터벌의 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 복수대의 전동기 감시 진단 시스템의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 중앙 제어부를 이용한 복수대의 전동기 감시 진단 시스템의 개략도이다.
도 18은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 전동기의 감시 진단의 일례를 나타내는 개략 설명도이다.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 이상 검출 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 20은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 이상 검출 알고리즘을 설명하기 위한 다른 흐름도이다.
도 21은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 복수대의 다른 전동기 감시 진단 시스템의 개략도이다.

실시의 형태 1.

본 발명의 실시의 형태 1인 전동기의 진단 장치(50)에 대해서, 이하, 도면을 이용하여 설명한다. 또, 각 도면 간에 있어서, 동일 부호는, 동일 혹은 상당의 것을 나타낸다.

도 1은 모터 컨트롤 센터가 관리하는 복수의 전동기의 시스템이다. 복수개의 전동기 구동용 전원(1)(도 1에서는, 1a, 1b, 1c)과, 복수개의 배선용 차단기(2)(도 1에서는, 2a, 2b, 2c)와, 복수개의 전자기 접촉기(3)(도 1에서는, 3a, 3b, 3c)가 접속되어 있다. 각 배선에는 1개씩 대응하는 전동기(7)(도 1에서는, 7a, 7b, 7c)가 접속되어 운전한다. 각 전동기에 접속되어 있는 3상 전선을 제로 상 전류 검출기(4), 상 전류 검출기(5), 상 전압 검출기(6)로 계측하고 있고, 취득한 전압과 전류를 감시 진단부(8)(도 1에서는, 8a, 8b, 8c)에 송신한다. 감시 진단부(8)로 판정한 결과의 신호를, 표시부(9)와 경보부(10)에 보내서, 각각 디스플레이 표시와 경보로서 발령하여 이상을 알린다. 도 1에 나타내는 예에 있어서는, 전동기의 진단 장치(50)는, 표시부 혹은 경보부를 포함하지 않는다. 이것에 대해, 도 21에 나타내는 예에 있어서는, 전동기의 진단 장치(50)는, 표시부 혹은 경보부 중 적어도 한쪽을 구비한다.

도 2에 감시 진단부의 기능을 나타낸다. 감시 진단부는 해석부(20), 이상 판정부(21), 운전 판정부(22), 표시 지령부(23), 경보 지령부(24)로 이루어진다. 감시 진단부(8)에는, 입력부의 제로 상 전류 검출기(4)로부터 제로 상 전류, 상 전류 검출기(5)로부터 각 상의 전류, 상 전압 검출기(6)로부터 각 상간의 전압이 입력된다. 그리고, 감시 진단부(8)로부터, 출력부의 표시부(9)와 경보부(10)에 신호가 전송되어 소정의 동작을 한다.

본 발명의 감시 진단부(8)로 해석하는 전동기의 이상은, 지락 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 베어링 불량 검출, 토크 이상 검출의 4 종류의 이상으로 한다. 이 4 종류의 이상을 선택한 이유에 대해 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은, 모 정비 회사가 제공하는 저압 전동기의 트러블 요인 비율이다. 축 베어링(베어링)에 관한 오동작이 60%로 가장 크고, 코일에 관한 오동작(코일 소실)이 13%를 차지한다. 그리고, 절연 저하도 6%이며, 3개가 합쳐져 전동기의 불량 요인의 대부분을 차지하고 있다. 그 때문에, 전동기의 이상 검출로서 지락 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 베어링 불량 검출, 토크 이상 검출의 4 종류의 이상을 해석하는 것은 중요하다. 그래서 본 발명에서는, 특히 이들 4 종류의 이상으로 대상을 좁혀, 이들 4 종류의 이상에 대해 해석하는 것으로 했다. 이 이상 검출의 해석은, 도 2의 감시 진단부(8)에서 실시된다.

전압과 전류가 입력부로부터 보내진 후의 감시 진단부(8)의 처리를 도 4의 흐름도에 나타내고, 이하 도 4에 근거하여 설명한다. 도 4에 있어서, 제로 상 전류 검출기(4)로부터 제로 상 전류 I₀가 갱신되고, 절연 열화 유래의 성분(I_or)을 추출하고, I_or=0을 판정한다(스텝 1). 전동기가 건전(健全)할 때에는 3상 전류가 평형이기 때문에 I_or=0으로 된다. 한편, 전동기의 전원 회로 등에서 지락했을 때에는 I_or≠0으로 되어, 전동기가 이상으로 판정한다.

다음으로, 상 전류 검출기(5)와 상 전압 검출기(6)로부터 전류(Iu, Iv, Iw) 전압(Vuv, Vvw, Vwu)이 갱신되어 불평형율 △=0을 판정한다(스텝 2). 인터레이어 쇼트는 코일 소선 간의 단락 현상이며, 인터레이어 쇼트가 발생하면 3상 고정자 전류는 비대칭으로 되기 때문에, 역상 성분에 의해 검출할 수 있다. 3상 유도 전압기의 고정자 코일의 일부가 인터레이어 쇼트했을 경우의 단락율을 μ(=Nf/N. 각 상의 권선수 N 중 Nf 턴분이 단락)으로 하면, μ≪1을 가정하여, 정상 전압 Vsp와 역상 전압 Vsn, 정상 전류 Isp와 역상 전류 Isn의 사이에 이하의 관계식이 유도된다.

[수 1]

[수 2]

[수 3]

여기서, Yp, Yn, Ypn : 어드미턴스, ω : 전원 각속도, rs : 고정자 저항, rf : 단락 저항, Ls : 고정자 누설 인덕턴스, Lm : 여자 인덕턴스, μ : 단락율이다.

어드미턴스 Y의 비대각(non-diagonal) 성분 Ypn는 인터레이어 쇼트의 지표로 할 수 있지만, 실제 필드에 있어 Ypn를 산출하는 것은 용이하지 않다. 여기에서는 Isn와 Vsn의 양쪽을 모니터하는 방법을 채용한다. 인터레이어 쇼트가 발생하지 않을 때(μ=0)는 Y의 비대각 성분(Ypn)은 제로이기 때문에,

[수 4]

이다. 인터레이어 쇼트가 발생하면,

[수 5]

로 Isn가 변화한다. Isn와 Vsn의 양쪽을 모니터함으로써,

[수 6]

를 지표로 하면, 인터레이어 쇼트 발생과 전원 전압의 불평형 발생(Vsn의 변화)을 구별할 수 있다고 생각된다. 도입 초기는 인터레이어 쇼트 미발생으로서 초기화(Yn를 계산)한 후, 식(6)의 △을 감시함으로써 인터레이어 쇼트를 판정한다.

베어링 불량 검출에 대해서는, 상 전류 검출기(5)로 측정한 전류(Iu, Iv, Iw)의 적어도 하나를 추출하고, 밴드 패스 필터를 이용하여 특정의 주파수 신호 성분만을 취출하여, 기준값과 비교한다(스텝 3). 그리고, 기준값보다 컸을 때에 전동기의 이상으로 판정한다.

일반적으로 베어링의 진동과 고정자 전류 파워 스펙트럼에는 상관이 있다. 이것은, 회전축이 베어링 내부에서 직경 방향으로 미소 변위함으로써 전동기의 공극 자속이 변화하기 때문이다. 예를 들면, 극단적인 예로서, 윤활유(grease)를 완전히 제거한 베어링을 시험 동작의 전동기에 조립하여, 운전했을 때의 고정자 전류 파워 스펙트럼을 측정한 결과를 도 5(a)에 나타낸다. 비교로서 도 5(b)에 건전한 전동기의 고정자 전류 파워 스펙트럼을 나타낸다.

도 5에서는, 샘플링 속도 2kS/s로 50s 데이터를 취득하고, 35개의 파형을 서로 더해 평균한 것을 나타내고 있다. 밴드 패스 필터를 이용하여 40Hz ~80Hz의 사이의 주파수 대역만을 추출하고, 전원 주파수 60Hz를 제외한 다른 주파수 대역에서 기준값과 비교하여 이상으로 판단했을 때에 전동기의 이상으로 판정한다(도면 내, "×"로 나타낸 주파수의 범위가 이상 판정 개소에 대응).

토크 이상 검출에 대해서는, 아래와 같이 토크 T_e의 이론식으로, 고정자 전류와 쇄교 자속을 이용하여 계산하고, 전동기의 이상을 판정한다(스텝 4).

[수 7]

또, 쇄교 자속 φ는 아래의 식 (8), (9)로부터 계산된다.

[수 8]

[수 9]

여기서, Pp : 자극수, φd, φq : 고정자의 코일 쇄교 자속, id, iq : 고정자 전류, vd, vq : 고정자 전압, Rs : 고정자 저항이다. 또한 첨자 d, q는, 각각 전류 전압을 dq 변환했을 때의 d축 방향 및 q축 방향의 방향 성분인 것을 나타낸다.

상기 식으로부터 토크를 산출할 수 있지만, 실제로는 항상 일정값이 아니라, 전력 플랜트나 화학 플랜트에 설치되는 펌프, 팬, 블로어, 컨베이어 등의 플랜트 설비에 의해서, 토크는 시간적으로 변동한다. 그 때문에, 토크 이상 검출에 있어서 바람직하게는 뉴럴 네트워크(neural network)를 이용하여 토크 이상을 검출한다. 플랜트 설비 내의 전동기의 토크는 상시 변동하기 때문에, 이상 토크의 임계값을 결정하는 것이 어렵다. 그래서, 토크의 변동 패턴으로 이상을 검지하는 것이 필요하다. 그것을 실현하는 방법 중 하나가 뉴럴 네트워크이다. 구체적으로는, 학습 기간을 마련하여 토크의 시간적 변동을 기억시킨다. 기억시킨 토크의 시간적 변동으로부터, 1일의 토크의 시간적 변동을 예측하고, 예측한 토크의 시간적 변동과 식 (7), (8)로부터 산출한 토크 추정치를 비교하여, 오차가 없는지 여부를 판정한다.

본 발명은, 이상 검출하는 알고리즘(이상 검출의 순서)에 주목했다. 이것은, 전동기의 이상 원인을 명확하게 하기 위함이고, 이상 검출의 정밀도를 높이기 위함이다. 예를 들면, 부하 토크 이상 판정을 알고리즘의 최초에 실시했다고 해도, 토크가 이상인 것이 아니라, 지락이 발생한 것에 의해서 토크 이상으로 판정해 버릴 가능성이 있다. 그래서, 이상 원인의 오판정을 일으키지 않는 것이 필요하기 때문에, 이상 검출의 알고리즘의 순번이 중요해진다. 이상 검출의 정밀도로서는, 검출할 수 있을지 몰랐던 사상(事象)을 검출할 수 있게 되기 때문이다. 그래서, 이상 검출 알고리즘의 순번은, 1) 지락 검출, 2) 인터레이어 쇼트 검출, 3) 베어링 불량 검출, 4) 토크 이상 검출, 혹은, 1) 지락 검출, 2) 베어링 불량 검출, 3) 인터레이어 쇼트 검출, 4) 토크 이상 검출의 순서로 실시하는 것이 최적이라고 생각한다.

왜냐하면, 지락이 발생하면 어스에 대해서 누설 전류가 흐르기 때문에, 전동기를 포함하는 전원 회로 내에 정상적인 전류가 흐르지 않게 된다. 그 때문에, 불평형율을 계산하는 인터레이어 쇼트 검출에 이상이 발생한다. 또, 전류의 주파수 성분을 해석하는 베어링 불량 검출에 대해서도, 지락에 의한 노이즈나 전류의 진동이 중첩될 가능성이 있기 때문에, 베어링 불량 검출에 이상이 발생한다. 또한, 토크 이상 검출에 대해서도 정상적인 전류가 흐르지 않기 때문에 필연적으로 토크에도 영향을 준다.

이상 검출하는 알고리즘의 2번째는, 도 4 또는 도 6과 같이, 인터레이어 쇼트 검출 혹은 베어링 불량 검출로 된다. 인터레이어 쇼트가 발생하면 전동기 내부의 코일의 인덕턴스가 3상으로 상이하기 때문에 불평형이 발생하여, 토크에 이상이 발생한다. 또, 베어링 불량에 수반하여 건전한 전동기가 회전하지 않고 정상적인 토크를 발생할 수 없을 가능성을 가진다. 그 때문에, 적어도 인터레이어 쇼트 검출과 베어링 불량 검출은 토크 이상 검출보다 먼저 이상 판정해야 한다.

상술한 바와 같이 실시의 형태 1에서는, 전압 전류 분석만으로 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 검출하는 것이 가능하다. 또, 이상 검출하는 알고리즘의 순번을 최적화함으로써, 정밀도가 좋은, 즉 이상 개소 및 이상 원인을 특정하기 쉬운, 이상 검출이 가능해진다.

실시의 형태 2.

전동기에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 그 열화가 시작되면 가속도적으로 열화의 진행이 일어나기 때문에, 전동기의 급격한 변화에 대해서 추종할 필요가 있다. 그래서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 감시 진단부 내에, 추가로 감시 인터벌 조정부(30)를 구비하도록 한다. 감시 인터벌 조정부(30)는, 이상 레벨 검출부(31), 인터벌 변경부(32), 운전 이력 계측부(33), 전동기 관리부(34)로 구성된다. 해석부(20)는, 입력부를 구성하는 제로 상 전류 검출기(4), 상 전류 검출기(5), 혹은 상 전압 검출기(6)로부터 보내진 신호를 해석하여, 전동기의 이상을 검출하는 것을 특징으로 한다. 해석부(20)로 이상 레벨을 해석하고, 이상 판정부(21)로 이상의 유무를 판정한다.

이상 레벨에 대해서는 도 8에 나타내는 바와 같이 3 단계로 분류하여 해석하는 것으로 한다. 흰색 원은 「건전」, 음영으로 표시된 원은 「주의」, 검정 원은 「위험」이다. 전동기의 수명은 10년 이상이며, 통상 「건전」 기간은, 「주의」로부터 「위험」에 이르기까지의 기간보다 짧다. 운전 판정부(22)에 있어서, 「건전」과 「주의」의 기간은 전동기의 운전을 계속시킨다. 「위험」의 기간은, 즉시 전동기의 운전을 정지시키고, 큰 오동작이 일어나는 것을 방지한다. 표시 지령부(23)로부터, 출력부의 표시부(9)에 이상 전동기의 번호, 이상 전동기의 장소, 이상 전동기의 레벨을 송신한다. 또, 경보 지령부(24)로부터 출력부의 경보부(10)에 경보의 유무를 송신한다.

다음으로, 전동기의 감시 진단의 하나의 기능인 감시 인터벌에 대해서, 그 원리를 도 9에 나타낸다. 전동기가 건전일 때의 감시 인터벌 시간과 비교하여, 이상 레벨 검출부(31)로 이상을 검출하고 인터벌 변경부(32)로 감시 인터벌을 조정한 후의 쪽이 감시 인터벌 시간은 짧아진다. 이때, 도 9에 나타내는 바와 같이, 이상 검출한 전동기(도 9에서는 전동기 2)만 감시 인터벌을 조정하고, 다른 건전한 전동기(도 9에서는 전동기 1, 3)에 대해서는, 감시 인터벌을 변경하지 않는다.

본 발명에서는, 전동기의 기본 정격 수명의 10⁶ 회전을 규정값으로 하여, 10⁶ 회전 이상의 전동기를 운전 이력이 긴 것으로 하고, 10⁶ 회전 이하의 전동기를 운전 이력이 짧은 것으로 하여 이하에 설명한다. 운전 이력이 길수록, 전동기의 수명에 필연적으로 가까워지게 되고, 운전 이력이 긴 전동기의 쪽이 운전 이력이 짧은 전동기와 비교하여, 통상, 고장의 가능성이 높다. 일반적으로, 전동기의 수명에 대해서는, TBM(Time Based Management)로 판단하여 그 수명을 추측하고 있으며, 수명에 가까워지면 전동기를 교환하도록 하고 있다.

본 발명에서는, 도 10과 같이 운전 이력이 길수록 이상이 발생하기 쉽다고 생각하고, 운전 이력 계측부(33)로 전동기의 회전 회수를 산출하고, 운전 이력이 규정값(여기에서는, 규정값이란 기본 정격 수명의 10⁶ 회전으로 정의한다.)을 넘었을 때에 감시 인터벌을 짧게 하는(전동기가 건전할 때의 감시 인터벌 시간과 비교해 짧게 한다) 것으로 한다. 이와 같이, 전동기 상태에 따라 감시 인터벌을 제어할 수 있다.

전력 플랜트나 화학 플랜트에 설치되는 펌프, 팬, 블로어, 컨베이어 등의 플랜트 설비에 대해서는, 전동기마다 연결되는 설비가 상이하여, 각각 중요도가 다르다. 여기서 말하는 중요도란, 생산 라인에 영향이 큰 설비에 연결되어 있는지 여부로 정하고, 기기 상태 여하와 무관하게 오버홀(overhaul)하는 전동기, 혹은 전동기를 중복으로 사용하고 있는 것을 가리킨다. 실제의 현장에서는, 중요도가 높은 전동기는 중요도가 낮은 전동기보다 빈번하게 정비사가 점검을 한다. 전동기 관리부(34)로 복수대의 전동기의 중요도를 저, 중, 고의 3 단계로 구분하고, 도 11과 같이 중요도가 높은 전동기(이 도면에서는 전동기 2)에 대해서는 감시 인터벌을 짧게, 중요도가 낮은 전동기(이 도면에서는 전동기 1, 3)는 감시 인터벌을 길게 한다.

상술한 바와 같이 실시의 형태 2에서는 실시의 형태 1과 마찬가지로 전압 전류 분석만으로 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 검출하는 것이 가능하고, 또, 이상 검출하는 알고리즘의 순번을 최적화함으로써 정밀도가 좋은, 즉, 이상 개소 및 이상 원인을 특정하기 쉬운, 전동기의 이상 검출이 가능하다. 또한, 실시의 형태 2에서는 전동기의 이상 레벨, 혹은 운전 이력, 혹은 전동기의 중요도에 따라서 감시 인터벌 시간을 변화시킴으로써, 전동기의 열화가 가속도적으로 진행해도, 정밀도가 좋은(여기에서는, 열화의 진행이 가속도적으로 진전했다고 해도 상시 감시로 또한 감시 인터벌 시간을 변화시킴으로써, 언제라도 이상을 검출 가능하게 하는 점에서 정밀도가 좋은 것을 의미한다), 전동기의 이상 검출을 가능하게 한다.

실시의 형태 3.

실시의 형태 1과 실시의 형태 2에서는, 개개의 전동기에 대해서 1개씩 감시 진단부(8)를 제공하고 있었지만, 실시의 형태 3의 전동기의 진단 장치(50)에서는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 중앙 제어부(11)를 이용하여 복수대의 전동기의 전압 전류 신호를 해석하여 이상 판정한다. 실시의 형태 1 및 실시의 형태 2와 마찬가지로, 전압 전류 신호로부터 4 종류의 상이한 이상을 검출할 수 있고, 알고리즘(4 종류의 이상 검출의 순번)도 정해져 있다.

또, 실시의 형태 2의 감시 인터벌 조정부(30)를 포함한다. 전동기의 이상 레벨을 검출하고 감시 인터벌을 제어하는 기능과, 전동기의 운전 이력에 따라 감시 인터벌을 제어하는 기능과, 전동기의 중요도에 의해 감시 인터벌을 제어하는 기능을 가진다. 각각의 원리를 도 13 ~ 도 15에 나타낸다.

상술한 바와 같이, 실시의 형태 3에서는 실시의 형태 1과 마찬가지로 전압 전류 분석만으로 4 종류의 상이한 전동기의 이상을 검출하는 것이 가능하다. 또, 이상 검출하는 알고리즘의 순번을 최적화함으로써 정밀도 좋은(이상 개소 및 이상 원인을 특정하기 쉬운) 이상 검출이 가능하다. 또한, 실시의 형태 2와 마찬가지로 전동기의 이상 레벨, 혹은 운전 이력, 혹은 전동기의 중요도에 따라서 감시 인터벌 시간을 변화시킴으로써, 전동기의 열화가 가속도적으로 진행해도 정밀도 좋게(여기에서는, 열화의 진행이 가속도적으로 진행했다고 해도 상시 감시로 또한 감시 인터벌 시간을 변화시킴으로써, 언제라도 이상을 검출할 수 있다는 점에서 정밀도가 좋은 것을 의미한다) 전동기의 이상 검출을 가능하게 한다. 게다가, 복수대의 전동기의 이상 판정을 집약하여 해석하고 전동기의 이상을 판정함으로써 1개의 감시 진단부로 복수의 전동기 감시 진단이 가능해진다.

실시의 형태 4.

실시의 형태 4에 있어서의 개폐 장치는 모터 컨트롤 센터인 것으로 한다. 실시의 형태 4에 있어서의 모터 컨트롤 센터의 내부에는, 복수개의 전동기 구동용 전원(1)(도 16에서는, 1a, 1b, 1c)을 포함하는 저압 교류 회로와, 복수개의 배선용 차단기(2)(도 16에서는, 2a, 2b, 2c)와, 복수개의 전자기 접촉기(3)(도 16에서는, 3a, 3b, 3c)가 있다. 각 배선에는 1개씩 대응하는 전동기(7)(도 16에서는, 7a, 7b, 7c)가 접속되어 운전한다. 각 전동기에 접속되어 있는 3상 전선에 제로 상 전류 검출기(4), 상 전류 검출기(5)가 설치되고, 각각의 검출기로 검지 가능한 물리량을 계측하고, 취득한 전류를 감시 진단부(48)(도 16에서는, 48a, 48b, 48c)로 송신한다. 감시 진단부(48)로 판정한 결과의 신호를, 표시부(9)와 경보부(10)로 보내서, 각각 디스플레이 표시와 경보로서 발령하여 이상을 알린다. 또, 감시 진단부(48)는, 도 17에 나타내는 바와 같이 중앙 제어부(11)를 이용하여 복수대의 전동기의 전류 신호를 해석해도 좋다.

실시의 형태 4에 있어서의 감시 진단부(48)의 기능은 실시의 형태 1과 마찬가지이기 때문에, 설명은 생략한다. 실시의 형태 4에 있어서의 감시 진단부(48)에는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 입력부의 제로 상 전류 검출기(4)로부터 제로 상 전류, 상 전류 검출기(5)로부터 각 상의 전류가 입력된다. 그리고, 감시 진단부(48)로부터, 출력부의 표시부(9)와 경보부(10)에 신호가 전송되어 소정의 동작을 한다. 또한 감시 진단부(48)로 해석하는 전동기의 이상은, 실시의 형태 1 ~ 3과 마찬가지로 지락 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 베어링 불량 검출, 토크 이상 검출의 4 종류의 이상이고, 또한, 최초에 지락 검출에 대해 판정하는 것으로 한다.

제로 상 전류와 각 상의 전류가 입력부로부터 보내진 후의 감시 진단부(48)의 처리를 도 19, 도 20의 흐름도에 나타낸다. 이하에서는 도 19에 근거하여 설명한다. 도 19에 있어서, 제로 상 전류 검출기(4)로부터 제로 상 전류 I₀가 갱신되어 절연 열화 유래의 성분(I_or)을 추출하고, I_or=0을 판정한다(스텝 1). 전동기가 건전일 때에는 3상 전류가 평형이기 때문에 I_or=0으로 된다. 한편, 전동기의 전원 회로 등에서 지락했을 때에는 I_or≠0으로 되어, 전동기가 이상으로 판정한다.

다음으로, 상 전류 검출기(5)로부터 전류(Iu, Iv, Iw)가 갱신되고, 불평형율△=0을 판정한다(스텝 2). 다만, 전압은 미지이기 때문에, 전류(Iu, Iv, Iw)와 인덕턴스로부터 산출한다.

베어링 불량 검출은 실시의 형태 1과 마찬가지이기 때문에 상세한 설명은 생략하지만, 상 전류 검출기(5)로 측정한 전류(Iu, Iv, Iw)의 적어도 하나를 추출하고, 밴드 패스 필터를 이용하여 특정의 주파수 신호 성분만을 취출하고, 기준값과 비교한다(스텝 3). 그리고, 기준값보다 컸을 때에 전동기가 이상으로 판정한다.

토크 이상 검출에 대해서는, 식 (7)에 나타낸 토크 T_e의 이론식으로 고정자 전류와 쇄교 자속을 이용하여 계산하고, 전동기의 이상을 판정한다(스텝 4). 다만, 전압은 미지이기 때문에, 전류(Iu, Iv, Iw)와 인덕턴스로부터 산출한다.

상기 식으로부터 토크를 산출할 수 있지만, 실제로는 항상 일정값이 아니라, 전력 플랜트나 화학 플랜트에 설치되는 펌프, 팬, 블로어, 컨베이어 등의 플랜트 설비에 따라서, 토크는 시간적으로 변동한다. 그 때문에, 토크 이상 검출에 있어서, 바람직하게는 뉴럴 네트워크를 이용하여 토크 이상을 검출한다. 즉, 플랜트 설비 내의 전동기의 토크는 상시 변동하기 때문에, 이상 토크의 임계값을 결정하는 것이 어렵다. 그래서, 토크의 변동 패턴으로 이상을 검지하는 것이 필요하다. 그것을 실현하는 방법의 하나가 뉴럴 네트워크이다. 구체적으로는, 학습 기간을 마련하여 토크의 시간적 변동을 기억시킨다. 기억시킨 토크의 시간적 변동으로부터, 1일의 토크의 시간적 변동을 예측하고, 예측한 토크의 시간적 변동과 식 (7)으로부터 산출한 토크 추정값을 비교하여, 오차가 없는지를 판정한다.

상술한 바와 같이, 실시의 형태 4에 있어서의 감시 진단부(48)는, 제로 상 전류 검출기(4)와 상 전류 검출기(5)가 각각 검지하는 전류값을 분석함으로써, 전동기의 4개의 상이한 이상을 감시할 수 있다. 이상 검출 알고리즘의 순번은 실시의 형태 1과 마찬가지로, 1) 지락 검출, 2) 인터레이어 쇼트 검출, 3) 베어링 불량 검출, 4) 토크 이상 검출, 혹은, 1) 지락 검출, 2) 베어링 불량 검출, 3) 인터레이어 쇼트 검출, 4) 토크 이상 검출의 순서(도 20 참조)로 행하기 때문에, 이상 개소 및 이상 원인을 특정하기 쉽다.

또, 실시의 형태 4에서는 제로 상 전류 검출기와 상 전류 검출기를 이용하고 있지만, 상 전류 검출기만이어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또 본 발명은, 그 발명의 범위 내에서, 각 실시의 형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시의 형태를 최적, 변형, 생략하는 것이 가능하다.

1 : 전동기 구동용 전원 2 : 배선용 차단기
3 : 전자기 접촉기 4 : 영상 전류 검출기
5 : 상 전류 검출기 6 : 상 전압 검출기
7 : 전동기 8 : 감시 진단부
9 : 표시부 10 : 경보부
11 : 중앙 제어부 20 : 해석부
21 : 이상 판정부 22 : 운전 판정부
23 : 표시 지령부 24 : 경보 지령부
30 : 감시 인터벌 조정부 31 : 이상 레벨 검출부
32 : 인터벌 변경부 33 : 운전 이력 계측부
34 : 전동기 관리부 48 : 감시 진단부
50 : 전동기의 진단 장치 100 : 개폐 장치

Claims

복수의 전동기에 접속되는 전원 회로의 상(相) 전류를 검출하기 위한 상 전류 검출기와,
상기 전원 회로의 제로 상 전류를 검출하기 위한 제로 상 전류 검출기와,
상기 상 전류 검출기 및 상기 제로 상 전류 검출기의 출력으로부터, 상기 전동기의 이상을 판정하는 감시 진단부
를 구비하되,
상기 감시 진단부에서의 상기 전원 회로의 상 전류 및 제로 상 전류의 해석에 의해, 전기 회로와 대지가 상대적으로 낮은 임피던스로 전기적으로 접속되는 상태의 검출인 지락(地絡) 검출, 전동기의 코일층 간의 단락의 검출인 인터레이어 쇼트(interlayer short-circuit) 검출, 전동기의 회전축의 축 베어링의 불량 검출인 베어링 불량 검출, 전동기의 회전축 주위의 힘의 모멘트(moment)의 이상 검출인 토크 이상 검출의 상이한 4 종류의 이상의 검출을 포함한, 전동기의 이상의 검출을 행함과 아울러, 최초에 상기 지락 검출을 행하고, 또한 상기 토크 이상 검출에 앞서 상기 인터레이어 쇼트 검출 및 상기 베어링 불량 검출을 행하도록 한
것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전원 회로의 상 전압을 검출하기 위한 상 전압 검출기를 구비하며,
상기 감시 진단부에서의 상기 전원 회로의 상 전류, 제로 상 전류, 상 전압의 해석에 의해, 전기 회로와 대지가 상대적으로 낮은 임피던스로 전기적으로 접속되는 상태의 검출인 지락 검출, 전동기의 코일층 간의 단락의 검출인 인터레이어 쇼트 검출, 전동기의 회전축의 축 베어링의 불량 검출인 베어링 불량 검출, 전동기의 회전축 주위의 힘의 모멘트의 이상 검출인 토크 이상 검출의 상이한 4 종류의 이상의 검출을 포함한, 전동기의 이상의 검출을 행함과 아울러, 최초에 지락 검출을 행하도록 한
것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 감시 진단부는, 전동기의 이상을 검출했을 때에 이상인 것을 표시하는 표시부 및 전동기의 이상을 검출했을 때에 이상인 것을 알리는 경보부의 적어도 한쪽을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 감시 진단부로 전동기의 이상을 검출한 경우에 있어서, 상기 4 종류의 이상의 검출의 순서가, 상기 지락 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 베어링 불량 검출, 토크 이상 검출의 순서이거나, 또는 상기 지락 검출, 베어링 불량 검출, 인터레이어 쇼트 검출, 토크 이상 검출의 순서인 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 감시 진단부에, 상기 전동기의 이상 감시의 시간 간격을 조정하는 감시 인터벌 조정부를 마련하고, 이 감시 인터벌 조정부로, 상기 전동기의 이상 판정의 레벨, 전동기의 운전 이력의 길이, 혹은 전동기의 중요도에 따라서, 상기 전동기의 이상 감시의 시간 간격인 감시 인터벌을 변경하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 감시 진단부의 감시 인터벌 조정부에서의 이상 판정의 레벨을, 건전(健全), 주의, 위험의 3 종류로 분류하고, 상기 이상 판정의 레벨이 주의인 경우에는 상기 전동기의 이상 감시의 시간 간격인 감시 인터벌을 짧게 하고, 상기 이상 판정의 레벨이 건전인 경우에는 상기 감시 인터벌을 길게 하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 감시 진단부의 감시 인터벌 조정부로, 운전 이력이 긴 전동기에 대해서는 상기 전동기의 이상 감시의 시간 간격인 감시 인터벌을 짧게 하고, 운전 이력이 짧은 전동기에 대해서는 상기 감시 인터벌을 길게 하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 감시 진단부의 감시 인터벌 조정부로, 중요도가 높은 전동기에 대해서는 상기 전동기의 이상 감시의 시간 간격인 감시 인터벌을 짧게 하고, 중요도가 낮은 전동기에 대해서는 상기 감시 인터벌을 길게 하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 감시 진단부로 복수대의 상기 전동기의 이상 판정을 집약하여 행하는 것을 특징으로 하는 전동기의 진단 장치.
저압 교류 회로와,
상기 저압 교류 회로를 보호하기 위한 배선용 차단기와,
부하를 제어하기 위한 전자기 접촉기와,
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 전동기의 진단 장치
를 구비하는 것을 특징으로 하는 개폐 장치.
삭제
삭제
삭제