KR101977861B1 - 전동기의 고장 판단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법은, 전동기의 상전류를 측정하는 측정 단계, 상기 측정된 상전류를 이용하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 산출 단계, 및 상기 산출된 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 상기 전동기의 상태를 판단하는 판단 단계를 포함한다.

Description

전동기의 고장 판단 방법{Method for determining fault of motor}
본 발명은 전동기의 고장 판단 방법에 관한 것으로, 특히 영구자석 전동기의 고장 판단 방법에 관한 것이다.
종래의 영구자석 전동기는, 전력을 사용하여 회전력을 발생시키는 동력기계이다. 영구자석 전동기는 고정되어 있는 부분인 고정자와 회전하는 부분인 회전자로 구성되고, 고정자에 도체 전선이 감겨 권선이 형성된다.
이러한 영구자석 전동기는 도 1과 같이, 생산 라인(Manufacturing line), 고속 철도(High-speed train), 전기차량(Electric vehicle) 등 다양한 산업 분야에 사용되고 있으며, 사용되는 산업 분야에 따라 용량이 적절히 결정되어 서로 다른 용량을 가지고 있다.
한편, 영구자석 전동기는 고장이 나는 경우 사용되고 있는 산업 분야에서 큰 불이익이 발생하게 되므로, 고장 여부를 판단할 필요성이 요구된다.
예를 들어 종래의 전동기의 고장을 판단하는 기술은, 대한민국 등록특허 제10-1878810호에서 개시하고 있으며, 역상 전압의 고장 성분, 인덕턴스, 고정자 저항, 전기적 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표를 산출하고 이에 기초하여 모터의 손상 정도를 진단한다.
상술한 종래 고장 판단 기술을 영구자석 전동기에 적용하기 위해서는 고정자 저항, 상호 인덕턴스, 누설 인덕턴스 및 전기적 각속도 등의 파라미터 값을 알아야만 한다.
그러나, 실제 현장에서 적용하기 위한 영구자석 전동기의 파라미터 값을 정확히 알기에는 한계가 있다. 파라미터 값은 제조사의 기술이기 때문에 공개하지 않으며, 적용하는 전동기마다 측정하기에는 시간적, 비용적으로 어려움이 있다.
또한, 표피 효과, 자기 포화 효과 및 구동환경에 따라 상호 인덕턴스와 누설 인덕턴스 값이 계속적으로 변화하기 때문에 일정한 고장 지표 값을 산출하기가 어렵다.
이에 따라 용량에 관계 없이 영구자석 전동기의 권선 단락의 고장 판단이 가능한 기술의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1878810호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 용량에 관계 없이 영구자석 전동기의 권선 단락의 고장 여부를 판단하는 전동기의 고장 판단 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법은, 전동기의 상전류를 측정하는 측정 단계; 상기 측정된 상전류를 이용하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 산출 단계; 및 상기 산출된 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 상기 전동기의 상태를 판단하는 판단 단계;를 포함한다.
상기 전동기는, 3상 권선이 감기는 고정자와 상기 고정자 내에 수용되어 회전하는 회전자를 구비하는 영구자석 전동기일 수 있다.
상기 판단 단계는, 상기 3상 권선의 손상 정도를 판단할 수 있다.
상기 판단 단계는, 상기 최대최소 크레스트 팩터의 값이 0에 가까울수록 3상 권선의 손상 정도가 작다고 판단할 수 있다.
상기 판단 단계는, 상기 최대최소 크레스트 팩터의 값이 증가할수록 3상 권선의 손상 정도가 큰 것으로 판단할 수 있다.
상기 산출 단계는, 상기 3상 권선 각각의 상전류를 제곱하고, 제곱한 상전류 중에서 가장 큰 최대피크값을 제곱한 상전류 중에서 가장 작은 최소실효값으로 나눈 후에 편향 성분을 제거하여 상기 최대최소 크레스트 팩터를 산출할 수 있다.
상기 산출 단계는, 하기 수학식 2에 따라
[수학식 2]
Figure 112018117037350-pat00001
상기 최대최소 크레스트 팩터를 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법에 의하면, 최대최소 크레스트 팩터를 이용하여 영구자석 전동기의 3상 권선의 손상 정도를 판단할 수 있다.
또한, 종래기술과 달리, 고정자 저항, 상호 인덕턴스, 누설 인덕턴스 등의 파라미터 값이 없어도, 영구자석 전동기의 고장 정도를 파악할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 영구자석 전동기가 적용되는 기술분야를 보여준다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 3상 권선을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 전동기의 3상 권선의 전류 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 크레스트 팩터를 기초로 권선의 고장 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제3 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 장치의 블록도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 장치(100)는, 측정부(110), 산출부(120), 및 판단부(130)를 포함한다.
측정부(110)는, 전동기의 3상 권선 각각의 상전류를 측정한다. 여기서, 전동기는 3상 권선이 감기는 고정자와 상기 고정자 내에 수용되어 회전하는 회전자를 구비하는 영구자석 전동기일 수 있다.
산출부(120)는, 측정부(110)에 의해 측정된 상전류로부터 최대최소 크레스트 팩터(MaxMin Crest Factor)를 산출한다. 여기서,일반적인 크레스트 팩터는 상전류의 피크값과 실효값의 비율을 나타낸다. 최대최소 크레스트 팩터는 이를 보완하여 산출되며 영구자석 전동기의 상태 판단 근거로 활용되는 인자이다.
산출부(120)는, 영구자석 전동기의 3상 권선 각각의 상전류를 제곱하고, 제곱한 상전류 중에서 가장 큰 최대피크값을 제곱한 상전류 중에서 가장 작은 최소실효값으로 나눈 후에 편향 성분(1.633)을 제거하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출한다. 이러한 최대최소 크레스트 팩터의 구체적인 산출 방법은 도 5를 통해 후술한다.
판단부(130)는, 산출된 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 영구자석 전동기의 상태를 판단한다. 특히 판단부(130)는 영구자석 전동기의 3상 권선의 손상 정도를 판단한다. 판단부(130)는 크레스트 팩터의 값이 0에 가까울수록 3상 권선의 손상 정도가 작은 것으로 판단한다. 판단부(130)는 크레스트 팩터의 값이 증가할수록 3상 권선의 손상 정도가 큰 것으로 판단한다.
따라서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 장치는, 영구자석 전동기의 구체적인 파라미터값을 알지 못하는 상태에서 최대최소 크레스트 팩터를 이용하여 영구자석 전동기의 3상 권선의 손상 정도를 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 순서도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법은, 측정 단계(S310), 산출 단계(S320), 및 판단 단계(S330)를 포함한다.
먼저 측정 단계(S310)에서, 측정부(110)는 영구자석 전동기의 3상 권선 각각의 상전류를 측정한다.
그런 다음 산출 단계(S320)에서, 산출부(120)는 측정된 상전류로부터 최대최소 크레스트 팩터를 산출한다. 이때 산출부(120)는 3상 권선 각각의 상전류를 제곱하고, 제곱한 상전류 중에서 가장 큰 최대피크값을 제곱한 상전류 중에서 가장 작은 최소실효값으로 나눈 후에 편향 성분(1.633)을 제거하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출한다.
그런 다음 판단 단계(S330)에서, 판단부(130)는 산출된 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 영구자석 전동기의 상태를 판단한다. 이때 판단부(130)는 영구자석 전동기의 3상 권선의 손상 정도를 판단한다. 또한 판단부(130)는 크레스트 팩터의 값이 0에 가까울수록 3상 권선의 손상 정도가 작고, 크레스트 팩터의 값이 증가할수록 3상 권선의 손상 정도가 큰 것으로 판단한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 3상 권선을 보여주는 도면이다. 도 4의(a)는 정상상태의 3상 권선의 회로도이고, 도 4의(b)는 단락 고장이 발생한 3상 권선의 회로도이다.
도 4의(a)와(b)를 참고하면, 영구자석 전동기는 3상 권선의 단락 고장이 발생하면, 전기적 회로에 의해서 회전 주파수의 하모닉 성분과 노이즈 성분이 발생한다. 이런 성분들로 인해 3상 전류(Ia, Ib, Ic) 중 고장이 발생한 전류 신호(Ia)는 크기 및 모양이 변한다. 이때 영구자석 전동기는 전류의 특성이 달라지므로 불균형 문제가 발생한다. 즉, 고장이 발생한 권선의 상전류는 정상상태의 권선의 상전류에 영향을 끼치게 된다. 본 발명의 전동기의 고장 판단 방법은 3상 전류(Ia, Ib, Ic) 모두를 고려하여 3상 권선의 손상 정도를 판단하게 된다.
도 5는 도 4의 전동기의 3상 권선의 전류 파형을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의(a)는 상전류의 피크값과 실효값을 나타내는 도면이고, 도 5의(b)는 3상 전류의 파형을 보여주는 도면이다.
도 5의(a)를 참고하면, 일반적인 크레스트 팩터는 교류 파형을 나타내는 특질 중 하나로, 피크값과 실효값의 비율을 나타낸다. 이는 하기 수학식 1과 같이 나타낸다.
Figure 112018117037350-pat00002
수학식 1에서, C는 크레스트 팩터, xpeak는 상전류의 피크값, xrms는 상전류의 실효값을 나타낸다.
도 5의(b)를 참고하면, 최대최소 크레스트 팩터는, 3상 교류에서 각각의 상전류 신호를 제곱한 후, 제곱한 3상 전류 신호 중 가장 큰 최대피크값을 제곱한 3상 전류 신호 중 가장 작은 최소실효값으로 나눈 후에 편향 성분(1.633)을 제거하여 산출된다. 최대최소 크레스트 팩터는, 3상 권선의 단락 고장 판단에 이용되는 주요 인자로 정의한다. 최대최소 크레스트 팩터는 하기 수학식 2를 통해 산출된다.
Figure 112018117037350-pat00003
수학식 2에서, MMC는 최대최소 크레스트 팩터,
Figure 112018117037350-pat00004
는 제곱한 3상 전류 중에서 최대피크값,
Figure 112018117037350-pat00005
는 제곱한 3상 전류 중에서 최소실효값, 1.633은 최대최소 크레스트팩터 값의 편향 성분을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 권선의 고장 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)를 참고하면, 1100 Watt 영구자석 전동기에 대한 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 도 6의 (b)를 참고하면, 100 Watt 영구자석 전동기에 대한 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 시뮬레이션 과정은 영구자석 전동기 각각의 크레스트 팩터를 산출하고, 산출된 크레스트 팩터를 영구자석 전동기의 구동 환경에 따라 보정하여 최대최소 크레스트 팩터(MaxMin Crest Factor)를 산출한다. 시뮬레이션 결과는 최대최소 크레스트 팩터의 증가에 따라 고장 정도(Fault Ratio(%))가 크다는 것을 보여준다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법은, 고장 정도(Fault Ratio)가 증가함에 따라 최대최소 크레스트 팩터의 값이 완벽한 상관 관계를 가지고 증가하기 때문에, 이를 활용하여 권선 단락 고장을 더 효율적으로 진단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제1 도면이다. 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제2 도면이다. 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법의 실험 과정 및 효과를 설명하기 위한 제3 도면이다.
도 7 내지 도 9를 참고하면, 본 발명의 효과를 테스트베드를 이용하여 검증한다.
도 7에서, 아래 표 1와 같은 사양의 영구자석 전동기(1KW PM Motor)에 권선 단락 고장을 인위적으로 3단계로 나누어 인가하여 전류 신호를 수집한다. 여기서, 영구자석 전동기는 히스테리시스 브레이크(Hysteresis Brake)에 이용되는 것일 수 있다.
Parameters CN10
Power (W) 1000
Ampere (A) 5.8
P. Ampere (A) 17.4
Torque (N·m) 3.18
P. Torque (N·m) 9.53
RPM 3000
Max. RPM 5000
Weight (kg) 3.7
Maintenance history New product
아래 표 2는 인위적인 권선 단락 고장의 인가 결과로서, 정상 상태(Normal)에 비해서 고장 상태(Winding fault stage 1, Winding fault stage 2)에서 저항(Resistance)이 감소하는 것을 보여준다.
Resistance (Ω) Normal Winding fault stage 1 Winding fault stage 2
W phase 0.503 Ω 0.392 Ω 0.338 Ω
0 % 22.1 % ↓ 32.8 % ↓
도 8에서, 그래프는 정상 상태(Normal), 제1 고장 상태(22.1 % Fault), 및 제2 고장 상태(32.8% Fault)에서 3상 전류를 나타낸다. 그래프는 고장 정도가 심해질 수록 피크가 많이 발생하고 크기가 커지는 것을 보여준다.
도 9에서, 그래프는 테스트베드에서 획득한 권선 단락 고장의 전류 신호를 이용하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출한 결과를 보여준다.
도 6의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 고장 정도(Fault Ratio)에 따라서 최대최소 크레스트 팩터(MaxMin Crest Factor) 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 고장 판단 방법은 3상 권선의 단락 고장을 판단하기 위한 것으로서, 3상 권선의 고장 정도와 상술한 바 있는 최대최소 크레스트 팩터 사이에 강한 상관관계가 있기 때문에, 상당히 정확한 전동기의 고장 판단 성능을 가진다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
100: 고장 판단 장치
110: 검출부
120: 산출부
130: 판단부

Claims (7)

  1. 전동기의 상전류를 측정하는 측정 단계;
    상기 측정된 상전류를 이용하여 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 산출 단계; 및
    상기 산출된 최대최소 크레스트 팩터를 기초로 상기 전동기의 상태를 판단하는 판단 단계;
    를 포함하고,
    상기 산출 단계는, 상기 상전류를 제곱하고, 제곱한 상전류의 최대피크값과 최소실효값을 이용하여 상기 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기는, 3상 권선이 감기는 고정자와 상기 고정자 내에 수용되어 회전하는 회전자를 구비하는 영구자석 전동기인 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 판단 단계는, 상기 3상 권선의 손상 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 최대최소 크레스트 팩터의 값이 0에 가까울수록 3상 권선의 손상 정도가 작다고 판단하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 최대최소 크레스트 팩터의 값이 증가할수록 3상 권선의 손상 정도가 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출 단계는,
    상기 3상 권선 각각의 상전류를 제곱하고, 제곱한 상전류 중에서 가장 큰 최대피크값을 제곱한 상전류 중에서 가장 작은 최소실효값으로 나눈 후에 편향 성분을 제거하여 상기 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출 단계는, 하기 수학식 2에 따라
    [수학식 2]
    Figure 112019041791242-pat00006

    상기 최대최소 크레스트 팩터를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동기의 고장 판단 방법.
KR1020180146023A 2018-11-23 2018-11-23 전동기의 고장 판단 방법 KR101977861B1 (ko)

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