KR102040397B1 - 인버터 입력 전류 분석을 이용한 유도전동기 고장 진단 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유도전동기 고장 진단 시스템은 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하기 위한 전류 센서, 상기 전류 센서에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호처리부 및 상기 신호처리부에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 유도전동기에서 흔히 발생하는 고정자 권선 부분 단락과 회전자 바 균열에 대하여, 인버터 입력전류를 분석을 통하여 고장진단을 하기 때문에, 전류센서를 1개로 줄일 수 있으므로, 진단 비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.

Description

인버터 입력 전류 분석을 이용한 유도전동기 고장 진단 방법 및 시스템 {Fault diagnosis method and system of induction motor using inverter input current analysis}

본 발명은 유도전동기의 고장 진단 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동차 추진제어장치에 사용되는 견인전동기의 결함을 조기에 감지하여 계획적인 예방정비가 이루어질 수 있도록 하는 결함검출 방법과, 유지보수 작업자가 손쉽게 견인전동기의 고장 유무 및 고장 원인을 판단할 수 있도록 하는 진단시스템에 관한 것이다.

유도전동기는 대용량 구성이 용이하고 토크 및 속도 제어를 위한 장치 비용이 저렴하다는 장점 때문에 전기철도용 견인전동기로서 폭넓게 사용되고 있다.

견인전동기의 갑작스런 고장은 구동장치를 사용하는 전체 시스템에 대한 신뢰도 및 안전성을 저하시키고, 경제적인 손실을 초래할 뿐만 아니라, 인명 피해의 위험 등 많은 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 견인전동기의 결함을 조기 감지하여 계획적인 예방정비가 이루어질 수 있는 결함검출 방법이 필요하다.

견인전동기의 고장은 고정자 권선의 단락이나 개방으로 인한 고정자 고장, 고정자 권선의 잘못된 결선, 회전자 바 고장, 정적 또는 동적 공극 편심, 베어링 또는 기어 박스 고장으로 분류할 수 있으며, 이러한 고장으로 인해 불균일한 공극전압과 선 전류, 토크 맥동의 증가, 평균 토크의 감소, 효율의 감소 그리고 과도한 열이 발생된다. 이와 같은 증상들은 고장을 악화시켜 견인전동기 구동시스템의 고장을 초래하게 된다. 따라서, 유지보수 작업자가 손쉽게 견인전동기의 고장 유무 및 고장 원인을 판단할 수 있는 진단시스템을 필요로 한다.

일반적으로 견인전동기의 고장 검출을 위하여 온도, 진동, 전기적 감시기법이 사용되고 있다. 온도나 진동 감시 기법이 기기의 상태를 평가하기 위하여 사용되고 있지만, 고장이 일어나기 쉽고 비용이 높으며 전기적인 고장을 검출하는데 제한이 있다.

최근에는 공극의 자속 변화를 이용하여 진단하는 방법이 연구 되었으나, 공극의 자속 측정을 위해서는 견인전동기의 고정자 슬롯에 자속을 측정할 수 있는 센서를 삽입해야 하므로, 현장에서 운전되는 견인전동기의 진단에는 적합하지 않다.

반면에, MCSA(motor current signature analysis) 기법은 운전 중인 견인전동기의 전류 신호를 간단하게 측정하여 견인전동기 고장진단이 가능한 방법이다.

일반적인 MCSA 기법은 견인전동기에 공급되는 고정자 전류를 이용하여 진단하는 방법을 사용한다. 하지만, 이러한 방법은 2개 이상의 전류센서를 사용해야 하고, 정상전류 주파수성분 근처에 고장전류 주파수성분이 존재하므로 고장 판별이 어려운 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1539896

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서는 유도전동기에서 흔히 발생하는 고정자 권선 부분 단락과 회전자 바 균열에 대하여 인버터 입력전류를 분석을 통하여 진단하는 기법을 제안하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서 제안하는 유도전동기 고장진단 기법은 전류센서를 1개로 줄일 수 있으며, 또한, 정상전류 주파수성분과 고장전류 주파수성분이 서로 분리되어 나타나는 인버터 입력전류 특성을 통해 쉽게 고장진단이 가능하다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유도전동기 고장 진단 시스템은 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하기 위한 전류 센서, 상기 전류 센서에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호처리부 및 상기 신호처리부에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석부를 포함한다.

상기 신호분석부는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단할 수 있다.

그리고, 상기 신호분석부는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단할 수 있다. 이때, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 (1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단한다.

본 발명의 유도전동기 고장 진단 시스템에서의 유도전동기 고장 진단 방법에서, 전류 센서를 통해 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하는 단계, 상기 전류 센서에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호처리 단계 및 상기 신호처리 단계에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석 단계를 포함한다.

상기 신호분석 단계에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단할 수 있다.

그리고, 상기 신호분석 단계에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단할 수 있다. 이때, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 (1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단한다.

본 발명에 의하면, 유도전동기에서 흔히 발생하는 고정자 권선 부분 단락과 회전자 바 균열에 대하여, 인버터 입력전류를 분석을 통하여 고장진단을 하기 때문에, 전류센서를 1개로 줄일 수 있으므로, 진단 비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 정상전류 주파수성분과 고장전류 주파수성분이 서로 분리되어 나타나는 인버터 입력전류 특성을 통해 용이하게 고장진단을 할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 유도전동기의 사용예를 예시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기 고장 진단 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기 고장 진단 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 정상동작 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.
도 5는 고정자 권선 부분단락 고장 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.
도 6은 회전자 바 균열 고장 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.
도 7은 인버터로 구동되는 유도전동기의 회로도이다.
도 8은 유도전동기 고장진단 시뮬레이션을 위한 파라미터를 나타낸 도표이다.
도 9는 정상동작 시 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 고정자 권선 부분단락 고장 시 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 11은 회전자 바 균열 고장 시 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 12는 고정자 전류를 이용한 분석과, 인버터 입력전류를 이용한 분석과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 13은 고장 시 고정자 전류파형을 측정한 그래프이다.
도 14는 고장 시 고정자 전류 FFT 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 유도전동기의 사용예를 예시한 개념도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 일반적으로 인버터(10)에서 유도전동기(20)로 전원을 공급하고, 유도전동기(20)가 구동하면서 로드(30)에 동력을 전달한다. 예를 들어, 전동차 등을 구동시키는 경우 유도전동기(20)는 전동차를 주행하도록 하는 견인전동기로서의 역할을 수행한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기 고장 진단 시스템을 보여주는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 유도전동기 고장 진단 시스템(100)은 전류 센서(110), 신호처리부(120), 신호분석부(130)를 포함한다.

전류 센서(110)는 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하는 역할을 하며, 한 개로 구현될 수 있다.

신호처리부(120)는 전류 센서(110)에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 역할을 한다.

신호분석부(130)는 신호처리부(120)에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단한다.

본 발명에서 신호분석부(130)는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단한다. 그리고, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단한다.

예를 들어, 신호분석부(130)는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단할 수 있다.

그리고, 신호분석부(130)는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 (1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기 고장 진단 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 전류 센서(110)를 통해 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정한다(S110).

그리고, 전류 센서(110)에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호 처리 단계를 수행한다(S120).

그리고, 신호처리 단계(S120)에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석 단계를 수행한다(S130).

신호분석 단계(S130)에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단한다. 그리고, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단한다.

구체적으로, 신호분석 단계(S130)에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단할 수 있다.

그리고, 신호분석 단계(S130)에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 2(1-s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단할 수 있다.

도 4는 정상동작 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 고정자(stator)(410)에 공급되는 전류의 주파수가 f^s라면, 회전자(rotor)(420)에 흐르는 전류의 주파수는 sf^s이다. 여기서 s는 슬립이다.

다음 수학식 1은 정상동작 시 유도전동기의 전압, 전류 관계를 정상상태 값으로 나타내고 있다.

여기서, V_s는 고정자 전압을 나타내고, V_r은 회전자 전압을 나타내고, 회전자 전압의 값은 0이다. 또한, I_s는 고정자 전류를 나타내고, I_r은 회전자 전류를 나타내고, R_s는 고정자의 저항을 나타내고, X_s는 고정자의 리액턴스를 나타내고, R_r은 회전자의 저항을 나타내고, X_r은 회전자의 리액턴스를 나타내고, X_m은 유도전동기의 자화 리액턴스 값을 나타낸다.

정상동작 시 고정자 전류는 유도전동기 회전방향과 같은 정상분만 발생한다.

도 5는 고정자 권선 부분단락 고장 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 고정자 권선부분에 단락이 발생하면, 고정자(410)에 흐르는 전류에 sf^s 주파수 성분뿐만 아니라 -sf^s 주파수를 갖는 역상분 전류가 나타나게 된다.

다음 수학식 2는 고정자 권선 부분단락 고장 시 고정자 전류에 발생하는 고장전류 주파수 성분을 나타낸다.

수학식 2로부터 고정자 권선 부분단락 고장 시, 고정자 전류에는 정상동작 시 흐르는 고정자 전류와 주파수 성분이 동일한 전류가 발생하는 것을 알 수 있다. 단, 정상동작 시 발생하는 전류는 정상분 성분이고, 고정자 권선 부분단락 고장 시 발생하는 전류는 역상분 전류이다. 이러한 이유로, 고정자 전류 측정을 통한 고장판별 기법은 고정자 권선 부분단락 고장을 판별하는데 어려움이 있다.

도 6은 회전자 바 균열 고장 시 유도전동기 전류를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 회전자 바 균열 고장이 발생하면, 회전자(420)에 흐르는 전류에 sf^s 주파수 성분뿐만 아니라 -sf^s 주파수를 갖는 역상분 전류가 나타나게 된다.

회전자(420)에 -sfs 주파수를 갖는 역상분 전류가 나타날 때, 고정자 전류에 발생하는 주파수 성분은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 3은 정상분 전류와 유도전동기의 회전 주파수 관계를 나타낸다.

여기서, f_m은 유도전동기의 회전 주파수를 나타내다.

그리고, 역상분 전류와 유도전동기의 회전 주파수 관계는 다음 수학식 4로 나타낼 수 있다.

여기서,

는 회전자 바 고장시 고정자 전류에 나타나는 전류 주파수 성분이다.

수학식 3, 4를 정리하면,

를 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.

수학식 5로부터 회전자 바 균열 고장 시, 고정자 전류에 (1-2s)f^s의 주파수를 갖는 성분이 발생하는 것을 알 수 있다. 다시 말해서, 이 성분은 회전자 바 균열 고장시 고정자에 발생하는 역상분 성분이며, 보통 슬립의 범위는 5% 이내 이므로, 정상분 주파수 성분과 매우 근접하여 발생한다.

본 발명에서 유도전동기의 회전자 바에 균열이 발생하면, 그 영향으로 회전자 저항이 증가한다. 이러한 회전자 바 균열 시 회전자 저항 성분의 변화를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

수학식 6은 정상 상태의 회전자 저항성분이고, 수학식 7은 회전자 바에 균열이 발생한 상태의 회전자 저항성분이다.

여기서, N은 회전자 바 개수, n은 균열된 회전자 바 개수, N_s는 고정자 권선 턴 수, R_b는 회전자 바 저항, R_e는 엔드 링(end ring) 저항, α는 회전자 바의 전기적 위상을 나타낸다.

회전자 바 균열을 고려하여, 수학식1을 유도전동기의 정상상태 모델로 나타내면 다음 수학식과 같다.

여기서, V_ps 는 정상분 고정자 전압이고, V_pr 은 정상분 회전자 전압이고, V_ns 는 역상분 고정자 전압이고, V_nr 은 역상분 회전자 전압을 나타낸다. 그리고, I_ps 는 정상분 고정자 전류이고, I_pr은 정상분 회전자 전류이고, I_ns 는 역상분 고정자 전류이고, I_nr 은 역상분 회전자 전류를 나타낸다.

수학식6, 수학식 7, 수학식 9를 정리하면, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

그리고, 수학식 8을 정리하면, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, I₀는 무부하 전류를 나타낸다.

그리고, 수학식 10과 수학식 11을 정리하면, 다음 수학식과 같이 고정자 전류로부터 고장난 회전자 바의 개수를 산출할 수 있다.

실제 고장진단 모델에 대하여 매트랩(Matlab)을 이용한 시뮬레이션과 축소형 시뮬레이터를 이용하여 검증을 수행하였다.

축소형 시뮬레이터에서, 회전자 바 3개 균열이 발생한 상태를 모의하여 시험한 결과, 고정자 전류파형과 FFT 분석결과가 도 13 및 도 14와 같은 그래프로 나타났다.

도 13은 고장 시 고정자 전류파형을 측정한 그래프이고, 도 14는 고장 시 고정자 전류 FFT 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 분석 결과 역상분 성분이 있는 것을 확인할 수 있고, 다음과 같이 3개의 회전자 바에 균열이 발생한 것을 수학식으로 검증할 수 있다.

즉, 시뮬레이션에서 I₀₍무부하 전류)가 0.65[Arms]이고 I_ps(정상분 고정자 전류)가 2.1[Arms]이고 I_ns(역상분 고정자 전류)가 0.15[Arms]일 때, 균열된 회전자 바 개수(n)는 아래와 같은 식으로 나타나므로 3개의 균열된 회전자 바가 존재함을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 유도전동기의 고정자 권선 부분단락 고장과 회전자 바 균열 고장을, 주파수 성분을 이용하여, 시뮬레이션 및 실험을 통해 고정자 전류를 통한 고장진단 방법과, 인버터 입력전류를 이용한 고장진단 방법을 비교한다.

도 7은 인버터로 구동되는 유도전동기의 회로도이다.

도 7을 참조하면, 종래 고장진단 방법은 고정자 전류 I_a, I_b, I_c를 검출하여 FFT 분석을 통해 고장을 진단하는 방법이였다. 하지만, 이러한 종래 고장진단 방법은 고정자 권선 부분단락 고장 시 정상분 주파수 성분과 역상분 주파수 성분이 겹쳐있거나, 회전자 바 균열 고장 시 정상분 주파수 성분과 회전자 고장 주파수 성분이 매우 근접하게 위치함으로써, 고장진단 판별에 문제점이 있다.

반면, 본 발명에서는 인버터 입력 전류 I_in을 검출하여 저역통과필터를 통과시켜서 고주파 전류 성분을 제거하고, 정상전류와 고장전류 검출이 가능하고, FFT 분석을 통해 정상전류 성분과 고장전류 성분이 분리되어 나타나는 것을 알 수 있다.

시뮬레이션 상황은 먼저, 정상동작 시 유도전동기 고정자전류와 인버터 입력전류를 해석한다. 두 번째로, 유도전동기에 고정자 권선 부분단락 고장이 발생했을 때 유도전동기 고정자전류와 인버터 입력전류를 FFT 해석한다. 세 번째로, 회전자 바 균열 고장이 발생했을 때 유도전동기 고정자전류와 인버터 입력전류를 FFT 해석한다. 도 8은 유도전동기 고장진단 시뮬레이션을 위한 파라미터를 나타낸 도표이다.

도 9는 정상동작 시 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 상단 그래프의 고정자 전류는 정격 크기와 주파수에 맞는 특성으로 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 이때, 인버터 입력전류를 FFT 분석해 보면, 하단 그래프에서 보는 바와 같이, 0~200Hz 범위에서 직류전류 성분만 존재하는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 정상동작 시 인버터 입력 전류는 직류전류 성분만 존재한다.

도 10은 고정자 권선 부분단락 고장 시 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 상단 그래프의 고정자 전류 FFT 분석만으로는 정상분 고정자 전류와 역상분 고정자 전류를 분석할 수 없으므로, 고장진단이 불가능하다.

하지만, 하단 그래프에서 보는 바와 같이, 0~200Hz 범위에서 인버터 입력전류를 FFT 분석해 보면 직류성분뿐만 아니라 2f^s에 전류성분이 검출됨을 알 수 있다. 이것은 인버터 입력전류에 나타나는 고정자 권선 부분단락 고장 시 역상분 성분이다. 다시 말해, 고정자 권선 부분단락 고장 시 인버터 입력전류에는 고장을 판별 할 수 있는 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재한다.

도 11은 회전자 바 균열 고장 시 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 상단 그래프에서 보는 바와 같이, 고정자전류는 정격 크기와 주파수에 맞게 흐르고 있고, (1-2s)f^s의 주파수를 갖는 회전자 바 균열 고장 주파수 성분이 발생한 것을 알 수 있다. 여기서, 고장전류는 정격전류에 근접해 있으므로 고장진단에 어려움이 있다.

하단 그래프에서 보는 바와 같이, 0~200Hz 범위에서 인버터 입력전류를 FFT 분석해 보면, 정상동작 시와 같이 직류성분이 나타나는 것을 볼 수 있고, 2(1-2s)f^s 에 회전자 바 균열 고장전류 성분이 검출됨을 알 수 있다. 이 성분은 고정자 전류에서와 달리 정격전류 주파수와 분리되어 나타난다. 다시 말해, 회전자 바 균열 고장 시 인버터 입력전류에는 고장을 판별 할 수 있는 2(1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재한다.

도 12는 고정자 전류를 이용한 분석과, 인버터 입력전류를 이용한 분석과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 12를 참조하면, 시뮬레이션 결과를 토대로 정격전류와 고장전류의 관계를 정리할 수 있다.

도 12의 상단 그래프에서 보는 바와 같이, 고정자 권선 부분단락(적색)과 회전자 바 균열(녹색) 고장 시 고정자전류를 FFT 분석해 보면, 고장 성분이 정격전류 성분(청색)과 겹쳐있거나 인접해 있는 것을 볼 수 있다.

반면, 도 12의 하단 그래프에서 보는 바와 같이, 인버터 입력전류를 FFT 분석하면 고장성분은 sf^s와 그에 인접한 주파수영역으로 이동하고, 정격전류 성분은 직류성분 영역으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이는 한 개의 전류센서만으로 다수의 유도전동기의 고장을 진단할 수 있는 유용한 방법이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존의 유도전동기 고장진단에 사용되는 고정자 전류를 이용한 진단방법을 사용하지 않고, 인버터 입력전류 분석을 통한 고장진단 방법을 제안한다. 즉, 본 발명에서 제안하는 방법은 기존의 고장진단 방법이 세 개의 전류 센서를 이용한 것과 달리, 한 개의 전류 센서를 이용하여 고정자 권선 부분 단락과 회전자 바 균열에 대한 고장진단이 가능하다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 전류센서
120 신호처리부
130 신호분석부
100 유도전동기 고장 진단 시스템

Claims (10)

1. 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하기 위한 전류 센서;
   상기 전류 센서에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호처리부; 및
   상기 신호처리부에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석부를 포함하며,
   고정자(stator)에 공급되는 전류의 주파수가 f^s이고, 회전자(rotor)에 흐르는 전류의 주파수가 sf^s라고 할 때,
   상기 신호분석부는 FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 (1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단하며,
   V_s는 고정자 전압, V_r은 회전자 전압, I_s는 고정자 전류, I_r은 회전자 전류, R_s는 고정자의 저항, X_s는 고정자의 리액턴스, R_r은 회전자의 저항, X_r은 회전자의 리액턴스, X_m은 유도전동기의 자화 리액턴스 값이라고 할 때,
   정상동작 시 유도전동기의 전압, 전류 관계를 정상상태 값으로 나타낸 수학식을,
   

   

   (수학식 1)
   로 나타낼 수 있고,
   V_ps 는 정상분 고정자 전압, V_pr 은 정상분 회전자 전압, V_ns 는 역상분 고정자 전압, V_nr 은 역상분 회전자 전압, I_ps 는 정상분 고정자 전류, I_pr은 정상분 회전자 전류, I_ns 는 역상분 고정자 전류, I_nr 은 역상분 회전자 전류라고 할 때,
   상기 수학식 1을 유도전동기의 정상상태 모델로 나타내면,
   

   

   (수학식 8)
   로 나타낼 수 있고,
   N은 회전자 바 개수, n은 균열된 회전자 바 개수, N_s는 고정자 권선 턴 수, R_b는 회전자 바 저항, R_e는 엔드 링(end ring) 저항, α는 회전자 바의 전기적 위상이라고 할 때,
   정상 상태의 회전자 저항성분을,
   

   

   (수학식 6)
   으로 나타낼 수 있고,
   회전자 바에 균열이 발생한 상태의 회전자 저항성분을,
   

   

   (수학식 7)
   로 나타낼 수 있고,
   

   

   (수학식 9)이고,
   상기 수학식 6, 수학식 7, 수학식 9를 정리하면,
   

   

   (수학식 10)
   으로 나타낼 수 있고,
   I₀는 무부하 전류라고 할 때, 상기 수학식 8을 정리하면,
   

   

   (수학식 11)
   로 나타낼 수 있고,
   상기 수학식 10과 수학식 11을 정리하면,
   

   

   (수학식 12)
   로 나타낼 수 있으며,
   상기 신호분석부는 상기 수학식 12를 이용하여, 고정자 전류로부터 고장난 회전자 바의 개수를 산출하는 것을 특징으로 하는 유도전동기 고장 진단 시스템.
   
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6. 유도전동기 고장 진단 시스템에서의 유도전동기 고장 진단 방법에서,
   전류 센서를 통해 유도전동기에 인가되는 인버터의 입력 전류를 측정하는 단계;
   상기 전류 센서에서 측정된 입력 전류에 대하여 저역통과필터를 통해 고주파 전류 성분을 제거하는 신호처리 단계; 및
   상기 신호처리 단계에서 처리된 신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 이를 통해 신호를 분석하여 고장 여부를 진단하는 신호분석 단계를 포함하며,
   고정자(stator)에 공급되는 전류의 주파수가 f^s이고, 회전자(rotor)에 흐르는 전류의 주파수가 sf^s라고 할 때,
   상기 신호분석 단계에서, FFT를 수행한 결과, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분만 존재하면, 정상동작이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 직류전류 성분과 소정 주파수를 갖는 전류 성분이 존재하면, 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 2f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 인버터 입력 전류에 (1-2s)f^s 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단하며,
   V_s는 고정자 전압, V_r은 회전자 전압, I_s는 고정자 전류, I_r은 회전자 전류, R_s는 고정자의 저항, X_s는 고정자의 리액턴스, R_r은 회전자의 저항, X_r은 회전자의 리액턴스, X_m은 유도전동기의 자화 리액턴스 값이라고 할 때,
   정상동작 시 유도전동기의 전압, 전류 관계를 정상상태 값으로 나타낸 수학식을,
   

   

   (수학식 1)
   로 나타낼 수 있고,
   V_ps 는 정상분 고정자 전압, V_pr 은 정상분 회전자 전압, V_ns 는 역상분 고정자 전압, V_nr 은 역상분 회전자 전압, I_ps 는 정상분 고정자 전류, I_pr은 정상분 회전자 전류, I_ns 는 역상분 고정자 전류, I_nr 은 역상분 회전자 전류라고 할 때,
   상기 수학식 1을 유도전동기의 정상상태 모델로 나타내면,
   

   

   (수학식 8)
   로 나타낼 수 있고,
   N은 회전자 바 개수, n은 균열된 회전자 바 개수, N_s는 고정자 권선 턴 수, R_b는 회전자 바 저항, R_e는 엔드 링(end ring) 저항, α는 회전자 바의 전기적 위상이라고 할 때,
   정상 상태의 회전자 저항성분을,
   

   

   (수학식 6)
   으로 나타낼 수 있고,
   회전자 바에 균열이 발생한 상태의 회전자 저항성분을,
   

   

   (수학식 7)
   로 나타낼 수 있고,
   

   

   (수학식 9)이고,
   상기 수학식 6, 수학식 7, 수학식 9를 정리하면,
   

   

   (수학식 10)
   으로 나타낼 수 있고,
   I₀는 무부하 전류라고 할 때, 상기 수학식 8을 정리하면,
   

   

   (수학식 11)
   로 나타낼 수 있고,
   상기 수학식 10과 수학식 11을 정리하면,
   

   

   (수학식 12)
   로 나타낼 수 있으며,
   상기 신호분석 단계에서, 상기 수학식 12를 이용하여, 고정자 전류로부터 고장난 회전자 바의 개수를 산출하는 것을 특징으로 하는 유도전동기 고장 진단 방법.
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