KR102144789B1 - 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에 관한 것으로, 모터에 걸리는 전압 및 전류를 측정하기 위한 전압 센서 및 전류 센서; 아날로그-디지털 컨버터; 아날로그/디지털 컨버터에 의해 변환된 측정 전압 데이터 및 전류 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 대한 전력량 연산을 수행하는 전력량 처리부 및 FFT 연산을 수행하기 위한 FFT 처리부를 포함하고, 전력량 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하고, FFT 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하며, 전력량 연산 및 FFT 연산 이후의 데이터가 분석된 후 최종 데이터를 이벤트 데이터로 정리하여 각 상황에 대응하는 이벤트 플래그 데이터와 함께 외부로 전송하는 중앙 처리부; 중앙 처리부에 의한 전력량 연산 및 FFT 연산 후, 연산 결과로 얻어진 전력량 파형, 전류 FFT 주파수 파형 및 전압 FFT 주파수 파형을 바탕으로 파형의 상황별로 전력 사용량, 모터의 전기적 결함, 모터의 기계적 결함을 판단하며, 상기 이벤트 플래그와 상응하는 데시벨(dB) 값을 전송할 수 있도록 데이터를 구성하여 상기 중앙 제어부로 전송 조건을 만들어주는 상태 감지부; 및 상기 제어부 측으로부터 전송된 데이터를 유/무선 네트워크를 통해 수신하고, 수신한 데이터를 사용자 단말기로 전송하며, 사용자 단말기로부터의 신호를 수신하여 상기 제어부 측으로 전송하는 외부 서버를 포함한다.

Description

모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템{Alarm system to reduce energy loss in the motor}

본 발명은 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에 관한 것으로 보다 구체적으로는 회전기 및 모터의 에너지 사용량 측정 알고리즘과 모터 결함 측정 알고리즘을 이용한 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 회전기의 불량을 진단함에 있어서 모터의 역할 비중이 높으며, 모터의 불량을 진단하는데에 있어서 근본적인 판단을 하기 위해서는 모터의 에너지 사용량과 모터의 회전속도를 통해서 기어박스, 축 정렬, 편심, 고정자 결함 등을 파악할 수 있으며, 전기적 신호를 검출하여 모터의 에너지 사용량의 변화율을 측정하고, 모터와 연결된 기계적 계통의 이상 유무를 파악하는데 사용하고 있다.

회전기의 에너지 사용량의 패턴적 변화량과 모터의 결함을 분석하는 시스템의 회전 속도을 찾아내는 방식은 그 정확성에 따라 결과적 오류가 다르다 할 것이다.

한국등록특허 10-1658382호는 모터 손실 측정 장치에 관해 개시하고 있으며, 이 특허문헌에서는 케이스과 커버의 재질, 형상 등에 따라 측정된 모터의 성능이 변화하게 되므로 손실 측정에 대한 정확성이 저하되는 문제점을 해결하기 위해, 로드모터부에 연결되어 회전되는 시험회전축에 로터가 결합되고, 상기 시험회전축의 일측에 스테이터의 결합을 위한 지그부가 구비되어 부품 간의 조립을 위한 케이스나 커버의 설계 없이도 각 부품의 성능 분석이 이루어질 수 있으며 케이스나 커버의 재질/형상에 따른 성능 편차 없이 정확한 성능 분석이 가능한 모터 손실 측정 장치에 대해 개시하고 있지만, 실시간으로 모터의 부하 및 결함을 찾는 기술에 대해서는 시사하는 바가 없다.

또한 한국등록특허 제10-1432786호는 모터의 고장진단방법 및 그 시스템에 대해 개시하고 있으며, 이에 따른 모터의 고장진단방법은, 모터의 운전중에 발생하는 전류, 전압을 A/D 변환하여 모터의 속도와 전류 피크를 산출하여 로터바의 파손을 검출하는 로터바의 고장진단루틴, 모터의 로터바의 주파수를 산출하여 모터의 성능을 확인시키는 진동검출루틴, 에어 갭의 동적 편심과 유사하게 에어 갭의 자속 밀도에 불균일을 주어 에어갭 전류 및 토크의 변화로 베어링 결함을 검출하는 베어링 고장진단루틴과, 모터에 대한 전체입력전력(Pin)과 순전력출력의 비를 산출하여 모터 작동효율을 근거로 모터의 고장을 진단하는 모터효율 산출루틴들로 이루어진시스템에 대해 개시하고 있지만, 전류 스펙트럼 및 토크 스펙트럼을 생성하고 모터의 운전효율을 산출함에 따라 최종 결과를 얻기까지 시간이 오래 걸리고, 실시간으로 모터의 결함을 파악하기 어렵고 또한 시스템 구현을 위한 하드웨어적 구성이 복잡한 문제가 있다.

또한, 일본 공개특허공보 2000-513097호는 모터의 동작상태를 감시하는 고장검출시스템으로, 선택된 동작 파라미터를 측정하기 위해 모터에 결합된 센서와 상기 센서에 결합된 컴퓨터 수단을 가지며, 그 컴퓨터 수단은 모터가 무고장 상태로 동작하고 있을 때 0인 이상적 오차를 결정하고, 0이 아닌 스레숄드 공차 레벨을 선택하고, 상기 이상적 오차는 불변량에 의해 곱해진 상기 선택된 동작 파라미터를 곱하고, 그 결과 생성된 것을 합하여 도출되는 것이며, 또한 동작 사이에 상기 모터에 대한 복수 오차를 판정하고, 상기 컴퓨터 수단은 메모리 및 디스플레이 디바이스를 가지는 것으로 이루어지는 모터의 고장 검출 시스템에 관한 기술이 개시되어 있지만, 복잡한 센서의 하드웨어적 구성을 필요로 한다는 점과 고장 진단 절차가 복잡한 문제가 있다.

또한 일본 공개특허공보 2019-215164호는 모터 시험장치 및 모터 시험설비에 관한 것으로, 부하장치에 의해 부하가 주어진 모터 회전 상태를 시험하는 모터 시험 장치로서, 상기 모터의 회전에 따른 펄스 신호를 출력하는 회전 센서와 상기 회전 센서에서 출력된 펄스 신호에 기초하여 상기 모터의 회전 상태가 비정상인지 아닌지를 판정하는 상태 판정부와 상기 상태 판정부에 따라 상기 모터 회전 상태가 이상이라고 판정되었을 경우에는 이상 요인을 상기 펄스 신호에 따라 진단하는 이상 진단부로 이루어지는 기술이 개시되어 있으나, 모터의 회전센서에 따른 회전 상태의 이상 유무만을 판단하는 것이라는 점에서 모터의 에너지 사용량을 감안한 고장 예측이 곤란하다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점들에 기반하여 안출된 발명으로서 모터의 전기, 기계적 결함을 실시간으로 파악할 수 있고, 그로 인한 생산성 향상에 기여할 수 있으며, 고비용의 유지 보수비용을 절감할 수 있고, 에너지 효율을 파악하여 효율적인 회전기 및 모터 설비 시스템을 구축하여 에너지 절감효과를 극대화할 수 있는 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일양태에 따르면, 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템이 제공되고, 이 시스템은 모터에 걸리는 전압 및 전류를 측정하기 위한 전압 센서 및 전류 센서; 전압 센서와 전류 센서로부터 측정된 아날로그 형태의 전압 신호 및 전류 신호를 디지털 형태의 전압 및 전류 데이터로 변환하기 위한 아날로그/디지털 컨버터; 아날로그/디지털 컨버터에 의해 변환된 측정 전압 데이터 및 전류 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 대한 전력량 연산을 수행하는 전력량 처리부 및 FFT 연산을 수행하기 위한 FFT 처리부를 포함하고, 전력량 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하고, FFT 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하며, 전력량 연산 및 FFT 연산 이후의 데이터가 분석된 후 최종 데이터를 이벤트 데이터로 정리하여 각 상황에 대응하는 이벤트 플래그 데이터와 함께 외부로 전송하는 중앙 처리부; 중앙 처리부에 의한 전력량 연산 및 FFT 연산 후, 연산 결과로 얻어진 전력량 파형, 전류 FFT 주파수 파형 및 전압 FFT 주파수 파형을 바탕으로 파형의 상황별로 전력 사용량, 모터의 전기적 결함, 모터의 기계적 결함을 판단하며, 상기 이벤트 플래그와 상응하는 데시벨(dB) 값을 전송할 수 있도록 데이터를 구성하여 상기 중앙 제어부로 전송 조건을 만들어주는 상태 감지부; 및 상기 제어부 측으로부터 전송된 데이터를 유/무선 네트워크를 통해 수신하고, 수신한 데이터를 사용자 단말기로 전송하며, 사용자 단말기로부터의 신호를 수신하여 상기 제어부 측으로 전송하는 외부 서버를 포함하고, 상기 중앙 처리부는 전압과 전류의 디지털 데이터를 메모리에 일정영역 버퍼링하고 메모리에 저장된 데이터를 이용하여 전력량 연산을 수행할 때, 임의의 설정된 시간 구역 내의 샘플링 데이터로부터 N개의 데이터만을 추출하고 추출된 N개 데이터에 대한 RMS 값을 산출하도록 구성된다.

전술한 양태에서 중앙 처리부는 전력량 연산 및 FFT 연산을 조합하여 모터의 정상, 비가동, 가동, LF변화, 전류변화, 주파수변화, 최소 분석 기준미달, 과전류, 수신채널불량, 데이터 수신 오류를 판단하도록 구성된다.

전술한 양태에서 중앙 처리부는 전력량 연산을 조합하여 정격효율, 부하율, 모터출력, Harmonic Avg, 출력손실, 연간손실 예상금액, 연간이산화탄소 손실 예상 금액을 산출하도록 구성된다.

또한 전술한 양태에서 중앙 처리부는, 모터의 정격전류를 기준으로, 인가 전류 값이 0.5A 미만인 경우는 비가동으로 판별하고, 인가전류 값이 0.5A 이상 모터정격 미만인 전류 범위 이내에 있는 경우는 정상으로 판별하며, 인가전류 값이 0.5A 이상이면서, 1분이상 지속된 경우 가동으로 판별한다.

또한 전술한 양태에서 중앙 처리부는 주파수 변화 판단과 관련해서, 모터의 로우 데이터를 FFT 분석 측정후 기계적 불일치로 인한 해당 주파수 0 ~ 5KHz의 노이즈 잡음 레벨이 미리정해진 레벨보다 높은 경우 상기 모터의 이상주파수 발생을 판별하도록 구성된다.

또한 전술한 양태에서 중앙 처리부는 LF 변화 판단과 관련해서 인버터 LF(line frequency)분석을 기준으로 FFT 연산을 통해 기준 주파수 값을 설정하고 기준 주파수가 해당 LF의 10% 범위를 벗어날 경우 LF 주파수 변화 발생을 판별하도록 구성된다.

또한 전술한 양태에서 중앙 처리부는 최소분석 기준미달과 관련해서 로우 데이터의 전력량 연산을 통해서 모터의 전류량을 분석하고 기준라인은 0.5A이고, 정격 전류량이 기준 라인에 도달되지 못할 때 기본적 동작이 정상적으로 이루어지지 않은 것으로 판단하여 최소 분석 기준미달로 관련 분석의 오류발생을 판단하지 않도록 구성된다.

또한 전술한 양태에서 연간 손실 예상 금액은 전력거래소 전력거래가격 기준값*(모터출력손실*24시간*모터 매월 가동일수)*년간 가동 개월 수를 통해 산출된다.

또한 전술한 양태에서 연간 이산화탄소 손실 예상 금액은 (한국거래소 배출권거래가격 기준값) * (모터의 출력손실값 * 24시간* 매월가동일수*0.00046)* 연간 가동 개월 수를 통해 산출된다.

본 발명에 따르면 모터의 전기, 기계적 결함을 실시간으로 파악할 수 있고, 그로 인한 생산성 향상에 기여할 수 있으며, 고비용의 유지 보수비용을 절감할 수 있고, 에너지 효율을 파악하여 효율적인 회전기 및 모터 설비 시스템을 구축하여 에너지 절감효과를 극대화할 수 있는 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에서의 동작 흐름을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에서 전력량 연산에 이용되는 데이터 샘플링을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에서 전력 데이터 분석의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에서 에너지 분석 효율의 예를 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 불량을 분석하기 위한 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템(이하 "경고 시스템"이라고 함)의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 경고 시스템(100)은 전압 및 전류를 검지하기 위한 센서부(110), 센서부(110)로부터 검지된 아날로그 전류값 및 전압값을 디지털 값으로 변환하기 위한 아날로그/디지털 컨버터(ADC)(120), 경고 시스템의 동작을 제어하기 위한 중앙처리부(130), 경고 시스템에서의 오류 상태, 모터의 정상 또는 결함 상태를 상태를 표시하기 위한 표시부(140), 경고 시스템의 동작에 필요한 제어 프로그램, 연산에 필요한 데이터 등을 저장하기 위한 메모리부(141), 전력량 프로세스를 처리하기 위한 전력량 처리부(142), 수집된 데이터에 대한 FFT 연산을 수행하기 위한 FFT 처리부(143), 전력량 처리부(142)와 FFT 처리부(143)의 결과에 기반하여 모터의 이상 유무를 판별하는 상태 감지부(144) 및 외부의 서버(150,160)와의 데이터 통신을 수행하기 위한 데이터 송수신부(145)를 포함한다.

전압 센서(111)는 모터(200)에 전원을 공급하는 전원 공급 라인 또는 전원 공급 라인이 접속되어 있는 단자 박스에 설치되며, 운전중인 모터(200)에 걸리는 전압을 측정한다.

전류 센서(113)는 전압 센서와 동일하게 모터(200)에 전원을 공급하는 전원 공급 라인 또는 전원 공급 라인이 접속되어 있는 단자 박스에 설치되며, 운전중인 모터(200)에 유입 또는 모터(90)로부터 유출되는 전류를 측정한다.

아날로그/디지털 컨버터(ADC)(120)는 전압 센서(111)와 전류 센서(113에 의해 각각 측정된 아날로그 형태의 전압 신호 및 전류 신호를 디지털 데이터로 변환하도록 구성된다.

중앙처리부(130)는 아날로그/디지털 컨버터(120)에 의해 변환된 측정 전압 데이터 및 전류 데이터를 메모리부(141)에 수집하고, 수집된 데이터에 대해 전력량 연산과 FFT(Fast Fourier Transform) 연산에 필요한 형식의 데이터로 로우(RAW) 데이터 변환을 수행한 후, 변환된 로우 데이터를 이용하여 전력량 연산과 함께 결함 분석에 이용되는 FFT 연산을 수행하도록 전력량 처리부(142) 및 FFT 처리부(143)에 명령한다. 전력량 처리부(142)와 FFT 처리부(143)의 구체적인 동작에 대해서는 이하에 보다 상세하게 설명하도록 한다. 이와 관련해서 전력량 처리부(142) 및 FFT 처리부(143)은 본 발명의 이해를 돕기 위해 중앙처리부(130)와 별개인 것으로 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 전력량 처리부(142) 및 FFT 처리부(143)는 중앙 처리부(130)과 일체로 형성되는 것이 당업자에게 자명하다.

상태 감지부(144)는 FFT 처리부 및 전력량 처리부에 의한 연산 후, 연산 결과로 얻어진 결과에 기반하여, 전력량 연산 이전 데이터와 이후 데이터를 메모리에저장하고, 또한 FFT 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 저장하고, 분석된 후의 데이터를 이벤트 데이터로 정리하여 각각의 상황에 맞게, 즉 전력량과 관련하여 정상, 비가동, 가동, LF변화, 전류변화, 주파수변화, 최소분석기준미달, 과전류, 수신채널불량, 데이터수신오류와, 모터 결함 상태와 관련하여 정상, 초기, 주의, 관심 상황에 맞는 플래그(Flag) 데이터를 같이 전송한다.

또한 상태 감지부(144)는 FFT 처리부에 의한 FFT 연산 후, 연산 결과로 얻어진 전류 FFT 주파수 파형 및 전압 FFT 주파수 파형을 바탕으로 파형의 상황별로 모터(200)의 전기적 결함과 기계적 결함을 판단하며, 이벤트 플래그와 상응하는 데시벨(dB) 값을 전송할 수 있도록 데이터를 구성하여 중앙처리부에 전송 조건을 만들어준다. 여기서, 이와 같은 상태 감지부는 소프트웨어 프로그램으로 구성되어 중앙처리부 내에 또는 메모리에 탑재될 수도 있고, 별도의 하드웨어 장치로 구성되거나 중앙처리부 내에 일체로 구성될 수도 있다.

이상과 같은 상태 감지부(140)에 의해 판단되는 전기적 결함은 전압 불균형, 전류 불균형, 역률, 부하율, 출력손실, 에너지 효율, 유효전력, 무효전력 등을 포함할 수 있고, 기계적 결함은 모터 회전자 결함, 정적편심, 동적 편심, 고정자 기계적 결함, 기계적 불균형, 축정렬 불균형, 베어링 결함, V-벨트 구동결함, 기어박스 결함, 임펠러 결함 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 외부의 서버, 예를 들면 TCP 서버(150) 및 WEB 서버(160)가 경고 장치(100) 내의 데이터 송수신부(145)를 통해 연결되고, TCP 서버(150) 및 WEB 서버(160)는 수신된 데이터를 사용자 단말기로 전송하며, 사용자 단말기로부터의 신호를 수신하여 송수신부(145)를 통해 경고 장치(100)로 전송한다.

여기서, 이와 같은 TCP 서버(150) 및 WEB 서버(160)로 이루어진 외부 서버는 모니터링 대상의 모터가 설치되어 있는 장소와 같은 영역(예를 들면, 공장의 현장에 모터가 설치되어 있을 경우, 그 공장 영역 또는 건물의 특정 장소에 모터가 설치되어 있을 경우 그 건물 영역)에 위치할 수도 있고, 모터가 설치되어 있는 위치와 멀리 떨어진 다른 장소에 위치할 수도 있다. 또한, 사용자 단말기는 사용자 PC, 스마트 디바이스(예를 들면, 스마트폰)를 포함할 수 있으며, 클라우드를 더 포함할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에서의 동작 흐름을 나타낸 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 모터설비 에너지 손실 절감을 위한 경고 방법은 전술한 바와 같은 전압 센서(111), 전류 센서(113), 아날로그/디지털 컨버터(120), 중앙처리부(130), 전력량 처리부(142), FFT 처리부(143) 및 상태 감지부(1144) 및 외부 서버(150,160) 등을 포함하는 경고 시스템을 기반으로 한 모터 상태 경고 방법으로서, 먼저 단계 S110에서 전압 센서(111) 및 전류 센서(113)에 의해 운전중인 모터(200)에 걸리는 전압과 모터(200)에 유입 또는 모터(200)로부터 유출되는 전류를 측정한다.

이어진 단계 S120에서, 전압 센서(111)와 전류 센서(113)에 의해 각각 측정된 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 아날로그/디지털 컨버터(120)에 의해 디지털 데이터로 변환된다.

이어진 단계 S130에서 디지털 변환된 전압 및 전류 데이터를 수집한 후 전력량 처리부에서 전력량 연산에 해당하는 비트 샘플링을 통해 전력량 연산후 데이터를 메모리에 저장한다.

이때 전압과 전류의 ADC된 디지털 데이터를 메모리에 일정영역 버퍼링하고 메모리에 저장된 데이터를 전력량 처리부에서 전력량 연산할 때, 전력량의 데이터는 샘플링 추출시 예를 들면 N개 추출시 N/4, N/8…개 형태의 추출과 같이, 간헐적 데이터 추출을 통해서 평균값을 산출한다. N개 추출할 때 N/4, N/8…개 형태로 RMS값을 취함으로써 순간순간의 노이즈 파형에 대응하는 산출방식을 취할 필요없이 RMS값이 산출될 수 있다.

모터 결함 분석은 많은 데이터를 분석해야 하지만, 전력량 분석은 RMS 기준으로 처리되는 값으로 많은 데이터가 수집될 때 도 3에 표시한 바와 같이 연산처리의 개별 처리 방식을 선택함으로 동시적 처리(실시간)할 수 있다. 이는 별도의 전력량계 혹은 별도의 장치로 연산 처리하지 않기 때문에 경제적 측면에서 매우 유리하다.

단계 S130와 동시에 단계 S135에서 디지털 변환된 전압 및 전류 데이터를 수집한 후 FFT 처리부에서 수집된 전류 및 전압 데이터에 대해 FFT (Fast Fourier Transform) 연산을 수행하며, FFT 연산 이전의 데이터와 FFT 연산 이후의 데이터를 메모리에 저장한다.

여기서, 이와 같이 중앙처리부(130)에서 아날로그/디지털 컨버터(120)에 의해 변환된 측정 전압 데이터 및 전류 데이터를 수집하되, 최소 샘플링 개수의 저주파수 데이터와 최소 샘플링 개수의 고주파수 데이터를 각각 수집한다. 이는 FFT 연산을 수행하기 위해서는 최소한 3∼4회의 반복적인 샘플링 데이터의 수집이 필요하기 때문이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 결함 분석을 위한 고속 퓨리에 처리에서는 n개의 샘플을 순차적으로 취하는 반면, 전력 소비 분석을 위한 전력량 연산 처리에서는 로우데이터 중 4개 중 하나(n/4)개의 샘플을 취하여 연산하도록 구성되고 있다.

단계 S130에 이어서 단계 S140에서 상태 감지부는, 전력량 처리에 의해 얻어진 전류 및 전압의 시간축 변화 파형을 바탕으로 연산처리를 수행함으로써 모터의 전기적 결함 및 에너지 사용량을 표시하여 사용자가 이를 판단하도록 할 수 있다.

예를 들면, 모터의 전력량 처리에 의해 얻어진 전류 및 전압의 시간축 변화 파형을 기반으로 하여 모터의 전력량 분석을 통해 정상, 비가동, 가동 등의 상태가 분석될 수 있다.

정상, 비가동, 가동의 판별은 도 4에 도시된 바와 같이 회전기 모터의 정격전류를 기준으로 인가 전류 값< 0.5A 미만인 경우는 비가동으로 판별하고, 인가전류 값이 0.5A ≤ 값 < 모터정격 전류 범위 이내에 있는 경우 해당 모터의 정상으로 판별하며, 비가동에서 가동으로 상태 변화는 인가전류 값이 0.5A 이상이면서, 1분이상 지속된 경우 가동으로 이벤트 기록하여 DB에 관리한다. 또한, 인가전류 값이 모터 정격전류 이상인 전류 범위의 경우는 과부하 상태로 판별하며, 인가전류 값이 0.5A 이상이면서, 1분 미만 지속된 경우에는 비가동으로 판별한다.

단계 S135에 이어서 단계 S145에서 상태 감지부는, FFT 연산 결과로 얻어진 전류 FFT 주파수 파형 및 전압 FFT 주파수 파형(즉 전압 및 전류의 주파수축 변화 파형)을 바탕으로 파형의 상황별로 모터의 전기적 결함과 기계적 결함을 판단한다. 즉, FFT 연산 이후의 데이터(그래프)와 FFT 연산 이전의 데이터(그래프)와의 비교를 통해 모터의 전기적 결함과 기계적 결함을 판단하게 된다. 이때, 전기적 결함은 전압 불균형, 전류 불균형, 역률, 부하율, 출력손실, 에너지 효율, 유효전력, 무효전력 등을 포함할 수 있고, 상기 기계적 결함은 모터 회전자 결함, 정적 편심, 동적 편심, 고정자 기계적 결함, 기계적 불균형, 축정렬 불균형, 베어링 결함, V-벨트 구동결함, 기어박스 결함, 임펠러 결함 등을 포함할 수 있다.

또한 FFT 연산을 통해서 주파수변화, LF 변화, 최소 분석 기준미달, 과전류, 수신채널불량, 데이터 수신 오류 등이 분석될 수 있다.

또한 주파수 변화 판단은 도 4에 도시한 바와 같이 회전기 모터의 Raw 데이터를 FFT 분석 측정을 통하여 기계적 불일치로 인한 해당 주파수 0 ~ 5KHz의 노이즈 레벨이 기준 값으로 정한 노이즈 레벨 이상이 발생되면 해당 회전기 모터의 이상주파수 발생을 판별하고, 주파수 변화의 이벤트 기록하고 DB에 저장하며, 에러발생을 표기한다.

Line Frequency 변화(이하 LF 변화) 판단은 인버터 LF분석을 기준으로 FFT 연산을 통해 기준 주파수 값을 설정하고 해당 LF 10% 범위를 벗어날 경우 LF 주파수 변화를 이벤트로 저장하고 해당 회전기 모터의 LF변화를 DB 기록하며, 에러발생 이벤트를 표기한다.

최소분석기준미달은 Raw 데이터의 전력량 계산을 통해서 해당 회전기 모터의 전류량을 분석하고 기준라인은 0.5A이고, 정격 전류량의 미치지 못할 때기본적 동작이 정상적으로 이루어지지 않는다고 판단하여 최소 분석 기준미달로 관련 분석의 오류발생을 판단하지 않는다.

이때, 또한 바람직하게는 상기 단계 S145에서 상기 상태 감지부(144)에 의해 판단된 모터의 전기적 결함과 기계적 결함을 표시장치(160)에 의해 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

단계 S140에 이어 단계 S150에서 중앙처리부에서는 측정값을 결함조건과 비교한 후 결함발생시 이벤트 플래그를 생성하고 사용된 에너지 양을 기록하고 관리한다. 에너지 사용량은 4단계 표시하여 에너지 사용량의 이상상태를 확인할 수 있다. 에너지 사용량은 정상, 초기, 이상, 관심의 레벨로 구별될 수 있으며 이는 에너지 효율에 대한 상태를 나타낸다.

단계 S145에 이은 단계 S155에서, 상태 감지부(144)에 의해 상기 중앙처리부(140)에 의해 생성될 이벤트 플래그(flag)와 상응하는 dB 값을 전송할 수 있도록 데이터를 구성하여 중앙처리부(120)로 전송 조건을 생성한다.

단계 S150에 이은 단계 S160에서 중앙처리부에서, 상태 감지부에 의한 모터의 결함 판단하고, 에너지 사용량 이후 최종 데이터를 이벤트 데이터로 이벤트 플래그와 함께 외부서버에 전송하고, 단계 S155에 이은 단계 S165에서는 이와 유사하게 중앙처리부는 상기 상태 감지기(144)에 의한 모터의 전기적, 기계적 결함 판단 이후의 최종 데이터를 이벤트(event) 데이터로 정리하여 각 상황에 대응하는 이벤트 플래그 데이터와 함께 외부 서버로 전송한다

이후 단계 S170에서는 중앙처리부로부터 외부 서버로 이벤트(event) 데이터와 이벤트 플래그 데이터가 전송되면, 외부 서버는 중앙처리부 측으로부터 전송된 데이터를 유/무선 네트워크를 통해 수신하고, 수신한 데이터를 사용자 단말기로 전송하며, 사용자 단말기로부터의 대응 신호를 수신하여 상기 중앙처리부측으로 전송한다.

즉, 외부 서버로부터 이벤트 데이터와 이벤트 플래그 데이터가 그대로 혹은 약간 신호 처리가 가해진 후 사용자 단말기로 전송되면, 사용자(또는 시스템 운영자, 관리자)는 PC 또는 이동 단말과 같은 사용자 단말기를 통해 모터의 현재 상태를 파악하고, 그에 상응하는 신호(예를 들면, 모터(200)를 오프시키라는 제어신호)를 외부 서버로 전송하고, 외부 서버는 이 신호를 수신하여 중앙처리부 측으로 전송한다.

이후 중앙처리부 측에서는 외부 서버로부터의 신호를 수신하고, 그 신호에 따라 모터 온/오프(ON/OFF) 스위치를 조작하여 모터의 운전을 정지시키게 된다. 그 결과 모터의 기계적, 전기적 결함으로 인해 초래될 수 있는 더 큰 사고 발생을 사전에 방지할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 데이터 전력 분석의 일례를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 의한 데이터 전력 분석 효율을 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 데이터 전력 분석은, 회전기 모터의 전력량 분석 및 FFT 분석을 통해 정상, 비가동, 가동, LF변화, 전류변화, 주파수변화, 최소 분석 기준미달, 과전류, 수신채널불량, 데이터 수신 오류등을 분석하고 이벤트 플래그로 구성하여 서버 DB에 저장하고 , 사용자 단말의 인터페이스에 표시함으로써 현재 회전기 모터의 상태를 파악하는 중요 정보로 활용하고, 생산 현장 불량상황에 대처할 수 있다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 정상,비가동,가동의 판별은 회전기 모터의 정격전류를 기준으로 인가 전류 값 < 0.5A 미만인 경우는 비가동으로 판별하고, 인가전류 값이 0.5A ≤ 값 < 모터정격 전류 범위 이내에 있는 경우 해당모터의 정상으로 판별하며, 비가동에서 가동으로 상태변화는 인가전류 값이 0.5A ≤ 값 이상이면서, 1분이상 지속된 경우 발생시 가동으로 이벤트 기록하여 DB로 관리한다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 주파수 변화 판단은 회전기 모터의 Raw 데이터를 FFT 분석 측정후 기계적 불일치로 인한 해당 주파수 0 ~ 5KHz의 노이즈 잡음레벨이 기준 값으로 정한 레벨 이상이 발생되면 해당 회전기 모터의 이상주파수 발생을 판별하고, 주파수 변화의 이벤트 기록하고 DB에 저장하며, 에러발생을 표기한다.

또한 도 4 에 도시된 바와 같이 Line Frequency 변화(이하 LF로표기) 판단은 인버터 LF분석을 기준으로 FFT 연산을 통해 기준 주파수 값을 설정하고 해당 LF 10% 범위를 벗어날 경우 LF 주파수 변화를 이벤트로 저장하고 해당 회전기 모터의 LF변화를 DB 기록하며, 에러발생 이벤트를 표기한다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 최소분석기준미달은 Raw 데이터의 전력량 계산을 통해서 해당 회전기 모터의 전류량을 분석하고 기준라인은 0.5A이고, 정격 전류량의 미치지 못할 때 기본적 동작이 정상적으로 이루어지지 않는다고 판단하여 최소 분석 기준미달로 관련 분석의 오류발생을 판단하지 않는다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이 수집된 데이터의 시간축 파형분석을 통해 전력량의 측정 할 수 있다. 명판 정격효율, 부하율, 모터출력, Harmonic Avg, 출력손실, 연간손실 예상금액, 연간이산화탄소 손실 예상 금액등을 산출하여 에너지 예상 손실을 그래프로 확인하고 적절한 조치를 취함으로서 에너지절감을 실현할 수 있으며, 측정값을 기준값과 비교하여 에너지 사용량을 색깔로 4단계 표시하여 에너지 사용량의 이상상태를 확인할 수 있다. 정상, 초기, 이상, 관심의 단계로 에너지 효율에 대한 상태표시 한다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이 연간 손실 예상 금액은 전력거래소 전력거래가격 기준값 *(모터출력손실*24시간*모터 매월 가동일수)*년간 가동 개월 수를 정리하면 예상금액이 산출될 수 있다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이 연간 이산화탄소 손실 예상 금액은 (한국거래소 배출권거래가격 기준값) * (모터의 출력손실값 * 24시간* 매월가동일수*0.00046)* 연간 가동 개월 수를 정리하면 연간 이산화탄소 손실 예상금액이 산될 수 있다.

상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시 적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110: 센서 그룹 111: 전압 센서
113: 전류 센서 120: 아날로그-디지털 컨버터
125: 모터 구동 ON/OFF 스위치 130: 중앙처리부
140: 표시부 141: 메모리부
142: 전력량 처리부 143: FFT 처리부
144: 상태 감지부 145: 송수신부
150: TCP 서버 160: WEB 서버

Claims (9)

1. 에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템에 있어서,
   모터에 걸리는 전압 및 전류를 측정하기 위한 전압 센서 및 전류 센서;
   전압 센서와 전류 센서로부터 측정된 아날로그 형태의 전압 신호 및 전류 신호를 디지털 형태의 전압 및 전류 데이터로 변환하기 위한 아날로그/디지털 컨버터;
   아날로그/디지털 컨버터에 의해 변환된 측정 전압 데이터 및 전류 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 대한 전력량 연산을 수행하는 전력량 처리부 및 FFT 연산을 수행하기 위한 FFT 처리부를 포함하고, 전력량 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하고, FFT 연산 이전의 데이터와 이후의 데이터를 메모리에 저장하며, 전력량 연산 및 FFT 연산 이후의 데이터가 분석된 후 최종 데이터를 이벤트 데이터로 정리하여 각 상황에 대응하는 이벤트 플래그 데이터와 함께 외부 서버로 전송하는 중앙 처리부;
   중앙 처리부에 의한 전력량 연산 및 FFT 연산 후, 연산 결과로 얻어진 전력량 파형, 전류 FFT 주파수 파형 및 전압 FFT 주파수 파형을 바탕으로 파형의 상황별로 전력 사용량, 모터의 전기적 결함, 모터의 기계적 결함을 판단하며, 상기 이벤트 플래그와 상응하는 데시벨(dB) 값을 전송할 수 있도록 데이터를 구성하여 상기 외부 서버로의 전송 조건을 만들어주는 상태 감지부; 및
   상기 중앙 처리부 측으로부터 전송된 데이터를 유/무선 네트워크를 통해 수신하고, 수신한 데이터를 사용자 단말기로 전송하며, 사용자 단말기로부터의 신호를 수신하여 상기 중앙 처리부 측으로 전송하는 외부 서버를 포함하고,
   상기 중앙 처리부는 전압과 전류의 디지털 데이터를 메모리에 일정영역 버퍼링하고 메모리에 저장된 데이터를 이용하여 전력량 연산을 수행할 때, 임의의 설정된 시간 구역 내의 샘플링 데이터로부터 N개의 데이터만을 추출하고 추출된 N개 데이터에 대한 RMS 값을 산출하도록 구성되며,
   상기 중앙 처리부는 전력량 연산 및 FFT 연산을 조합하여 모터의 정상, 비가동, 가동, LF변화, 전류변화, 주파수변화, 최소 분석 기준미달, 과전류, 수신채널불량, 데이터 수신 오류를 판단하도록 구성되며,
   상기 중앙 처리부는 LF 변화 판단과 관련해서 인버터 LF(line frequency)분석을 기준으로 FFT 연산을 통해 기준 주파수 값을 설정하고 기준 주파수가 해당 LF의 10% 범위를 벗어날 경우 LF 주파수 변화 발생을 판별하는 것을 특징으로 하는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 처리부는 전력량 연산 및 FFT 연산을 조합하여 정격효율, 부하율, 모터출력, Harmonic Avg, 출력손실, 연간손실 예상금액, 연간이산화탄소 손실 예상 금액을 산출하여 사용자 단말기에 표시하도록 구성된 것을 특징으로 하는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 처리부는, 모터의 정격전류를 기준으로,
   인가전류 값이 0.5A 미만인 경우는 비가동으로 판별하고,
   인가전류 값이 0.5A 이상 모터정격 미만인 전류 범위 이내에 있는 경우는 정상으로 판별하며,
   인가전류 값이 모터정격 전류 이상인 전류 범위의 경우는 과부하 상태로 판별하며,
   인가전류 값이 0.5A 이상이면서, 1분이상 지속된 경우 가동으로 판별하며,
   인가전류 값이 0.5A 이상이면서, 1분 미만 지속된 경우에는 비가동으로 판별하는 것을 특징으로 하는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   중앙 처리부는 주파수 변화 판단과 관련해서, 모터의 로우 데이터를 FFT 분석 측정후 기계적 불일치로 인한 해당 주파수 0 ~ 5KHz의 노이즈 잡음 레벨이 미리정해진 레벨보다 높은 경우 상기 모터의 이상주파수 발생을 판별하는 것을 특징으로 하는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   중앙 처리부는 최소분석 기준미달과 관련해서 로우 데이터의 전력량 연산을 통해서 모터의 전류량을 분석하고 기준라인은 0.5A이고, 정격 전류량이 기준 라인에 도달되지 못할 때 기본적 동작이 정상적으로 이루어지지 않은 것으로 판단하여 최소 분석 기준미달로 관련 분석의 오류발생을 판단하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
8. 제3항에 있어서,
   연간 손실 예상 금액은
   전력거래소 전력거래가격 기준값*(모터출력손실*24시간*모터 매월 가동일수)*년간 가동 개월 수를 통해 산출되는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   
9. 제3항에 있어서,
   연간 이산화탄소 손실 예상 금액은 (한국거래소 배출권거래가격 기준값) * (모터의 출력손실값 * 24시간* 매월가동일수*0.00046)* 연간 가동 개월 수를 통해 산출되는
   에너지 손실 절감을 위한 경고 시스템.
   

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