KR20060071516A - 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기의 자속 변화로부터 로터 바의 이상 상태를 분석할 수 있어, 온라인 상태에서 간단하고 정확하게 이상 상태 검출이 가능한 유도전동기의 로터바 이상 검출 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 이상 검출 장치는, 유도 전동기에 내부에 설치되어, 유도전동기에서 발생되는 자속변화를 검출하여 소정의 전기신호로 출력하는 자속 검출부; 상기 자속 검출부로부터 출력된 검출신호에 대한 증폭, 노이즈 제거, 아날로그/디지탈 변환 및 고속 푸리에 변환(FFT)하는 신호 처리부; 상기 신호 처리부로부터 출력된 고속 푸리에 변환 데이타를 기반으로, 중심 주파수 및 전체 주파수 대역에서 나타나는 주파수 크기 형태를 비교하여 로터 바의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부; 및 상기 신호 분석부에서 판단된 로터 바의 이상 여부를 표시하고, 이상 발생시 이에 대한 경보를 발생시키는 출력부를 포함하여 구성된다.

유도전동기, 로터, 스테이터, 로터 바, 자속, 상태 진단

Description

유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치{Apparatus for detecting broken rotor-bar in induction motor}

도 1은 유도 전동기의 동작 원리를 설명하는 개념도이다.

도 2는 유도 전동기의 일 구성예를 나타낸 개략 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 로터 바 이상 검출 장치의 전체 구성을 나타낸 블럭도이다.

도 4는 본 발명에 의한 로터 바 이상 검출 장치에 있어서, 자속 검출부의 구성예를 나타낸 사시도이다.

도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 로터 바 이상 검출 장치에 있어서, 로터바 검출 원리를 나타낸 신호 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

31 : 자속 검출부

32 : 신호 처리부

33 : 신호 분석부

34 : 출력부

본 발명은 유도 전동기의 이상 상태 감지 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도전동기 내부에 구성되어 있는 로터 바의 이상 여부를 자속 변화의 분석을 통해 검출함으로서, 온라인 방식으로 간단하고 정확하게 이상상태 검출이 가능한 유도전동기의 로터바 이상 검출 장치에 관한 것이다.

유도 전동기(Induction motor)는 교류 전동기중 가장 널리 쓰이는 형태로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 스테이터(stator ; 고정자)(13) 및 로터(rotor ; 회전자)(12)에 서로 독립된 전기자 권선(armature winding)을 장치하여, 한 쪽 권선에 전기신호를 인가하면, 전자기 유도 작용에 따라 다른 쪽의 권선이 에너지를 받아 로터(12)가 회전하는 구조의 전동기이다. 상기 유도전동기는 전원의 종류에 따라 3상유도전동기와 단상유도전동기등으로 구분될 수 있다.

도 2는 이러한 유도 전동기의 구조 예를 나타낸 것으로서, 스테이터(13)의 내부 표면에는 일정 간격으로 요철이 반복되어 나타나며, 상기의 철(凸)부(13a)에 코일이 권선되며, 상기 스테이터(13)의 내부에는 원통형의 로터(12)가 삽입되며, 상기 로터(12)는 원주 방향으로 구리로 이루어진 로터 바(12a)가 형성되어, 상기 스테이터(13)와의 전자기 유도작용에 의해 축(11)을 기준으로 회전하도록 구성된 다.

상기와 같은 구조의 유도 전동기에서는, 상기 다수의 로터 바(12a)중 하나 혹은 일부가 파손될 수 있으며, 이 경우 유도 전동기가 이상 동작을 나타나는데, 상기의 로터 바(12a)의 파손은 시각적으로 검출이 불가능하다.

종래에는 이러한 유도 전동기의 이상 상태 검출을, 온도, 진동 등 유도 전동기의 기계적 인자의 특성변화에 의존해 왔다.

그런데, 유도 전동기의 온도 또는 진동 특성 변화를 측정하기 위해서는 유도 전동기의 내부 또는 외부에 온도센서 또는 진동센서가 설치되어야 하는데, 이렇게 측정된 온도 또는 진동값은 유도 전동기의 운전 상태, 즉 속도나 부하량에 따라 크게 변화하게 되기 때문에, 정확한 진단을 위해서는 하나의 유도 전동기에 대한 각 운전 상태 별 특성변화를 알고 있어야 하며, 이는 다양한 실험을 통해 구축될 수 있다.

따라서, 유도전동기의 용량 및 종류가 바뀔때마다 특성 분석을 위한 기반 데이타 베이스를 처음부터 다시 구축하여야 하는 불편함이 있으며, 특히 유도기의 고장 중 상술한 로터 바의 이상 상태는 온도 또는 진동값의 관측만으로는 기술적으로 분석하기 대단히 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 유도 전동기의 자속 변화로부터 로터 바의 이상 상태를 분석할 수 있어, 온라인 방식으로 간단하고 정확하게 이상 상태 검출이 가능한 유도전동기의 로터바 이상 검출 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 내부 면에 코일이 권선되는 다수의 철(凸)부가 형성된 스테이터와, 원주방향으로 일정간격으로 다수의 로터 바가 구비되어 상기 스테이터와의 전자기 유도작용에 의하여 축을 기준으로 회전하는 로터를 포함하는 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치에 있어서, 상기 유도 전동기에 내부에 설치되어, 유도전동기에서 발생되는 자속변화에 따라 출력신호가 변화되는 자속 검출부; 상기 자속 검출부로부터 출력된 검출신호에 대한 증폭, 노이즈 제거, 아날로그/디지탈 변환 및 고속 푸리에 변환(FFT)하는 신호 처리부; 상기 신호 처리부로부터 출력된 고속 푸리에 변환 데이타를 기반으로, 중심 주파수 및 전체 주파수 대역에서 나타나는 주파수 크기 형태를 비교하여 로터 바의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부; 및 상기 신호 분석부에서 판단된 로터 바의 이상 여부를 표시하고, 이상 발생시 이에 대한 경보를 발생시키는 출력부를 포함하여 구성된다.

더하여, 본 발명에 의한 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치에 있어서, 상기 자속 검출부는 상기 스테이터의 임의 위치의 철(凸)부에 삽입되는 비전도성 재질의 프레임; 및 상기 프레임상에 일정 방향으로 권선되어 주변 자속변화가 전압 신호로 출력되는 코일로 구현될 수 있다.

더하여, 본 발명에 의한 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치에 있어서, 상기 신호 분석부는 정상상태에서의 자속변화 검출값의 주파수 스펙트럼을 기준값으로 설정하고, 현재의 주파수 스펙트럼을 비교하여 로터 바의 이상 여부를 판단한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 의한 유도전동기의 로터 바 이상 검출 장치를 나타낸 블럭구성도이다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치는, 상기 유도 전동기(10)에 내부에 설치되어, 유도전동기(10)에서 발생되는 자속변화에 따라 출력신호가 변화되는 자속 검출부(31)와, 상기 자속 검출부(31)로부터 출력된 검출신호를 증폭, 노이즈 제거, 아날로그/디지탈 변환 및 고속 푸리에 변환(FFT)하는 신호 처리부(32)와, 상기 신호 처리부(32)로부터 출력된 고속 푸리에 변환 데이타를 기반으로, 중심 주파수 및 전체 주파수 대역에서 나타나는 주파 수 크기 형태를 분석하여 로터 바(12a)의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부(33)와, 상기 신호 분석부(33)에서 판단된 로터 바(12a)의 이상 여부를 표시하고, 이상 발생시 이에 대한 경보를 발생시키는 출력부(34)를 포함한다.

다음으로, 도 4는 자속 검출부의 구성예를 나타낸 사시도로서, 상기 도 4를 참조하면, 상기 구성에 있어서, 자속 검출부(31)는 상기 스테이터(13)의 내부면에 형성된 요철중 임의 위치의 철(凸)부에 삽입되도록 형성된 비전도성 재질의 프레임(41)과, 상기 프레임(41) 상에 일정 방향으로 권선되어 주변 자속변화가 전압 신호로 출력되는 코일(42)로 이루어진다.

상기 구성된 자속 검출부(31)는 스테이터(13)와 로터(12)간의 전자기 유도 작용에 의해 나타나는 자속 변화를 검출한다.

상기 자속 검출부(31)의 위치는 유도 전동기(10)의 길이 방향으로 정중앙에 위치하는 것이 가장 이상적이나, 유도 전동기(10) 설계 및 취부 등의 이유로 정중앙에 위치되지 못하더라도 자속 검출에 지장을 받지 않는다.

상기와 같이 구현된 자속 검출부(31)는 유도 전동기(10) 내부의 시간에 따른 자속의 변화율을 전압 신호 형태로 출력한다. 이때, 상기 자속 검출부(31)로부터 출력되는 신호는 크기가 상당히 작고 외부 노이즈의 영향을 받은 상태이다.

따라서, 상기 자속 검출부(31)의 출력신호는 신호 처리부(32)로 입력되어, 이후 분석 및 처리에 적절한 형태로 변환되는데, 더 구체적으로 증폭, 노이즈 제거, A/D(analog/digital) 변환 및 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform) 된 다.

따라서, 상기 신호 처리부(32)로부터 출력되는 데이타는 자속 검출부(31)의 출력 신호에 대한 주파수 스펙트럼이 된다.

이에, 신호 분석부(33)는 상기 자속 검출 신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여, 로터 바(12a)의 이상 여부를 판단하는데, 이때, 정상상태에서의 자속변화의 주파수 스펙트럼이 기준값으로 설정되어 있어, 상기 신호 처리부(32)로부터 입력된 주파수 스펙트럼을 기준 주파수 스펙트럼과 비교하여 로터 바의 이상 여부를 판단할 수 있다.

더 구체적으로, 상기 신호 분석부(33)에서, 로터 바(12a)의 이상을 진단하는 방법은, 현재 자속센서로부터 얻어진 FFT 데이터와 이전 정상상태에서의 FFT 데이터의 중심 주파수 및 전체 주파수 대역에서 나타나는 주파수 크기 형태를 비교함으로써 로터 바(12a)의 이상 유무를 판단하는 것이다.

여기서, 중심 주파수란 로터(12)의 슬롯 개수 및 부하가 물린 상태에서의 유도 전동기 자체의 공진 주파수에 따라 정해지는 것으로, 로터 바(12a)가 파손되는 등의 이상이 발생시, 중심 주파수의 크기가 변화 된다. 또한, 정상 상태에서는 나타나지 않던 다양한 주파수 스펙트럼이 중심 주파수 부근에 걸쳐 나타난다. 따라서, 이러한 주파수 스펙트럼의 비교만으로 로터바(12a)의 이상 유무를 판단할 수 있다.

상기와 같이 신호분석부(33)에서 로터 바에 이상이 발생되었다고 판단되면, 그 판단 결과는 출력부(34)를 통해 표시되면서, 작업자에게 경보되어, 작업자가 쉽 게 알 수 있도록 한다.

도 5는 로터바(12a)가 정상상태인 경우와, 비정상 상태인 경우의 상기 자속 검출부(31)의 출력신호를 비교한 것으로서, 정상상태인 경우, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 일정 시점마다 진폭이 급격히 커졌다 작아지는 현상을 나타낸다. 그러나, 특정 로터 바(12a)가 절단된 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 특정 부위에서 진폭이 급격히 커지는 현상이 나타나지 않는다. 즉, 도 5의 (a),(b)에 도시된 그래프중, A,B 부분의 파형을 비교할 경우, 그 차이는 더 명확히 알 수 있다. 이러한 특성 변화는 주파수 스펙트럼 분석을 통해 쉽게 나타나며, 본 발명은 이를 이용하여 로터바(12a)의 이상 여부를 간단하고 정확하게 검출할 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 상기에 한정되지 않고 여러가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 이루어질 수 있다.

상술한 바에 의하여, 본 발명은, 유도 전동기가 운전되고 있는 상태에서 유도 전동기의 자속 변화를 측정하여, 온라인 상태에서 로터 바의 이상여부를 간단하고 정확하게 진단할 수 있으며, 그 결과 유도 전동기기의 예방 정비 및 교체, 그리고 설비자체의 운용을 최적으로 수행할 수 있으며, 사고를 미연에 방지하여 조업의 안정성을 크게 높일 수 있을 뿐만 아니라 적기에 유도기의 관리가 가능하여 정비 비용의 절감 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

1. 내부 면에 코일이 권선되는 다수의 요철(凹凸)부가 형성된 스테이터와, 원주방향으로 일정간격으로 다수의 로터 바가 구비되어 상기 스테이터와의 전자기 유도작용에 의하여 축을 기준으로 회전하는 로터를 포함하는 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치에 있어서,

   상기 유도 전동기에 내부에 설치되어, 유도전동기에서 발생되는 자속변화에 따라 출력신호가 변화되는 자속 검출부;

   상기 자속 검출부로부터 출력된 검출신호에 대한 증폭, 노이즈 제거, 아날로그/디지탈 변환 및 고속 푸리에 변환(FFT)하는 신호 처리부;

   상기 신호 처리부로부터 출력된 고속 푸리에 변환 데이타를 기반으로, 중심 주파수 및 전체 주파수 대역에서 나타나는 주파수 크기 형태를 비교하여 로터 바의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부; 및

   상기 신호 분석부에서 판단된 로터 바의 이상 여부를 표시하고, 이상 발생시 이에 대한 경보를 발생시키는 출력부를 포함하는 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자속 검출부는

   상기 스테이터의 임의 위치의 철(凸)부에 삽입되는 비전도성 재질의 프레임; 및

   상기 프레임상에 일정 방향으로 권선되어 주변 자속변화가 전압 신호로 출력되는 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 분석부는

   정상상태에서의 자속변화 검출값의 주파수 스펙트럼을 기준값으로 설정하고, 현재의 주파수 스펙트럼을 비교하여 로터 바의 이상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터 바 이상 검출 장치.

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