KR20110034281A - 발전기 고정자 권선의 전용 진동 진단 방법 및 분석 시스템 - Google Patents

발전기 고정자 권선의 전용 진동 진단 방법 및 분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기 고정자의 권선에서 발생하는 진동을 진단, 분석하여 진동에 의한 사고를 미연해 방지하고, 발전기의 운전 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것으로, (a) 신호 감쇄기, 증폭기, Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 발전기 고정자 권선에 부착된 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받아 상기 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 상기 가진 신호에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하여 제2 진동 신호를 취득하는 단계, 및 (c) 상기 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 단계를 포함하는 방법이 제공됨으로써, 사용자 편의적으로 진동 분석이 신속히 이루어져 신속히 사고를 방지하는 효과가 달성된다.
발전기, 고정자, 권선, 진동, 건전성 평가, 진동 분석

Description

발전기 고정자 권선의 전용 진동 진단 방법 및 분석 시스템{METHOD AND ANALYSIS SYSTEM FOR DIAGNOSISING EXCLUSIVE VIBRATION IN GENERATOR STATOR WINDINGS}
본 발명은 발전기 고정자의 권선에서 발생하는 진동을 진단, 분석하여 진동에 의한 사고를 미연해 방지하고, 발전기의 운전 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법 및 분석 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 발전기 운전 중 항상 발전기 고정자의 권선에는 전기가 생산되면서 120Hz의 가진 주파수가 발생하게 되고, 가진 주파수로 인하여 진동이 발생하게 된다. 상기 진동은 권선의 강성을 변화시킬 수 있어, 이로 인해 고정자의 권선에서는 전자력과 공진이 발생하게 됨으로써 대형 사고을 일으키는 원인이 된다.
대형 사고를 방지하기 위하여 종래에는 주기적으로 로터를 제거한 후 측정시스템을 활용하여 각 권선의 진동 특성(vibration characteristic)과 진동 거동(vibration mode)을 분석하고 있다. 만약, 이상 진동 특성이 발견되면 강성을 변화시켜 공진이 발생되지 않도록 조처를 취해야 한다. 이런 관점에서 보면, 종래에는 발전기 고정자 단말 권선과 단말부의 진동을 측정하기 위하여 나름데로의 진 단/분석 시스템과 진동 DB을 구축하여 운영하여 발전기 고정자 권선의 기계적 건전성을 확보하여 발전기 불시정지와 같은 대형사고를 예방하여 왔으나, 종래의 진단/분석 시스템은 단말 권선에 대한 정확한 가진과 진동 분석을 획득할 수 없었을 뿐만 아니라 건정성 평가를 위하여 시험 진단하는 시간이 커 제시간에 이상 징후를 파악하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 발전기 고정자의 권선에서 발생하는 진동을 보다 빠르게 정밀 분석하여 이상 진동에 의한 사고를 미연해 방지하여 발전기의 운전 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발전기 고정자 권선의 전용 진동 진단 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 발전기 고정자 권선에서 측정된 진동 신호를 진단하기 위한 방법으로서, (a) 신호 감쇄기, 증폭기, Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 발전기 고정자 권선에 부착된 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받아 상기 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 상기 가진 신호에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하여 제2 진동 신호를 취득하는 단계, 및 (c) 상기 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 단계를 포함하 는 방법이 제공된다.
상기 (b) 단계는, 고정자 권선의 구조적 건전성과 선형성 유무를 진단하는 선형성 시험, 권선의 진동 특성과 전자력과의 공진 여부를 파악하는 주파수 응답 시험 및 고정자 권선의 진동 거동을 해석하는 진동 모드 시험 중 적어도 하나의 방법을 적용하여 진동 분석이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 발전기 고정자 권선에서 측정된 진동 신호를 진단하기 위한 시스템으로서, Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 발전기 고정자 권선에 부착된 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받아 상기 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 진동신호 생성모듈, 상기 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 가진에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하여 제2 진동 신호를 취득하는 진동 분석모듈, 및 상기 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 진동 정보 표시모듈을 포함하는 시스템이 제공된다.
상기 진동 분석모듈은, 고정자 권선의 구조적 건전성과 선형성 유무를 진단하는 선형성 시험, 권선의 진동 특성과 전자력과의 공진 여부를 파악하는 주파수 응답 시험 및 고정자 권선의 진동 거동을 해석하는 진동 모드 시험 중 적어도 하나 의 방법을 적용하여 진동 분석이 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 가진 신호(impact force), 가진에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 등과 같은 다양한 형태로 진동 분석하고, 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시함으로써, 사용자 편의적으로 진동 분석이 신속히 이루어져 신속히 사고를 방지하는 효과가 달성된다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거 나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 시스템(100)은 발전기 고정자 권선에서 측정된 진동 신호를 진단하기 위한 시스템으로, 진동 통신모듈(110), 진동신호 생성모듈(120), 진동 분석모듈(130), 진동 정보 표시모듈(140), 제어모듈(150) 및 진동 데이터베이스(160)을 포함하여 구성된다.
먼저, 진동 통신모듈(110)에 대하여 살펴보면, 본 발명의 진동 통신모듈(110)은 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받기 위하여 진동 센서와 인터페이스의 역할을 한다. 이러한 진동 통신모듈(110)에 의해 제공받은 진동 신호를 Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP 등과 같은 하드웨어에서 처리하게 된다. 여기서, 진동 신호는 신호 감쇄기와 증폭기 그리고 Anti-aliasing filter를 지나 A/D 변환기에서 디지털 신호로 변환된 후 FPGA(field programmable gate array)로 전송된다. 상기 FPGA는 clock 발생부, A/D 제어부, Trigger 제어부 등의 실시간 논리제어 블록으로 구성되어 있으며, A/D 샘플링 클럭을 생성하고 A/D 변환데이터를 실시간으로 수집하며, A/D 변환 데이터를 실시간으로 DSP(digital signal processor)로 전송하는 역할을 한다. 상기 DSP에서는 본 시스템의 주 제어부로서, 연산전용 DSP, 메모리 및 네트웍 통신 등으로 구성되어 있으며, FPGA로부터 수집된 모든 디지털 데이터는 DSP에 의하여 연산 처리하여, 노트북 컴퓨터와 ethernet 방식으로 실시간 데이터 통신을 수행하여 이후에 설명될 진동신호 생성모듈(120)로 진동 신호를 제공한다.
다음으로, 본 발명의 진동신호 생성모듈(120)은 신호 감쇄기, 증폭기, Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 처리된 진동 신호를 제공받아 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 하는 역할을 수행한다.
다음으로, 본 발명의 진동 분석모듈(130)은 진동신호 생성모듈(120)에서 처리된 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 상기 가진 신호에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하는 역할을 수행하여 그 결과로, 제2 진동 신호를 취득할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 진동 정보 표시모듈(140)은 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 역할을 수행한다. 표시되는 다양한 형태는 이후의 도 4와 같이 나타낼 수 있으며, 추후에 보다 상세히 설명하기로 한다. 한편, 진동 분석모듈(130)과 진동 정보 표시모듈(140)에서 수행되는 과정을 보다 구체적으로 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 본 발명의 진동 분석 방법(200)은 진동 신호에서 파악되는 진동 파라미터를 셋업한 후(210), 이를 토대로 동일한 가진신호를 수집한다(220). 이후, 동일한 가진신호가 수집되었다면, 다양한 형태의 진동분석을 진행하게 되는데(230), 앞서 설명한 가진 신호에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석을 하게된다. 진동 분석이 제데로 이루어지지 않으면 전 단계를 수행한다. 반면, 진동 분석이 제데로 이루어지면, 진동 분석 결과로 획득된 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취한다(240).
이후, 정상적으로 중첩 평균화가 이루어지면, 이를 토대로 각 정보, 예컨대 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상의 형태로 표시하게 됨으로써(250), 발전기 고정자 권선에 대하여 진동 건전성 평가(270)가 이루어질 수 있게 되는 것이다. 이때, 표시될 각 정보는 진동 데이터베이스(260)에 저장하거나, 필요시 해당 데이터를 진동 데이터베이스(260)로부터 추출하여 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상의 형태로 생성하는데 이용한다.
이와 같이, 본 발명의 진동 분석 방법(200)은 가진 신호(impact force), 가 진에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part), 신호의 연관성(coherence) 선도를 동시에 확인함으로써 신뢰성 높은 진동신호를 취득할 수 있으며, 이를 통해 전달되는 진동신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취함으로써 발전기 고정자 권선의 진동 특성을 가장 잘 표현하는 진동 형태를 표시할 수 있게 되는 장점을 가질 수 있다.
다시 돌아와, 제어모듈(150)에 대하여 살펴보면, 본 발명의 제어모듈(150)은 진동 통신모듈(110), 진동신호 생성모듈(120), 진동 분석모듈(130), 진동 정보 표시모듈(140) 및 진동 데이터베이스(160) 간의 데이터 흐름을 제어하는 기능을 수행한다.
마지막으로, 본 발명의 진동 데이터베이스(160)는 위의 각 모듈에서 수행된 결과를 저장하는 장소로, 필요시 해당 모듈에서 참조 가능한 구조를 이룬다. 이러한 진동 데이터베이스(160)는 협의의 데이터베이스뿐만 아니라, 파일 시스템에 기반한 데이터 기록 등을 포함하는 넓은 의미의 데이터베이스도 포함하여 지칭하며, 단순한 로그의 집합이라도 이를 검색하여 데이터를 추출할 수 있다면 본 발명에서 말하는 데이터베이스에 포함될 수 있다. 이상에서 설명된 진동 진단 분석을 이용하여 시험 진단 과정을 더 수행하는 것이 바람직한데, 이를 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 건전성 평가를 위한 시험 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 건전성 평가를 위한 시험 방법(300)은 진동 신호에서 파악되는 진동 파라미터를 셋업한 후(310), 이를 토대로 선형성 시험(reciprocity test, 320), 주파수 특성 시험(frequency response test, 330) 및 진동 모드 시험(modal test, 340) 과정을 수행한다. 각 과정은 센서의 위치에 따라 달라지는 시험으로 순서에 한정되지 않고 임의로 순서로 진행될 수도 있다. 선형성 시험을 통해 고정자 권선의 구조적 건전성과 선형성 유무를 진단할 수 있으며, 주파수 응답 시험에서는 각 권선의 진동 특성과 전자력과의 공진 여부를 파악할 수 있으며, 모달 시험에서는 고정자 단말권선의 진동 거동을 해석할 수 있다. 이러한 각 시험은 앞서 설명한 진동 데이터베이스(350 = 160)에 저장된 정보를 이용하거나 결과를 저장하게 된다. 여기서의 각 시험은 통상적으로 행해지는 방법이므로 자세한 설명은 생략하나 앞서 설명한 진동 진단 분석을 이용하여 행해지는 특징이 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 진동 센서의 위치에 따라 다양한 형태의 시험 진단을 수행하여 기계적인 건전성을 평가할 수 있게 되는 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰도 향상을 위한 다양한 진동분석화면을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 4의 진동분석화면(400)은 진동 분석모듈(130) 및 진동 정보 표시모듈(140)에 의해 수행된 결과인 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 등과 같이 다양한 그래프(420, 430, 440, 450) 또는 디렉토리 형태(410)로 분석 결과를 나타낼 수 있음을 보여주며, 도 5의 진동분석화면은 주파수 형태로 분석한 결과를 나타낼 수 있음을 보여준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 건전성 평가를 위한 시험 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰도 향상을 위한 다양한 진동분석화면을 예시적으로 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 진동 분석 시스템 110 : 진동 통신모듈
120 : 진동신호 생성모듈 130 : 진동 분석모듈
140 : 진동 정보 표시모듈 150 : 제어모듈
160 : 진동 데이터베이스

Claims (4)

  1. 발전기 고정자 권선에서 측정된 진동 신호를 진단하기 위한 방법으로서,
    (a) 신호 감쇄기, 증폭기, Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 발전기 고정자 권선에 부착된 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받아 상기 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 단계,
    (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 상기 가진 신호에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하여 제2 진동 신호를 취득하는 단계, 및
    (c) 상기 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    고정자 권선의 구조적 건전성과 선형성 유무를 진단하는 선형성 시험, 권선의 진동 특성과 전자력과의 공진 여부를 파악하는 주파수 응답 시험 및 고정자 권선의 진동 거동을 해석하는 진동 모드 시험 중 적어도 하나의 방법을 적용하여 진 동 분석하는 것인 방법.
  3. 발전기 고정자 권선에서 측정된 진동 신호를 진단하기 위한 시스템으로서,
    Anti-aliasing filter, A/D 변환기, FPGA 및 DSP에 의해 발전기 고정자 권선에 부착된 진동 센서로부터 진동 신호를 제공받아 상기 진동 신호를 16채널로 동시에 동기화하여 제1 진동신호를 생성하는 진동신호 생성모듈,
    상기 제1 진동신호를 가진 신호(impact force), 가진에 의한 권선의 시간영역에서의 진동신호(time data), 위상(phase), 실수/허수부 진동 데이터(real/imaginary part) 및 신호의 연관성(coherence) 선도 중 적어도 하나 이상의 형태로 진동 분석하여 제2 진동 신호를 취득하는 진동 분석모듈, 및
    상기 제2 진동 신호를 반복적으로 중첩시켜 평균을 취하여 진동 건전성을 평가한 뒤, 그 결과를 시간영역, FFT 영역, 코히어런스 영역, 평균 위상각도 영역, 평균 허수 영역 중 적어도 하나 이상으로 표시하는 진동 정보 표시모듈
    을 포함하는 것인 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동 분석모듈은,
    고정자 권선의 구조적 건전성과 선형성 유무를 진단하는 선형성 시험, 권선의 진동 특성과 전자력과의 공진 여부를 파악하는 주파수 응답 시험 및 고정자 권선의 진동 거동을 해석하는 진동 모드 시험 중 적어도 하나의 방법을 적용하여 진 동 분석하는 것인 시스템.
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