KR20110133851A - 유도 전동기 공극 편심 진단 방법, 장치, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 매체 - Google Patents

유도 전동기 공극 편심 진단 방법, 장치, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 매체 Download PDF

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Abstract

유도 전동기 공극 편심 진단 장치, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체가 개시된다. 유도 전동기 공극 편심 진단 장치는 자속 발생부, 입력 전류 측정부, 및 공극 편심 진단부를 포함한다. 자속 발생부는 유도 전동기가 정지하는 경우 유도 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면 상에서 회전축을 관통하는 복수 방향의 자속을 발생하고, 입력 전류 측정부는 자속이 발생되는 복수의 방향에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하며, 공극 편심 진단부는 유도 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 유도 전동기의 리액턴스 값이 자속이 발생하는 방향에 관계없이 미리 설정된 리액턴스값보다 일정하게 큰 경우 유도 전동기가 편심 상태라고 진단한다. 유도 전동기가 정지하는 경우 단순히 자속을 발생하고 전류를 측정하는 것만으로도 유도 전동기의 공극 편심을 판단할 수 있으므로, 별도의 진단 장비가 필요 없고, 공정 정지, 전동기의 분해, 수동 회전 등을 수행하지 않아도 되며, 용이하고 저렴한 비용, 및 높은 진단 빈도로 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.

Description

유도 전동기 공극 편심 진단 방법, 장치, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 매체{Apparatus and method for monitoring of airgap eccentricity of induction motors, and a medum having computer readable program for executing the method}
본 발명은 전기 기기 진단 방법, 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도 전동기의 공극 편심을 진단하기 위한 방법, 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 유도 전동기의 개략적인 형태를 도시한 도면이다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 유도 전동기의 고정자와 회전자 사이에는 일정한 공극이 존재한다. 이 공극이 일정하지 않은 상태를 공극 편심이라고 한다.
유도 전동기의 공극 편심을 진단하는 방법으로는 전동기를 운전하지 않은 상태에서 시험하는 사선시험과 운전 중에 실시하는 활선시험이 있다.
1) 사선시험 - 전동기를 분해하는 경우
a. TIR(Total Indicated Reading) 시험
주로 제조사가 전동기를 처음 제작할 때 결함을 진단하는데 쓰이며, 전동기를 분해하여 dial test indicator를 통해 고정자와 회전자의 둥근 정도를 직접 판별하는 시험이다. 하지만 전동기에서 회전자를 분리해야 하는 어려움이 있다.
2) 사선시험 - 전동기를 분해하지 않는 경우
a. PDMA MCE 시험
수동적으로 회전자를 돌려가며 PDMA 장비를 이용하여 고정자의 각상의 인덕턴스의 첨두치를 측정하는 방식이다. 공극 편심이 존재하면 각상의 인덕턴스의 첨두값이 서로 다르게 나타난다. 하지만 이 시험은 고정자 권선의 잔류자속에 영향을 받을 염려가 있기 때문에 전동기의 공극 편심 진단을 명확히 할 수 없다.
b. Surge Tester 시험
Surge tester를 사용하여 회전자를 수동적으로 돌려가며 임피던스의 변화를 살펴서 전동기의 공극 편심을 시험하는 것이다. Surge Tester는 본래 매우 높은 전압을 고정자 권선에 인가하여 고정자 권선의 절연시험을 하는 장비로 사용된다. 하지만 이 진단 시험은 Surge Tester가 필요로하며 매우 높은 전압을 고정자 권선에 인가하기 때문에 전동기의 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
3) 활선시험
a. 주파수상 분석법
전동기의 운전 중에 발생하는 진동, 소음, 자속, 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하여 스펙트럼 분석을 통해 공극 편심 고장이 있을 시에 발생되는 주파수 성분으로 진단 하는 시험이다. 진동, 소음, 자속의 주파수상 분석법은 이를 측정하기 위한 센서의 가격 때문에 전류를 측정하여 스펙트럼 분석을 하는 MCSA(Motor Current Signature Analysis) 분석법이 많이 연구되었다.
공극 편심 고장이 있을 때 전동기의 회전자 위치에 따른 공극을 변화시키기 때문에, 자계의 공간적, 시간적 분포를 왜곡시킨다. 이 때 측정한 전류를 스팩트럼 분석하여 발생되는 주파수는 저주파 영역에서 측정되는 성분과 고주파 영역에서 측정되는 성분이 있는데 아래와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002

여기에서 fs는 전원의 기본 주파수, k는 임의의 정수, s는 유도전동기의 슬립, p는 유도전동기의 극의 쌍(Pole pairs) 수, R은 회전자의 슬롯수, nd는 편심 차수, v는 고정자 시간 하모닉(Stator time harmonic)의 차수이다.
그러나 저주파 성분의 경우 특정한 공극 편심이 있을 때만 나타나고, 고주파 성분은 저주파보다 일반적인 편심 고장에 적용할 수 있지만 회전자 슬롯의 개수를 알아야 하는 어려움이 있다. 그리고 이 주파수 분석법은 많은 데이터를 저장해야 하고, 운전 중에 슬립이 변화하면 정확한 주파수를 검출해 내기 어렵다.
또한 특정 부하의 영향으로 공극 편심 주파수와 중첩될 경우에도 판별해 내기 어렵다. 더구나 인버터로 구동되는 유도전동기의 경우 빠른 스위칭으로 인해 발생되는 노이즈 때문에 주파수상 분석법을 적용하기에는 어려움이 따른다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 진단 장비가 없이, 공정 정지, 전동기의 분해, 수동 회전 등을 수행하지 않고서도, 용이하고 저렴하게 높은 진단 빈도로 정확한 진단을 수행할 수 있는 유도 전동기의 공극 편심 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 유도 전동기 공극 편심 진단 장치는 자속 발생부, 입력 전류 측정부, 및 공극 편심 진단부를 포함한다.
자속 발생부는 유도 전동기가 정지하는 경우 유도 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면 상에서 회전축을 관통하는 복수 방향의 자속을 발생하고, 입력 전류 측정부는 자속이 발생되는 복수의 방향에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하며, 공극 편심 진단부는 유도 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 유도 전동기의 리액턴스 값이 자속이 발생하는 방향에 관계없이 미리 설정된 리액턴스값보다 일정하게 큰 경우 유도 전동기가 편심 상태라고 진단한다.
유도 전동기가 정지하는 경우 단순히 자속을 발생하고 전류를 측정하는 것만으로도 유도 전동기의 공극 편심을 판단할 수 있으므로, 별도의 진단 장비가 필요 없고, 공정 정지, 전동기의 분해, 수동 회전 등을 수행하지 않아도 되며, 용이하고 저렴한 비용, 및 높은 진단 빈도로 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.
자속 발생부는 교번하는 자속을 발생할 수 있으며, 교번 자속을 발생은 인버터를 이용하여 수행할 수 있다. 이 경우 회전자로의 자계 발생에도 불구하고 회전자의 구동을 방지하여 정밀한 진단을 수행할 수 있게 된다.
아울러, 상기 장치를 방법의 형태로 구현한 발명과 그 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체가 함께 청구된다.
본 발명은 인버터의 전류센서와 컨트롤러 등 기존의 하드웨어를 그대로 이용하여 추가적인 하드웨어의 소요가 발생하지 않아 비용을 줄일 수 있다.
또한 공극 편심 진단을 하기 위해서 필요한 전동기의 회전자 슬롯 수등의 정보가 필요치 않기 때문에 간단한 알고리즘으로 구현 가능하고, 전동기가 운전하지 않을 때에 빠른 시간내에 진단 시험을 할 수 있어 시간이 오래 걸리는 기존의 진단 방법보다 효과적이다.
도 1은 유도 전동기의 개략적인 형태를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유도 전동기 공극 편심 진단 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도.
도 3은 인버터 구동 시스템의 개략적인 블록도.
도 4는 유도 전동기의 편심 상태를 도시하기 위한 개략적인 도면.
도 5는 공극 편심이 있는 유도 전동기에 교번 자계가 인가된 상태가 도시된 도면.
도 6은 유도 전동기의 등가 회로
도 7은 공극 편심, 회전자 바 결함에 따른 리액턴스의 비교 도면.
도 8은 공극 편심에 다른 실질적 공극을 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유도 전동기 공극 편심 진단 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 2에서, 유도 전동기 공극 편심 진단 장치(100)는 자속 발생부(110), 입력 전류 측정부(120), 및 공극 편심 진단부(130)를 포함한다.
자속 발생부(110)는 유도 전동기가 정지하는 경우 상기 유도 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면 상에서 회전축을 관통하는 복수 방향의 자속을 발생한다.
이때, 자속 발생부(110)는 교번하는 자속을 발생할 수 있으며, 교번 자속을 발생은 인버터를 이용하여 수행할 수 있다. 이 경우 회전자로의 자계 발생에도 불구하고 회전자의 구동을 방지하여 정밀한 진단을 수행할 수 있게 된다.
입력 전류 측정부(120)는 자속이 발생되는 복수의 방향에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하며, 공극 편심 진단부(130)는 유도 전동기로 입력되는 전압과 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 유도 전동기의 리액턴스 값이 자속이 발생하는 방향에 관계없이 미리 설정된 리액턴스값보다 일정하게 큰 경우 유도 전동기가 편심 상태라고 진단한다.
이와 같이, 유도 전동기가 정지하는 경우 단순히 자속을 발생하고 전류를 측정하는 것만으로도 유도 전동기의 공극 편심을 판단할 수 있으므로, 별도의 진단 장비가 필요 없고, 공정 정지, 전동기의 분해, 수동 회전 등을 수행하지 않아도 되며, 용이하고 저렴한 비용, 및 높은 진단 빈도로 정확한 진단을 수행할 수 있게 된다.
여기서, 유도 전동기 공극 편심 진단 장치(100)는 전체가 하드웨어적으로 구현될 수도 있겠지만 하드웨어와 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수도 있을 것이다.
이 경우, 하드웨어와 상호 작용하여 유도 전동기 공극 편심의 진단을 수행하도록 하는 컴퓨터 프로그램은 저장 매체에 저장되는 형태로 유도 전동기 공극 편심 진단 장치(100)에 포함될 수 있을 것이다.
이하, 실제 구현예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
유도 전동기는 고정자의 권선에 전압과 전류를 인가하여 발생하는 자속 Φos가 회전자 바에 전류를 발생시켜 이로 인해 발생되는 자속 Φor로 인해 발생되는 토크 τo로 회전한다. 이 유도 전동기를 회전하게 만드는 토크 τo는 자속 Φos와 자속 Φor의 벡터 외적에 비례한다.
유도 전동기의 회전 속도 제어를 위해서는 고정자 권선의 입력 전압과 주파수를 조정하는 방법이 있는데, 이 회전 속도는 주파수와 비례한다. 따라서 유도전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위해서는 입력 주파수를 조정할 수 있는 인버터와 함께 시스템을 구성한다
도 3은 인버터 구동 시스템의 개략적인 블록도이다.
인버터는 입력된 일정한 주파수의 교류 전원을 정류기를 통해 직류 전원으로 바꾸어 커패시터에 저장을 하고, 이를 사용자가 원하는 여러 주파수와 전압에 대해 컨트롤러에서 신호를 받아 반도체 소자로 이루어진 스위치를 통해 스위칭 함으로써 다른 주파수의 교류 전원으로 바꾸어준다. 또한 인버터의 출력단에는 전류 센서가 있어 인버터의 출력 전압을 컨트롤러에 입력한다.
본 발명은 인버터를 이용하여 유도 전동기의 공극 편심을 진단하는 기술이다. 고정자와 회전자 사이의 공극이 일정하지 않은 공극 편심 고장은 고정자의 중심축과 회전자/회전의 중심축의 상대적인 위치에 따라, 정적(Static), 동적(Dynamic), 복합(Mixed) 편심으로 분류된다.
도 4는 유도 전동기의 편심 상태를 도시하기 위한 개략적인 도면이다.
정적 편심은 도 4의 (b)와같이 회전자의 중심축이 고정자의 중심축과 일치하지 않아 회전자가 회전자의 중심축을 기준으로 회전하는 경우로, 공극의 최소가 되는 부분이 전동기가 운전할 때 항상 일정한 것을 말한다.
동적 편심은 도 4의 (c)와 같이 고정자의 중심축과 회전자의 중심축이 일치하지 않으며 고정자의 중심축을 기준으로 회전하는 경우로, 공극이 최소가 되는 부분이 회전자가 회전함에 따라 달라지는 것을 말한다.
정적 편심은 제조상에서 제조 결함으로 인한 고정자가 타원형을 이루는 것과 고정자와 회전자의 위치의 정렬이 제대로 되지 않은 것 등으로 인해 발생한다. 동적 편심은 회전자의 축이 휘어지거나, 베어링의 열화, 전동기와 부하의 정렬이 제대로 이루어지지 않거나, 기계적으로 공진으로 발생한다. 복합 편심은 정적 편심과 복합 편심이 동시에 있는 경우를 말한다.
이러한 원인으로 인하여 전동기에 공극 편심 고장이 발생될 경우, 균일하지 않은 공극으로 인해 회전자와 고정자 사이의 인력이 한쪽 방향으로만 강하게 불평형 상태(Unbalanced magnetic pull)에 이른다. 이는 회전자가 휘어지거나 베어링이 손상하는 직접적인 역할을 한다.
또한 전동기의 토크 맥동과 진동을 증가시켜 전동기의 성능 저하를 가져오며 지속될 경우, 고정자와 회전자가 접촉하게 되어 고정자 및 회전자의 코어와 권선 고장을 일으켜 수리가 불가능한 수준에 이르게 된다. 따라서 전동기의 공극 편심을 조기에 진단하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 도 3에서와 같이, 전동기가 멈추었을 때마다 인버터 스위칭을 통하여 전동기의 고정자 권선에 교번 자계를 발생시키는 전압과 전류를 인가한 후, 인버터에서 전동기에 가한 전압과 인버터 출력단의 전류 센서에 의해 측정되는 전류를 통하여 임피던스를 계산해 유도 전동기의 공극 편심을 진단한다. 예를 들면, 전동기에 임의의 위치 q와 q+180o에 교번 자계를 인버터 스위칭을 통하여 교대로 인가해준다.
도 5는 공극 편심이 있는 유도 전동기에 교번 자계가 인가된 상태가 도시된 도면이다.
그러면 회전자에는 전류가 유기되지만 double revolving field theory에 의해 토크는 발생하지 않아 전동기가 회전하지는 않는다.
유도 전동기의 등가 회로는 도 6과 같은데, 인버터로 정지되어있는 공극 편심이 있는 유도 전동기에 교번 자계를 발생시키는 전압을 인가하면 고정자 권선에 흐르는 전류는 일정치 않은 공극 때문에 누설 자속을 모델링한 리액턴스 X ls , X lr 이 변화하게 된다. 따라서 교번 자계를 인가하여 얻게되는 임피던스의 리액턴스 X eq 의 증감을 살피게 되면 공극 편심을 진단할 수 있다.
도 6은 유도 전동기의 등가 회로이다.
공극 편심으로 인한 리액턴스 X eq 는 교번 자계를 인가하는 각도 q에는 영향을 받지 않는다. 하지만 본 발명에서는 도 7과 같이 q ~ q+180o 사이의 각도를 일정한 간격으로 인가함으로써 유도 전동기의 다른 결함인 회전자 바 결함을 측정하는 데에도 이용하게 된다.
도 7은 공극 편심, 회전자 바 결함에 따른 리액턴스의 비교 도면이다.
누설 자속은 고정자 권선의 전류가 회전자에 유기되는 과정 중에 영향을 미치지 못하고 사라지는 것을 의미하는데, 유도 전동기의 경우 누설 자속은 slot, end-winding, zigzag, skew 누설 자속이 존재한다. 그 중 zigzag와 skew 누설 자속은 이론적으로 공극의 크기에 대한 함수로 나타내어진다.
이 누설 자속은 공극에 반 비례하는데 도 8과 같이 50% 공극 편심이 있을 경우에 누설 자속에 영향을 미치는 실질적 공극은 점선과 같이 공극 편심이 없는 경우보다 큰 것을 알 수 있다.
도 8은 공극 편심에 다른 실질적 공극을 도시한 그래프이다.
따라서, 공극 편심이 있는 유도 전동기의 누설 인덕턴스 값은 그렇지 않은 경우보다 그 값이 증가하게 된다.
이러한 결과에 따라 인버터로 교번 자계를 인가하여 얻어지는 리액턴스 값을 측정함으로써 유도전동기의 공극 편심 결함을 진단할 수 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 유도 전동기 공극 편심 진단 장치
110: 자속 발생부
120: 입력 전류 측정부
130: 공극 편심 진단부

Claims (7)

  1. 유도 전동기가 정지하는 경우 상기 유도 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면 상에서 상기 회전축을 관통하는 복수 방향의 자속을 발생하는 자속 발생부;
    상기 자속이 발생되는 복수의 방향에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정부; 및
    상기 유도 전동기로 입력되는 전압과 상기 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 유도 전동기의 리액턴스값이 자속이 발생하는 방향에 관계없이 미리 설정된 리액턴스값보다 일정하게 큰 경우 상기 유도 전동기가 공극 편심이라고 진단하는 공극 편심 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자속 발생부는 교번하는 자속을 발생하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자속 발생부는 인버터를 이용하여 교번 자속을 발생하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 장치.
  4. 유도 전동기가 정지하는 경우 상기 유도 전동기의 회전자 회전축과 수직인 평면 상에서 상기 회전축을 관통하는 복수 방향의 자속을 발생하는 자속 발생 단계;
    상기 자속이 발생되는 복수의 방향에 대응하는 복수의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정 단계; 및
    상기 유도 전동기로 입력되는 전압과 상기 복수의 입력 전류를 이용하여 획득한 상기 유도 전동기의 리액턴스 값이 자속이 발생하는 방향에 관계없이 미리 설정된 리액턴스값보다 일정하게 큰 경우 상기 유도 전동기가 공극 편심이라고 진단하는 공극 편심 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자속 발생 단계는 교번하는 자속을 발생하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 자속 발생 단계는 인버터를 이용하여 교번 자속을 발생하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 공극 편심 진단 방법.
  7. 제 4 내지 6항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체.
KR1020100053485A 2010-06-07 2010-06-07 유도 전동기 공극 편심 진단 방법, 장치, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 매체 KR101151244B1 (ko)

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