KR20150080484A

KR20150080484A - 임피던스 분석을 기초로 전기기계 시스템을 진단하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20150080484A
Application number: KR1020157007854A
Authority: KR
Inventors: 제임스 오트윌; 마치에이 오먼; 카예탄 핀토
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-07-09
Also published as: AU2013337038A1; EP2725370A1; US10310016B2; AU2013337038B2; KR102100526B1; EP2725370B1; JP6223461B2; DK2725370T3; CN104755947A; WO2014063784A1; JP2015534074A; CN104755947B; US20150293177A1; ES2534412T3

Abstract

본 발명은 전기기계 시스템의 동작 동안 측정된, 적어도 2가지 전류와 2가지 전압으로부터 추정되는 임피던스의 분석을 기초로, 전기 회전 기계가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 진단하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 특히 전기 모터 및 발전기의 상테 모니터링에 유용할 수 있다. 본 발명은 모터 터미널에서 측정가능한 전압 및 전류 신호 양쪽으로부터의 정보를 결합한다. 특히, 다상 전기 기계의 2 이상의 위상으로부터 전압 및 전류의 측정은 기계의 임피던스를 추정하기 위해 결합되고, 임피던스는 전압이 인가될 때 회로가 나타내는 전류의 흐름에 대한 저항이다.

Description

임피던스 분석을 기초로 전기기계 시스템을 진단하기 위한 방법{A Method for the Diagnostics of Electromechanical System Based on Impedance Analysis}

본 발명은 전기기계 시스템의 동작 동안 측정된, 전류 및 전압으로부터 추정된 임피던스의 분석을 기초로 전기 회전 기계(electrical rotating machinery)가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 진단하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 특히 전기 모터 및 발전기의 상태 모니터링(condition monitoring)에 유용할 수 있다.

지속적인 설계 개선은 전기 회전 기계의 신뢰성(reliability), 견고성(robustness) 그리고 가장 중요하게는, 더 큰 효율성(efficiency)을 증가시키는 것으로 이어진다. 이들 기계를 제어하는 방법의 개선과 더불어, 이들 설계 변경은 회전 기계의 발전기 및 전기 모터의 증가하는 이용으로 이어지고 있다. 전기 회전 기계의 증가하는 관련성과 병행하여, 모터 및 발전기의 상태를 모니터링하는 더 심사숙고된 접근이 개발되어 왔다. 전형적으로, 이들 기계의 건전성(health)은 측정된 온도(temperatures) 및 진동(vibrations)을 기초로 평가되었다.

최근, 전형적으로 전기 회전 기계를 연결하는 전력 케이블로부터 전력원까지 측정된, 스테이터 권선 전류(stator winding currents)의 분석은, 전기 기계뿐만 아니라 샤프트 라인(shaft line)의 부분을 형성하는 몇몇 소정의 다른 구성요소의 상태를 식별하기 위한 방법으로서 인식이 커지고 있다. 더욱 전형적으로 MCSA(Motor Current Signature Analysis)로 알려진, 이들 측정된 스테이터 권선 전류의 스펙트럼 분석(spectral analysis)은 전력 케이블로부터 측정된 신호를 이용해서 전기 회전 기계의 건전성을 분석하는 광범위하게 채택된 방법을 나타낸다. 전기 기계의 고장은 부하 변동(load variations)뿐만 아니라 로터(rotor)와 스테이터(stator) 간의 에어-갭(air-gap)의 크기의 변동을 초래한다. 양쪽의 이들 변동은, 큰 교류(alternating current; AC) 전원 공급 전류(power supply currents)를 변조하도록 기능하고, 전류의 주파수 스펙트럼에서 관찰되는 공급 주파수(supply frequency)의 사이드밴드(sidebands)를 초래한다. 특정 고장 모드가 전류 스펙트럼의 특정 주파수들과 관련될 수 있고; 따라서 전기 기계에서의 고장의 형태 및 가혹성을 식별하는 것이 가능하다.

MCSA의 다양한 이점이 있다. 비교적 저렴하게 구현되는 것에 더하여, 전력원에 전기 회전 기계를 연결하는 전력 케이블로부터 신호를 직접적으로 측정하는 것과 관련된 고유의 이점이 있다. 첫째로, 전류 및 전압 센서는 전기 회전 기계가 전기기계 시스템의 일부를 형성함에 따라 비-침투성(non-invasive)으로 고려될 수 있다. 둘째로, 고장에 관하여 트랜스듀서(transducer)의 위치와 관련된 전송 경로 효과는 덜 심각하다.

MCSA는 강력한 도구임을 나타내는 반면, 그 한계가 없는 것은 아니다. 본 분석에서 종종 개시되지 않은 가정은 전기 기계에 공급된 위상 전압(phase voltages)이 기계의 상태에 의해 영향받지 않는 이상적인 정현파(idealized sinusoids)라는 것이다. 실제로, 기계에서 발생된 역(back) 전자기력(EMFs; electromagnetic forces)은 고장난 기계와 건전한 기계 사이에서 다를 가능성이 있고, 따라서 모터 터미널에서 측정된 전압은 진단 정보를 위해 질문될 수 있는 몇몇 동적 시그니쳐(dynamic signatures)를 포함할 가능성이 있다. 반면, 직접-온-라인으로 공급된 기계의 경우 전류 신호의 동적 시그니쳐는 전압에서의 등동한 시그니쳐 보다 더욱 용이하게 분간되는 것이 사실이고, 또한 전압 측정을 무시하는 것에 의해 상태 모니터링을 위해 관련되는 몇몇 정보는 또한 무시되는 것이 사실이다. 이러한 상황은 구동(drive)에 의해 공급되는 전기 기계의 경우와 특히 관련되고, 콘트롤러 작용은 전류 신호로부터 기계에 공급된 전압으로 정보를 전달하도록 작용할 수 있다. 따라서, 전력원에 전기 회전 기계를 연결하는 전력 케이블로부터 측정된 전류 및 전압 양쪽을 결합하는 방법은 무시되는 잠재적으로 유용한 진단 정보가 없음을 보증할 수 있다. 이러한 방법의 예는 측정된 전류 및 전압을 기초로 추정된 전자기 토크(electromagnetic torques)의 분석이다. 그러나, 기계의 토크를 추정하는 방법은 스테이터 레지스턴스(stator resistance)와 같은 기계 파라미터 값의 정확한 추정을 요구한다. 이러한 값은 항상 용이하게 이용가능하지 않고 그들의 정확한 추정은 간단하지 않다.

측정된 전류 및 전압은 전기 기계의 어드미턴스(admittance) 또는 임피던스(impedance)를 얻기 위해 결합될 수 있고, 결국 기계의 건전성을 식별하기 위해 분석될 수 있다. 미국 특허 설명서 US2007/0282548A는 시간의 기간에 걸쳐 모터에 대한 입력에서 어드미턴스 또는 임피던스를 모니터링하는 것에 의해 모터에 의해 구동된 기계 시스템의 상태를 결정하기 위한 방법을 설명한다. 어드미턴스 또는 임피던스는 전류 및 전압 측정을 이용해서 계산된다. 어드미턴스 또는 임피던스에서의 변화는 고장을 포함하는 알려진 상태와 관련된다. 반면, 미국 특허 설명서 US2007/0282548A는 단일 공급 위상(single supply phase)의 어드미턴스 또는 임피던스를 추론하고 분석하는 방법을 개시하고, 이는 종종 더 큰 양의 진단 정보가 다상(polyphase) 회전 전기 기계의 분리 위상(separate phases) 간의 차이를 비교하는 것에 의해 얻어질 수 있는 경우이다. 이러한 접근이 제한으로 되도록 증명될 수 있는 예는 3상(three-phase) 전기 기계에서 정적 편심(static eccentricity)을 진단하는 경우이다. 이러한 상황에서, 3상 중 2개로부터 측정된 전류 및 전압으로부터 추정된 임피던스의 소정 특징이 건전한 기계로부터 추정하는 동등한 임피던스와는 다르게 되는 한편, 3번째 위상에 있어서 건전한 경우와 정적 편심을 갖는 경우 간의 차이는 무시할 수 있다. 결과적으로, 많은 누락된 알람에 대한 잠재성을 갖는, 소정의 증가하는 고장에 대해 둔감한(insensitive) 전기 기계의 오직 하나의 위상으로부터 측정된 전류 및 전압으로부터 추정된 임피던스를 기초로 하는 접근을 모니터링하는 위험이 있다.

모터 터미널에서 이용가능한 정보를 버리는 것과는 대조적으로, 본 발명은 모터 터미널에서 측정가능한 전압 및 전류 양쪽으로부터의 정보를 결합한다. 특히, 다상 전기 기계의 2 이상의 위상으로부터 전압 및 전류의 측정은 기계의 임피던스를 추정하기 위해 결합되고, 임피던스는 전압이 인가될 때 회로가 나타내는 전류의 흐름에 대한 저항이다. 본 발명은 종래 기술에서 알려진 임피던스 또는 어드미턴스의 분석과 관련된 현존하는 상태 모니터링 방법들을 능가하는 많은 이점을 갖는다. 주로, 다상 회전 전기 기계의 각 위상으로부터 추정된 임피던스를 비교하는 것에 의해, 본 발명은 누락된 알람의 가능성을 상당하게 감소시킨다.

본 발명에 따른 방법은 다음이 단계를 갖추어 이루어진다:

ㆍ 회전 기계에 공급하는 동일한 각각의 위상에 대해 적어도 2가지 위상 전류와 2가지 위상 전압을 측정하는 단계

ㆍ 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 측정된 값을 변환하도록 채택된 컴퓨터 처리 장치를 이용해서 측정된 값을 처리하고, 전압 스펙트럼 신호(V1 _F , V2 _F , V3 _F , … Vn _F ) 및 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F , … In _F )를 생성하는 단계

ㆍ 반전된 전류 스펙트럼(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv , … In _F,inv )를 얻기 위해 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F , … In _F )를 처리하는 단계

ㆍ 회전 기계의 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F , … Yn _F )를 얻기 위해 반전된 전류 스펙트럼(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv , … In _F,inv )를 처리하는 단계

ㆍ 전기기계 시스템을 진단하는데 필요로 되는 임피던스 스펙트럼 신호로부터 관심있는 주파수에서 진폭의 벡터를 추출하는 단계

ㆍ 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 계산하는 단계

ㆍ 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 한계로서 주어진 임계와 비교하는 단계

ㆍ 한계가 초과할 때 사용자에게 알람을 표시하는 단계

바람직하게는, 관심있는 주파수에서 진폭의 벡터는 공급 주파수의 3차 고조파이다.

바람직하게는, 관심있는 주파수에서 진폭의 벡터는 전기기계 시스템에서 편심의 존재를 나타낸다.

본 발명에 따른 시스템은 회전 기계에 공급하는 동일한 각각의 위상에 대해 적어도 2가지 위상 전류와 2가지 위상 전압을 측정하기 위한 수단과, 측정된 값을 처리하고 회전 기계의 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F , … Yn _F )를 생성하기 위한 수단, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 관심있는 데이터를 추출하기 위한 수단, 및 사용자에게 알람을 표시하기 위한 수단을 구비하여 구성되되, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 계산하고 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 한계로서 주어진 임계와 비교하기 위한 수단을 갖추어 이루어진다.

바람직하게는, 전기기계 시스템의 회전 기계가 모터 또는 발전기이다.

컴퓨터 측정 장치로 로드가능한 컴퓨터 프로그램 제품으로, 프로그램이 실행될 때 청구항 제1항 내지 청구항 제5항에 따른 방법을 실행하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명을 실현하기 위한 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 하나의 위상에 대한 이산 전압 신호(discrete voltage signal; V1)와 이산 전류 신호(discrete current signal; I1)의 도면이다.
도 3은 하나의 위상에 대한 전압 스펙트럼 신호(voltage spectrum signals; V1 _F )와 전류 스펙트럼 신호(current spectrum signals; I1 _F )의 도면이다.
도 4는 반전된 전류 스펙트럼(inverted current spectra; I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv )의 도면이다.
도 5는 3가지 위상에 대한 임피던스 스펙트럼의 분해도이다.
도 6은 도 5에서 임피던스 스펙트럼의 분해를 확대한 도면이다.
도 7은 전기 기계 시스템을 진단하는 동안 수행된 동작의 플로우차트이다.

본 발명에 따른 방법의 실현을 위한 측정 시스템이 공급 케이블(2)에 의해 회전 전기 모터(3)에 연결된 교류 전류 공급기(1)의 3상 소스(three-phase source)에 연결된다. 본 발명의 제공된 실시예에 있어서, 교류 전류 공급기(1)의 소스는 3상(three-phase)이지만, 도면에는 제공되지 않음에도 불구하고, 개시된 발명은 또한 다상 공급(polyphase supply)에 의해 공급된 전기 회전 기계에 적용될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

공급 케이블(2)은, 본 발명에 따른 방법의 실현을 위해 적절한, 임피던스를 계산하고 임피던스 스펙트럼 신호를 처리하기 위한 프로세서(7) 및 처리 모듈(processing module; 8)과, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 수신된 데이터를 분석하기 위한 분석기 모듈(analyzer module; 9), 및 데이터 저장 모듈(data storage module; 10)를 포함하는 컴퓨터 처리 장치(6)에 연결된 아날로그-디지털 변환기(5)를 포함하는 측정 장치(4)에 연결된다. 측정 장치(4)를 통해, 컴퓨터 처리 장치(6)는 본 발명을 실행하는 것에 의해 얻어진 결과를 가시화(visualizing)하기 위한 장치(11)에 결합된다. 본 발명의 제공된 실시예에 있어서, 측정 장치(4)는 컴퓨터 처리 장치(6)와 통합되지만, 측정 장치와 컴퓨터 장치는, 도면에는 도시되지 않은, 별도의 장치일 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 결과를 가시화하기 위한 장치(11)는 직접적으로 또는 원격적으로 컴퓨터 처리 장치(6)에 연결된다.

본 발명의 방법은 도 7에 도시된 이하의 단계 12 내지 단계 22에 따라 구현된다.

단계 12

도 1에 도시된 전기기계 네트워크를 참조하면, 단계 12에서는 교류 전류의 아날로그 전압 신호(VI, V2, V3, ..., Vn) 및 각각의 아날로그 전류 신호(11, 12, 13, ..., In)는 스테이터 권선(stator winding)에 공급되고, 여기서 n은 측정되는 회전 전기 모터(3)의 위상의 수로서, 이는 1 보다 더 크게 되어야 한다. 전형적 실시예는 아날로그 전압 신호 및 각각의 아날로그 전류 신호의 3가지 위상(n=3)이 측정되는 것일 수 있다. 명확성을 위해, 이하에서는 n의 다른 값이 동등하게 고려될 수 있음을 당업자가 인식하게 됨에도 불구하고, 고려된 n=3 위상에 따라 본 전형적 실시예를 설명한다.

단계 13

측정된 아날로그 전류 신호(I1, 12, 13) 및 측정된 아날로그 전압 신호(V1, V2, V3)가 동일한 각각의 위상인, 적어도 2개의 최종적으로 측정된 아날로그 전압 신호(V1, V2, V3) 및 적어도 2개의 아날로그 전류 신호(I1, 12, 13)는, 상수 파라미터(constant parameters) P1이 공급되는, 아날로그-디지털 변환기(5)에서 이산 전압 신호(V1 _D , V2 _D , V3 _D ) 및 각각의 이산 전류 신호(I1 _D , I2 _D , I3 _D )로 변환된다. 파라미터(P1)는, 사용자에 의해 주어진 샘플링 율(F _S )과 사용자에 의해 주어진 변환을 하게 되는 신호(T _L )의 길이로 이루어지는, 이산 신호로의 아날로그 신호의 변환의 프로세스를 특징으로 한다. 샘플링 율(F _S )은 아날로그 전압 신호(V1, V2, V3) 및 아날로그 전류 신호(I1, 12, 13)로부터 취해진 초 당 샘플의 수를 정의한다. 통상적으로, 최소 샘플링 율은 1㎑이고 이는 디폴트 설정(default setting)이다. 신호의 길이(T _L )는 아날로그-디지털 변환에 대해 취해진 아날로그 전압 신호(V1, V2, V3) 및 아날로그 전류 신호(I1, 12, 13)의 길이를 정의한다. 본 발명의 방법의 실시예에서, 신호 길이(T _L )의 최소값은 1(1s)이다.

얻어진 이산 전압 신호(V1 _D , V2 _D , V3 _D ) 및 이산 전류 신호(I1 _D , I2 _D , I3 _D )는 컴퓨터 장치(6)에서 구현되는 처리 모듈(8)로 자동적으로 전송된다.

단계 14

본 단계에서는, 이산 전압 신호(V1 _D , V2 _D , V3 _D ) 및 이산 전류 신호(I1 _D , I2 _D , I3 _D )가 DFT (Discrete Fourier Transform)의 계산에 의해 변환된다. DFT 동작은 시간 도메인(time domain)으로부터 수행되는 스펙트럼 분석(spectral analysis)을 허용하는 주파수 도메인(frequency domain)의 신호로 신호를 변환하고; FFT(Fast Fourier Transform)와 같은, DFT를 계산하는데 이용된 알고리즘을 포함하는 이러한 계산의 상세 내용은 당 업계에서 잘 알려져 있다. 최종 DFT는 또한, 전형적으로 당 업계에서 잘 알려진 방법을 이용해서, 전형적으로 공급 주파수(supply frequency)와 관련되는, DFT의 최대 값에 관한 대수 스케일(logarithmic scale)로 변환될 수 있다. 공급 주파수는 전형적으로 직접 온-라인 공급된 기계를 위한 선 주파수(line frequency), 또는 전기 구동(electrical drives)에 의해 공급된 기계를 위한 속도 설정 포인트(speed set point)에 관한 주파수와 동일하다. 변환 후, 이산 전압 신호(V1 _D , V2 _D , V3 _D ) 및 이산 전류 신호(I1 _D , I2 _D , I3 _D )는 각각 전압 스펙트럼 신호(V1 _F , V2 _F , V3 _F ) 및 정류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )를 형성한다. 전압 스펙트럼 신호(V1 _F , V2 _F , V3 _F ) 및 정류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )는 각각 위상 1의 예에 대해 도 3에 도시된 바와 같이 전압 스펙트럼 신호(V1 _F , V2 _F , V3 _F )의 경우를 위한 주파수(V1 _Ff , V2 _Ff , V3 _Ff ) 및 값(V1 _Fv , V2 _Fv , V3 _Fv )의 전압 벡터와 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )의 경우를 위한 주파수(I1 _Ff , I2 _Ff , I3 _Ff ) 및 값(I1 _Fv , I2 _Fv , I3 _Fv )의 전류 벡터를 포함한다.

단계 15

임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )를 계산하기 이전에, 최종 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )의 유용성(usability)을 보증하기 위해 몇몇 마이너 신호 조절(minor signal conditioning)을 수행하는 것이 전형적으로 필요하다. 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )를 지배하는, 공급 주파수의 영향을 감소시키기 위해, 해당 분야에서 기술이 알려진 피크 식별 및 및 필터링 방법(peak identification and filtering methods)을 이용해서 공급 주파수를 제거하도록 밴드-패스 또는 노치 필터(band-pass or notch filter)를 적용하는 것이 전형적으로 필요하다. 더욱이, 한번 반전(inverted)되면, 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )의 저진폭 성분(low amplitude components)은 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F ,Y3 _F )를 지배할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F ,Y3 _F )가 가능한 한 많은 정보를 포함하게 되는 것을 보증하기 위해, 진폭이 해당 임계와 동등하게 되도록 사용자에 의해 미리 정의된 임계 이하인 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )의 값을 설정하는 것이 또한 일반적으로 필요하다. 임계 값은 P2로 설정된 파라미터로서 본 단계에 공급된다. 임계 값의 전형적 값은 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )의 최대 진폭의 1%이고 이는 디폴트 값이다. 마이너 신호 조절 행위를 수행한 후, 조절된 전류 스펙트럼 신호(I1 _F,con , I2 _F,con , I3 _F,con )가 얻어진다. 당업자들은 전통적인 신호 조절은 기술이 알려진 방법을 이용해서 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F ,Y3 _F ) 내에 포함된 정보의 품질의 개선을 겨냥한 임의의 단계(discretionary step)이고, 파선에 의해 도 7에 나타낸 바와 같이, 소정의 상황 하에서 이 부가적 조절은 본 발명의 방법으로부터 삭제될 수 있음을 알게 된다.

단계 16

본 단계에서는 반전된 전류 스펙트럼 신호(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv )가 계산된다. 반전된 전류 스펙트럼 신호(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv )는 식:

을 이용해서 계산될 수 있다.

도 4는 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F )의 공급 주파수 및 저진폭 성분을 제거한 후 얻어진 반전된 전류 스펙트럼 신호(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv )를 나타낸다.

단계 17

임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F ,Y3 _F )는 주파수의 임피던스 벡터(Y1 _Ff , Y2 _Ff , Y3 _Ff ) 및 임피던스 진폭 값(Y1 _Fv , Y2 _Fv , Y3 _Fv )을 포함한다. 주파수(Y1 _Ff , Y2 _Ff ,Y3 _Ff )의 임피던스 벡터는 주파수(V1 _Ff , V2 _Ff , V3 _Ff )의 전압 벡터 또는 주파수(I1 _Ff , I2 _Ff , I3 _Ff )의 전류 벡터와 동일하다. 임피던스 진폭 값(Y1 _Fv , Y2 _Fv ,Y3 _Fv )은 식:

를 이용해서 계산된다.

여기서, I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv 는 단계 16에서 계산되었다.

임피던스는 전압이 인가될 때 특정 회로가 갖는 전류의 흐름에 대한 저항(opposition)의 측정이다. 전기 모터에 있어서, 단일 공급 위상(single supply phase)의 임피던스는 시스템의 역학(dynamics), 특히 에어-갭(air-gap)의 크기의 변화 또는 로터 또는 스테이터 자속의 변화에 응답하는 시간-변동(time-varying)일 수 있다. 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )는 임피던스의 주파수 내용(frequency content)을 나타낸다. 도 17의 결과는 도 5에 나타낸 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )이다

단계 18

3가지 공급 위상의 임피던스가 계산되면, 회전 전기 기계의 상황에 관한 정보를 추출하기 위해 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )가 모듈(9)에서 분석된다. 편심(eccentricity)과 같은 고장에 의해 야기된, 기계에서의 비대칭(asymmetries)은 각 위상 간에서 임피던스의 차이를 초래하게 된다. 따라서, 고장은 소정 주파수에서 임피던스 스펙트럼의 전체 레벨의 증가뿐만 아니라 3개의 위상 사이에서 불일치를 야기시키게 된다. 레벨의 증가는 위상들 사이에서 차이를 강조하도록 작용한다. 전형적으로, 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )는 공급 주파수 및 회전의 주파수에 관한 주파수에서 특징 성분을 포함한다. 이들 특징 주파수에서 임피던스 진폭 값(Y1 _Fv , Y2 _Fv , Y3 _Fv )은 특정 고장 형태의 가혹성(severity)에 관련된다.

본 발명의 예시적 실시예에 있어서, 고장 모터의 편심의 경우가 시험되었다. 편심은 단지 전류 측정의 분석만을 기초로는 검출할 수 없었다. 도 5에는 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F )의 3개의 위상의 분해가 있다. 관심있는 주파수에 대해 확대(도 6)됨에 따라, 이 경우에 이는 선 주파수(line frequency)의 3차 고조파(harmonic)이고, 임피던스 위상 진폭들 사이에 비교적 큰 차이가 있음을 주목하는 것이 가능하다. 당업자는 편심 이외의 고장은, 선 주파수의 3차 고조파 외에, 특징 주파수들에서 임피던스 진폭 값(Y1 _Fv , Y2 _Fv , Y3 _Fv )을 식별하는 것에 의해 식별되고 정량화될 수 있음을 인식할 것이다.

본 단계의 결과는 단계 12에서 선택된 각 위상의 관심있는 주파수에서 임피던스 진폭(A1 _Y , A2 _Y , A3 _Y )이다.

단계 19

본 단계에서는 단계 12에서 선택된 각 위상의 관심있는 주파수에서 각 임피던스 진폭(A1 _Y , A2 _Y , A3 _Y ) 간의 차이가 계산된다. 이는 모든-쌍 테스트(all-pairs test) 또는 쌍으로 테스트를 수행하는 것에 의해 달성되고, 여기서 단계 12에서 선택된 각 위상의 관심있는 주파수에서 임피던스 진폭(A1 _Y , A2 _Y , A3 _Y )의 값의 모든 가능한 쌍 간의 차이는 간단한 감산에 의해 계산된다. 이 동작의 결과는 관심있는 주파수에서 임피던스의 위상의 진폭(D1 _A , D2 _A , D3 _A ) 간의 차이이다.

단계 20

본 단계에서는 관심있는 주파수에서 임피던스의 위상의 진폭(D1 _A , D2 _A , D3 _A ) 간의 차이의 값이 임계 값과 비교된다. 임계 값은 파라미터 P3로서 본 단계에 부여된다. 전형적 임계 값은 임피던스 스펙트럼의 최대 값의 10%이고, 이 값은 디폴트 값으로 설정된다. 임계 값은 경험적 증거(empirical evidence)에 따라 또는 전자기계적 시스템의 모델을 기초로 조종될 수 있음이 당업자에게 알려지게 될 것이다.

관심있는 주파수에서 임피던스의 위상의 진폭(D1 _A , D2 _A , D3 _A ) 간의 차이의 최대 값이 소정 임계 P3 보다 더 크다면, 알람이 시작될 수 있고 고장은, 예컨대 모니터 상의 간단한 시각적 사용자 인터페이스를 매개로, 또는 SMS 텍스트 메시지를 매개로, 알려진 기술을 이용해서 최종-사용자(end-user)에게 나타내어질 수 있다.

개시된 실시예에 있어서, 임피던스 스펙트럼을 이용해서 편심 문제를 진단하기 위한 방법이 주어졌지만, 방법은 간단히 관심있는 다른 주파수에서 임피던스 스펙트럼을 분석하는 것에 의해 결함의 넓은 범위를 진단하도록 적용가능함을 주목해야 한다.

단계 21

단계 21에서, 각 위상의 관심있는 주파수에서 임피던스 진폭(A1 _Y , A2 _Y , A3 _Y )과 단계 20에서 얻어진 경고는 알려진 방법을 이용해서 출력 유닛(11)을 매개로 사용자에게 자동적으로 공급된다.

단계 22

단계 22에서, 임피던스 진폭(A1 _Y , A2 _Y , A3 _Y )은 알려진 방법을 이용해서 출력 유닛(11)을 매개로 사용자에게 자동적으로 공급된다. 부가적으로, 본 발명의 방법은 단계 12에 단계 22를 연결하는 점선을 매개로 도 7에 나타낸 바와 같이, 단계 12에서 선택적으로 재시작될 수 있다.

Claims

회전 기계에 공급하는 동일한 각각의 위상에 대해 적어도 2가지 위상 전류와 2가지 위상 전압을 측정하는 단계와;
시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 측정된 값을 변환하도록 채택된 컴퓨터 처리 장치를 이용해서 측정된 값을 처리하고, 전압 스펙트럼 신호(V1 _F , V2 _F , V3 _F , … Vn _F ) 및 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F , … In _F )를 생성하는 단계;
반전된 전류 스펙트럼(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv , … In _F,inv )를 얻기 위해 전류 스펙트럼 신호(I1 _F , I2 _F , I3 _F , … In _F )를 처리하는 단계;
회전 기계의 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F , … Yn _F )를 얻기 위해 반전된 전류 스펙트럼(I1 _F,inv , I2 _F,inv , I3 _F,inv , … In _F,inv )를 처리하는 단계;
전기기계 시스템을 진단하는데 필요로 되는 임피던스 스펙트럼 신호로부터 관심있는 주파수에서 진폭의 벡터를 추출하는 단계;
임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 계산하는 단계;
임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 한계로서 주어진 임계와 비교하는 단계; 및
한계가 초과할 때 사용자에게 알람을 표시하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 회전 기계가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 방법.
제1항에 있어서,
관심있는 주파수에서 진폭의 벡터는 공급 주파수의 3차 고조파인 것을 특징으로 하는 전기 회전 기계가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 방법.
제2항에 있어서,
관심있는 주파수에서 진폭의 벡터는 전기기계 시스템에서 편심의 존재를 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 회전 기계가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 방법.
회전 기계에 공급하는 동일한 각각의 위상에 대해 적어도 2가지 위상 전류와 2가지 위상 전압을 측정하기 위한 수단과, 측정된 값을 처리하고 회전 기계의 임피던스 스펙트럼 신호(Y1 _F , Y2 _F , Y3 _F , … Yn _F )를 생성하기 위한 수단, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 관심있는 데이터를 추출하기 위한 수단, 및 사용자에게 알람을 표시하기 위한 수단을 구비하여 구성되되, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 계산하고, 임피던스 스펙트럼 신호로부터 추출된 관심있는 주파수에서 진폭들 간의 차이의 최대 값을 한계로서 주어진 임계와 비교하기 위한 수단을 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 회전 기계(3)가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 시스템.
제5항에 있어서,
전기기계 시스템의 회전 기계(3)가 모터 또는 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 회전 기계가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 시스템.
전기 회전 기계(3)가 이용되는 전기기계 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 방법을 위한 컴퓨터 프로그램 제품으로, 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 측정 장치(4)로 실행할 수 있도록 로드가능하되, 프로그램이 실행될 때 청구항 제1항 내지 청구항 제5항에 따른 방법을 실행하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.