KR20170030229A

KR20170030229A - 유도 전동기 저널 베어링 진단 시스템 및 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체

Info

Publication number: KR20170030229A
Application number: KR1020150127510A
Authority: KR
Inventors: 이상빈
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-17
Also published as: KR101720569B1

Abstract

유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템은 입력 전류 측정부, 주파수 성분 산출부, 회전 주파수 정보 획득부, 이상 상태 주파수 범위 산출부, 및 상태 진단부를 포함한다. 입력 전류 측정부는 유도 전동기의 입력 전류를 측정하고, 주파수 성분 산출부는 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출하고, 회전 주파수 정보 획득부는 유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득하고, 이상 상태 주파수 범위 산출부는 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하며, 상태 진단부는 입력 전류의 기본 주파수로부터 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단한다.

Description

유도 전동기 저널 베어링 진단 시스템 및 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 {SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING JOURNAL BEARINGS OF INDUCTION MOTOR, AND A RECORDING MEDIUM HAVING COMPUTER READABLE PROGRAM FOR EXECUTING THE METHOD}

본 발명은 전동기의 저널 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도 전동기 저널 베어링의 불안정성 및 고장 여부를 진단하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

모든 회전기에는 회전자와 고정자 사이의 마찰을 줄이기 위해 베어링이 사용되며, 구름 베어링과 저널 베어링(미끄럼 베어링 혹은 슬리브 베어링)으로 분류된다. 도 1과 도 2는 각각 구름 베어링과 저널 베어링의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

구름 베어링은 회전자에 고정된 내륜과 고정자에 결합된 외륜 사이에 롤러나 볼을 삽입하여 회전 시 발생하는 마찰을 최소화한다. 저널 베어링은 고정자에 결합되는 하우징에 환형의 베어링을 삽입하고, 회전자의 축과 베어링 사이의 마찰을 줄이기 위해 윤활유를 사용한다.

물리적 한계로 인해 대부분의 고출력 전동기와 일부 특수 목적을 지닌 전동기에서 구름 베어링이 아닌 저널 베어링이 사용된다. 저널 베어링에는 축이 베어링 내부에서 움직일 수 있는 공극(Clearance)이 있고, 공극 안에서 유체에 의한 다양한 불안정성이 발생하는데, 이는 기기의 고장 및 파손으로 이어질 수 있다.

저널 베어링의 상태를 진단하는 방법으로 분해 후 시험과 운전 중에 실시하는 진동 분석, 측정온도 분석이 있다.

1) 분해 후 시험

전동기를 정지 및 분해 후, 베어링의 공극을 측정하여 제조사가 제공하는 적정 공극의 범위에 있는지 확인한다. 또한, 베어링 표면에 염료를 도포하여 균열 등을 확인한다. 이 시험은 전동기 분해에는 긴 시간이 필요하고 큰 비용이 요구되므로 잦은 시험이 불가능하다.

2) 진동 분석

전동기의 운전 중에 발생하는 진동을 측정하여 스펙트럼 분석을 통해 특정 고장, 불안정성 여부를 파악한다. 변위 센서가 장착된 베어링의 경우 베어링내 축의 궤도를 기록하여 고장 여부를 파악할 수 있다. 그러나 모든 베어링에 센서가 장착되어 있지 않기 때문에 진동 분석에 필수적인 변위, 속도, 가속도 센서 등의 기계적 센서 설치 비용이 발생한다. 휴대용 자동 분석 장비가 존재하지만, 많은 경우에 전동기가 접근이 제한된 환경에서 작동하므로 사용에 어려움이 따른다.

3) 측정 온도 분석

베어링에 마찰이 발생할 경우 베어링 금속의 온도가 급상승한다. 베어링마다 복수개의 온도 센서를 부착하여 일정 주기로 베어링 온도를 검출하여 온도 급상승 시, 경고를 출력한다. 터빈-발전기 시스템의 경우 복수개의 베어링에 복수개의 온도 센서를 부착하여 오정렬을 진단할 수 있다. 온도 센서 부착을 위한 비용과 장착의 어려움이 단점이며 오일 월과 같이 온도 변화를 일으키지 않는 현상은 감지하기 어렵다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전동기를 분해하거나 다수의 계측 장치를 사용하지 않고서도 효과적으로 유도 전동기 저널 베어링의 상태를 진단할 수 있도록 해주는 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템은 입력 전류 측정부, 주파수 성분 산출부, 회전 주파수 정보 획득부, 이상 상태 주파수 범위 산출부, 및 상태 진단부를 포함한다.

입력 전류 측정부는 유도 전동기의 입력 전류를 측정하고, 주파수 성분 산출부는 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출하고, 회전 주파수 정보 획득부는 유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득하고, 이상 상태 주파수 범위 산출부는 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하며, 상태 진단부는 입력 전류의 기본 주파수로부터 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단한다.

이와 같은 구성에 의하면, 유도 전동기의 입력 전류를 이용하여 저널 베어링의 이상 여부를 진단하므로, 전동기를 분해하거나 다수의 계측 장치를 사용하지 않고서도 배전반에서 저비용에 원격으로 유도 전동기 저널 베어링의 상태를 진단할 수 있게 된다.

이때, 이상 상태 주파수 범위는 유도 전동기 저널 베어링의 오일 월(oil whirl)의 특성 주파수 범위이고, 오일 월의 특성 주파수 범위는 유도 전동기 회전 주파수의 30%보다 크고 50%보다 작은 범위일 수 있으며, 특히, 유도 전동기 회전 주파수의 35%보다 크고 49%보다 작은 범위일 수 있다.

또한, 이상 상태는 유도 전동기 저널 베어링의 과도한 공극, 기계적 헐거움, 및 러빙 중 하나 이상의 이상 상태이고, 이상 상태 주파수 범위는, 유도 전동기 회전 주파수의 저조파 범위일 수 있다.

아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 구현한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 개시된다.

본 발명에 의하면, 유도 전동기의 입력 전류를 이용하여 저널 베어링의 이상 여부를 진단하므로, 전동기를 분해하거나 다수의 계측 장치를 사용하지 않고서도, 배전반에서 저비용에 원격으로, 유도 전동기 저널 베어링의 상태를 진단할 수 있게 된다. 또한, 부착 위치에 따라 측정치가 크게 달라지는 진동 센서의 단점을 극복할 수 있다.

도 1은 구름 베어링의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 저널 베어링의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템의 개략적인 블록도.
도 4는 오일 월 발생시 전류 스펙트럼을 도시한 도면.
도 5는 과도한 공극, 기계적 헐거움, 러빙 발생시의 전류 스펙트럼을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 저널 베어링 진단 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 3에서, 베어링 상태 진단 시스템(100)은 전류 측정부(110), 주파수 성분 산출부(120), 회전 주파수 정보 획득부(130), 이상 상태 주파수 범위 산출부(140), 및 상태 진단부(150)를 포함한다.

도 3에서, 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템(100)의 각 구성 요소들은 하드웨어만으로도 구현될 수도 있겠으나, 하드웨어 상에서 동작하는 소프트웨어로 구현되는 것이 보다 일반적일 것이다.

입력 전류 측정부(110)는 유도 전동기의 입력 전류를 측정한다. 현장에서 사용되는 전동기는 배전반을 통해 전력을 공급받는데, 배전반에는 보호 및 감시를 위한 CT가 설치되어 있다. 이러한 CT의 2차측에 전류를 취득하기 위한 프로브(probe)를 부착하여 상전류의 값을 얻을 수 있다.

주파수 성분 산출부(120)는 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출한다. 이 경우, 두 상 혹은 세 상의 전류 데이터를 취득하여 3상 전류 데이터를 FFT에 적용하기 위해서는, 먼저 개상의 전류 데이터를 하나의 벡터 데이터로 표현하기 위한 공간 전류 벡터(current space vector)를 만들어내야 한다. 하지만, 한 상의 전류 데이터만을 이용하는 경우에는 위와 같은

를 구할 필요가 없다.

FFT를 적용하기 전에 한 상의 전류 데이터든, 공간 전류 벡터를 이용하든 필터링이 필요하다. 취득한 데이터의 시작과 끝 부분에는 고장 진단에 필요한 주파수 성분이 적게 포함되어 있기 때문에 필터링을 통해 시작과 끝 부분의 영향을 제거할 수 있다.

취득한 데이터에 FFT를 적용하면 FFT의 특성에 의해 주파수 차원(frequency domain)에서 각 성분의 복소수 값을 얻을 수 있다. 그러므로 이들의 크기를 관찰하기 위해서는 절대값(absolute value)을 취해야 한다. 또한, 전동기 입력전원이 60Hz이므로 당연히 FFT 결과 살펴볼 수 있는 성분들은 60Hz 성분이 압도적으로 커서 고장 진단을 위한 성분들의 크기를 제대로 살펴보는 것이 불가능하므로, 60Hz 성분을 기준으로 정규화(normalize)가 필요하다. 이를 통해 각 주파수 성분을 데시벨(dB) 단위로 관찰 가능하다.

회전 주파수 정보 획득부(130)는 유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득한다. 회전자의 회전속도는 별도의 센서를 이용해 측정될 수도 있지만 추정될 수도 있다. 추정하는 방법은 전동기의 명판의 데이터와 전류 데이터를 이용하는 것이다.

전동기 명판에는 전동기의 입력전원 주파수, 정격전압, 정격출력, 극수, 정격속도 등이 적혀 있는데, 입력전원의 주파수, 극수, 정격속도 등을 슬립을 추정하는데 사용할 수 있다.

이상 상태 주파수 범위 산출부(140)는 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하며, 상태 진단부(150)는 입력 전류의 기본 주파수로부터 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단한다.

유도 전동기는 고정자의 권선에 전압과 전류를 인가하여 발생하는 자속 φ_s가 회전자 바에 전류를 발생시켜 이로 인해 발생되는 자속 φ_r로 인해 발생되는 토크 τ로 회전한다. 유도 전동기를 회전하게 만드는 토크 τ는 자속 φ_s와 자속 φ_r의 벡터 외적에 비례한다.

이와 같은 유도 전동기의 저널 베어링 사용시 발생하는 대표적 불안정성인 오일 월과 마모 등으로 베어링 공극의 과도함, 베어링 하우징 혹은 전동기와 받침 사이의 기계적 헐거움, 축과 베어링 사이의 러빙(Rubbing)을 고정자 전류 주파수 성분 분석을 이용하여 진단한다.

본 발명은 고정자 전류 주파수 성분 분석 기술인 MCSA(Motor Current Signature Analysis)를 이용하여 저널 베어링에서 발생할 수 있는 불안정성과 고장을 진단하는 것이다.

본 발명에서 언급된 불안정성 및 고장은 특정 주파수의 진동을 발생시키는데, 이 진동은 전동기 입장에서 주기적 토크 변동으로 해석할 수 있다. 이런 토크 변동은 전동기의 전원 기본 주파수

를 변조시킨다. 따라서 전동기의 입력 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)하여 스펙트럼을 관찰하면 이러한 진동(토크 변동)이

의 측파대(Sideband)로써 관찰된다.

저널 베어링 사용시 발생하는 대표적 불안정성은 다음과 같다.

1) 오일 월(Oil Whirl)

저널 베어링을 이용하는 회전기에서 축은 윤활유 막(oil film) 위에서 회전한다. 점성, 속도, 베어링 치수 등의 요인으로 윤활유 막의 압력과 축이 가하는 압력의 평형상태가 깨지면, 축 자체가 베어링 내에서 원형을 그리며 운동하는데 이를 오일 월이라고 한다.

축의 회전 속도를 1X 라고 할 때, 오일 월은 0.35X ~ 0.49X 의 범위에서 일어나며, 이때 월의 방향은 축의 회전 방향과 같다. 따라서 진동에서 오일 월의 특성 주파수

는

로 표현한다. 이때

는 기기의 회전속도로 유도기에서 고정자 전류의 기본 주파수

와 다음의 관계를 갖는다.

이때 s는 기기의 슬립, p는 자극쌍(pole pair)의 개수이다.

기기의 속도가 증가함에 따라 월의 속도도 따라 증가하는데 월의 속도가 시스템의 고유진동수와 만나면, 기기의 속도가 증가해도 월의 속도는 더 이상 증가하지 않고 유지된다. 이를 오일 윕(Oil Whip)이라 부르며, 오일 윕은 베어링과 기기에 치명적 손상을 입힐 수 있다. 지속적 모니터링을 통해 오일 월을 방지하면 오일 윕도 방지 가능하다.

2) 베어링의 과도한 공극, 기계적 헐거움, 러빙

오일 월, 윕 등의 문제들로 인하여 마모가 일어나면 저널 베어링의 공극이 적정 수준을 넘을 경우가 있다. 과도한 공극은 다른 고장의 증상이기도 하며, 기기의 진동을 증가시켜 다른 문제점을 야기하는 원인이 되기도 한다.

베어링 하우징 혹은 기기와 받침 사이에 균열이나 잘못된 결합부가 존재할 경우 기계적 헐거움이 발생하며 진동을 발생시킨다.

회전하는 부위와 고정된 부위 사이 접촉이 일어날 경우를 러빙(Rubbing)이라고 한다. 베어링에서 러빙이 일어날 경우 베어링 표면에 심각한 손상이 발생할 수 있다.

위 고장들은 공통적으로 베어링 내의 유효 강성(effective stiffness)을 비대칭적으로 만들며, 이는 시스템에 비선형성을 야기한다. 비선형성으로 인해 진동 스펙트럼의 1X 성분 증가와 고조파인 2X, 3X 성분의 증가 외에도 특징적으로 1/2X, 1/3X 등 저조파(Subharmonics) 진동이 발생한다. 이러한 저조파

는 다음과 같이 표현할 수 있다.

의 측파대(Sideband)로써 관찰된다.

오일 월에 의한 전류 스펙트럼 상 측파대

과 과도한 공극, 기계적 헐거움, 러빙에 의한 측파대

는 각각,

에서 관찰된다. 이때 k는 양의 정수이다. 도 4는 오일 월 발생시 전류 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 5는 과도한 공극, 기계적 헐거움, 러빙 발생시의 전류 스펙트럼을 도시한 도면이다. 측파대의 주파수를 알기 위해 필요한 전동기의 회전속도

는 스트로보스코프 등을 이용하여 측정하거나 고정자 전류를 이용하여 추정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 저널 베어링 진단 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도이다.

먼저, 제어반으로부터 유도 전동기의 입력 전류를 측정하고(S110), 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출한다(S120).

유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득한 후(S130), 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하여 관찰한다(S140).

마지막으로, 입력 전류의 기본 주파수로부터 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우(S150), 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단한다(S160).

본 발명은 유도전동기의 고정자 전류를 이용하여 저널 베어링의 오일 월(Oil Whirl), 과도한 공극에 의한 불안정성, 기계적 헐거움, 러빙(Rubbing)을 진단하는 기술이다. 본 발명에서는 유도전동기에 장착된 저널 베어링에서 오일 월, 과도한 공극, 기계적 헐거움, 러빙 발생 여부를 고정자 전류를 통해 진단한다.

본 발명은 기계적 센서에 의존하지 않고 전동기 제어반에서 취득 가능한 전류를 이용하므로 환경적 제약을 극복할 수 있고 센서 부착 및 유지 보수를 위한 비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 휴대용 장비에 주로 사용되는 가속도 센서의 경우 저주파 진동에 둔감하여 낮은 주파수에서 발생하는 기계적 고장을 진단하지 못할 가능성이 있는 반면, 고정자 전류를 이용한 본 진단 기술을 사용할 경우 낮은 주파수에서도 뚜렷한 측파대 관찰이 가능하다.

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.

예를 들어, 실시예에서는 전동기 저널 베어링의 진단을 위해 전동기 입력 전류로부터 산출된 전류의 주파수 성분을 이용하였지만, 경우에 따라서는 입력 전류와 전압으로부터 전동기의 토크, 자속, 전력 등의 주파수 스펙트럼을 산출하고 다시 이를 이용하여 전동기 저널 베어링의 진단을 수행할 수도 있을 것이다.

100: 베어링 상태 진단 시스템
110: 전류 측정부
120: 주파수 성분 산출부
130: 회전 주파수 정보 획득부
140: 이상 상태 주파수 범위 산출부
150: 상태 진단부

Claims

유도 전동기의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정부;
상기 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출하는 주파수 성분 산출부;
상기 유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득하는 회전 주파수 정보 획득부;
상기 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 상기 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하는 이상 상태 주파수 범위 산출부; 및
상기 입력 전류의 기본 주파수로부터 상기 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우 상기 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단하는 상태 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 이상 상태 주파수 범위는 상기 유도 전동기 저널 베어링의 오일 월(oil whirl)의 특성 주파수 범위이고,
상기 오일 월의 특성 주파수 범위는 상기 유도 전동기 회전 주파수의 30%보다 크고 50%보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 오일 월의 특성 주파수 범위는 상기 유도 전동기 회전 주파수의 35%보다 크고 49%보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 진단 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 이상 상태는 상기 유도 전동기 저널 베어링의 과도한 공극, 기계적 헐거움, 및 러빙 중 하나 이상의 이상 상태이고,
상기 이상 상태 주파수 범위는, 상기 유도 전동기 회전 주파수의 저조파 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 진단 시스템.
저널 베어링 상태 진단 시스템이,
유도 전동기의 입력 전류를 측정하는 입력 전류 측정 단계;
상기 측정된 입력 전류의 주파수 성분을 산출하는 주파수 성분 산출 단계;
상기 유도 전동기의 회전 주파수 정보를 획득하는 회전 주파수 정보 획득 단계;
상기 유도 전동기의 회전 주파수 정보로부터 미리 설정된 상기 유도 전동기 저널 베어링의 이상 상태 주파수 범위를 산출하는 이상 상태 주파수 범위 산출 단계; 및
상기 입력 전류의 기본 주파수로부터 상기 이상 상태 주파수 범위만큼 이격된 주파수 영역에서의 입력 전류의 크기가 미리 설정된 기준 전류의 크기보다 큰 경우 상기 유도 전동기의 저널 베어링의 이상 상태로 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 방법.
제 5항에 있어서,
상기 이상 상태 주파수 범위는 상기 유도 전동기 저널 베어링의 오일 월(oil whirl)의 특성 주파수 범위이고,
상기 오일 월의 특성 주파수 범위는 상기 유도 전동기 회전 주파수의 30%보다 크고 50%보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 상태 진단 방법.
제 6항에 있어서,
상기 오일 월의 특성 주파수 범위는 상기 유도 전동기 회전 주파수의 35%보다 크고 49%보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 진단 방법.
제 5항에 있어서,
상기 이상 상태는 상기 유도 전동기 저널 베어링의 과도한 공극, 기계적 헐거움, 및 러빙 중 하나 이상의 이상 상태이고,
상기 이상 상태 주파수 범위는, 상기 유도 전동기 회전 주파수의 저조파 범위인 것을 특징으로 하는 유도 전동기 저널 베어링 진단 방법.
제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.