KR20180049722A - On-line fault diagnosis method for motor of machine tool - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전동기의 결함 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 속도 및 부하가 가변 하면서 작동 중인 진단 대상의 전동기의 결함을 정확히 진단할 수 있는 전동기의 온-라인 결함 진단 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fault diagnosis method for an electric motor, and more particularly, to a fault diagnosis method for an on-line fault of an electric motor which can accurately diagnose a fault of a motor to be diagnosed while varying speed and load.
주지된 바와 같이 전동기는 작동 중에 고정자 권선(stator winding) 층간 단락, 회전자 바(rotator bar) 단락, 회전자의 동적 편심 및 정적 편심 등과 같은 다양한 결함들이 발생하게 된다. 또한 이러한 결함들은 전동기가 작동함에 따라 단독으로 발생하거나 복합적으로 발생(여러 종류의 결함이 동시에 발생)할 수 있다.As is well known, various defects such as stator winding interlayer short circuit, rotor bar short circuit, dynamic eccentricity of the rotor and static eccentricity occur during operation of the motor. These defects may occur alone or in combination (multiple defects may occur at the same time) as the motors operate.
상기한 결함들이 발생한 경우 전동기의 작동 중 안전사고로 연결될 수 있으므로 전동기의 상태를 정확하게 진단할 수 있는 방법이 다양하게 연구되고 있다.If the above-mentioned defects are generated, the motor can be connected to a safety accident during the operation of the motor. Therefore, various methods for accurately diagnosing the condition of the motor have been studied.
이에 산업현장에서의 회전기기(팬, 펌프, 압축기, 교반기 등) 또는 왕복운동 기기들에 사용되는 전동기의 전류, 전압, 자속, 온도, 진동 신호 등의 데이터를 현장에서 획득하여 전동기 고정자 권선의 절연 이상, 회전자의 파손, 공극의 불안정 등을 진단하고, 과도 전류에 의한 베어링 또는 축 손상 등의 모니터링과 정확한 상태 진단, 수명 예측, 그리고 결함의 조기 발견을 수행할 수 있도록 다양한 기법들을 활용하는 새로운 진단 기술들이 개발되고 있다.Therefore, data such as the current, voltage, magnetic flux, temperature, and vibration signal of the motor used in rotating machines (fans, pumps, compressors, stirrers, etc.) or reciprocating machines in the industrial field are acquired in the field and insulation of the motor stator windings In order to diagnose the failure of the rotor and the instability of the pores and to monitor the bearing or shaft damage due to the transient current, to accurately diagnose the condition, to predict the life, and to detect the defect early, Diagnostic techniques are being developed.
예로서, 한국공개특허 제10-2015-0089722호는 소비전력을 이용한 공작기계의 고장 진단 장치 및 그 방법으로, 보다 구체적으로, 미리 설정된 구동 시험용 공작기계 프로그램에 따라 공작기계 구동 시험을 실행하고 그 구동 시험중에 측정된 소비 전력과 미리 저장된 정상 또는 이상 동작의 소비전력 패턴과 비교를 통해 공작기계의 고장을 진단하는 기술을 개시한다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0089722 discloses an apparatus and method for diagnosing a machine tool using power consumption, more specifically, a machine tool drive test according to a preset drive machine tool program, Disclosed is a technique for diagnosing a failure of a machine tool by comparing a measured power consumption during a drive test with a power consumption pattern of a normal or abnormal operation stored in advance.
그러나, 상기 선행기술은 공작기계의 상태 진단을 위해서 항상 실 가공전에 미리 설정된 구동 시험용 공작기계 프로그램에 따라 공장기계를 구동해야 하는 시간적인 손실이 발생할 수 있다.However, in the prior art, there is a possibility that a time loss is required to drive a factory machine according to a preset machine tool program for driving test in order to always diagnose the state of the machine tool.
또한, 이상 상태 진단을 위해서 DB와 된 정상 또는 이상 동작의 소비전력 패턴이 필요하며, 이러한 패턴은 각 공작기계마다 상이하므로 새로운 공작기계(스핀들 및 서보 전동기)에 적용시 정상 또는 이상 동작 소비전력 패턴을 새롭게 DB화 해야 하는 문제점이 있다.In order to diagnose the abnormal state, a power consumption pattern of normal or abnormal operation is required. Since the pattern is different for each machine tool, a normal or abnormal operation power consumption pattern (a spindle and a servo motor) There is a problem that a new DB is required.
다른 예로서, 한국등록특허 제10-1343403호는 공작기계 운전시의 이상 검출방법으로, 보다 구체적으로, 공작기계의 모터 구동유닛의 전력선에 전류센서와 전압센서를 각각 설치하고, 공구의 종류와 가공 방법 등을 설정하는 준비단계와; 공작기계의 출력이 정상인 상태에서 제품을 가공하면서 부하값을 측정하는 기준파형 획득단계와; 모니터링 구간 설정단계와; 모니터링 구간내에서 최대 부하값과 최소 부하값을 기준으로 알람이 발생하는 영역을 설정하는 허용한계 설정단계 및; 소재의 실제 가공시 발생하는 가공부하를 지속적으로 획득하여 이를 허용 한계값과 비교 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.As another example, Korean Patent No. 10-1343403 discloses an abnormality detection method during operation of a machine tool. More specifically, a current sensor and a voltage sensor are installed in a power line of a motor drive unit of a machine tool, A preparation step of setting a processing method and the like; A reference waveform obtaining step of measuring a load value while processing the product while the output of the machine tool is normal; A monitoring interval setting step; An allowable limit setting step of setting an alarm generating area based on a maximum load value and a minimum load value within a monitoring interval; Continuously obtaining the machining load that occurs when the material is actually machined, comparing the machining load with the allowable limit value, and determining whether the machining load is normal or not.
그러나, 상기 선행특허는 소비전력을 측정하기 위해 모터 구동유닛의 전력선에 전류센서와 전압센서를 각각 설치해야 하고, 공구 이상상태뿐만 아니라 모터의 이상상태에 따라 소비전력이 변할 수 있으므로 두 경우의 고장을 분류할 수 없는 문제점이 있다.However, in the above-mentioned prior art, in order to measure power consumption, a current sensor and a voltage sensor must be installed in the power line of the motor drive unit, and the power consumption may vary depending on the malfunction state of the motor as well as the malfunction state of the motor. Can not be classified.
또한, 소비 전력은 특정 공구와 가공 방법에 따라 그 패턴이 변하고 공작기계에는 여러 공구가 존재하며 다양한 가공 방법에 따라 소재를 가공하므로, 이상상태를 진단하기 위한 기준이 되는 정상 상태의 소비 전력 패턴이 종류가 과다하게 된다.In addition, the power consumption varies depending on the specific tool and processing method, and various tools exist in the machine tool. Since the material is processed according to various processing methods, a steady state power consumption pattern The type becomes excessive.
그러므로, 사용자가 소재를 가공하기 전에 기준 소비 전력 패턴을 얻기 위해 정상 상태에서의 샘플 가공을 항상 수행해야 하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem that the sample processing in the steady state must always be performed in order to obtain the reference power consumption pattern before the user processes the material.
한편, 한국등록특허 제10-1140613호는 전동기의 결함진단방법에 관한 기술로, 보다 구체적으로, 전류신호 또는 전류신호 및 진동신호를 이용하여 주파수분석을 통해 전동기의 결함을 진단하는 방법을 개시한다.Korean Patent No. 10-1140613 discloses a method for diagnosing a defect in a motor, and more specifically, a method for diagnosing a defect in a motor through frequency analysis using a current signal, a current signal, and a vibration signal .
본 발명의 목적은, 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 전류신호를 측정하고 분석대상 전류신호를 추출하여 주파수분석 함으로써 전동기의 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심, 등과 같은 결함들을 정확히 진단할 수 있는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to accurately measure defects such as stator winding defects, rotor bar defects, rotor eccentricity, etc. of an electric motor by measuring a current signal indicative of the state from an electric motor to be diagnosed, Line defects of a motor for a machine tool that can be diagnosed.
본 발명은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하기 위하여, a) 현장에 설치된 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와; b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와; c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와; d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와; e) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와; f) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법을 개시한다.The present invention has been made in order to achieve the above-mentioned object of the present invention, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for diagnosing faults in a motor, A current signal measuring step (S11) of measuring a current signal of the electric motor; b) calculating an effective value of a current signal according to time using the current signal of the motor measured in the current signal measuring step S11; c) a normal section checking step (S13) of checking whether there is a steady state with respect to the effective value of the current signal based on the fluctuation width of the rms value of the current signal with time; d) a rotation frequency / slip calculation step (S14, S15) of calculating a rotation frequency and a slip using the current signal in the normal section when the normal section exists; e) calculating a feature value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency / slip calculation step (S14, S15), calculating the calculated feature value and the current signal of the measured motor A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating a parameter for diagnosing the electric motor fault using the parameter; f) diagnosing a fault condition of the electric motor (S17) by using the diagnostic parameter of the fault calculated in the diagnosis parameter calculation step (S16). A method for diagnosing on-line faults of a motor for a machine tool is disclosed.
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)는, 상기 정상구간에서의 시간에 따른 전류신호를 주파수변환하고 상기 주파수변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산할 수 있다.The rotation frequency / slip calculation step S14 and S15 may frequency-convert a current signal according to time in the normal section and calculate a rotation frequency and a slip using the frequency-converted current signal.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 중 적어도 하나 이상에 대한 파라미터를 계산할 수 있다.The diagnostic parameter calculation step (S16) may calculate a parameter for at least one of stator winding defects, rotor bar defects, and rotor eccentricity.
상기 특징값은, 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수일 수 있다.The feature value may be a defect frequency at which an abnormal signal occurs when a defect occurs.
상기 고정자 권선 결함을 진단하기 위한 특징값은 하기 식 (E) 또는 (F)로부터 계산될 수 있다.The characteristic value for diagnosing the stator winding fault can be calculated from the following equation (E) or (F).
(fstator - Independ .: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임) (f stator - Independ:. Im defect frequency calculated by the ninth power supply frequency method)
(f0: 전원 공급 주파수, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P : 극 쌍 수, s : 슬립임)(f 0 : power supply frequency, l: 1, 2, 3, ..., k: 1, 3, 5,
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)은, 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차이를 계산할 수 있다.The diagnostic parameter calculation step (S16) may calculate the difference between the magnitude of the signal at the power supply frequency and the magnitude of the signal at the defect frequency.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무 또는 결함의 경/중/무를 진단할 수 있다.The diagnosis of the motor condition (S17) may include comparing the difference between the magnitude of the signal at the power supply frequency calculated in the diagnosis parameter calculation step (S16) and the magnitude of the signal at the defect frequency to a preset threshold value, It is possible to diagnose the light / medium / non-light / defect.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 e) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 f) 단계에서 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함발생 유/무를 진단할 수 있다.The step S17 of diagnosing the state of the electric motor can diagnose the occurrence / non-existence of a fault by comparing the diagnostic parameter value calculated in the step e) with a predetermined threshold value in the step f).
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 e) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 f) 단계에서 미리 설정된 각 결함별 하 임계치 및 상 임계치와 비교하여 각 결함의 경/중/무를 진단할 수 있다.The diagnosis of the motor condition (S17) may be performed by comparing the diagnostic parameter value calculated in the step (e) with the lower threshold value and the upper threshold value for each defect set in the step f) .
본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 현장에서 작동 중인 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 전류신호를 측정하고 분석대상 전류신호를 추출하여 주파수분석 함으로써 전동기의 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심, 등과 같은 결함들을 정확히 진단할 수 있는 이점이 있다.The method for diagnosing on-line faults of a motor for a machine tool according to the present invention comprises the steps of measuring a current signal indicative of the state from a motor to be diagnosed in operation in a field and extracting a current signal to be analyzed, , Defects such as rotor bar defects, rotor eccentricities, and the like can be accurately diagnosed.
구체적으로, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 전동기의 결함 진단시 기준 데이터를 얻기 위하여 모의가공 또는 샘플가공을 거치지 않고 공작기계의 실 가공시 측정되는 데이터 만을 활용하여 전동기의 결함을 진단하므로 전동기의 결함 진단에 소요되는 시간을 절감할 수 있는 이점이 있다.More specifically, the method for diagnosing on-line faults of a motor for a machine tool according to the present invention uses only data measured during actual machining of a machine tool without performing simulation or sample processing in order to obtain reference data when diagnosing faults in an electric motor There is an advantage that it is possible to reduce the time required for fault diagnosis of the motor because the fault of the motor is diagnosed.
또한, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 전압센서를 이용하지 않고 진단 대상의 전동기로부터 고정자 전류신호만을 검출하여 주파수분석을 통해 결함을 진단하므로 전동기의 결함 진단에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.The method for diagnosing an on-line fault of an electric motor for a machine tool according to the present invention diagnoses defects through frequency analysis by detecting only a stator current signal from a motor to be diagnosed without using a voltage sensor, There is an advantage that cost can be reduced.
그리고, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 특정 결함에 관련된 전류신호의 주파수분석을 통해 전동기의 결함을 진단하므로 공구, 가공방법, 모터종류(스핀들모터, 서보모터 etc.)에 관계 없이 진단 방법을 적용할 수 있는 이점이 있다.The method for diagnosing on-line faults of a motor for a machine tool according to the present invention diagnoses defects of an electric motor through frequency analysis of a current signal related to a specific fault, so that it can be used for a tool, a machining method, a motor type (spindle motor, There is an advantage that the diagnostic method can be applied irrespective of.
도 1은 본 발명에 따른 전동기의 온-사이트 복합 결함 진단 방법이 수행되는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 2는 결함 진단 대상 전동기에서 시간에 따른 고정자 전류신호의 실효값을 보여주는 시간-전류실효값 그래프이다.
도 3은 7.5kW 4극 정상 전동기에서 측정된 부하에 따른 전류신호의 그래프이다.
도 4 및 도 5는 정상 전동기와 고정자 권선 결함 상태의 전동기를 비교하여 나타낸 전류신호의 그래프이다.
도 6은 7.5kW 4극 정상 전동기, 회전자 바 결함 경, 회전자 바 결함 중 상태의 전동기에 대한 전부하 상태의 전류신호 그래프이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of performing an on-site hybrid fault diagnosis method of an electric motor according to the present invention.
2 is a time-current rms value graph showing the rms value of the stator current signal over time in the fault diagnosis target motor.
3 is a graph of a current signal according to the load measured in a 7.5 kW quadrupole top motor.
Figs. 4 and 5 are graphs of current signals showing a comparison between a normal motor and a motor in a stator winding fault state. Fig.
FIG. 6 is a graph showing current signals in a full-load state for a motor in a state of 7.5 kW quadrupole normal motor, defective rotor bar, and defective rotor bar.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 공작기계용 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 신호를 측정하여 전동기의 결함을 진단할 수 있는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법 에 관한 것으로서, 특히 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 바(rotator bar) 결함(회전자 바 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 정확히 진단할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of diagnosing an on-line fault of a motor for a machine tool, which is capable of diagnosing a fault of the motor by measuring a signal indicative of the state of the motor from a motor to be diagnosed for a machine tool. The present invention relates to a method for accurately diagnosing defects (short circuit between stator winding layers), rotor bar defects (rotor bar short circuit), rotor eccentricity (static eccentricity, dynamic eccentricity).
상기 공작기계용 진단 대상 전동기는, 스핀들 전동기 또는 서보 전동기일 수 있다.The subject motor for the machine tool may be a spindle motor or a servo motor.
상기 공작기계용 진단 대상 전동기가 스핀들모터인 경우, 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 바(rotator bar) 결함(회전자 바 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 진단할 수 있으며, 상기 공작기계용 진단 대상 전동기가 서보모터인 경우, 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 진단할 수 있다.In the case where the motor to be diagnosed for the machine tool is a spindle motor, a stator winding defect (short-circuit between stator windings) of a motor, a rotor bar defect (a rotor bar short circuit), a rotor eccentricity (Static eccentricity, dynamic eccentricity) of the stator winding of the motor can be diagnosed when the motor to be diagnosed for the machine tool is a servo motor. Can be diagnosed.
또한 본 발명의 진단 방법은 위의 결함들 중 단독 결함 발생 또는 복합 결함 발생(여러 종류의 결함이 동시에 발생)을 모두 진단할 수 있도록 구성되며, 발생 결함의 종류(각 결함의 발생 유/무)뿐만 아니라 발생 결함의 경/중 진단도 가능하도록 구성된다.In addition, the diagnostic method of the present invention is configured to diagnose the occurrence of a single defect or a complex defect (simultaneous occurrence of several kinds of defects) among the above defects, and the type of occurrence defect (occurrence / nonexistence of each defect) In addition, it is configured to be able to diagnose the occurrence / non-occurrence of generated defects.
상기와 같은 본 발명에서 결함의 발생 유/무, 결함의 경/중과 같은 전동기의 상태를 알기 위하여 측정되는 신호는, 후술하는 바와 같이 전동기의 작동 중 전류센서에 의해 측정되는 고정자 전류신호다.In the present invention, the signal measured in order to determine the state of the motor such as the occurrence / non-occurrence of defects, and the state of the fault is the stator current signal measured by the current sensor during the operation of the motor as described later.
전류신호를 이용하는 경우에 있어서 일반적인 유도전동기의 3상 전류에 대한 데이터를 모두 수득하여 분석할 수 있으나, 전동기의 결함 진단시 1상의 전류신호의 데이터만으로도 충분한 분석이 가능하므로, 본 발명에서는 작업의 단순화를 고려하여 1상의 전류신호에 대한 데이터 수득 및 분석이 이루어지도록 구성될 수 있다.Phase currents of the induction motor in the case of using the current signal, it is possible to analyze and obtain all the data of the three-phase current of the induction motor in general. However, in the defect diagnosis of the motor, So that data acquisition and analysis for the current signal of one phase can be performed.
도 1은 본 발명에 따른 전동기의 온-사이트 복합 결함 진단 방법이 수행되는 과정을 설명하는 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of performing an on-site hybrid fault diagnosis method of an electric motor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 결함 진단 방법은, a) 공작기계용 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와; b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와; c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와; d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 주파수분석 하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 진단단계를 포함하여 구성된다.As shown in the figure, the fault diagnosis method of the present invention includes: a) measuring a current signal of the motor according to a time during operation of a diagnosis target motor for a machine tool (S11); b) calculating an effective value of a current signal according to time using the current signal of the motor measured in the current signal measuring step S11; c) a normal section checking step (S13) of checking whether there is a steady state with respect to the effective value of the current signal based on the fluctuation width of the rms value of the current signal with time; and d) diagnosing whether the motor is defective or not, or whether the motor is defective or not, if the normal section exists, by frequency analysis of the current signal in the normal section.
상기 전동기 진단단계는, 전류신호 측정단계(S11), 실효값 계산단계(S12) 및 정상구간 확인단계(S13)를 거쳐 선별된 전류신호를 주파수분석하여 결함을 진단할 수 있다면 다양한 주파수분석 방법이 적용될 수 있다.The motor diagnosis step may include various frequency analysis methods if the fault signal can be diagnosed by frequency analysis of the selected current signal through the current signal measurement step S11, the effective value calculation step S12 and the normal section confirmation step S13 Can be applied.
일 실시예에서, 상기 전동기 진단단계는, e) 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와; f) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와; g) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함할 수 있다.In one embodiment, the motor diagnosis step includes: e) a rotation frequency / slip calculation step (S14, S15) of calculating a rotation frequency and a slip using the current signal in the normal section; f) calculating a feature value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency / slip calculation step (S14, S15), calculating the calculated feature value and the current signal of the measured motor A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating a parameter for diagnosing the electric motor fault using the parameter; g) diagnosing an electric motor condition (S17) for diagnosing whether or not a fault has occurred in the electric motor using the diagnostic parameter of the fault calculated in the diagnosis parameter calculation step (S16).
한편, 상기 결함 진단 방법은, 전류신호 측정단계(S11) 전에, 전동기 정보 입력 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the defect diagnosis method may further include a motor information input step before the current signal measurement step S11.
상기 전동기 정보 입력 단계는, 결함 진단 방법을 적용함에 있어서 필요한 전동기의 정보를 입력하는 단계로서, 결함 진단 방법을 적용함에 있어서 필요한 전동기 정보는 진단 대상 전동기의 극 수(= 2P, 여기서 P는 극 쌍(pole pairs) 수), 전원 공급 주파수(supply frequency)(f0), 회전자 슬롯(또는 봉) 수(Z), 정격속도 등을 들 수 있다.In the step of inputting the motor information, the step of inputting the information of the motor necessary for applying the defect diagnosis method, the motor information necessary for applying the defect diagnosis method is the number of poles (= 2P, (number of pole pairs), power supply frequency (f 0 ), number of rotor slots (or rods) (Z), and rated speed.
하기 표 1은 전동기 정보의 일례를 나타낸다.Table 1 below shows an example of motor information.
이하, 도 1과 더불어 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 결함 진단 과정에 대해서 각 단계별로 구분하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the defect diagnosis process according to the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 1 and FIG. 2 through FIG.
전류신호 측정단계(S11)The current signal measuring step (S11)
진단 대상이 되는 전동기의 정보 입력 단계가 수행되고 나면, 측정 데이터를 입력받는 단계, 즉 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)가 수행된다.After the information input step of the motor to be diagnosed is performed, a measurement step S11 of measuring the current signal of the motor according to the time during the reception of the measurement data, that is, the operation of the diagnosis target motor, is performed.
이때, 전동기의 상태를 나타내는 전류신호로서 전류센서에 의해 측정되는 1상의 전류신호를 입력받는다.At this time, the current signal representing the state of the electric motor receives the current signal of one phase measured by the current sensor.
상기 전류신호 측정단계(S11)는, 전동기의 작동 시작부터 작동 완료까지의 작동시간 또는 미리 정해진 시간동안 시간에 따른 전동기의 고정자 전류를 측정할 수 있다. 전류신호만를 이용하는 경우 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심에 대한 진단이 수행될 수 있다.The current signal measuring step S11 may measure the stator current of the motor according to the operation time from the start of the operation of the motor to the completion of the operation or the predetermined time. If only the current signal is used, diagnosis of stator winding fault, rotor bar defect, and rotor eccentricity can be performed.
실효값 계산단계(S12)The effective value calculation step (S12)
다음 단계로서, 전류신호 측정단계(S11)를 통하여 얻어진 전동기의 작동 시작부터 작동 완료까지의 작동시간 동안 또는 미리 정해진 시간 동안 시간에 따른 전동기의 고정자 전류신호에 대한 실효값을 계산한다(S12).As a next step, an effective value for the stator current signal of the motor is calculated during the operation time from the start of operation of the electric motor through the current signal measurement step S11 to the completion of the operation or for a predetermined time (S12).
진단 대상이 되는 전동기에서 측정되는 전류신호는 시점에 따라 전류신호의 변동이 발생할 수 있다.The current signal measured at the motor to be diagnosed may fluctuate according to the point of time.
다시말해, 전동기는 작동과정에서 무부하 상태로 작동되는 시간구간과 부하가 걸린 상태로 작동되는 시간구간이 있으며, 무부하 상태에서 부하 상태로 또는 부하 상태에서 무부하 상태로 변화되는 상태에서 작동되는 시간구간이 존재한다.In other words, the motor has a time interval in which the motor is operated in a no-load state during the operation and a time interval in which the motor is operated under a load, and a time interval in which the motor is operated in a state in which the motor is changed from no-load state to a load state or from a load state to a no- exist.
따라서, 실효값 계산단계(S12)에서 계산되는 전류신호의 실효값은 시간에 따라 변동된다.Therefore, the effective value of the current signal calculated in the effective value calculation step S12 varies with time.
예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 실효값 계산단계(S12)에서 계산되는 전류실효값(Irms)는, 전동기가 작동되는 작동시간구간(0s~t4) 또는 미리정해진 시간구간(0s~t4) 동안 전동기에 걸리는 부하의 크기에 따라 변동될 수 있다.For example, as shown in Fig. 2, the current effective value Irms calculated in the rms value calculation step S12 may be calculated based on the operating time period (0s to t4) in which the electric motor is operated or the predetermined time period (0s to t4 ) Of the load applied to the motor.
도 2에서, 구간 I(t1)는 무부하 상태에서의 전동기 전류신호이고, 구간 Ⅱ(t2)는 무부하 상태에서 부하 상태로 변화되는 과도상태에서의 전동기의 전류신호이며, 구간 Ⅲ(t3)는 부하 상태에서의 전동기의 전류신호이며, 구간 Ⅳ(t4)는 부하 상태에서 무부하 상태로 변화되는 과도상태에서의 전동기의 전류신호에 대응되는 전류실효값(Irms)을 의미할 수 있다.2, the section I (t1) is the motor current signal in the no-load state, the section II (t2) is the current signal of the motor in the transient state in which the load II changes from no- And the period IV (t4) may mean a current effective value (Irms) corresponding to the current signal of the motor in a transient state in which the load state changes to the no-load state.
정상구간 확인단계(S13)In the normal section checking step (S13)
다음 단계로서, 실효값 계산단계(S12)를 통해 얻어진 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크한다.As a next step, it is checked whether there is a steady state with respect to the effective value of the current signal based on the fluctuation width of the effective value of the current signal obtained through the effective value calculation step S12 with time.
여기서, 정상구간이란, 시간에 따른 전동기 전류신호의 실효값이 일정하게 나타나는 시간구간을 의미할 수 있다.Here, the steady-state period may mean a time period during which the rms value of the motor current signal over time appears constant.
다만, 전동기의 실제 작동환경에서 전류신호의 실효값이 일정 시간구간 동안 동일한 값으로 측정되는 것은 불가능하므로, 정상구간은 시간에 따른 전동기 전류신호의 실효값의 변동폭을 미리 설정된 변동허용치와 비교하여 실효값의 변동폭이 변동허용치 내에 포함되는 시간구간으로 정의함이 바람직하다.However, since it is not possible to measure the rms value of the current signal in the actual operating environment of the motor at the same value for a certain period of time, the normal section compares the fluctuation range of the rms value of the motor current signal with the preset fluctuation tolerance, It is preferable to define the time interval in which the variation range of the value is included in the variation tolerance value.
변동허용치는 실험을 통해 최적의 값으로 결정될 수 있다.The variation tolerance can be determined to be an optimum value through experiments.
예로서, 실효값 계산단계(S12)에서 얻어진 전류신호의 실효값이 도 2와 같이 나타나는 경우, 실효값에 대한 정상구간은, 구간 I(0~t1, t1) 및 구간 Ⅲ(t2~t3, t3)에 해당할 수 있다.For example, when the effective value of the current signal obtained in the effective value calculation step S12 appears as shown in Fig. 2, the normal section with respect to the effective value is the section I (0 to t1, t1) and the section III (t2 to t3, t3).
이때, 전류신호의 실효값의 변동폭이 큰 구간 Ⅱ(t1~t2, t2) 및 구간 Ⅳ(t3~t4, t4)는, 정상구간이 아닌 과도구간(Transient state)에 해당된다.In this case, the period II (t1 to t2, t2) and the period IV (t3 to t4, t4) in which the fluctuation range of the rms value of the current signal is large correspond to the transient state instead of the normal period.
회전주파수/슬립 산출 단계(S14~S15)The rotation frequency / slip calculation step (S14 to S15)
다음 단계로서, 정상구간 확인단계(S13)에서 실효값에 대한 정상구간이 존재하는 것으로 확인되는 경우, 정상구간에서의 전류신호를 추출한다(S14).As a next step, if it is confirmed that the normal section for the effective value exists in the normal section checking step S13, the current signal in the normal section is extracted (S14).
다음으로, 정상구간에서의 전류신호의 도메인을 시간(t)에서 주파수(f)로 변환하는 주파수변환을 수행한다.Next, frequency conversion is performed to convert the domain of the current signal in the normal section from time t to frequency f.
예로서, 상기 주파수변환은 정상구간에서의 전류신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)을 통해 수행될 수 있다.As an example, the frequency conversion may be performed through Fast Fourier Transform (FFT) on the current signal in the normal section.
다음으로, 주파수 변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산한다(S15).Next, the rotation frequency and the slip are calculated using the frequency-converted current signal (S15).
정상구간 확인단계(S13)에서 복수개의 정상구간이 확인되는 경우, 상기 과정은 정상구간 마다 수행될 수 있다.If a plurality of normal sections are identified in the normal section checking step S13, the process may be performed in each normal section.
한편, 전류신호를 이용하여 회전주파수 및 슬립을 계산하는 방법을 설명하면, 이 경우 전류신호의 회전자 슬롯 조화(Rotor Slot Harmonics, RSH)를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산한다.A method of calculating the rotation frequency and the slip using the current signal will be described. In this case, the rotation frequency and the slip are calculated using the rotor slot harmonics (RSH) of the current signal.
알려진 회전속도의 계산식은 다음과 같다.The formula for the known rotation speed is as follows.
(fr: 회전속도(Hz), P: 극 쌍 수, Z: 회전자 슬롯(또는 봉) 수, α = ±k(k: 양의 정수), f0: 전원 공급 주파수, fsh: 슬롯 조화 주파수임) (f r: rotational speed (Hz), P: poles pair, Z: a rotor slot (or rod) may, α = ± k (k: positive integer), f 0: power supply frequency, f sh: slot Harmonic frequency)
여기서, 무부하 상태일 때 fr = f0이므로 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수는 식(1)로부터 구해지는 다음의 식(2)에 의하여 계산될 수 있다.Here, since f r = f 0 in the no-load state, the slot harmonic frequency in no-load state can be calculated by the following equation (2) obtained from equation (1).
(f sh0 : 무부하 상태일 때 슬롯 조화 주파수임) (f sh0 : slot harmonic frequency when no load is applied)
또한 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수를 이용하여 슬립 주파수를 계산하는 식은 다음의 식(3) 및 식(4)와 같다.Also, the slip frequency is calculated using the slot harmonic frequency in the no-load state as shown in the following equations (3) and (4).
(fs: 슬립 주파수임)(f s : Sleep frequency)
결국, 식(4)를 통해 구해지는 슬립 주파수를 이용하여 다음의 식(5) 및 식(6)으로부터 회전주파수와 슬립을 계산할 수 있다.As a result, the slip frequency can be calculated from the following equations (5) and (6) using the slip frequency obtained from the equation (4).
(frotation: 회전주파수, s: 슬립임)(f rotation : rotation frequency, s: sleep)
도 3는 표 1에 나타낸 7.5kW 4극 사양(Z = 28, P = 2, f0 = 60Hz)의 정상 전동기에서 부하에 따른 전류신호의 그래프로서, 부하의 정도를 변화(부하율 5가지로 변화)시켰을 때의 슬롯 조화 주파수(fsh)를 보여주고 있다.Fig. 3 is a graph of the current signal according to the load in the normal motor of 7.5kW 4-pole specification (Z = 28, P = 2, f 0 = 60Hz) shown in Table 1, (F sh ) at the time of the initialization .
특히, 일례로 α = -3에서 부하의 정도를 부하율 0%, A, B, C, 100%(0%<A<B<C<100%)로 변화시켰을 때의 전류신호 및 슬롯 조화 주파수를 나타내는 것으로, 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수(α = -3, Z = 28, P = 2, f0 = 60Hz)를 식(2)로부터 구하면 fsh0 = 1020Hz가 되고, 각 부하 상태의 슬롯 조화 주파수 fsh는 부하의 정도가 클수록 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수에서 멀어지게 된다. Particularly, for example, the current signal and the slot harmonic frequency when the load is 0%, A, B, C and 100% (0% <A <B <C <100% (2), f sh0 = 1020 Hz, and the slot harmonics frequency f (t) of each load state is obtained by calculating the slot harmonic frequency (α = -3, Z = 28, P = 2, f 0 = 60 Hz) The greater the load, the farther sh is from the no-load slot-harmonic frequency.
결함별 진단 파라미터 계산 단계(S16)The defect-specific diagnostic parameter calculation step (S16)
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14~S15)에서 구해진 회전주파수, 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 진단 대상 전동기의 현재 상태를 반영하는 특징값을 계산하고, 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 각 결함별 발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하기 위한 결함 진단 파라미터를 계산하게 된다(S16). A characteristic value reflecting the current state of the subject motor is calculated from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip obtained in the rotation frequency / slip calculation steps S14 to S15, and the calculated characteristic value and the current A defect diagnostic parameter for diagnosing the occurrence / non-occurrence or the light / medium / non-defect of each defect is calculated (S16).
상기 특징값은 진단 대상 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값으로서, 본 발명에서 결함 진단을 위하여 계산되는 주파수 영역의 파라미터를 의미하는 것이며, 회전주파수와 슬립에 종속적인 값이다.The feature value is a feature value reflecting the current state of the diagnosis target motor, which means a parameter in the frequency domain calculated for the defect diagnosis in the present invention, and is a value dependent on the rotation frequency and the slip.
본 발명에서는 각 결함의 진단을 위한 특징값으로서, 이전 단계에서 구해진 회전주파수, 슬립을 이용하여 미리 정해진 각 결함별 계산식으로부터 해당 결함 발생시의 이상 신호가 발생하는 결함주파수를 구하게 된다.In the present invention, as a feature value for diagnosis of each defect, a defect frequency at which an abnormal signal at the occurrence of the defect occurs is obtained from a calculation formula for each defect determined in advance using the rotation frequency and slip obtained in the previous step.
우선, 고정자 권선 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(8)로부터 구해진다.First, the fault frequency at which an abnormal signal is generated when a stator winding fault occurs is obtained from the following equation (8) using the slip obtained in the previous step.
(f0: 전원 공급 주파수, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P : 극 쌍 수, s : 슬립임)(f 0 : power supply frequency, l: 1, 2, 3, ..., k: 1, 3, 5,
여기서, 고정자 권선 결함의 결함주파수는 l, k에 의해 결정되나, 데이터 처리 속도, 메모리 용량 등을 고려하여 각각 미리 정해진 값들까지 연산을 수행하도록 설정함이 바람직하다(실험 결과, l 값은 1, 2, 3, 4, 5까지, k 값은 1, 3, 5까지 계산하여도 결함 진단에 충분하다). Here, it is preferable that the defective frequency of the stator winding fault is determined by 1, k, but it is preferable to set the defective frequency of the stator winding defect to a predetermined value in consideration of data processing speed, memory capacity, 2, 3, 4, and 5, and the k value is sufficient to diagnose defects even if calculated to 1, 3, 5).
본 발명에서 고정자 권선 결함의 결함주파수에 대해서는 식(8)과 같은 이론적 주파수 계산식 및 실험적으로 찾아낸 계산식 중 적어도 어느 하나로 적용하는 것이 가능하다.With respect to the defective frequency of the stator winding defect in the present invention, at least one of a theoretical frequency calculation equation such as the equation (8) It is possible to apply.
즉, 본 발명자는 정상 상태와 고정자 권선 결함 상태를 정확히 구분할 수 있는 새로운 특징값 계산 방식을 실험적으로 찾아냈으며, 이는 9차 전원 공급 주파수, 즉 하기 식(9)와 같이 구해질 수 있다.That is, the present inventor experimentally found a new feature value calculation method that can accurately distinguish between a steady state and a stator winding fault state, which can be obtained as the ninth power supply frequency, that is, the following equation (9).
(fstator-Independ.: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임)(f stator-Independ .: Fault frequency calculated by 9th power supply frequency method)
도 4과 도 5은 정상 전동기와 고정자 권선 결함 상태의 전동기를 비교하여 나타낸 전류신호의 그래프로서, 표 1에 나타낸 7.5kW 4극 사양의 전동기(f0 = 60Hz)에 대하여 정상 상태와 고정자 권선 결함 상태에서 측정한 전류신호다. A graph of the current signal shown in Figure 4 and Figure 5 are compared to a motor of the normal electric motor and a stator winding fault condition, a steady state with respect to the stator winding fault 7.5kW 4-pole motor of the specification (f 0 = 60Hz) shown in Table 1 Current signal measured in the state.
또한 도 4은 무부하 상태를, 도 5은 전부하 상태를 보여주는 것으로, 상기 식(9)를 통해 구한 결함주파수 fstator - Independ .에서의 신호 크기를 각각 무부하 상태와 전부하 상태에서 보여주는 것이다. 식(9)를 이용하면, fstator - Independ . = 9 X fo = 540Hz이 된다.FIG. 4 shows the no-load state, and FIG. 5 shows the full-load state . The defect frequency f stator - Independ . In the no load state and the full load state, respectively. Using equation (9), f stator - Independ . = 9 X fo = 540 Hz.
도 4에서 녹색은 정상 상태의 전동기를, 적색은 고정자 권선 결함의 정도가 약한 전동기(결함 경)를, 파란색은 고정자 권선 결함의 정도가 강한 전동기(결함 중)를 나타낸다.In Fig. 4, green indicates a steady-state motor, red indicates an electric motor (defective light) having a weak degree of stator winding defect, and blue indicates an electric motor (defective) having a strong degree of stator winding defect.
상기와 같이 9차 공급 주파수로 구해지는 고정자 권선 결함의 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 회전주파수 및 슬립과는 독립적인 파라미터가 되며, 이를 제외한 나머지 회전자 바 결함, 회전자 편심 결함의 결함주파수는 모두 회전주파수 및 슬립에 종속적인 파라미터가 되고, 또한 이들 결함주파수들은 후술되는 바와 같이 모두 이론적인 주파수 계산식에 의해 구해진다.As described above, the defective frequency of the stator winding defects obtained at the ninth order supply frequency is a parameter independent of the rotational frequency and the slip obtained in the previous step, and the defective frequencies of the rotor bar defects and the rotor eccentric defects except for Rotation frequency, and slip, and these defect frequencies are all obtained by a theoretical frequency calculation formula as described later.
다음으로, 회전자 바 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(10)으로부터 구해진다.Next, the fault frequency at which an abnormal signal is generated when a rotor bar fault occurs is obtained from the following equation (10) using the slip obtained in the previous step.
(f0: 전원 공급 주파수, s: 슬립, k: 1, 2, 3,……임) (f 0 : power supply frequency, s: sleep, k: 1, 2, 3, ...)
상술한 고정자 권선 결함에서와 마찬가지로 k 값을 미리 정해진 값으로 지정함이 바람직하다(실험 결과, k 값은 1, 2, 3까지 계산하여도 결합 진단에 충분함).It is preferable to designate the value of k as a predetermined value as in the case of the stator winding defect described above (the experimental result, k value is enough for the coupling diagnosis even if calculating 1, 2, 3).
그리고, 회전자 편심 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(11)로부터 구해진다.The defective frequency at which an abnormal signal is generated when a rotor eccentric defect occurs is obtained from the following equation (11) using the slip obtained in the previous step.
(f0: 전원 공급 주파수, s: 슬립, nws: 1, 2, 3,……, R: 회전자 바 슬롯 수, P: 극 쌍 수, nd: 0(정적 편심), 1(동적 편심)임)(f 0: power supply frequency, s: slip, ws n: 1, 2, 3, ......, R: rotor bar slots, P: number of pole pairs, nd: 0 (static eccentricity), 1 (dynamic eccentricity )being)
여기서, 상기 nws 값은 미리 정해진 값까지 연산을 수행하도록 설정한다.Here, the n ws value is set to perform an operation up to a predetermined value.
이에 전류신호로 계산하는 결함 진단 파라미터는 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 결함의 진단 파라미터 총 3가지가 된다.Therefore, the fault diagnosis parameters calculated by the current signal are three diagnostic parameters of stator winding fault, rotor bar fault, and rotor eccentric fault.
전류신호를 기반으로 하는 상기 3가지 결함 진단 파라미터의 계산은 전동기의 종류별 그리고 부하의 정도에 따른 일관성을 유지하기 위하여 전류신호 그래프에서 "전원 공급 주파수(f0)에서의 신호의 크기와 이상 신호가 발생하는 결함주파수에서의 신호의 크기의 차"로 설정할 수 있다. 여기서, 결함주파수는 식(8) ~ 식(11)에 의해 구해지는 값이며, 계산된 차이값은 다음 단계에서 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심을 진단하는데 이용된다.The calculation of the above three fault diagnosis parameters based on the current signal is carried out in the current signal graph in order to maintain consistency according to the kind of the motor and the degree of the load, the magnitude of the signal at the power supply frequency (f 0 ) Quot; difference in magnitude of the signal at the occurring defect frequency ". Here, the defect frequency is a value obtained by the equations (8) to (11), and the calculated difference value is used to diagnose the stator winding fault, rotor bar defect, and rotor eccentricity in the next step.
전동기 상태 진단 단계(S17)In the motor condition diagnosis step (S17)
다음으로, 상기와 같이 계산된 각 결함별 진단 파라미터를 이용하여 진단 대상 전동기의 결함 발생 유/무 또는 결함 경/중/무를 판단하는 전동기 상태 진단 단계가 수행된다(S17).Next, in step S17, the diagnosis of the motor condition is performed by using the diagnostic parameters for each defect calculated as described above, to determine whether there is a defect occurrence in the diagnostic object motor or whether there is a defect in the condition.
본 단계에서는 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호와 결함주파수에서의 신호 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무, 경/중/무를 판단하게 된다.In this step, the difference between the signal at the power supply frequency calculated in the diagnostic parameter calculation step S16 and the signal at the defective frequency is compared with a predetermined threshold value to judge whether the defect is present or absent, or not.
전동기 상태 진단을 위한 임계치의 설정에 있어서, 각 결함별로 결함의 발생 유/무를 판정할 수 있는 하나의 임계치를 설정하는 것이 가능하나, 보다 바람직하게는 각 결함마다 경/중/무를 판정할 수 있도록 두 개의 임계치, 즉 결함의 미발생과 결함의 경한 정도를 구분할 수 있도록 하는 하 임계치와 결함의 경한 정도와 중한 정도를 구분할 수 있도록 하는 상 임계치를 설정하여 사용한다.In the setting of the threshold value for diagnosing the electric motor condition, it is possible to set one threshold value for judging whether or not a defect has occurred for each defect, but more preferably, A threshold value for distinguishing between two thresholds, that is, a non-occurrence of a defect and a lightness of a defect, and a phase threshold value for distinguishing between a degree of severity and a severity of a defect are set and used.
본 발명에서 전동기 상태 진단을 위한 임계치는 선행 실시한 반복 실험의 데이터 분석을 통해 얻어지는 것으로, 각 결함별로 임계치를 선행 실험을 통해 미리 설정한 뒤, 상기 진단 파리미터 계산 단계에서 구해진 차이값과 상기 설정된 임계치를 서로 비교하여 각 결함에 대한 진단을 수행하게 된다.In the present invention, the threshold for diagnosing the state of the motor is obtained through data analysis of the above-mentioned repeated experiments. The threshold value for each defect is set in advance through a preliminary experiment, and the difference value obtained in the diagnostic parameter calculation step and the set threshold value And diagnoses each defect by comparing them with each other.
결국, 전류신호 측정단계(S11), 실효값 계산단계(S12), 정상구간 확인단계(S13), 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15), 진단 파라미터 계산 단계(S16), 전동기 상태 진단 단계(S17)의 순서로 진행되는 1회의 시험으로 3가지 결함에 대한 복합 진단이 가능해진다.In other words, the current signal measuring step S11, the effective value calculating step S12, the normal section checking step S13, the rotation frequency / slip calculating steps S14 and S15, the diagnosis parameter calculating step S16, (S17), a complex diagnosis of three defects becomes possible.
즉, 각 결함별 진단 파라미터를 각각의 임계치와 비교하므로 복합적인 결함이 발생하였더라도 각 결함별로 진단이 가능하다. That is, since diagnostic parameters for each defect are compared with respective thresholds, even if a complex defect occurs, diagnosis can be made for each defect.
도 6은 표 1의 7.5kW 4극 정상 전동기, 회전자 바 결함 경, 회전자 바 결함 중 상태의 전동기에 대한 전부하 상태의 전류신호 그래프로서, k = 1일 때의 그래프이며, 녹색은 정상, 적색은 회전자 바 결함 경, 파란색은 회전자 바 결함 중 상태의 신호이다.FIG. 6 is a graph of current signals in a full-load state for a motor in a state of a 7.5 kW quadrupole top motor, a rotor bar defect radius, and a rotor bar defect in Table 1, where k = 1, , Red indicates a faulty rotor bar, and blue indicates a faulty rotor bar.
도 6의 전류신호 데이터에서, 전원 공급 주파수(f0)는 60Hz이고, 회전자 바 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수(frotatorbar)는 62.08Hz이다. 따라서, 60Hz의 전류신호 값(dB)과 62.08Hz의 전류신호 값(dB)의 차이 ΔdB를 구하여, 하 임계치 ≤ ΔdB < 상 임계치이면 결함이 경한 상태이고, 상 임계치 ≤ ΔdB이면 결함이 중한 상태로 판단한다(각 임계치는 나타내지 않음).In the current signal data of FIG. 6, the power supply frequency f 0 is 60 Hz, and the defective frequency (f rotator bar) at which an abnormal signal is generated when the rotor bar fault occurs is 62.08 Hz. Therefore, the difference ΔdB between the current signal value (dB) of 60 Hz and the current signal value (dB) of 62.08 Hz is determined. When the lower threshold value ≦ ΔdB <phase threshold value, the defect is light and when the phase threshold value ≦ ΔdB, (Each threshold is not shown).
이와 같이 각 결함별로 2개의 특정 임계치를 설정하면 정상(결함 무), 결함의 경/중을 구분할 수 있다. As described above, if two specific thresholds are set for each defect, it is possible to distinguish between normal (defect defect) and defect defect.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.
Claims (11)
a) 공작기계용 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와;
b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와;
c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와;
d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 주파수분석 하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 진단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In order to diagnose whether or not the motor is defective,
a) a current signal measuring step (S11) of measuring a current signal of the electric motor according to a time during the operation of the subject electric motor for a machine tool;
b) calculating an effective value of a current signal according to time using the current signal of the motor measured in the current signal measuring step S11;
c) a normal section checking step (S13) of checking whether there is a steady state with respect to the effective value of the current signal based on the fluctuation width of the rms value of the current signal with time;
and d) diagnosing whether there is a fault in the electric motor or whether the electric current is in the normal section if the normal section exists, Of the on-line fault.
상기 전동기 진단단계는,
e) 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와;
f) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와;
g) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method according to claim 1,
In the electric motor diagnosis step,
e) a rotation frequency / slip calculation step (S14, S15) for calculating a rotation frequency and a slip using the current signal in the normal section;
f) calculating a feature value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency / slip calculation step (S14, S15), calculating the calculated feature value and the current signal of the measured motor A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating a parameter for diagnosing the electric motor fault using the parameter;
g) diagnosing a fault condition of the electric motor (S17) by using the diagnostic parameter of the fault calculated in the diagnosis parameter calculation step (S16). Method for diagnosing on - line faults in motors for machine tools.
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)는, 상기 정상구간에서의 시간에 따른 전류신호를 주파수변환하고 상기 주파수변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 2,
Wherein the rotation frequency / slip calculation step (S14, S15) frequency-converts a current signal according to time in the normal section and calculates a rotation frequency and a slip using the frequency-converted current signal. Method for diagnosing on - line faults of a motor.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 중 적어도 하나 이상에 대한 파라미터를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법. The method of claim 2,
The diagnostic parameter calculation step (S16) calculates a parameter for at least one of stator winding fault, rotor bar fault, and rotor eccentricity.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는,
상기 진단 대상 전동기가 스핀들모터인 경우, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함 및 회전자 편심에 대한 파라미터를 계산 하며,
상기 진단 대상 전동기가 서보모터인 경우, 고정자 권선 결함 및 회전자 편심에 대한 파라미터를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 4,
The diagnostic parameter calculation step (S16)
When the diagnosis target motor is a spindle motor, parameters for stator winding defects, rotor bar defects, and rotor eccentricity are calculated,
Wherein the parameters for the stator winding fault and the rotor eccentricity are calculated when the diagnosis target motor is a servo motor.
상기 특징값은, 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수인 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 4,
Wherein the feature value is a defect frequency at which an abnormal signal is generated when a defect occurs.
상기 고정자 권선 결함을 진단하기 위한 특징값은 하기 식(E)로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.
(fstator-Independ.: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임)The method of claim 4,
Characterized in that the characteristic value for diagnosing the stator winding fault is calculated from the following equation (E).
(f stator-Independ .: Fault frequency calculated by 9th power supply frequency method)
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 2,
Wherein the diagnostic parameter calculation step (S16) calculates a difference between a magnitude of a signal at a power supply frequency and a magnitude of a signal at a defect frequency.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무 또는 결함의 경/중/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 8,
The diagnosis of the motor condition (S17) may include comparing the difference between the magnitude of the signal at the power supply frequency calculated in the diagnosis parameter calculation step (S16) and the magnitude of the signal at the defect frequency to a preset threshold value, And diagnosing whether or not a fault or a defect is present in the on-line fault.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 f) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 g) 단계에서 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함발생 유/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.The method of claim 8,
Wherein the diagnosis of the electric motor condition (S17) comprises the step of comparing the diagnostic parameter value calculated in the step (f) with a predetermined threshold value in the step g) to diagnose whether or not a fault has occurred. Defect diagnosis method.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 f) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 g) 단계에서 미리 설정된 각 결함별 하 임계치 및 상 임계치와 비교하여 각 결함의 경/중/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.
The method of claim 8,
The step S17 of diagnosing the condition of the electric motor is to diagnose the state of each defect by comparing the diagnostic parameter value calculated in the step f) with the lower threshold value and the upper threshold value for each defect set in the step g) Line fault diagnosis of a motor for a machine tool.
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