KR20220057233A - 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 전동기와, 상기 유도 전동기의 입력단으로 전원을 공급하는 공급 라인 상에 흐르는 전류를 검출하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 검출부를 포함하고, 상기 고장 검출부는 다이나믹 모델을 적용하여 상기 유동 전동기의 고장 여부를 판단할 수 있는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법{INTER-TURN SHORT FAULT DETECTING APPARATUS OF INDUCTION MOTOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현재 유도 전동기는 기계적인 강인한 특성, 저렴한 가격, 그리고 인버터 없이 등속 운전이 가능한 장점 때문에 많은 산업 분야에서 사용되고 잇다. 유도 전동기는 코일, 회전자 바, 베어링 등 각종 기계 부품으로 구성되어 있으며, 각 부품들은 고장을 야기할 가능성을 가지고 잇다. 특히, 이러한 부품 중에서 권선된 코일에서 가장 빈번하게 고장이 발생된다.
고정자에는 구리선의 외주면에 절연체가 코팅된 코일이 복수 회 권선된다. 코일에 코팅된 절연체는 모터의 구동 시 발생되는 열, 진동 등 여러 가지 요인에 의해 쉽게 절연 특성을 잃는다. 절연 특성을 잃은 코일은 인접한 코일과 접촉하여 폐회로망을 형성하며, 형성된 폐회로에 유기된 쇄교된 자속에 의해 유도기 전력이 발생된다. 이러한 고장을 턴 쇼트 고장(turn-short fault)이라 한다.
턴 쇼트 고장에 의해 형성된 폐회로는 임피던스가 매우 작기 때문에 낮은 유도기 전력이 발생하더라도 정격전류보다 큰 고장 전류가 폐회로 내부에 흐르게 된다. 유기된 큰 고장 전류는 유도 전동기 내부에 극심한 발열을 발생시키고, 이로 인해 고장 코일 주변에 권선된 코일의 절연성을 약화시켜 턴 쇼트 고장의 확대를 야기하게 된다.
이와 같은 턴 쇼트 고장을 초기에 진단하여 대응하지 못하면 코일에서 발생될 수 있는 화재에 따른 위험, 모터 손상에 의한 추가적인 위험, 금전적인 피해가 발생되는 문제가 있다.
유도 전동기의 고장 진단을 위해 모터 전류 신호 분석법(Motor Current Signal Analysis, MCSA)과, 자속 기반 신호 분석법(Stary Flux Signature Analysis, SFSA)이 제안된 바 있다.
모터 전류 신호 분석법은 유도 전동기 고정자에 흐르는 전류의 이상 성분을 통해 고장을 진단하는 방식으로, 고장 진단을 위해 많은 양의 사전 실험 데이터가 요구된다. 자속 기반 신호 분석법은 유도 전동기에서 발생되는 자속을 자속 센서를 이용하여 모니터링하는 것을 통해 고장을 진단하는 방식으로, 많은 양의 사전 실험 데이터가 요구된다.
즉, 기존에 사용되는 유도 전동기의 고장 진단 방식은 사전 실험을 위해 유도 전동기에 인위적인 고장을 발생시키고, 사전 실험을 통한 데이터를 축적하여 축적된 데이터를 기준으로 유도 전동기의 고장 여부를 판별한다.
그러나, 사전 실험 데이터가 요구되는 유도 전동기의 고장 진단 방식의 경우 추가적인 사전 실험 데이터 축적에 드는 시간 및 비용이 막대한 문제가 있고, 실험에 의해 축적된 데이터가 유도 전동기에서 발생 가능한 다양한 고장 현상을 모두 포함할 수 없는 문제가 있다. 이 경우, 턴 쇼트 고장을 초기에 진단 및 대응하지 못하는 문제와, 이에 따른 화재 위험, 모터 손상 위험, 금전 피해가 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 사전 실험 데이터가 요구되지 않는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치는 유도 전동기와, 상기 유도 전동기의 입력단으로 전원을 공급하는 공급 라인 상에 흐르는 전류를 검출하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 검출부를 포함하고, 상기 고장 검출부는 다이나믹 모델을 적용하여 상기 유동 전동기의 고장 여부를 판단할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 고장 검출부는 상기 유도 전동기로 제공되는 전류를 역상 변환한 제1역상 성분 전류와, 상기 다이나믹 모델을 적용하여 획득되는 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 고장 검출부는 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 동일할 경우 상기 유도 전동기의 고장을 진단할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 고장 검출부는 상기 제1역상 성분 전류가 상기 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 상기 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시킬 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 다이나믹 모델은 아래의 수식을 통해 정의될 수 있다.
<수식>
Figure pat00001
일 실시 예에 의하면, 상기 고장 검출부는 상기 공급 라인 상에 흐르는 상기 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류를 상기 제1역상 성분 전류로 변환하는 변환부와, 상기 제2역상 성분 전류를 산출하는 산출부와, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 판단부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 다이나믹 모델은 상기 고장 검출부의 상기 산출부에 적용될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제2역상 성분 전류는 가상의 유도 전동기에 의해 발생되는 고장을 나타낼 수 있다.
본 발명에 다른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법은 유도 전동기로 제공되는 전류를 검출하는 단계; 상기 유도 전동기로부터 검출된 상기 전류를 제1역상 성분 전류로 변환하는 단계; 가상의 유도 전동기로부터 제2역상 성분 전류를 산출하는 단계; 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 동일할 경우 상기 유도 전동기에 턴 쇼트 고장(turn-short fault)을 진단할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제1역상 성분 전류가 상기 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 상기 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제2역상 성분 전류는 다이나믹 모델을 통해 획득되고, 상기 다이나믹 모델은 아래의 수식을 포함할 수 있다.
<수식>
Figure pat00002
본 발명은 사전 실험 데이터 없이 고장 여부를 판단할 수 있는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 턴 쇼트 고장을 시각적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법의 고장 진단 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 고장 검출부는 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 사용되는 유도 전동기의 회전자의 축을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 따른 고장 진단 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법의 역상 성분 전류의 신호 처리 과정을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 용어와 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 이용되는 기술 중 본 발명의 사상과 밀접한 관련이 없는 공지의 기술에 관한 자세한 설명은 생략한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 및 '~모듈' 은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부' 및 '~모듈'이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부' 및 '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 '~부' 및 '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부' 및 '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부' 및 '~모듈'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치는 유도 전동기에 사용되는 고장 진단 장치일 수 있다. 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치는 산업용 구동 시스템, 산업용 전동기 등에 사용되는 고장 진단 장치일 수 있다. 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치는 자동차, 전기 자동차, 친환경 자동차 등에 사용되는 고장 진단 장치일 수 있다. 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 차량용 전동기, 전기 차동차용 전동기, 친환경 자동차용 전동기 등에 사용되는 고장 진단 장치일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 유도 전동기가 사용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치는 3상 유도 전동기(three phase induction motor)에서 발생되는 턴 쇼트 고장(turn-short fault)을 일 예로 들어 설명한다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 교류로 동작하는 전동기에 적용될 수 있다. 예를 들어, 유도 전동기에 적용될 수 있다. 예를 들어, 단상 유도 전동기, 농형 유도 전동기, 권선형 유도 전동기 중 적어도 하나의 유도 전동기에 적용될 수 있다.
도 1은 턴 쇼트 고장을 시각적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 유도 전동기는 샤프트(미도시), 샤프트에 결합되어 샤프와 함께 회전되는 로터(rotor, 10), 로터(10)의 외측에 배치되는 스테이터(stator, 20), 스테이터(20)의 슬롯에 권선되는 복수의 코일(30)을 포함할 수 있다. 로터(10)는 회전자로 호칭되고, 스테이터(20)는 고정자로 호칭될 수 있다.
유도 전동기의 코일(30)은 얇은 절연체로 코팅된 구리선으로 형성될 수 있다. 유도 전동기의 코일(30)은 전동기의 구동에 따른 진동, 코일(30)을 흐르는 고전압, 고전류로 인한 스트레스, 절연체의 노화 등의 원인으로 인해 절연 특성을 쉽게 잃어버리게 된다. 이 경우, 인접한 코일(30) 사이에 단락이 발생될 수 있는데, 이를 턴 쇼트 고장(F)이라 한다.
턴 쇼트 고장(F)이 발생될 경우, 단락된 코일(30)에 의해 권선 간에 폐회로가 형성되고, 형성된 폐회로에 쇄교된 자속의 변화량에 의하여 유도기전력이 발생된다. 형성된 폐회로는 저항이 낮아 내부에 고전류가 흐르게 되며, 고전류로 인해 유도 전동기 내부에 발열이 발생된다. 유도 전동기의 폐회로에 발생된 발열은, 인접한 코일(30)의 절연체를 약화시켜 턴 쇼트 고장(F)이 확대된다. 따라서, 턴 쇼트 고장(F)을 초기에 진단하여 대응하는 것이 필요하다. 또한, 유휴 비용 감소 및 화재 방지를 위해 온라인 고장 진단이 필요하다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법은 앞서 상술한 문제를 해결하기 위해, 사전 데이터 축적 없이도 턴 쇼트 고장 진단이 가능할 수 있다.
이하에서는 도면을 참고하며 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법의 고장 진단 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2의 고장 검출부는 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 사용되는 유도 전동기의 회전자의 축을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법에 따른 고장 진단 알고리즘을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법의 역상 성분 전류의 신호 처리 과정을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법은 유도 전동기(100), 전원 공급부(200), 및 고장 검출부(300)를 포함할 수 있다. 다만, 이를 제한하는 것은 아니며, 이 중 일부 구성을 제외하고 실시될 수 있다.
유도 전동기(100)는 3상 유도 전동기를 일 예로 들어 설명한다. 여기에서, 3상은 a상, b상 c상으로 정의하여 설명한다. 유도 전동기(100)는 전원 공급부(200)로부터 전원을 공급받을 수 있다. 유도 전동기(100)는 서로 다른 위상을 갖는 3개의 교류 전원을 공급받을 수 있다. 유도 전동기(100)는 전원 공급부(200)로부터 전원을 제공받는 입력단(120)을 포함할 수 있다. 입력단(120)는 복수의 입력단을 포함할 수 있다. 이하에서는, 복수의 입력단을 3개의 입력단을 포함하는 것으로 설명한다. 이는 3상 유도 전동기를 일 예로 설명하기 때문이며, 단상 유도 전동기일 경우 인렵단은 1개의 입력단을 포함할 수 있다. 즉, 입력단(120)의 수는 유도 전동기(100)의 종류에 다라 변경될 수 있다. 복수의 입력단(122, 124, 126)은 제1입력단(122), 제2입력단(124), 제3입력단(126)을 포함할 수 있다. 유도 전동기(100)는 제1입력단(122)과 연결되는 공급 라인을 통해 a상의 전원을 공급받을 수 있다. 유도 전동기(100)는 제2입력단(124)과 연결되는 공급 라인을 통해 b상의 전원을 공급받을 수 있다. 유도 전동기(100)는 제3입력단(126)과 연결되는 공급 라인을 통해 c상의 전원을 공급받을 수 있다. 유도 전동기(100)가 교류 전원을 공급받을 경우, 유도 전동기(100)의 스테이터에는 회전 자기장이 형성될 수 있다. 유도 전동기(100)의 로터는 회전 자기장을 받아 유도기전력이 형성될 수 있다. 이때, 로터는 기전력을 받아 전류가 흐르게 되며, 이 전류로 로터에 자기력이 형성될 수 있다. 유도 전동기(100)는 로터의 자기력과 스테이터의 자기장 사이의 상호 작용으로 토크가 발생되어 구동될 수 있다.
전원 공급부(200)는 유도 전동기(100)로 전원을 공급할 수 잇다. 전원 공급부(200)는 3상 전압원일 수 있다. 이는, 유도 전동기(100)가 3상 유도 전동기인 것으로 설명하고 있기 때문이며, 유도 전동기(100)의 종류에 따라 적합한 전압원을 포함할 수 있다. 전원 공급부(200)는 출력단(220)을 포함할 수 있다. 출력단(220)은 유도 전동기(100)의 입력단(120)의 수와 대응될 수 있다. 전원 공급부(220)의 출력단(220)은 복수의 출력단(220)을 포함할 수 있다. 복수의 출력단(220)은 제1 내지 제3출력단(222, 224, 226)을 포함할 수 있다. 전원 공급부(200)는 제1출력단(222)을 통해 a상 전원을 유도 전동기(100)로 공급할 수 있다. 전원 공급부(200)는 제2출력단(224)을 통해 b상 전원을 유도 전동기(100)로 공급할 수 있다. 전원 공급부(200)는 제3출력단(226)을 통해 c상 전원을 유도 전동기(100)로 공급할 수 있다. 제1출력단(222)는 제1입력단(122)와 공급 라인에 의해 연결될 수 있다. 제2출력단(224)는 제2입력단(124)와 공급 라인에 의해 연결될 수 있다. 제3출력단(226)는 제3입력단(126)와 공급 라인에 의해 연결될 수 있다.
고장 검출부(300)는 유도 전동기(100)의 고장 여부를 검출할 수 있다. 고장 검출부(300)는 유도 전동기(100)와 전원 공급부(200) 사이에 설치될 수 잇다. 고장 검출부(300)는 유도 전동기(100)와 전원 공급부(200) 사이의 공급 라인 상에 설치될 수 있다. 고장 검출부(300)는 유도 전동기(100)로 공급되는 3상 전류(
Figure pat00003
)를 실시간으로 센싱할 수 있다. 고장 검출부(300)는 유도 전동기(100)로 공급되는 3상 전류(
Figure pat00004
)를 센싱하여 유도 전동기(100)의 고장 여부를 판단할 수 있다. 고장 검출부(300)는 센싱된 3상 전류(
Figure pat00005
)를 2축의 역상 성분 전류(
Figure pat00006
)로 변환하고, 변환된 역상 성분 전류(
Figure pat00007
)를 통해 유도 전동기(100)의 고장 여부를 판단할 수 있다. 이하에서, 2축은 d축과 q축으로 호칭한다.
도 3을 참고하면, 고장 검출부(300)는 전류 검출부(320), 변환부(340), 산출부(360), 판단부(380)을 포함할 수 있다. 다만, 이 중 일부 구성을 제외하고 실시될 수 있다.
전류 검출부(320)는 유도 전동기(100)와 전원 공급부(200) 사이의 공급 라인 상에 접속될 수 있다. 전류 검출부(320)는 유도 전동기(100)와 전원 공급부(200) 사이의 3개의 공급 라인 상에 각각 접속되어 3상 전류(
Figure pat00008
)를 센싱할 수 있다. 전류 검출부(320)는 공급 라인에 흐르는 전류를 검출하기 위한 검출단은 커런트 트랜스 포머 등의 다양한 전류 검출 프로브를 적용할 수 있다.
변환부(340)는 전류 검출부(320)에서 센싱된 3상 전류(
Figure pat00009
)를 역상 변환할 수 있다. 변환부(340)는 전류 검출부(320)에서 센싱된 3상 전류(
Figure pat00010
)를 역상 성분 전류(
Figure pat00011
)로 변환할 수 있다. 이하에서는, 전류 검출부(320)에서 센싱된 3상 전류(
Figure pat00012
)로부터 변환된 역상 성분 전류(
Figure pat00013
)를 제1역상 성분 전류로 호칭한다.
도 6은 변환부(340)에서 3상 전류(
Figure pat00014
)를 제1역상 성분 전류로 변환하는 과정을 나타낸다. 도 6을 참고하면, 센싱된 3상 전류(
Figure pat00015
)는 먼저 d, q축 좌표계로 변환되어 2축 전류(
Figure pat00016
)로 변환된다. 변환된 2축 전류(
Figure pat00017
)는 역상 좌표계로 변환된 후 역상 성분 이외의 성분을 필터링하기 위해 저역 필터(Low Pass Filter, LPF)를 통과한다. 저역 필터를 통과한 역상 좌표계 전류(
Figure pat00018
)는 정지 좌표계로 변환되어 제1역상 성분 전류(
Figure pat00019
)로 변환된다. 본 발명은 변환된 제1역상 성분 전류(
Figure pat00020
)을 이용하여 유도 전동기(100)의 고장 여부를 진단할 수 있다.
산출부(360)는 다이나믹 모델을 적용하여 제2역상 성분 전류(
Figure pat00021
)를 생성할 수 있다. 산출부(360)은 가상의 유도 전동기를 구동시켜 제2역상 성분 전류(
Figure pat00022
)를 산출할 수 있다. 산출부(360)는 다이나믹 모델을 Runge kutta 4th method에 적용하여 실시간으로 가상의 제2역상 성분 전류(
Figure pat00023
)를 산출할 수 있다. 산출부(360)는, 예를 들면, CPU일 수 있다. 다이나믹 모델은, 예를 들면, 프로그램 또는 소프트웨어일 수 있다. 즉, CPU인 산출부(360)에서 가상의 유도 전동기를 구동시키고, 가상의 유도 전동기로부터 제공받는 전류값을 다이나믹 모델을 통해 제2역상 성분 전류(
Figure pat00024
)로 산출할 수 있다. 이때, 산출부(360)은 다이나믹 모델을 Runge kutta 4th method에 적용하여 제2역상 성분 전류(
Figure pat00025
)를 계산할 수 있다.
다이나믹 모델은 아래의 수식으로 정의될 수 있다. 본 발명에 따른 다이나믹 모델은 4극 유도 전동기를 일 예로 설명한다. 도 4는 4극 유도 전동기에 따른 로터의 d, q축을 극 수에 비례하도록 분할 표현한 도면이다. 스테이터 권선에서 턴 쇼트 고장이 발생될 경우, 고장 권선과 로터 각각의 축의 위치에 따라 로터에서 받는 고장에 대한 영향이 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다이나믹 모델은, 도 4에 도시된 바와 같이, 유도 전동기에 따른 로터의 d, q축을 극 수에 비례하도록 분할하고, 분할된 각 축의 성분을 기반으로 다이나믹 모델을 설정하였다.
<수식>
Figure pat00026
여기에서,
Figure pat00027
,
Figure pat00028
각각은 스테이터에 공급되는 d축, q축 전압이고,
Figure pat00029
는 고장 회로 전압이고,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
각각은 로터에 인가되는 d, q축 전류이다.
Figure pat00038
은 각 코일들의 저항값이고,
Figure pat00039
은 각 코일들의 인덕턴스이다.
Figure pat00040
과
Figure pat00041
은 각각 다음과 같다.
Figure pat00042
Figure pat00043
Figure pat00044
,
Figure pat00045
은 유한 요소 해석법을 통해 계산될 수 있다.
판단부(380)는 변환부(340)로부터 제공받은 제1역상 성분 전류와 산출부(360)로부터 제공받은 제2역상 성분 전류를 비교하여 유도 전동기(100)의 턴 쇼트 고장 여부를 판단할 수 있다. 도 5를 참고하면, 판단부(380)는 제1역상 성분 전류와 제2역상 성분 전류가 동일하거나 거의 비슷할 경우, 유도 전동기(100)의 턴 쇼트 고장을 진단한다. 3상 유도 전동기의 경우, 각 축의 균형이 맞춰져 있는데, 턴 쇼트 고장이 발생되게 되면 고장이 발생된 축과 나머지 축 사이의 균형이 깨지게 된다. 즉, 고장이 발생된 축은 고전류가 흐르고, 고장이 발생되지 않은 2개의 축에는 저전류가 흐르면서 역상 성분이 발생된다. 이때, 턴 쇼트 고장이 발생된 것으로 판단하기 위한 기준 값이 요구되는데, 종래의 고장 진단 방식에 경우 사전 실험을 통한 축적 데이터와의 비교 판단을 통해 고장 판단을 하게된다. 반면, 본 발명에 따르면, 고장 진단의 기준을 수식적으로 접근하므로 사전 실험 데이터 없이 바로 고장 여부는 판단할 수 있다.
다시 도 5를 참고하면, 판단부(380)는 제1역상 성분 전류가 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 제1역상 성분 전류와 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시키도록 산출부(360)에 신호를 전송할 수 있다. 산출부(360)는 판단부(380)의 신호에 따라, 가상의 유도 전동기의 고장 정도를 증가시킬 수 있다. 산출부(360)는 고장 정도가 증가된 가상의 유도 전동기로부터 받은 전류를 기초로 고장 정도가 증가된 제2역상 성분 전류를 산출할 수 있다. 판단부(380)는 고장 정도가 증가된 제2역상 성분 전류가 제1역상 성분 전류가 동일할 경우 더이상 고장 정도를 증가시키지 않고, 이 때의 고장 상태를 최종 검출하여 유도 전동기(100)가 턴 쇼트 고장을 진단할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 다른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법에 대해 설명한다.
유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법은 유도 전동기(100)로 제공되는 전류를 검출하는 단계; 유도 전동기(100)로부터 검출된 전류를 제1역상 성분 전류로 변환하는 단계; 가상의 유도 전동기로부터 제2역상 성분 전류를 산출하는 단계; 제1역상 성분 전류와 제2역상 성분 전류를 비교하여 유도 전동기(100)의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 유도 전동기(100)의 고장 여부를 판단하는 단계는, 제1역상 성분 전류와 제2역상 성분 전류가 동일할 경우 유도 전동기에 턴 쇼트 고장(turn-short fault)을 진단할 수 있다. 제1역상 성분 전류가 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 제1역상 성분 전류와 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2역상 성분 전류는 앞서 상술한 다이나믹 모델을 통해 획득될 수 잇다.
본 발명은 사전 실험 데이터 없이 고장 여부를 판단할 수 있는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 사전 실험 데이터가 요구되는 유도 전동기의 고장 진단 방식의 경우 추가적인 사전 실험 데이터 축적에 드는 시간 및 비용이 막대한 문제가 있는 반면, 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 방법은 고장 진단의 기준을 수식적으로 접근하므로 사전 실험 데이터 없이 바로 고장 여부는 판단할 수 있다. 또한, 실험에 의해 축적된 데이터가 유도 전동기에서 발생 가능한 다양한 고장 현상을 모두 포함할 수 없는 반면, 본 발명에 따른 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치 및 방법은 유도 전동기에서 발생 가능한 턴 쇼트 고장을 진단할 수 있다. 이를 통해, 턴 쇼트 고장을 초기에 진단 및 대응할 수 있고, 이에 따라 화재 방지, 모터 손상 방지, 금전 피해 방지할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 유도 전동기
200: 전원 공급부
300: 고장 검출부
320: 전류 검출부
340: 변환부
360: 산출부
380: 판단부

Claims (12)

  1. 유도 전동기와, 상기 유도 전동기의 입력단으로 전원을 공급하는 공급 라인 상에 흐르는 전류를 검출하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 진단하는 고장 검출부를 포함하고,
    상기 고장 검출부는 다이나믹 모델을 적용하여 상기 유동 전동기의 고장 여부를 진단하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고장 검출부는 상기 유도 전동기로 제공되는 전류를 역상 변환한 제1역상 성분 전류와, 상기 다이나믹 모델을 적용하여 획득되는 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 진단하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고장 검출부는 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 동일할 경우 상기 유도 전동기의 고장을 진단하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고장 검출부는 상기 제1역상 성분 전류가 상기 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 상기 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시키는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다이나믹 모델은 아래의 수식을 통해 정의되는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
    <수식>
    Figure pat00046
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고장 검출부는 상기 공급 라인 상에 흐르는 상기 전류를 검출하는 전류 검출부와,
    상기 전류 검출부에서 검출된 전류를 상기 제1역상 성분 전류로 변환하는 변환부와,
    상기 제2역상 성분 전류를 산출하는 산출부와,
    상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 상기 유도 전동기의 고장 여부를 진단하는 판단부를 포함하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다이나믹 모델은 상기 고장 검출부의 상기 산출부에 적용되는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2역상 성분 전류는 가상의 유도 전동기에 의해 발생되는 고장을 나타내는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 장치.
  9. 유도 전동기로 제공되는 전류를 검출하는 단계;
    상기 유도 전동기로부터 검출된 상기 전류를 제1역상 성분 전류로 변환하는 단계;
    가상의 유도 전동기로부터 제2역상 성분 전류를 산출하는 단계;
    상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류를 비교하여 상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유도 전동기의 고장 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 동일할 경우 상기 유도 전동기에 턴 쇼트 고장(turn-short fault)을 진단하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1역상 성분 전류가 상기 제2역상 성분 전류보다 클 경우, 상기 제1역상 성분 전류와 상기 제2역상 성분 전류가 같아질 때까지 상기 제2역상 성분 전류의 고장 정도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2역상 성분 전류는 다이나믹 모델을 통해 획득되고,
    상기 다이나믹 모델은 아래의 수식을 포함하는 유도 전동기의 턴 쇼트 고장 진단 방법.
    <수식>
    Figure pat00047
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