KR100530467B1 - 유도 전동기 상시 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기 상시 감시 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 복수의 유도 전동기로 각각 입력되는 입력 전류를 검출하기 위해 구비된 복수의 전류 검출부; 상기 다수의 전류 검출부에서 출력하는 검출 교류 전류를 입력하여 설정된 주파수로 샘플링하고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 신호 처리부; 상기 신호 처리부의 출력을 입력받아 주파수 특성 분석을 수행하여 상기 유도 전동기의 상태를 판단하는 중앙 처리부; 및 상기 중앙 처리부에서 수행될 주파수 특성 분석 알고리즘을 저장하며, 상기 중앙 처리부에 의해 분석된 상기 유도 전동기들의 주파수 특성 분석 결과를 저장하는 메모리부; 및 상기 중앙 처리부에 의해 산출된 상기 유도 전동기의 상태 결과를 입력받아 외부로 무선 송신하는 통신부를 포함하여, 현장에서 사용되는 다수의 유도 전동기의 회전자 및 축 관련부의 이상을 검사자가 개별 현장점검을 하지 않아도, 여러대의 유도 전동기의 상태를 원격지에서 진단할 수 있게 한다.

Description

유도 전동기 상시 감시 시스템{On-line check system for induction motors}

본 발명은 유도 전동기에 관한 것으로, 보다 상세히는, 유도 전동기의 회전자 및 축 관련부의 이상을 상시로 감시하는 유도 전동기 상시 감지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 유도 전동기는 코일이 감겨진 고정자가 바깥쪽에 위치하고 자성을 띤 회전자가 안쪽에 위치한 구성으로, 고정자의 코일에 교류 전원을 흘려 회전자와 고정자 간에 유도 전류가 흐르도록 함으로써 모터를 구동시키는 장치이다.

유도 전동기는 다양한 종류가 다양하며, 현재 산업체 전반의 주요 설비에 사용되고 있다.

이러한 유도 전동기가 고장날 경우에, 대부분의 복합 연속 공정에서는 단순히 유도 전동기 고장 그 자체로 끝나지 않고 전체 공정이 중단되는 문제점이 있다. 그러므로, 전동기를 사용하는 산업 현장에서는 개별 전동기를 대상으로 하는 전동기 상태 모니터링(monitoring) 및 전동기의 예방정비를 수행하고 있다.

지금까지는 정비사가 전동기의 상태를 진단하기 위하여, 진단에 필요한 장비를 전동기가 위치한 지점까지 이동하여 필요한 진단항목을 수행하는 형태로 작업이 진행되었다. 하지만, 현장에서 사용되는 전동기의 수량이 많기 때문에 각각의 전동기를 대상으로 하는 측정, 분석 및 상태 판정은 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유도 전동기를 대상으로 하는 여러 가지 진단 항목 및 활선 상태에서 진행하는 전동기 선 전류 측정에 의한 회전자 및 축 관련부 이상 감지를 다수의 전동기를 대상으로 원격으로 수행하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 유도 전동기 상시 감시 시스템은, 유도 전동기의 비정상 상태시 전력 모선에 유도되는 전동기의 역기전력 고조파성분에 특이 주파수가 발생되는 것을 이용한 것으로, 유도 전동기의 회전자 연결 봉의 연결 불량 및 단락, 공극의 비대칭 및 베어링 불량에 의한 전동기 입력 선전류 거동을 감시하기 위해 공지된 기술인 선전류의 주파수 분석 방법을 이용한다.

이는 유도 전동기에서 회전체의 비정상 상태는 설치되어 있는 장소에서 기계적, 전기적 및 자기적인 진동을 발생시키며, 이러한 진동들이 전력선 고조파에 특이 주파수 성분으로 나타나기 때문이다.

따라서, 이러한 선전류 주파수 분석 방법을 위해 본 발명은,

유도 전동기의 고정자에 형성된 다수의 권선에 인가되는 교류 전원을 검출하며, 다수의 상기 유도 전동기에 대응하여 구비된 다수의 전류 검출부; 상기 다수의 전류 검출부에서 출력하는 검출 교류 전류를 설정된 주파수로 샘플링하고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 신호 처리부; 상기 신호 처리부의 출력을 입력받아 주파수 특성 분석을 수행하여 상기 유도 전동기의 상태를 판단하는 중앙 처리부; 상기 중앙 처리부에서 수행될 주파수 특성 분석 알고리즘을 저장하며, 상기 중앙 처리부에 의해 분석된 상기 유도 전동기들의 주파수 특성 분석 결과를 저장하는 메모리부; 및 상기 중앙 처리부에 의해 산출된 상기 유도 전동기의 상태 결과를 입력받아 외부로 무선 송신하는 통신부를 포함하여, 다수의 유도 전동기의 상태를 외부의 감시자가 확인할 수 있게 한다.

이하, 첨부한 도 1과 도 2를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 유도 전동기 상시 감시 시스템을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 전동기 상시 감시 시스템의 블록 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기 상시 감시 시스템은 16개의 유도 전동기(m1, m2, ..., m16)에 대한 감시를 수행하고 있으며, 본 발명의 시스템에서 출력하는 16개의 유도 전동기(m1, m2, ..., m16)의 감시 결과는 유선 랜(LAN: Local Area Network)을 통해 원격지에 있는 모니터링 장치 또는 컴퓨터 또는 MMI(Man Machine Interface)에 전달되어 감시자가 유도 전동기의 상태를 확인할 수 있게 한다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예는 16개의 유도 전동기에 대한 감시를 수행하고 있지만 16개의 유도 전동기에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명의 출력이 유선 랜을 통해 전송되고 있으나, 무선 랜 또는 그 밖의 통신 수단을 통해 외부로 전송되어질 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명을 다수개 준비하여 원하는 만큼의 유도 전동기를 동시에 감시할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 16개의 유도 전동기(m1, m2, ..., m16)의 활선 상태에서 진행하는 전동기 선 전류 측정에 의한 회전자 및 축 관련부 이상 감지를 하기 위해, 각 유도 전동기에 1: 1로 대응하는 16개의 전류 검출부(100, 101, ..., 115), 16개의 전류 검출부(100, 101, ..., 115)의 출력을 입력받아 신호 처리하는 신호 처리부(200), 신호 처리부(200)의 출력을 연산하여 각 유도 전동기(m1, m2, ..., m16)의 상태 결과를 도출하는 중앙처리장치(300), 중앙처리장치(300)의 결과를 저장 및 유도 전동기의 상태 결과 도출을 위한 알고리즘을 저장하고 있는 메모리부(400) 및, 중앙처리장치(300)에 의해 도출된 유도 전동기들(m1, m2, ..., m16)의 결과 데이터를 원격지에 전송되도록 해당 통신 프로토콜로 변환시켜 출력하는 통신부(500)를 포함한다.

여기서, 바람직하게는 신호 처리부(200), 중앙처리장치(300), 메모리부(400)와 통신부(500)는 하나의 로컬(local) 피시비(PCB: Printed Circuit board)에 구성된다.

이하, 도 2를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 유도 전동기 상시 감시 시스템을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류 검출부를 상세화한 블록도이다. 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명이 감시 또는 진단하고자 하는 유도 전동기는 다양하나, 여기서는 3상 유도 전동기를 예로 설명한다.

진단되는 16개의 3상 유도 전동기(m1, m2, ..., m16)에는 유도 전동기의 입력 전류 검출을 위해 16개의 전류 검출부(100, 101, ..., 115)가 각각 연결되어 있으며, 각 전류 검출부(100, 101, ..., 115)는 고정자에 형성된 3개의 코일(U, V, W)로 입력되는 교류 전원을 검출하기 위해 제1, 제2 및 제3인 3개의 전류 검출기(121, 122, 123)로 이루어져 있다.

제1 전류 검출기(121)는 U 코일과 V 코일의 접점에 입력단이 연결되고, 제2 전류 검출기(122)는 U 코일과 W 코일의 접점에 입력단이 연결되며, 제3 전류 검출기(123)는 W 코일과 V 코일의 접점에 입력단이 연결된다. 따라서, 제1 내지 제3 전류 검출기(121, 122, 123)에는 각 코일(U, V, W)에 인가되는 교류 전류가 입력된다.

여기서 바람직하게는, 전류 검출기는 전원 및 전동기를 보호하기 위해 전동기 구동용 계장 패넬(panel)에 내장된 계장용 CT(current transformer)의 출력선에 2차 전류 검출용 CT를 사용한다.

여기서, 계장용 CT는 일반적으로 측정하고자 하는 전류의 최대값을 설계하고 이 최대값 전류에 대하여 출력이 5A 가 되도록 CT의 종류를 선정한다. 예를 들면, 정격전류 100A의 전동기에 흐르는 전류를 측정하는 계장용 CT의 경우 200A일 때 5A를 출력하는 200:5 CT 혹은 500A일 때 5A를 출력하는 500:5 CT를 사용한다. 정격보다 큰 CT를 사용하는 이유는 과전류 상태에서 측정 가능하게 하기 위해서이다. 출력이 5A를 기본으로 하는 이유는 모든 계장 시스템들이 5A를 기준으로 동작하도록 제작하기 때문이다. 따라서 본 시스템에서는 5A 출력선에 2차 CT를 사용하며 원래의 전류값은 1차 CT의 비를 확인하여 환산하도록 한다.

2차 전류 검출을 하는 이유는 기본 시스템의 안정성에 부담이 되지 않도록 시스템을 구성할 수 있으며, 대부분의 계장 패널에는 전동기 구동 배선용 차단기가 형성되어 있으므로 비교적 가까운 거리에서 본 발명의 로컬 피시비를 설치할 수 있기 때문이다.

따라서, 각각의 전류 검출부는 3개의 교류 전류(i1, i2, i3)를 검출하고, 검출한 교류 전류를 신호 처리부(200)의 아날로그(analog) 먹스(MUX)(210)로 출력한다.

상기에 의해, 아날로그 먹스(210)는 적어도 16개의 전류 검출부(100 내지 115)에서 출력하는 교류 전류를 입력하기 위해 3×16개의 입력단이 형성되어 있어야 한다. 아날로그 먹스(210)는 16개의 유도 전동기(m1 내지 m16)에 대한 검출 전류를 입력받아 하나의 라인(line)을 통해 신호 처리부(220)의 A/D(analog/digital) 변환부(220)로 출력한다. 이때, 아날로그 먹스(210)는 입력받은 각 유도 전동기의 각 코일 입력 전류를 순차적으로 A/D 변환부(220)에 출력한다.

그러면, A/D 변환부(220)는 아날로그 먹스(210)로부터 입력되는 교류 신호로부터 전원 주파수(60Hz)를 제외한 나머지 주파수를 검출하기 위해 설정된 주파수로 샘플링(sampling)하고 로우패스(low pass) 필터링(filtering)한 후, 디지털 신호로 변환시켜, 변환시킨 디지털 신호를 중앙처리장치(300)로 출력한다. 따라서, A/D 변환부(220)에서 중앙처리장치(300)로 입력되는 신호는 각 유도 전동기(m1 내지 m16)의 각 코일에 인가되는 고조파 신호 성분이다.

중앙처리장치(300)는 상기 메모리부(400)에 저장된 고조파 신호 처리 알고리즘을 구동시켜 A/D 변환부(220)에서 출력하는 고조파 신호를 주파수 특성을 분석하고, 분석한 결과를 다시 메모리부(400)에 저장시킨다.

상기의 중앙처리부(300)는 타이머를 사용하여 매주기(채널당 10kHz 이상) 전류 값을 모니터링하여 60Hz성분의 50주기정도의 정보를 메모리에 저장한 후 이를 고주파수 성분과 저주파수 성분으로 분리하여 각각의 주파수 특성을 분석하여 주파수 대역별 크기를 메모리에 다시 저장한다. 이러한 중앙처리부(300)의 동작은 통신시 데이터의 양을 줄일 수 있고 전체 시스템 관리장치의 주파수 분석 부담을 덜어준다.

이때, 메모리부(400)는 RAM과 ROM으로 구성되어, 주파수 특성 분석하는 알고리즘을 ROM에 저장시키고, 중앙처리장치(300)에서 출력하는 분석 결과 정보를 RAM에 저장되도록 하는 것이 바람직하다.

중앙처리장치(300)는 메모리부(400)에 분석 결과를 저장시킴과 동시에 분석 결과를 통신부(500)로 출력한다.

그러면, 통신부(500)는 중앙처리장치(300)로부터 입력되는 각 유도 전동기(m1 내지 m16)의 고조파 신호의 분석 결과를 유선 랜을 통해 외부로 전송할 수 있는 해당 프로토콜(protocol) 타입으로 만들고, 이를 유선 랜을 통해 외부에 위치한 모니터링 장치 또는 MMI(600)에 전달한다.

따라서, 감시자는 원격지에 있더라도 MMI(600)를 통해 다수의 유도 전동기들의 상태 감시를 동시에 진단할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명은 현장에서 사용되는 다수의 유도 전동기의 회전자 및 축 관련부의 이상을 검사자가 개별 현장점검을 하지 않아도, 여러대의 유도 전동기의 상태를 원격지에서 진단할 수 있게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 전동기 상시 감시 시스템의 블록 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류 검출부를 상세화한 블록도이다.

Claims (4)

1. 복수의 유도 전동기로 각각 입력되는 입력 전류를 검출하는 복수의 전류 검출부;

   상기 복수의 전류 검출부에서 출력하는 검출 교류 전류를 입력하여 설정된 주파수로 샘플링하고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 신호 처리부;

   상기 신호 처리부의 출력을 입력받아 주파수 특성 분석을 수행하여 상기 유도 전동기의 상태를 판단하는 중앙 처리부;

   상기 중앙 처리부에서 수행될 주파수 특성 분석 알고리즘을 저장하며, 상기 중앙 처리부에 의해 분석된 상기 유도 전동기들의 주파수 특성 분석 결과를 저장하는 메모리부; 및

   상기 중앙 처리부에 의해 산출된 상기 유도 전동기의 상태 결과를 입력받아 외부로 무선 송신하는 통신부를 포함하는 유도 전동기 상시 감시 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하나의 전류 검출부는,

   하나의 유도 전동기의 고정자측에 형성된 각 코일로 입력되는 전류들을 검출하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 상시 감시 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 신호 처리부는,

   상기 복수의 전류 검출부에서 출력하는 검출 교류 신호들 모두를 입력받아 하나의 출력 라인을 통해 순차적으로 출력하는 아날로그 먹스와, 상기 아날로그 먹스로부터 순차적으로 입력되는 검출 교류 신호를 설정된 주파수로 샘플링하고 로우패스 필터링(filtering)한 후 디지털 신호로 변환시켜 상기 입력되는 검출 교류 신호로부터 전원 주파수를 제외한 나머지 주파수를 검출하는 A/D 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 상시 감시 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 통신부는 유선 랜에 연결되며, 입력되는 데이터를 유선 랜의 통신 규약에 따르는 데이터 형태로 변조시키는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 상시 감시 시스템.