KR100823723B1 - 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치 및방법 - Google Patents

인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치 및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터 구동식 교류전동기의 고정자 권선의 결함을 진단하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 교류전동기의 고정자권선간의 결함(단락 등)을 온라인 상태에서(가령, 전동기 운전 중에 실시간으로) 진단하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일특징에 따른 인버터구동형 교류전동기의 고정자 권선 결함 진단장치는, 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터의 내부에 포함되는 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에 병렬 연결되는 두 개의 저항이 서로 직렬 연결되어, 상기 두 저항의 연결점 n과, 교류전동기의 각 상 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하여 얻은 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
인버터, 교류전동기, 유도전동기, 권선, 결함, 단락

Description

인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치 및 방법{Device and method for detecting fault of stator windings of inverter-fed AC motor}
도 1과 도 2는 종래의 교류전동기 권선 결함 진단 장치의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 교류전동기 권선 결함 진단 장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 교류전동기 권선 결함 진단 방법의 구성도.
<표기없는 도면부호의 설명>
10: 교류전동기, 12: 진동센서, 14: 누설자속 센서, 16: 전동기 보디
본 발명은 인버터 구동식 교류전동기(이하 "교류전동기")의 고정자 권선의 결함을 진단하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 교류전동기의 고정자권선간의 결함(단락 등)을 온라인 상태에서(가령, 전동기 운전 중에 실시간으로) 진단하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 다양한 교류전동기 권선 결함(권선 단락)을 진단하는 장치를 나타낸다.
교류전동기(10)의 고정자 권선에 결함이 생기면 전동기가 진동을 일으키게 된다. 이를 탐지하기 위하여 진동센서(12)를 전동기에 부착시켜 결함을 진단한다. 또한, 교류전동기의 고정자 권선간에 단락이 생기면 그 단락된 권선에 고장 순환전류가 흐르게 된다. 고장 순환전류에 의해 누설자속이 생성되므로 누설자속 센서(14)를 전동기에 부착시켜 고장 순환전류를 감지한다. 또한, 교류전동기의 삼상 전류(Ia, Ib, Ic)를 가지고 정상 전류와 역상 전류를 계산할 수 있다. 교류전동기가 고장나지 않았으면 역상 전류는 0이 되나 그렇지 않으면 역상 전류가 흐르게 된다. 이 역상 전류를 이용하여 결함을 진단한다.
도 2는 종래의 또다른 권선 결함 진단 장치를 소개하고 있다. 도 2에 나타낸 도면에서 두 가지의 결함진단이 가능하다.
첫째는, 교류전동기의 권선에 삼상 전압(Vag, Vbg, Vcg)을 인가할 때 각 상의 권선에 대한 상전압 3개(Vas, Vbs, Vcs)를 측정하여 세 개의 상전압을 더한 것을 3으로 나누어 준다. 이 계산값을 영상전압(zero phase voltage)이라 하는데, 전동기에 결함이 없다면 영상전압값은 0이지만 그렇지 않으면 전압값이 발생하게 된다. 이 영상전압을 이용하여 결함을 진단한다.
둘째는, 저항 3개와 전압 한 개를 이용한 방법으로, 각 상에 연결된 저항 R의 연결점 n과 교류전동기 고정자 권선의 중성점 S의 전위차를 측정하면 영상전압을 얻을 수 있다. 이 영상전압을 이용하여 결함을 진단한다.
이상의 종래 기술에서는 다음과 같은 문제가 있다.
도 1의 경우에, 진동 또는 누설자속을 이용하는 경우에는, 진동센서와 누설자속 센서의 가격이 고가이며, 권선 결함은 탐지할 수 있더라도 어느 권선에서 결함이 발생했는지 권선 위치의 판단이 불가능하다. 또한, 역상 전류를 이용하는 경우에는 두 개의 전류센서를 사용하므로 두 센서간 오차에 의해 역상 전류가 생기는 경우가 발생할 수 있고, 또한, 어느 권선에서 결함이 발생했는지 권선 위치의 판단이 불가능하다.
도 2의 경우에는, 3개 권선의 각 상전압을 이용하는 경우에는, 세 개의 전압 센서를 사용해야 하므로 이들 세 센서간의 오차에 의해 영상전압이 발생할 우려도 있을 수 있으며, 역시 어느 권선에서 결함이 발생했는지 권선 위치의 판단이 불가능하다. 저항 3개와 한 곳의 전압을 사용하는 경우에도, 어느 권선에서 결함이 발생했는지 권선 위치의 판단이 불가능하다.
따라서 본 발명은 인버터 구동형 교류전동기의 고정자 권선의 결함(특히 단락)을 진단하기 위하여 개발된 장치와 방법으로서, 인버터 내에 간단한 부품을 삽입함에 의해 온라인으로 고정자 권선의 결함 여부를 진단할 수 있는 것을 목적으로 하는 인버터 구동형 교류전동기의 고정자 권선 결함진단 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 온라인으로 고정자 권선의 결함 여부를 진단하는 것 뿐만 아니라, 어느 상의 권선에서 결함이 발생하였는지도 파악할 수 있는 고정자 권선 결함진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일특징에 따른 인버터구동형 교류전동기의 고정자 권선 결함 진단장치는, 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터의 내부에 포함되는 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에 병렬 연결되는 두 개의 저항이 서로 직렬 연결되어, 상기 두 저항의 연결점 n과, 교류전동기의 각 상 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하여 얻은 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 고정자 권선의 결함이 판단된 경우에 어느 상의 권선에서 결함이 발생하였는지를 알기 위하여, 상기 저항 연결점 n과 제1상 권선 간의 전위차(Van)를 측정하여,
Figure 112006073226998-pat00001
인 경우에 제1상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
Figure 112006073226998-pat00002
인 경우에 제2상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
Figure 112006073226998-pat00003
인 경우에 제3상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단한다.
상기 두 저항의 연결점 n과, 교류전동기의 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하고, 상기 저항 연결점 n과 제1상 권선 간의 전위차(Van)를 측정하는 것은 인버터에 내장된 전압센서에 의해 이루어질 수 있다. 인버터에 전압센서를 내장하게 되면, 외부에서는 이 센서의 출력을 모니터링하기만 하면 되므로 온라인으로 교류전동기의 고정자 권선의 결함 여부를 체크할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 인버터의 내부에 포함되는 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에 병렬 연결되는 두 개의 저항이 서로 직렬 연결되어, 상기 두 저항이 연결된 연결점 n과, 교류전동기의 각 상 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하여 영상전압을 얻는 전압센서를 포함하는 인버터에 의해 구동되는 교류전동기를 제공한다.
또한, 본 발명의 또다른 양태인 교류전동기의 고정자 권선 결함 진단 방법에 따르면, 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터 내부에 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에, 직렬 연결된 같은 크기의 두 개 저항을 병렬로 연결하는 단계; 상기 두 저항의 연결점 n과, 교류전동기의 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn), 즉 영상전압을 측정하는 단계; 전압센서에 의해 측정된 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는지를 판단하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
여기서 상기 VSn 측정 단계는, 상기 저항간의 연결점 n과 제1상 권선 사이의 전위차(Van)를 측정하는 단계를 포함하여,
Figure 112006073226998-pat00004
인 경우에 제1상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
Figure 112006073226998-pat00005
인 경우에 제2상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
Figure 112006073226998-pat00006
인 경우에 제3상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인버터 구동형 교류전동기의 고정자 권선 결함진단 장치 및 방법의 구체적인 실시예를 설명한다.
도 3에서, 인버터(30) 내부에 직류 전압이 걸리는 커패시터(C1, C2) 양단에 직렬연결된 두 개의 저항(R1, R2)을 병렬로 연결한다(R1과 R2의 저항값은 동일함). 도 3은 도 5에 나타낸 것과 같은 일반적인 3상교류전원-인버터-유도전동기의 연결구조를 당업자에게 자명한 수준에서 간략화한 도면이다. 도 3에서, 이들 저항의 연결점인 연결점 n과, 교류전동기 즉 유도전동기(40)의 중성점 S 간의 전위차(VSn)를 측정하면 영상전압(zero phase voltage)을 얻을 수 있다. 영상전압은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하여 용이하게 얻을 수 있다. 전위차(VSn)를 측정하기 위한 전압센서(미도시)를 인버터에 설치하여 외부에서 모니터가능하도록 하면, 본 발명에 따른 권선 단락 진단은 온라인으로 이루어질 수 있다.
고정자 권선(41 42, 43) 전체에 결함이 없다면 이 영상전압은 영(0)이 될 것이지만, 영상전압으로서 전압값이 측정된다면 고정자 권선에는 결함이 있는 것이므로, 영상전압을 측정함으로써 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는지를 진단할 수 있다.
그러나 영상전압만으로는 어느 상의 권선에 결함이 있는지 알 수가 없다. 이를 알기 위해서 저항(R1, R2)의 연결점 n과 제1권선(41)의 a점 간의 전위차(Van)를 측정한다. 수학식 1은 a상에 권선간 단락이 일어났을 때의 고장순환 전류를 나타내는 식이다.
Figure 112006073226998-pat00007
여기서 Rs는 전동기 고정자 권선의 저항, Xls는 전동기 고정자 권선의 누설 자속, Zz는 영상 임피던스이다.
수학식 2는 권선간 단락에 의해 생기는 교류전동기의 영상전압(VSz)의 식이다. 아래 수학식 2에서, μ는 교류전동기 고정자 권선에서 한 상의 전체 권선수 중 권선간 단락이 발생한 권선의 비를 나타낸다. 즉 권선간 단락이 발생하지 않았으면 μ는 0이 된다.
Figure 112006073226998-pat00008
그리고 수학식 3에 따라 a상에 권선간 단락이 일어나면 영상전압의 각도는 -Van의 각도와 같게 된다.
Figure 112006073226998-pat00009
인버터를 사용하기 때문에 3상 전원이 평형이며 VSn
Figure 112006073226998-pat00010
가 되어 VSn을 측정하게 되면 수학식 4에 나타낸 것과 같이 교류전동기의 영상전압에 -1을 곱한 값을 얻게 된다.
Figure 112006073226998-pat00011
따라서 a상, 즉 제1권선(41)에 단락이 발생하면 VSn의 각도는 수학식 5와 같이 된다.
Figure 112006073226998-pat00012
수학식 5를 통해, 만일 b와 c상에 결함이 발생하게 되면 각각 120도 뒤지거나 앞서게 됨을 알 수 있다. 즉,
Figure 112006073226998-pat00013
인 경우에는 제2상 권선(42)에서 단락이 일어난 것으로 볼 수 있고,
Figure 112006073226998-pat00014
인 경우에는 제3상 권선(43)에서 단락이 일어난 것으로 볼 수 있다.
이상에서, 본 발명에 따르면 교류전동기(40)의 중성점 S와 인버터에 연결한 저항의 연결점 n 간의 전위차 VSn(즉, 영상전압)의 크기를 보고 교류전동기에 권선간 단락이 발생했음을 진단할 수 있고, VSn의 각도를 계산하여 단락이 어느 권선에서 일어났는지를 알 수 있게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 고정자 권선 결함 진단방법의 구체적인 프로세스를 설명하기 위한 순서도이다. 앞에서 설명한 결함 진단장치의 작용과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하고 간략하게 도 4를 설명하기로 한다.
우선, 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터 내부에 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에 병렬로, 두 개 저항을 직렬 연결한다(100). 상기 두 저항의 연결점(중성점) n과, 교류전동기의 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn), 즉 영상전압을 측정한다(110). 이 때 전압센서에 의해 영상전압이 발생하면(즉, 영(0)이 아닌 경우)(121) 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는지를 판정하고(130), 영상전압이 0인 경우에는(122) 결함이 없는 것이므로 계속해서 영상전압 유무를 체크하여 감시한다(123).
한편, 영상전압이 발생한 경우에는 어느 상에서 결함이 발생했는지를 파악하기 위하여, 상기 저항간의 연결점 n과 제1상 권선 사이의 전위차(Van)를 측정한다(140). 측정하여,
Figure 112006073226998-pat00015
인 경우에는(151) 제1상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고(161),
Figure 112006073226998-pat00016
인 경우에는(152) 제2상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고(162),
Figure 112006073226998-pat00017
인 경우에는(153) 제3상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단한다(163).
이상에서 본 발명을 구체적으로 실시하기 위한 실시예를 설명하였다. 그러나 이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현한 하나의 예로서 본 발명의 기술적 범위를 한정짓는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 범위 내지는 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 결정되는 것이다.
본 발명을 통해 권선 절연의 열화가 빠르게 일어나는 인버터 구동 교류전동기의 권선간 단락을 조기에 진단하여, 절연 파괴에 의한 피해를 최소화할 수 있다. 본 발명은 기존의 방법과 비교하여 다음과 같은 장점들을 갖고 있다. 1) 진동, 누설 자속 센서와 같은 고가의 센서를 필요로 하지 않기 때문에 저렴한 비용으로 진단을 행할 수 있다. 2) 세 개의 상 전압 또는 전류를 측정하지 않기 때문에 상간 측정 오차에 의한 오진단의 우려가 없다. 3) 인버터에 저항 두 개와 전압센서 한 개만 설치하면 되므로 별도의 하드웨어를 필요로 하지 않아 구성이 간단하다. 4) 고장이 일어난 상의 위치를 파악할 수 있기 때문에, 수리/보수 시간 및 인건비를 절약할 수 있으며, 두 개의 상으로 비상 운전을 행할 수 있다.
본 발명에 따른 고장진단 기능이 내재된 인버터에 따르면, 인버터의 특화를 통한 차별화로 인버터의 경쟁력을 높여 경제적 상업적 이점을 얻을 수 있다. 인버터 사용자 입장에서는 별도의 고장 진단 장치를 사용하지 않고도 진단이 가능하기 때문에 경제적이며, 조기진단 및 위치 파악으로 운전 및 보수 점검을 보다 효율적으로 행할 수 있다. 또한 기술 선점으로 해외 기술 의존도를 낮출 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터의 내부에 포함되는 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에 병렬 연결되는, 서로 직렬 연결된 복수의 저항,
    상기 저항의 직렬 연결점 n과, 교류전동기의 각 상 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하는 수단,
    상기 전위차(VSn) 측정 수단에서 얻은 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는 것으로 판단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항 연결점 n과 제1상 권선 간의 전위차 Van 을 측정하는 수단과,
    Figure 112007081326236-pat00018
    인 경우에 제1상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
    Figure 112007081326236-pat00019
    인 경우에 제2상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
    Figure 112007081326236-pat00020
    인 경우에 제3상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하는 수단을 추가로 포함하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전위차(VSn) 측정 수단에는
    상기 저항 연결점 n과, 교류전동기의 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하는 제1전압센서가 포함되는 것을 특징으로 하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전위차(VSn) 측정 수단에는
    상기 저항 연결점 n과 제1상 권선 간의 전위차(Van)를 측정하는 제2전압센서가 포함되는 것을 특징으로 하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1전압센서와 제2전압센서는 하나의 전압센서로 통합된 것을 특징으로 하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 장치.
  6. 구동용 인버터 및 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기에 있어서,
    상기 인버터의 내부에 포함되는 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에, 서로 직렬 연결된 복수의 저항이 병렬로 연결되어,
    상기 저항이 연결된 연결점 n과, 교류전동기의 각 상 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn)를 측정하여 영상전압을 얻는 전압센서를 포함하며,
    상기 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 인버터 구동형 교류전동기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전압센서는
    상기 영상전압 뿐만 아니라, 상기 저항의 연결점인 연결점 n과 제1상 권선 간의 전위차(Van)를 측정하는 것을 특징으로 하는, 인버터 구동형 교류전동기.
  8. 제1상 권선, 제2상 권선, 제3상 권선을 포함하는 교류전동기를 구동하는 인버터 내부에 직류 전압이 걸리는 커패시터 양단에, 직렬 연결된 같은 크기의 저항을 병렬로 연결하는 단계,
    상기 저항의 연결점 n과, 교류전동기의 권선의 중성점 S 사이의 전위차(VSn), 즉 영상전압을 측정하는 단계,
    전압센서에 의해 측정된 영상전압이 영(0)이 아닌 경우에 교류전동기의 고정자 권선에 결함이 있는 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 VSn 측정 단계는, 상기 저항간의 연결점 n과 제1상 권선 사이의 전위차(Van)를 측정하는 단계를 포함하여,
    Figure 112007081326236-pat00021
    인 경우에 제1상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
    Figure 112007081326236-pat00022
    인 경우에 제2상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하고,
    Figure 112007081326236-pat00023
    인 경우에 제3상 권선에서 단락이 일어난 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 인버터구동 교류전동기의 고정자권선 결함 진단 방법.
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