KR101169796B1 - 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템 - Google Patents

유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템 Download PDF

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KR101169796B1
KR101169796B1 KR1020110013015A KR20110013015A KR101169796B1 KR 101169796 B1 KR101169796 B1 KR 101169796B1 KR 1020110013015 A KR1020110013015 A KR 1020110013015A KR 20110013015 A KR20110013015 A KR 20110013015A KR 101169796 B1 KR101169796 B1 KR 101169796B1
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양철오
송명현
박규남
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양철오
순천대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 유도 전동기의 회전자바 고장 진단 시스템에 관한 것으로서, 검사대상 유도 전동기에 대한 전원주파수, 회전자 슬롯의 개수, 극수, 정격속도, 동기속도를 포함한 모터사양정보를 입력할 수 있도록 된 조작부와, 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류검출부에서 검출된 전류신호와 조작부를 통해 입력된 모터 사양정보로부터 검사대상 유도전동기의 회전자바에 대한 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고, 진단처리부는 전류검출부에서 검출된 전류신호를 주파수 스펙트럼신호로 변환하는 퓨리에 변환부와, 회전자 슬롯의 개수와, 상기 전원 주파수와, 주파수 스펙트럼으로부터 구한 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수로부터 회전속도를 산출하는 회전속도 산출부와, 회전속도 산출부에서 산출된 회전속도로부터 슬립을 산출하는 슬립계산부와, 슬립계산부에서 산출된 슬립과 전원주파수 정보를 이용하여 회전자바 결함 주파수 대역을 산출하고, 산출된 회전자바 결함 주파수 대역상의 주파수 스펙트럼으로부터 피크값을 산출하는 진단 주파수 대역 피크값 검출부와, 회전속도 산출부에 의해 산출된 회전속도에 대응하여 문턱값을 산출하여 출력하는 문턱값 설정부와, 문턱값 설정부에서 출력되는 문턱값과 피크값을 비교하고, 피크값이 문턱값보다 크면 고장으로 진단처리하는 고장판별부를 구비한다. 이러한 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템에 의하면 속도측정 센서를 생략할 수 있어 구조가 단순해지면서도 경부하로 운전중인 유도 전동기에 대한 회전자바의 고장여부를 정밀하게 진단할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템{fault detecting system of rotor bar of motor}
본 발명은 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 회전바의 고장진단 정밀도를 높이면서도 구조가 간단한 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 유도전동기는 정류자를 갖추지 않고 회전자 또는 고정자의 한쪽만이 전원에 접속되어 있고 다른쪽은 유도에 의해 동작하는 전동기를 말한다.
유도전동기는 회전자계를 형성하는 고정자 권선과, 회전자계에 의해 발생된 자속의 통로를 형성해주는 고정자 철심과, 유도전류를 받아 회전하는 회전자 도체 및 회전자 철심으로 이루어지는데, 여기서는 회전자 도체를 회전자바라고 한다.
이러한 유도전동기는 전원공급이 용이하고 속도제어를 위한 장치 구성비용이 저렴하다는 구조적인 강점 때문에 많은 주요 기기의 구동장치로 산업영역 전반에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다. 유도전동기의 갑작스런 고장은 구동장치를 사용하는 전체 시스템에 대한 신뢰도 및 안정성을 저하시키고 경제적인 손실을 초래할 뿐만 아니라 인명 피해의 위험 등 많은 문제를 발생할 수 있다. 따라서 중요한 전동기는 어떤 형태로든 초기 결함을 감지하여 계획적인 예방정비 또는 적기에 수리가 이루어질 수 있는 결함검출 방법이 필요하다.
유도전동기에서 회전자의 고장은 자주 발생하는 결함 중에 하나이다.
회전자 결함은 회전자에 작용되는 전자기, 열, 동적, 환경 및 기계적인 여러가지 복합적인 스트레스에 의해 야기된다. 이러한 스트레스는 전동기가 알맞게 설계, 제작, 설치, 작동, 유지되는 경우 억제될 수 있다. 그러나 부적절한 캐스팅과 같은 비정상적인 작동조건 및 적절하지 못한 유지보수는 유도전동기의 회전자 바에 영향을 미친다. 회전자 바 고장에 따른 토크성능 저하는 40개중 파손된 회전자 바가 1개인 경우 성능저하는 2~4%로 저하되고, 3~5개의 파손된 경우10~15%로 저감된다.
이와 같은 회전자 바 고장에 대하여 전류 신호 해석에 의한 여러가지 진단 방법이 사용되고 있지만 종래의 대부분의 유도전동기 회전자바 고장 진단에서는 경부하 구간에서의 진단에 대해 고려되지 않았다. 하지만 실제 산업 현장의 많은 유도전동기는 경부하 조건에서 운전되고 있으므로, 이러한 유도전동기의 온라인 고장 진단을 위해서는 경부하 조건에서 운전되는 유도전동기의 회전자 바에 대해서 정밀하게 고장여부를 진단할 수 있는 방식이 요구된다.
또한, 회전자바 고장진단을 위해서는 유도 전동기의 회전속도를 측정하여야 하는데, 엔코더와 같은 기계적인 속도 센서를 이용하는 경우 주변 환경이나 전동기의 설치조건에 따라서 속도 측정이 어려운 경우가 많으며, 특히 이미 전동기가 설치된 환경에서는 운전 중인 유도 전동기의 속도 측정이 용이하지 않아 속도 측정센서 없이 속도 정보를 추출할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 경부하 조건에서도 운전중인 유도 전동기의 회전바 고장 여부를 정밀하게 진단할 수 있는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회전속도를 측정하는 센서를 적용하지 않으면서 회전속도를 추정할 수 있는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템은 유도 전동기의 회전자바 고장 진단 시스템에 있어서, 검사대상 유도 전동기에 대한 전원주파수(fe), 회전자 슬롯의 개수(R), 극수(p), 정격속도(Nr), 동기속도(Ns)를 포함한 모터사양정보를 입력할 수 있도록 된 조작부와; 상기 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와; 상기 전류검출부에서 검출된 전류신호와 상기 조작부를 통해 입력된 상기 모터 사양정보로부터 검사대상 유도전동기의 회전자바에 대한 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고, 상기 진단처리부는 상기 전류검출부에서 검출된 전류신호를 주파수 스펙트럼신호로 변환하는 퓨리에 변환부와; 상기 회전자 슬롯의 개수(R)와, 상기 전원 주파수(fe)와, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구한 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터 회전속도(N)를 산출하는 회전속도 산출부와; 상기 회전속도 산출부에서 산출된 회전속도로부터 슬립(S)을 산출하는 슬립계산부와; 상기 슬립계산부에서 산출된 슬립과 상기 전원주파수 정보를 이용하여 회전자바 결함 주파수 대역을 산출하고, 산출된 상기 회전자바 결함 주파수 대역상의 상기 주파수 스펙트럼으로부터 피크값을 산출하는 진단 주파수 대역 피크값 검출부와; 상기 회전속도 산출부에 의해 산출된 회전속도에 대응하여 문턱값을 산출하여 출력하는 문턱값 설정부와; 상기 문턱값 설정부에서 출력되는 문턱값과 상기 피크값을 비교하고, 상기 피크값이 상기 문턱값보다 크면 고장으로 진단처리하는 고장판별부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 회전속도 산출부는 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin)를 아래의 수학식으로부터 산출하고,
Figure 112011010497759-pat00001
,
Figure 112011010497759-pat00002
여기서, fm은 대역폭 결정을 위한 여유분 주파수이며,
산출된 상기 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin) 사이의 상기 주파수 스펙트럼 상의 피크 주파수를 상기 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로 결정한다.
또한, 상기 회전속도 산출부는 상기 회전자 슬롯의 개수(R)와, 상기 전원 주파수(fe)와, 상기 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터
Figure 112011010497759-pat00003
의 수학식을 적용하여 회전속도(N)를 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬립계산부는 슬립(S)을 아래의 수학식
Figure 112011010497759-pat00004
에 의해 산출하고, 상기 진단 주파수 대역 피크값 검출부는 회전자바 결함주파수(fb)를
Figure 112011010497759-pat00005
의 수학식을 적용하여 산출하되, k값이 1과 2인 경우에 대해 상기 전원주파수보다 낮은 주파수를 갖는 제1 및 제2결함주파수를 구하고, 상기 제1 및 제2결함주파수를 중심으로 설정된 대역폭을 적용한 스캐닝 구간상에서 제1 및 제2 피크값을 산출하여 상기 고장판별부에 출력하고,
상기 고장판별부는 상기 문턱값 설정부에서 상기 k값이 1인 경우와 2인 경우에 대해 각각 출력되는 제1 및 제2 문턱값 보다 상기 제1 및 제2 피크값이 큰 경우에 고장으로 진단처리한다.
더욱 바람직하게는 상기 문턱값 설정부는 상기 K값이 클수록 문턱값이 커지고, 상기 회전속도가 커지면 진폭이 작아지게 설정된다.
본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템에 의하면, 속도측정 센서를 생략할 수 있어 구조가 단순해지면서도 경부하로 운전중인 유도 전동기에 대한 회전자바의 고장여부를 정밀하게 진단할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템을 나타내 보인 블록도이고,
도 2는 유도전동기에 대해 측정된 회전자 슬롯 하모닉 주파수의 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 3은 1690rpm의 정격부하에서 운전될 때 회전자 상태별로 회전자 바 고장 주파수 대역의 진폭의 크기를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 1740rpm의 회전속도로 운전될 때 회전자 상태별로 회전자 바 고장 주파수 대역의 진폭의 크기를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 부하 변화에 따른 LSB1의 주파수 성분의 진폭 변화를 보여주는 그래프이고,
도 6은 부하 변화에 따른 LSB2의 주파수 성분의 진폭 변화를 보여주는 그래프이고,
도 7 및 도 8은 고장 주파수 대역의 피크값에 대한 LSB1과 LSB2에 대한 평균값을 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템을 나타내 보인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템(100)은 전류검출부(110), 조작부(120), 진단 처리부(130), 기억부(180) 및 표시부(190)를 구비한다.
전류검출부(110)는 구동부(201)로부터 전력공급선로(207)를 통해 유도전동기(205)와 접속되어 운전중인 유도 전동기(205)에 대해 전력공급선로(207) 상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류신호를 디지털신호로 변환하여 진단 처리부(130)에 출력한다.
전류검출부(110)의 전력공급선로(207)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 검출단(112)은 커런트 트랜스 포머 등 공지된 다양한 전류검출 프로브를 적용하면 된다.
참조부호 212는 유도 전동기(205)에 접속된 부하이다.
조작부(130)는 검사대상 유도 전동기(205)에 대한 전원주파수(fe), 회전자 슬롯의 개수(R), 극수(p), 정격속도(Nr), 동기속도(Ns)를 포함한 모터사양정보를 진단 처리부(130)의 지원하에 입력할 수 있도록 되어 있다.
조작부(130)를 통해 입력된 모터사양정보는 진단 처리부(130)에 의해 이용되도록 진단처리부(130)의 제어하에 기억부(180)에 저장된다.
진단 처리부(130)가 통상의 컴퓨터를 통해 구축되는 경우 조작부(130)는 키보드 또는 터치스크린이 적용되면 된다.
진단 처리부(130)는 전류검출부(110)에서 검출된 전류신호와 조작부(120)를 통해 입력된 모터 사양정보로부터 검사대상 유도전동기(205)의 회전자바에 대한 고장여부를 진단하고, 진단 결과를 표시부(190)를 통해 표시한다.
진단처리부(130)는 퓨리에(FFT) 변환부(131), 회전속도 산출부(133), 슬립계산부(135), 진단 주파수대역 피크값 검출부(137), 문턱값 설정부(139), 고장판별부(141)를 구비한다.
퓨리에 변환부(131)는 전류검출부(110)에서 검출된 전류신호를 고속 퓨리에 변환에 의해 주파수 스펙트럼신호로 변환처리한다.
회전속도 산출부(133)는 회전자 슬롯의 개수(R)와, 구동부(210)를 통해 공급되는 전원의 전원 주파수(fe)와, 주파수 스펙트럼으로부터 구한 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터 회전속도(N)를 산출한다.
여기서, 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fsh)의 일반식은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112011010497759-pat00006
여기서, k는 하모닉 차수에 해당하며 1,2,3...의 값을 적용할 수 있고, R은 회전자 슬롯의 수 이며, S는 슬립이며, nd은 회전자 편심의 순서로서 0, ±1, ...의 값이 적용될 수 있고, nw는 공극 기자력 하모닉 순서로서 ±1, ±3, ...의 값이 적용되며, 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fsh1)는 k=1, nd=0, nw=1일 때의 주파수를 말한다.
한편, 푸리에 변환부(131)에서 생성되는 전류 스펙트럼에서 회전자 슬롯 하모닉의 크기는 전원 주파수에 의한 하모닉 성분보다 작다. 따라서 주파수 스펙트럼의 전체 구간에서 최대 피크점을 갖는 주파수 대역을 검출하면 전원 주파수(fe)가 검출된다. 따라서 회전속도 측정을 위한 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)을 검출하기 위해서는 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)가 발생할 수 있는 최대/최소 주파수 범위를 추출하여, 그 주파수 범위에서 가장 큰 진폭을 가지는 주파수 대역을 검출하면된다.
따라서, 회전속도 산출부(133)는 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)가 발생할 수 있는 주파수 범위에 대해 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin)를 아래의 수학식 2 및 3으로부터 먼저 산출한다.
Figure 112011010497759-pat00007
Figure 112011010497759-pat00008
여기서, fshmax는 슬립(S)이 영일 때의 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)이며, fm은 대역폭 결정을 위한 여유분 주파수이며 적절하게 예를 들면 3 내지 10Hz를 적용하면 된다.
회전속도 산출부(133)는 위 수학식 2로부터 산출된 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 위 수학식 3으로부터 산출된 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin) 사이의 퓨리에 변환부(131)에서 변환된 주파수 스펙트럼 상의 진폭이 가장 높은 피크 주파수를 찾아 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로 결정한다.
또한, 회전속도 산출부(133)는 기억부(180)에 입력되어 저장된 회전자 슬롯의 개수(R)와, 전원 주파수(fe)와, 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터 아래의 수학식 4를 이용하여 회전속도(N)를 산출한다.
Figure 112011010497759-pat00009
슬립계산부(135)는 회전속도 산출부(133)에서 산출된 회전속도(N)와 알고 있는 동기속도(Ns)정보를 이용하여 아래의 수학식 5를 통해 슬립(S)을 산출한다.
Figure 112011010497759-pat00010
진단 주파수 대역 피크값 검출부(137)는 슬립계산부(135)에서 산출된 슬립(S)과 전원주파수(fe)를 이용하여 회전자바 결함 주파수 대역을 산출하고, 산출된 회전자바 결함 주파수 대역상의 주파수 스펙트럼으로부터 먼저 피크값을 찾는다.
진단 주파수 대역 피크값 검출부(137)는 회전자바 결함주파수(fb)를 아래의 수학식 6에 의해 산출한다.
Figure 112011010497759-pat00011
여기서, k는 앞서 설명된 바와 같이 하모닉 차수에 따라 1, 2, 3...의 값이 적용 될 수 있다.
바람직하게는 진단 주파수 대역 피크값 검출부(137)는 회전자바 결합주파수(fb)에 대해 k값이 1인 경우에 대해 전원주파수(fe)보다 낮은 주파수를 갖는 제1결함주파수를 위 수학식 6을 이용하여 구하고, 제1결함주파수를 중심으로 설정된 대역폭을 적용한 스캐닝 구간상에서 제1 피크값을 찾아 고장판별부(141)에 출력한다.
또한, 진단 주파수 대역 피크값 검출부(137)는 회전자바 결합주파수(fb)에 대해 k값이 2인 경우에 대해 전원주파수(fe)보다 낮은 주파수를 갖는 제2결함주파수를 위 수학식 6을 통해 구하고, 제2결함주파수를 중심으로 설정된 대역폭을 각각 적용한 스캐닝 구간상에서 제2 피크값을 찾아 고장판별부(141)에 출력한다.
일 예로서, 대역폭은 산출된 제1 결함주파수에 대해 ±3Hz를 적용하고, 제2 결함주파수에 대해 ±3Hz를 적용하도록 구축될 수 있다.
문턱값 설정부(139)는 회전속도 산출부(133)에 의해 산출된 회전속도에 대응하여 문턱값을 산출하여 출력한다.
문턱값 설정부(139)는 K값이 클수록 문턱값이 커지고, 회전속도가 커지면 진폭이 작아지게 설정하도록 되어 있다.
이러한 문턱값 설정부(139)는 회전속도와 K값에 따라 문턱값이 가변되게 미리 룩업테이블에 기록된 것을 참조하여 문턱값을 출력하도록 구축될 수 있다.
고장판별부(141)는 문턱값 설정부(139)에서 출력되는 문턱값과 피크값을 비교하고, 피크값이 문턱값보다 크면 고장으로 진단처리하고, 진단 결과를 표시부(190)를 통해 표시한다.
바람직하게는 고장판별부(141)는 문턱값 설정부(139)에서 k값이 1인 경우에 대해 적용한 제1문턱값보다 제1피크값이 높고, k값이 2인 경우에 대해 적용한 제2 문턱값 보다 제2 피크값이 큰 경우에만 고장으로 진단처리한다.
<실험 예>
도 2는 60Hz의 전원 전압에서 1750rpm으로 운전되는 4극 1마력 44슬롯 유도전동기의 전류 스펙트럼에서 1차 회전자 슬롯 하모닉(fsh1)을 보여준다. 여기서 nw=1 일 때 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fsh1)는 1343Hz이고, nw=-1 일 때의 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fsh-1)는 1223Hz이다. 두 주파수 대역의 진폭의 크기를 비교해보면 fsh1(1343Hz)에서 진폭의 크기가 더 분명하게 나타남을 알 수 있다. 따라서 유도전동기의 회전속도를 측정하기 위해서는 fsh1의 주파수를 이용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한, 44개의 회전자바를 갖는 효성 1마력 3상 유도전동기에 대해 정상 회전자 인것과, 강제적으로 1개의 절단된 회전자바를 갖는 것과, 2개의 절단된 회전자바를 갖는 것 3개를 이용하여 1690rpm의 정격부하에서 운전될 때 회전자 상태별로 회전자 바 고장 주파수 대역의 진폭의 크기를 측정한 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 LSB1은 k값이 1인 경우에 대해 전원주파수(fe)보다 낮은 주파수를 갖는 제1결함주파수를 표시하고, LSB2는 k값이 2인 경우에 대해 전원주파수(fe)보다 낮은 주파수를 갖는 제2결함주파수를 표시한다.
도 3에서 흑색 실선, 청색 파선, 적색 점선은 각각 정상, 1 broken bar, 2 broken bar 회전자 상태별 실험 결과를 나타내고, 1690rpm의 속도에서는 슬립의 크기가 0.061이므로 회전자바 고장 주파수 LSB1과 LSB2는 각각 52.67Hz와, 45.33Hz이다. 또한, 회전자 바 고장 주파수 대역에서 진폭이 발생하고, 회전자 바 고장의 주파수진폭이 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.
도 4는 도 3에 적용된 전동기들에 대해 회전속도가 1740rpm으로 운전될 때 회전자 바 고장의 회전자 상태별로 회전자 바 고장 특징 주파수 대역의 진폭의 크기를 비교한 그래프이다.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 1690rpm의 정격 부하에서 운전될 때에 비해 고장 주파수 대역의 위치가 전원 주파수 쪽으로 이동하였고, 진폭의 크기는 감소함을 확인할 수 있다. 따라서, 부하의 감소에 따라 고장 주파수 진폭의 크기가 선형적으로 작아지므로 부하의 감소에 따른 선형적인 변동 문턱값을 이용해서 회전자 바 고장을 진단해야 함을 알 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6은 부하 변화에 따른 LSB1과 LSB2의 주파수 성분의 진폭 변화를 보여주는 그래프이다.
먼저, 정격 회전속도인1690rpm에서부터 10rpm씩 회전속도를 증가시키고, 각 회전속도별로 20회의 데이터를 수집하여 저장한 다음 저장된 데이터를 이용하여 앞서 설명된 방식에 의해 회전속도를 추정하고, 추정된 회전속도를 통해 회전자 바 고장 주파수 대역을 계산하고, 계산된 고장 주파수 대역의 ±0.3Hz 구간에서 가장 큰 진폭을 찾아 맵핑하였다.
도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 위 실험 결과에 의해 얻은 LSB1의 고장 주파수 진폭은 부하가 작아짐에 따라 진폭의 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 회전속도가 1770rpm 이상의 경부하 구간에서는 정상 전동기의 진폭이 더 크게 나타나므로 이 구간에서는 LSB1의 진폭을 이용한 진단이 어려움을 알 수 있다.
도 6은 부하 변화에 따른 LSB2의 진폭 변화를 나타낸 그래프로서, LSB1의 진폭과 비교해 보면 경부하 구간에서 회전자 바 고장 전동기의 진폭이 정상 전동기보다 전체적으로 크게 검출됨을 확인할 수 있다. 따라서 LSB2의 진폭 크기를 이용하면 경부하 구간에서도 회전자 바 고장을 정밀하게 진단할 수 있음을 보여준다.
한편, 전동기의 회전속도가 1750rpm 내지 1770rpm인 경부하 구간에서는 고장
주파수 대역 주변의 다른 주파수 성분으로 인해 고장 주파수 대역의 피크값의 크기 변동이 크다. 이러한 다른 주파수의 노이즈 성분으로 인한 오진을 막기 위해 절대 다수의 평균값 기법을 활용해 고장 주파수 대역의 피크값을 20회씩 샘플링 하여 샘플링 된 데이터 중 가장 큰 값 5개와 가장 적은 값 5개를 버리고 나머지 10개 피크값 데이터의 평균값을 맵핑한 결과가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
도 7에서 LSB1의 진폭의 변화 그래프는 1750rpm의 속도까지는 도면에 실선으로 직선형태로 경사지게 표시된 문턱값을 이용하여 명확하게 진단할 수 있다. 또한, 경부하 구간에서는 정상과 회전자 바 고장의 구분이 어려우므로, 도 8에 도시된 LSB2에 대한 측정된 값으로부터 전 구간에서 정상 전동기와 1 bar 고장 전동기를 진단할 수 있음을 보여준다.
여기서 문턱값은 정상과 고장상태 사이의 값을 회전속도가 증가할 수록 감소하는 기울기 값을 갖게 변동되는 것을 적용하면 된다.
이상의 실험결과를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 회전자바 고장 진단 시스템은 경부하 구간에서도 고장진단을 정확하게 판단할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 전류검출부 130: 진단처리부

Claims (6)

  1. 유도 전동기의 회전자바 고장 진단 시스템에 있어서,
    검사대상 유도 전동기에 대한 전원주파수(fe), 회전자 슬롯의 개수(R), 극수(p), 정격속도(Nr), 동기속도(Ns)를 포함한 모터사양정보를 입력할 수 있도록 된 조작부와;
    상기 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와;
    상기 전류검출부에서 검출된 전류신호와 상기 조작부를 통해 입력된 상기 모터 사양정보로부터 검사대상 유도전동기의 회전자바에 대한 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고,
    상기 진단처리부는
    상기 전류검출부에서 검출된 전류신호를 주파수 스펙트럼신호로 변환하는 퓨리에 변환부와;
    상기 회전자 슬롯의 개수(R)와, 상기 전원 주파수(fe)와, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구한 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터 회전속도(N)를 산출하는 회전속도 산출부와;
    상기 회전속도 산출부에서 산출된 회전속도로부터 슬립(S)을 산출하는 슬립계산부와;
    상기 슬립계산부에서 산출된 슬립과 상기 전원주파수 정보를 이용하여 회전자바 결함 주파수 대역을 산출하고, 산출된 상기 회전자바 결함 주파수 대역상의 상기 주파수 스펙트럼으로부터 피크값을 산출하는 진단 주파수 대역 피크값 검출부와;
    상기 회전속도 산출부에 의해 산출된 회전속도에 대응하여 문턱값을 산출하여 출력하는 문턱값 설정부와;
    상기 문턱값 설정부에서 출력되는 문턱값과 상기 피크값을 비교하고, 상기 피크값이 상기 문턱값보다 크면 고장으로 진단처리하는 고장판별부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전속도 산출부는 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin)를 아래의 수학식으로부터 산출하고,
    Figure 112011010497759-pat00012
    ,
    Figure 112011010497759-pat00013

    여기서, fm은 대역폭 결정을 위한 여유분 주파수이며,
    산출된 상기 최대 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmax)와 최소 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fShmin) 사이의 상기 주파수 스펙트럼 상의 피크 주파수를 상기 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로 결정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전속도 산출부는 상기 회전자 슬롯의 개수(R)와, 상기 전원 주파수(fe)와, 상기 1차 회전자 슬롯 하모닉 주파수(fSh1)로부터
    Figure 112011010497759-pat00014

    의 수학식을 적용하여 회전속도(N)를 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 슬립계산부는 슬립(S)을 아래의 수학식
    Figure 112011010497759-pat00015

    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 진단 주파수 대역 피크값 검출부는 회전자바 결함주파수(fb)를
    Figure 112011010497759-pat00016
    의 수학식을 적용하여 산출하되, k값이 1과 2인 경우에 대해 상기 전원주파수보다 낮은 주파수를 갖는 제1 및 제2결함주파수를 구하고, 상기 제1 및 제2결함주파수를 중심으로 설정된 대역폭을 적용한 스캐닝 구간상에서 제1 및 제2 피크값을 산출하여 상기 고장판별부에 출력하고,
    상기 고장판별부는 상기 문턱값 설정부에서 상기 k값이 1인 경우와 2인 경우에 대해 각각 출력되는 제1 및 제2 문턱값 보다 상기 제1 및 제2 피크값이 큰 경우에 고장으로 진단처리하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 문턱값 설정부는 상기 K값이 클수록 문턱값이 커지고, 상기 회전속도가 커지면 진폭이 작아지게 설정된 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자바 고장 진단시스템.
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