KR101169797B1 - 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템에 관한 것으로서, 3상 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류검출부에서 검출된 3상 전류신호로부터 고정자 권선 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고, 진단 처리부는 전류검출부에서 검출된 3상 전류에 대해 2상으로 변환하는 dq변환을 통해 d축 전류와 q축 전류로 분리시키는 팍스벡터 산출부와, 팍스벡터 산출부에 의해 산출된 d축 전류와 q축 전류 성분을 두 축으로 하여 d축 전류와 q축 전류 성분의 벡터 궤적에 대해 폐궤도를 이루면서 형성되는 팍스벡터 궤적패턴에 대해 팍스벡터 궤적패턴의 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭의 비율인 왜곡률을 팍스 벡터 궤적 패턴을 따라 산출하여 출력하는 왜곡률 산출부와, 왜곡률 산출부에 의해 출력되는 왜곡률 값을 복수회로 설정된 누적 횟수에 대해 평균값을 구하고, 평균값이 문턱값 보다 크면 권선 고장으로 처리하는 고장진단부를 구비한다. 이러한 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템에 의하면, 권선 고장 판별 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템{fault detecting system of stator winding of motor}

본 발명은 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 권선 고장 진단 정밀도를 높일 수 있는 3상 유도전동기의 고정자 권선 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 이루어져 있다.

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.

고정자 권선이나 코어에서 발생하는 대부분의 전동기 고장은 고정자의 절연파괴에 의해 발생한다. 고정자 권선의 절연저하는 코일의 움직임, 열적 스트레스, 과부하 및 기계적 진동 등의 다양한 원인에 의해서 발생하며, 권선절연의 저하는 결과적으로 턴 단락(turn to turn shorts) 고장으로 발전한다. 턴 단락 고장이 발생하면 고장루프에서 큰 순환전류가 발생하며, 고장전류의 제곱에 비례하는 권선의 열은 고정자 권선과 코어에 심각한 손상을 입히는 상간 단락고장과 상 접지 단락고장과 같은 보다 심각한 고장으로 빠르게 진행시키는 역할을 한다.

고정자 권선의 고장진단에 주로 사용된 방법으로는 진동, 누설 축 자속 그리고 고정자 전류의 스펙트럼을 관찰하는 방법, 전동기 고정자 전류 주파수 분석이나 진동 주파수 분석, 전동기에 고장이 발생하였을 때의 비대칭 성분인 역상 전류를 이용한 방법, 역상 전류 보다 외부 조건의 변화에 영향이 적은 역상 임피던스를 이용하는 방법, 그리고 고정자의 권선고장 및 고장 상 검출에 팍스벡터(Park's vector)를 이용한 방법 등이 있다.

이러한 방법들 중 전동기 고정자 전류 주파수 분석이나 진동 주파수 분석에 의한 진단 방법은 각 특성 주파수를 발견하는 것이 어렵고, 찾는다 할지라도 작은 턴 수의 고장에서는 정상과의 차이를 구별하기 어렵다. 역상 전류를 이용한 방법은 외부 환경에 영향을 많이 받고, 임피던스를 이용하는 경우 3상전류, 전압을 이용하기 때문에 측정 장치가 복잡해질 수 있고, 전압 불 평형과 상 개방 고장 진단에 국한되는 많은 단점들을 가지고 있다. 인공신경망을 이용한 방법은 다른 방법들보다 정확한 진단 결과를 얻을 수는 있으나, 회로망의 가중치가 초기에 확정 되어 있지 않아 그것들의 값을 설정하기 위해서 가중치를 조절하는 복잡한 훈련 과정을 거쳐야 하며, 이를 결정하였다 하여도, 많은 학습과정을 거쳐야 정확한 진단을 할 수 있는 단점을 가지고 있다. 이러한 이유로 실제 진단 장치에서는 사용하는 어려움을 갖고 있어 간단하면서도 고장 진단 정밀도를 높일 수 있는 진단방법을 필요로 한다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 간단하면서도 권선 고장 진단의 정밀도를 높일 수 있는 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템은 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템에 있어서, 상기 3상 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와; 상기 전류검출부에서 검출된 3상 전류신호로부터 고정자 권선 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고, 상기 진단 처리부는 상기 전류검출부에서 검출된 3상 전류에 대해 2상으로 변환하는 dq변환을 통해 d축 전류와 q축 전류로 분리시키는 팍스벡터 산출부와; 상기 팍스벡터 산출부에 의해 산출된 상기 d축 전류와 q축 전류 성분을 두 축으로 하여 상기 d축 전류와 q축 전류 성분의 벡터 궤적에 대해 폐궤도를 이루면서 형성되는 팍스벡터 궤적패턴에 대해 팍스벡터 궤적패턴의 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭의 비율인 왜곡률을 상기 팍스 벡터 궤적 패턴을 따라 산출하여 출력하는 왜곡률 산출부와; 상기 왜곡률 산출부에 의해 출력되는 왜곡률 값을 복수회로 설정된 누적 횟수에 대해 평균값을 구하고, 상기 평균값이 문턱값 보다 크면 권선 고장으로 처리하는 고장진단부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 왜곡률 산출부는 상기 팍스 벡터 궤적패턴이 상기 d축과 q축의 원점으로부터 진행되는 초기 값은 배제하고, 폐궤도를 형성하는 패턴 형성 주기마다 2회 발생하는 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭에 대해 상기 왜곡률을 각각 산정한다.

또한, 상기 전류검출부는 상기 전력공급선로 상에 흐르는 전류에 대해 노이즈를 필터링하여 출력하는 저역통과필터;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 고장진단부는 상기 문턱값을 1.056로 적용하고, 상기 누적횟수는 1200 내지 3600로 적용한다.

본 발명에 따른 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템에 의하면, 권선 고장 판별 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 팍스 펙터 변환부에 의해 산출되는 d축 전류와 q축 전류에 의해 생성되는 팍스벡터 패턴 궤적의 예를 나타내 보인 도면이고,
도 3은 측정 초기 팍스벡터 패턴궤적의 예를 나타내 보인 도면이고,
도 4 및 도 5는 A상전류에 대해 고장전류를 적용하여 시뮬레이션에 의해 구한 팍스패턴 및 크기를 나타내 보인 그래프이고,
도 6 및 도 7은 경부하 운전조건과 중부하 운전 조건에 대해 팍스패턴 및 크기가 산출한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8 및 도 9는 A상과, B상 및 C상에 대해 각각 권선 단락 고장이 발생한 경우에 대해 왜곡률 및 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 10은 신호수집주기를 1초하여 1초당 얻어지는 샘플링 값들 중 팍스패턴 크기의 최대값과 최소값에 대해 왜곡률을 산정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 11은 본 발명에 따른 왜곡률 산출방식에 따라 팍스패턴 생성 주기 마다 두 번씩 산출되는 왜곡률을 1초당 평균값을 산출하여 맵핑한 결과를 나타내 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템을 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 3상 유도전동기의 고정자 권선 고장 진단시스템(100)은 전류검출부(110), 진단 처리부(120) 및 표시부(160)를 구비한다.

전류검출부(110)는 구동부(201)로부터 3개의 전력공급선로(207)를 통해 3상 유도전동기(205)와 접속되어 운전중인 3상 유도 전동기(205)에 대해 전력공급선로(207) 상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류신호를 디지털신호로 변환하여 진단 처리부(120)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.

또한, 전류검출부(110)는 검출된 3상 전류신호(i_A, i_B, i_C)에 포함된 노이즈성분을 제거하는 필터가 적용되는 것이 바람직하다.

일 예로서, 60Hz전원을 사용하는 유도 전동기(205)에 대해서는 100Hz의 컷오프 주파수를 갖는 아날로그 또는 디지털 방식의 저역통과 필터를 적용하면 된다.

참조부호 212는 유도 전동기(205)에 접속된 부하이다.

진단처리부(120)는 전류검출부(110)에서 검출된 3상 전류신호(i_A, i_B, i_C)로부터 고정자 권선 고장여부를 진단한다.

진단 처리부(120)는 컴퓨터로 구축될 수 있다.

진단 처리부(120)는 팍스벡터 산출부(130)와, 왜곡률 산출부(140) 및 고장 진단부(150)를 구비한다.

팍스벡터 산출부(130)는 전류검출부(110)에서 검출된 3상 전류신호(i_A, i_B, i_C)에 대해 2상으로 변환하는 dq변환을 통해 d축 전류와 q축 전류로 분리시켜 출력한다.

여기서, dq 변환은 3상의 전류를 2상(90도 위상차)으로 투영하여 각 상간의 간섭을 배제시키고 전원 주파수와 같은 각속도를 부여함으로써, 3상의 값이 DC처럼 인식되게 변환하는 것이며, 3상 전류(i_A, i_B, i_C)에 대해 dq변환을 통해 2상의 팍스벡터 성분인 d축 전류(i_d)와 q축 전류(i_q)는 아래의 수학식 1 및 2에 의해 산출한다.

여기서, 주파수와 진폭이 일치하고 각각 정확하게 120°의 위상차를 갖는 이상적인 전류신호의 경우 d축 전류와 q축 전류 성분을 두 축으로 하여 d축 전류와 q축 전류 성분의 벡터 궤적에 대해 폐궤도를 이루면서 형성되는 팍스벡터 궤적패턴은 도 2에 실선으로 도시된 바와 같이 d축과 q축의 직교 좌표상의 원점에 중심을 둔 원이 그려진다. 이 원의 궤적의 크기는

이고, 궤적의 회전주기는 공급 각주파수(rad/s)인 ω이다. 여기서 i_M은 공급전류의 피크값이다.

따라서, 이상적인 정상 유도전동기의 경우 완벽한 대칭전압이 공급되므로 전동기의 고정자 권선 전류 역시 위 조건과 같은 이상적인 전류 신호가 공급될 것이고, 유도전동기에 i_M의 피크를 갖는 60Hz의 3상 전류신호(i_A, i_B, i_C)가 입력된다면, 궤적의 크기가

인 도 2의 실선과 같은 정원의 궤적이 120π(rad/s)의 속도로 그려진다.

한편, 전동기의 고정자 권선에 턴 간 단락이 발생하면 공급 전류에는 비대칭 성분이 발생하게 된다. 이러한 비대칭 성분의 발생으로 인해 공급전류 팍스벡터의 궤적은 도 2의 점선과 같은 타원의 궤적이 그려진다.

또한, 단락된 턴 수가 증가할 수록 공급 전류의 비대칭 성분이 증가하고, 비대칭 성분이 증가할 수록 팍스벡터 패턴의 궤적의 왜곡이 더 심해진다.

팍스벡터 패턴의 궤적은 두 벡터 성분인 d축 전류(i_d)와 q축 전류(i_q)의 합성에 의해 결정되므로, 아래의 수학식 3을 이용해 팍스벡터의 크기 성분을 얻을 수 있다.

왜곡률 산출부(140)는 팍스벡터 산출부(130)에 의해 산출된 d축 전류와 q축 전류 성분을 두 축으로 하여 d축 전류와 q축 전류 성분의 벡터 궤적에 대해 폐궤도를 이루면서 형성되는 팍스벡터 궤적패턴에 대해 팍스벡터 궤적패턴의 가장 큰 진폭(rmax)과 가장 작은 진폭(rmin)의 비율인 왜곡률(DR)을 아래의 수학식 4를 이용하여 팍스 벡터 궤적 패턴을 따라 산출하여 출력한다.

여기서, rmax는 팍스벡터 패턴 궤적 상에서 수학식 3에 의해 구한 크기(r)가 궤적을 따라 가장 큰 값을 말하고, rmin은 팍스벡터 패턴 궤적상에서 수학식 3에 의해 구한 크기(r)가 궤적을 따라 가장 작은 값을 말하며, 시계 반대방향으로 궤적이 진행하면서 타원형 궤적을 형성할 때 1사분면상에서 첫번째 rmax가 발생하고, 2사분면상에서 첫번째 rmin가 발생하고, 3사분면상에서 두번째 rmax가 발생하고, 4사분면상에서 두번째 rmin이 발생한다.

이와는 다르게, 시계방향으로 궤적이 진행하면서 타원형 궤적을 형성할 때 1사분면상에서 첫번째 rmax가 발생하고, 4사분면상에서 첫번째 rmin가 발생하고, 3사분면상에서 두번째 rmax가 발생하고, 2사분면상에서 두번째 rmin이 발생한다.

따라서, 왜곡률 산출부(140)는 폐궤도를 형성하는 팍스 패턴 형성 주기마다 2회 발생하는 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭에 대해 왜곡률을 각각 산정하여 출력한다.

즉, 왜곡률 산출부(140)는 시계방향으로 궤적이 진행하면서 타원형 궤적을 형성할 때 1사분면상에서 첫번째 발생한 rmax와 4사분면상에서 발생한 첫번째 rmin으로부터 왜곡률을 구하고, 3사분면상에서 발생한 두번째 rmax와 4사분면상에서 발생한 두번째 rmin으로부터 왜곡률 산출하고, 다음 주기의 궤적 발생시에도 같은 방법으로 1사분면상에서 첫번째 발생한 rmax와 4사분면상에서 발생한 첫번째 rmin으로부터 왜곡률을 구하는 과정을 계속 수행하여 출력한다.

바람직하게는 측정 초기에는 도 3에 도시된 바와 같이 원점에서 출발하는 비정상신호가 생성되기 때문에 왜곡률 산출부(140)는 팍스 벡터 궤적패턴이 d축과 q축의 원점으로부터 진행되는 초기 값은 배제하고 다음 주기의 궤적부터 왜곡률을 산출한다.

고장진단부(150)는 왜곡률 산출부(140)에 의해 출력되는 왜곡률 값을 복수회로 설정된 누적 횟수에 대해 평균값을 구하고, 평균값이 문턱값 보다 크면 권선 고장으로 처리한다.

바람직하게는 고장진단부(150)는 문턱값을 1.056을 적용한다.

또한, 고장진단부(150)에서 왜곡률 평균값 산출을 위해 적용되는 누적횟수는 적절하게 적용하면 되고 바람직하게는 1200 내지 3600을 적용한다.

고장진단부(150)는 고장으로 판단되면 표시부(160)를 통해 고장정보를 표시한다.

<실험예>

120°의 위상차를 갖는 3상전류 신호에 대해 정상인 경우 A상, B상과 C상에 대해서는 진폭을 1로하고, 고장인 경우에 대해 A상전류에 대한 진폭은 1.1로하고 B상과 C상에 대해서는 진폭을 1로하여 시뮬레이션에 의해 구한 팍스패턴 및 크기가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.

도 4 및 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 정상 전동기의 경우 한 주기 동안 팍스벡터 패턴의 크기 변화가 없는 반면 턴 단락 고장 전동기는 팍스벡터 패턴 크기의 변화가 한 주기 동안 두 번 발생하는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 부하변화에 따른 팍스벡터 패턴 변화여부를 알아보기 위해 앞서 고장조건을 경부하 운전조건으로 하고, 중부하 운전 조건에 대해서는 각 상의 진폭에 각각 동일 하게 1.1을 곱한 값을 인가하였을 때 팍스패턴 및 크기가 도 6 및 7에 도시되어 있다.

도 6 및 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 부하의 증가에 따라 팍스벡터 패턴의 전체적인 크기가 증가함을 확인할 수 있고, 부하 증가에 따라 팍스벡터 패턴의 크기가 증가하는 반면에 최대 크기와 최소 크기의 차에 의한 진폭이 같음을 확인할 수 있다. 따라서 부하 증가에 의해 상전류 전체의 크기가 커지더라고 팍스벡터 패턴의 왜곡률은 일정함을 알 수 있고, 왜곡률을 이용하여 유도전동기의 권선단락고장을 진단할 때 부하 변화에 상관없이 일정한 문턱값을 적용할 수 있음을 알 수 있다.

한편, A상만에 권선 단락이 발생했을 때와, B상만에 권선단락이 발생했을 때와, C상에 대해서만 권선 단락 고장이 발생한 경우 각각에 대해 왜곡률 및 크기를 시뮬레이션한 결과가 도 8 및 도 9에 도시되어 있고, 왜곡률의 크기는 권선 단락 고장이 발생한 상의 위치에 관계없이 일정함을 확인 하였다.

또한, A상에 대해 고장조건을 부여한 상태에서 팍스패턴 생성주기를 고려하지 않고 임의의 신호 수집주기(Ts)를 적용한 하여 팍스패턴의 최대값과 최소값으로 왜곡률을 산출하는 방식과, 본 발명에서와 같이 팍스패턴 생성주기 마다 왜곡률을 산출하는 방식의 선능차이를 알아보기 위해 신호수집주기(Ts)를 1초로 하되, 초당 6000개의 샘플을 취득하여 1초당 얻어지는 값들 중 팍스패턴 크기의 최대값과 최소값에 대해 왜곡률을 산정한 결과가 도 10에 도시되어 있고, 본 발명에 따라 팍스패턴 생성 주기 마다 두 번씩 산출되는 왜곡률을 1초당 평균값을 산출하여 맵핑한 결과가 도 11에 도시되어 있다.

도 10과 도 11의 비교 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이 임의의 설정한 신호수집주기 동안 수집된 크기값들에 대해 최대값과 최소값을 찾아 왜곡률을 구하는 방식에 비해 팍스패턴의 매회전수마다 왜곡률을 산출하고 이로부터 평균하는 방식이 정상과 고장 모두 왜곡률의 크기가 작고 변화폭이 작아 고장 전동기의 구분이 명확하여 진단 정확성을 높일 수 있음을 알 수 있다.

이러한 시뮬레이션에 대해 유도 전동기에 임의로 권선 단락을 시켜 실험한 결과 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인 하였다.

110: 전류 검출부 130: 팍스벡터 산출부
140: 왜곡률 산출부 150: 고장진단부

Claims (5)

1. 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템에 있어서,
   상기 3상 유도 전동기와 접속된 전력공급선로 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와;
   상기 전류검출부에서 검출된 3상 전류신호로부터 고정자 권선 고장여부를 진단하는 진단처리부를 구비하고,
   상기 진단 처리부는
   상기 전류검출부에서 검출된 3상 전류에 대해 2상으로 변환하는 dq변환을 통해 d축 전류와 q축 전류로 분리시키는 팍스벡터 산출부와;
   상기 팍스벡터 산출부에 의해 산출된 상기 d축 전류와 q축 전류 성분을 두 축으로 하여 상기 d축 전류와 q축 전류 성분의 벡터 궤적에 대해 폐궤도를 이루면서 형성되는 팍스벡터 궤적패턴에 대해 팍스벡터 궤적패턴의 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭의 비율인 왜곡률을 상기 팍스 벡터 궤적 패턴을 따라 산출하여 출력하는 왜곡률 산출부와;
   상기 왜곡률 산출부에 의해 출력되는 왜곡률 값을 복수회로 설정된 누적 횟수에 대해 평균값을 구하고, 상기 평균값이 문턱값 보다 크면 권선 고장으로 처리하는 고장진단부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 왜곡률 산출부는 상기 팍스 벡터 궤적패턴이 상기 d축과 q축의 원점으로부터 진행되는 초기 값은 배제하고, 폐궤도를 형성하는 패턴 형성 주기마다 2회 발생하는 가장 큰 진폭과 가장 작은 진폭에 대해 상기 왜곡률을 각각 산정하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 전류검출부는 상기 전력공급선로 상에 흐르는 전류에 대해 노이즈를 필터링하여 출력하는 저역통과필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 고장진단부는 상기 문턱값을 1.056로 적용하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 누적횟수는 1200 내지 3600인 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 고정자 권선 고장 진단 시스템.

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