KR101432786B1 - 모터의 고장진단방법 및 그 시스템 - Google Patents

모터의 고장진단방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터의 운전중에 발생하는 전류, 전압을 A/D변환하여 모터의 속도와 전류피크를 산출하여 작동검출부가 로터바의 파손을 검출하는 로터바의 고장진단루틴, 진동 검출부가 모터의 로터바의 주파수를 산출하여 모터의 성능을 확인시키는 진동검출루틴, 에어갭토크 산출부, 베어링주파수산출부, 토크주파수분석부들이 에어 갭의 동적 편심과 유사하게 에어 갭의 자속 밀도에 불균일을 주어 에어 갭 전류 및 토크의 변화로 베어링 결함을 검출하는 베어링 고장진단루틴과 모터운전효율산출부가 모터에 대한 전체입력전력 (Pin)과 순전력출력의 비를 산출하여 모터 작동효율을 근거로 부하운전상태진단부가 모터의 고장을 진단하는 모터효율 산출루틴들로 수행하도록 한 모터의 고장진단방법 및 그의 시스템이다.

Description

모터의 고장진단방법 및 그 시스템{Fault diagnosis method of motor and system thereof}
본 발명은 모터의 운전을 온라인으로 실시간으로 감시하여 고장징후를 포착하고 고장원인을 파악하여 예방정비를 할 수 있도록 취득된 전압, 전류신호를 신호처리하여 전류스펙트럼 및 토크 스펙트럼을 생성하고 모터의 운전효율을 산출하여 모터의 기계적 및 전기적 결함을 원격 자동 진단하는 모터의 고장 진단방법 및 그 시스템을 제공하는 데 있다.
일반적으로 산업현장에서 모터, 특히 3상 유도전동기는 기계의 동력원으로 사용되고 고장 시에는 기계의 생산 중단에 따른 상당한 기회 손실을 발생시키는 원인이 되었다. 이러한 모터의 고장은 베어링고장, 절연 파손 등의 고정자고장, 로우터 바의 회전자고장 및 기계적 결함 등에 의하여 80%이상 발생한다. 이러한 고장 이유에 대하여 모터를 실시간으로 상태를 감시하고 고장을 진단하여 왔고 고장을 진단하는 방법이 다양한 방법으로 개발되고 실시되었다.
즉, 모터의 고장을 검출하기 위하여 다양한 센서들을 사용되어 왔으며, 이러한 센서들은 고정자 전압과 전류, 에어 갭(공극), 외부 자속밀도, 회전자 위치와 속도, 출력토크, 내부 또는 외부온도, 외관 진동 등을 측정하도록 하였다.
그러므로, 센서를 이용하여 실례를 들어 열적인 진단방법, 진동진단방법, 전기진단방법이 있으나 이 방법들은 모터의 기계적인 결함을 검출하는데 우수하나 전기적인 요소의 검출을 하는데 미흡하였다.
이에 따라 근래에는 센서 없이 전압, 전류, 자속특성의 분석을 통해 모터의 고장을 조기에 진단하는 전기신호 분석방법이 이용되고 있다.
전기신호분석방법은 모터제어부(MCC: Motor Control Center)의 전압 트랜스포머(Potential Transformer)와 전류트랜스포머(CT: Current Transformer)로부터 운전중인 모터속도를 산출한 다음 유도전동기의 슬립을 계산하여 로터 바 주파수, 베어링 주파수 등을 근거로 한다.
즉, 모터 전류신호분석(MCSA:Motor Current Signature Analysis)방법은 고정자, 회전자, 베어링 등의 결함에 의하여 발생하는 주파수가 전류 주파수에 변조된 성분을 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transformer)에 의해 결함주파수를 찾는 것으로, 전류신호만 취득하여 센서 없이 원격으로 모터상태를 진단하는 장점이 있으나, 기계적 결함을 진단하는데에는 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.
종래의 대표적인 기술을 실례를 들면, 프라마톰 테크노롤지사에 허여된 미국특허 제5689194호의 오디오증폭 스피커출력을 구비한 음향 모터전류 신호분석시스템에서 모터전류를 감시하고 처리하여 다양한 부하에 대한 모터특성을 결정하는 것으로, 퍼스널 컴퓨터의 제어하에 다수의 디지털 제어되는 스위치 캐패시터 필터를 구비한 스펙트럼분석기를 사용하여 전압 및 전류를 동시에 샘플링하고 순시 모터전력과 역률의 계산을 하게 하여 모터성능을 감시하도록 한 것이다. 이를 위하여 모터의 성능을 판단하는 센서를 구비한다. 센서는 전류 변환기, 리드들과 부하저항들로 구성되고, 전류변환기는 리드에 흐르는 시간지침(bearing) 전류에 비례하는 다양한 전류신호를 제공한다. 이 리드에 다양한 전류신호는 부하저항 양단에 인가될 때 모터전류에 비례하여 저항 양단에 다양한 전압이 발생된다. 이 전압신호는 신호처리시스템에 인가되어 진폭 및 위상 복조 되고 복조신호는 신호 컨디셔너에 인가되는데 신호 컨디셔너는 모터전류 잡음분석에 적용될 수 없는 주파수와 고조파와 연관된 원하지않는 스펙트라제거하도록 설정된 주파수 차단부를 가진 다양한 필터로 구성되는데 이 필터들은 시스템이 모터슬립, 회전속도, 구동벨트속도등의 모터전류신호의 다수의 다양한 주파수 성분을 선택하고 억제하도록 한다. 그러므로 모터의 이상상태를 오디오 경고를 하거나 분석기를 이용하여 고장상태를 분석가능 하게 한다.
프라마톰 테크놀로지사는 모터의 진단장치로써 모델"EMPATH system"을 출시하여 판매하고 있으며, 이 모델은 로터 바의 열화 및 품질저하, 스테이터의 전기적 및 기계적 비정상상태, 모터 속도 및 슬립, 평균 가동 전류 및 전압, 모터 토르크, 비틀림진동 및 동적 부하 및 베어링결함을 진단 하는 것으로, 모터전류전압의 스펙트럼분석을 하여 여러 가지 고장을 감시하는 것으로 위 특허의 시간대 주파수 도메인의 전류변환을 고속 퓨리에 변환의 알고리즘을 이용하고 있다. 이 알고리즘을 이용하여 모터진단은 모터전류신호의 컨디셔닝을 하도록 요구되고, 이 처리는 근평균자승(Root Means Squre:RMS) 변조로 이루어진다. 즉 진단은 전류 및 전압신호를 RMS 처리한 다양한 변조스펙트럼으로 나타내고 이 스펙트럼으로 고장진단을 하는 방법이었다.
또 다른 종래 실시 예로써 SKF baker사에서 동적 모터 분석기로써 모델"EPX3000" 및 "EPX4000"이 개발되어 있고 시중에서 상업적으로 구득 될 수 있다. 이들 분석기들은 모터제어센터(Motor Control Center: MCC)로부터 원격감시를 할 수 있는 것으로, 디지털 주파수 고정루프(Digital Frequency Locked Loop: DFLL)라고 하는 주파수 분해능이 높은 기법을 채용하여 전압/전류 스펙트럼, 복조 된 스펙트럼 및 고조파들의 도메인으로 주파수에 대한 전류/전압을 나타내는 포괄적 분석을 하는 우수한 진단기능을 가진다.
또 다른 종래 실시 예로써 A-Tech사의 코일센서를 이용한 전압고조파의 유한 평가를 기반으로 한 유도전동기의 고장진단기술을 적용한 시스템을 판매하고 있다. 이 시스템은 로터바의 고장에 관련하여서는 전자계 모델 산출도메인을 로터에 작용하는 전자계 토르크 및 전자력을 산출하고, 자속밀도의 직각성분 즉, 모터 외부에서 자속밀도(Bx)의 시간변분과 고조파 스펙트럼 및 자속밀도(Bx)의 방사상성분의 시간변분과 고조파의 스펙트럼, 출력전압의 시간변분과 고조파의 스펙트럼, 출력전압의 RMS값의 스펙트럼들을 작성하고 정상상태 및 고장상태를 비교하여 진단하는 방법으로 되어있다. 이 시스템은 신뢰성 부분에서는 다소 미흡한 것으로 알려져 있다.
이상과 같이 종래기술에서는 모터의 운전속도를 로터 바 통과주파수를 이용하여 계산하거나 편심 주파수 피크를 이용하여 속도를 계산하는 기술에 관한 것으로, 모터의 운전속도를 추출하기 위한 신호처리는 시간영역데이터로부터 주파수 스펙트럼을 추출하는 고속 푸리에 변환을 하거나 모터에 인가되는 전압과 전류에 의해 에어 갭 토크(Air gap torque)를 산출하고 전기적, 기계적 손실을 입력하여 모터 축의 토크를 산출 한 다음 주파수 영역에서의 토크 변화량을 산출하여 부하의 변동을 점검하여 모터의 전기적 결함뿐만 아니라 기계적 결함까지 진단할 수 있다. 그러나 이와 같은 종래기술은 전류신호 분석에 기반한 것으로 모터의 운전중에 모터의 모든 고장원인을 찾는데 미흡하므로 사전에 예측되어야 하는 고장진단에 대한 신뢰성을 떨어트리는 결과가 되었다.
그러므로 모터의 주요고장의 원인으로 되는 로터바 고장, 고정자고장 및 베어링고장의 기계적 결함을 열적인 방법으로 현장에서 고장진단이 이루어짐은 물론 전압, 전류, 자속 특성분석을 통해 진단하는 전류신호분석방법으로 모터고장상태를 진단하는 외에 진단의 신뢰성 및 정확도를 높이기 위하여 토크 분석 및 모터의 운전효율을 산출하여 고장판정이 이루어진다면 바람직하다.
본 발명의 목적은 온라인에 기반으로 전압,전류에 대한 신호를 효과적으로 수집하고 이 취합된 신호를 서버에서 처리를 하여 전류스펙트럼과 에어 갭 토크 스펙트럼을 생성하고 모터의 운전효율을 산출하여 모터의 기계적 및 전기적 결함을 원격 자동 진단하는 모터의 고장 진단방법 및 그 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 모터제어센터(MCC)로부터 전압, 전류신호를 아날로그/디지털 변환하여 신호처리하여 온라인으로 데이터를 취합하여 모터 자체의 상태, 모터에 대한 인가 전원 상태, 그 모터로 구동되는 부하운전 상태를 진단분석하므로 고장진단을 하는 모터의 고장 진단방법 및 그 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 모터의 운전을 온라인으로 실시간으로 감시하여 고장징후를 포착하고 고장원인을 파악하여 예방정비를 할 수 있도록 취득된 전압, 전류신호를 신호처리하여 전류스펙트럼 및 토크 스펙트럼을 생성하고 모터의 열적 신호를 처리하여 모터 운전상태의 온도스펙트럼을 생성하므로 모터의 운전상태에 대한 고장판정이 가능한 모터의 고장진단방법 및 그 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 모터의 고장진단방법은 로터바의 파손을 검출하는 로터바의 고장진단루틴, 모터의 성능을 확인시키는 진동검출루틴, 에어 갭의 동적 편심과 유사하게 에어 갭의 자속 밀도에 불균일을 주어 에어 갭 전류 및 토크의 변화로 베어링 결함을 검출하는 베어링 고장진단루틴과 모터에 대한 전체입력전력(Pin)과 순전력출력의 비를 산출하여 모터 작동효율을 근거로 모터의 고장을 진단하는 모터효율 산출루틴들로 이루어진다.
로터바의 고장진단루틴을 수행하도록 전류피크산출부가 A/D변환부로부터 전류/전압신호를 수신하고, 로터바 주파수를 산출하고, 전류피크산출부가 전류주파수에 따른 스펙트럼에서 전류피크치를 산출하여 산출된 전류 피크 치 신호를 작동검출부에 인가하여 전류 피크 치가 -45dB 이상인지 판단하고 이하이면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하며, 만일 -45dB 이상이면 그 신호를 작동 검출부에 인가하여 로터바 주파수(델타 주파수)를 산출하고 로터바 주파수 5배수의 전류피크를 점검하고, 전류 피크의 주파수가 델타주파수와 일치하는가를 판단하여 일치하지 않는다면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하고 만일 일치한다면 로터바(부하) 진동검출부에서 로터바의 진동을 점검하도록 진동검출루틴을 수행한다.
진동 검출루틴은 고장분석부가 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거하여 토크 리플을 산출하도록 하고, 토크로플이 10%이하인가를 판단하여 토크리플이 10% 이하인 경우 모터상태진단부가 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하며, 반대로 토크리플이 10% 이상일 경우 그 이상신호를 로터바고장진단부에 출력하여 모터주파수분석부로부터 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거한 정상전류와 진동 검출부로 부터 토크 리플 신호를 비교하여 기동전류를 점검하고 전류왜곡이 발생하고 있는지를 판단하며, 만일 기동전류이상이 없다면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하고, 반대로 전류왜곡이 있다면 모터상태진단부가 고장 알람신호 등을 발생시키거나 통지한다.
베어링 결함 진단 루틴은 모터의 운전중에 수행하도록 에어갭 토크 산출부가모터로 부터 검출된 전류/전압신호와 데이터베이스로부터 베어링 관련자료를 근거로 에어갭 토크를 산출하고, 데이터베이스의 베어링관련 제조사 및 베어링의 번호의 데이터를 인출하여 확인하여 외륜주파수(BPFO), 내륜주파수(BPFI)와 볼주파수(BSF)중 어느하나를 선택하여 외륜주파수(BPFO)의 1 내지 10배수의 주파수를 설정하고, 그 다음 토크주파수 분석부가 고장분석부로부터 수신한 토크스펙트럼데이터에 근거하여 토크 피크와 소정배수의 외륜주파수(BPFO)를 비교하고 서로 일치하는 주파수를 확인하고, 만일 배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링진단부가 베어링상태가 양호한 것으로 판단하며, 만일 일치 한다면 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz를 가감한 주파수를 산출한다.
이후 베어링진단부가 산출한 주파수를 토크 피크치와 일치하는가를 확인하고, 만일 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 베어링의 양호한 상태를 확인한다. 만일 일치하는 경우 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 두배수 주파수를 가감한 주파수를 산출하고, 만일 n배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링진단부가 베어링상태가 양호한 것으로 판단하고, 만일 일치 한다면 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 3배수의 주파수를 가감한 주파수를 산출하고, 만일 이 주파수와도 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 베어링의 양호한 상태를 확인하며, 만일 일치하는 경우 모터상태진단부가 베어링 고장 알람 신호를 발생시키도록 한다.
모터효율산출루틴은 모터효율을 산출하여 고장진단이 가능하다. 이를 위하여 모터운전효율산출부가 에어갭 토크산출부로부터 토크스펙트럼에 근거하여 얻어지는 출력이 실제 모터 축 출력과 마찰손, 권손손, 표유부하손실을 합한 값과 같으므로 모터의 출력과 모터의 효율을 다음 식(a)으로 산출하고,
Figure 112013103738437-pat00001
(a)
여기서 Pin은 입력전력, Ploss은 각종손실, Pout는 모터축에서 발생하는 출력이다.
위 식에서 전체입력전력(Pin)과 에어갭 토크를 이용한 모터축 전력출력(Pout)이 다음식(b) 및 (c)으로 산출된다.
Figure 112013103738437-pat00002
(b)
여기서 Pin은 입력전력, Pel은 전기적입력으로 모터에 인가되는 전압이au,
Figure 112013103738437-pat00003
(c)
여기서 n은 모터의 운전속도이고, Torque는 에어갭 토크이다.
이후, 모터의 운전효율에 관련한 모터운전효율산출부의 출력이 시간영역분석부에 입력되어 시간단위 또는 일정 시간 동안의 평균운전효율을 분석하고 설정하고, 부하운전상태진단부가 평균운전효율신호를 고장분석부로부터 정상전류, 전압, 정상역률, 운전온도, 토크등의 모터운전속도에 대한 정상상태 데이터신호와 비교하여 운전상태를 진단하여 운전상태에 따른 진단신호를 모터상태진단부에 공급하여 모터의 정상 또는 비정상인가를 판단하게 하고 비정상운전시에는 이를 경고한다.
본 발명에 따른 모터고장진단 시스템은 모터상태 또는 모터고장진단을 하고 인터넷에 연결된 서버로 전달하고, 개인 단말기에서 모터의 진단결과를 확인할 수 있으며, 다수의 모터들에 전기적으로 연결되고, 각 모터들의 전류를 개별적으로 검출하는 전류트랜스포머(CT)들로 구성되는 다수의 전류감지부, 모터들의 각 온도를 감지하는 PTC 또는 PTC-S 더미스터들로 구성되는 다수의 온도감지부와 모터들의 구동에 따른 자극의 위치를 검출하는 자극위치센서들에 연결되는 다수의 자극위치 감지부들을 구비하는 모터제어센터, 모터의 정상운전상태에 대한 데이터를 외부로부터 입력받아 사전에 저장하는 데이터베이스, 데이터베이스로부터 모터 정상 상태 데이터를 수신하여 전류/전압스펙트럼화하고 이를 알고리즘으로 수치화한 정상상태의 토크 리플 주파수신호, 회전자 구동 주파수신호 및 시간에 따른 부하알고리즘을 수치화한 부하신호를 발생시키는 고장분석부, 모터제어센터로부터 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 시스템에 전류, 전압 감지신호를 인가하는 A/D변환부, A/D변환부로부터 입력된 전류/전압에 근거하여 전류/전압의 실효 값을 산출하고 전류스펙트럼을 작성하는 동시에 전류 피크 치를 산출하는 전류 피크 산출부, 전류피크산출부로 부터 수신된 전류 피크 치를 수신하여 로터바의 주파수를 산출하며 로터바의 주파수에 대하여 5배수의 전류 피크 치를 곱하여 델타 주파수와 일치하는가를 판단하는 작동 검출부, 작동 검출부로부터 텔타 주파수신호와 고장분석부로부터의 토크리플 주파수를 비교한 비교신호를 발생시켜 모터상태진단부에 인가하여 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보하는 진동검출부, 자극위치센서에 의하여 발생한 모터구동에 따른 속도를 나타내는 주파수신호를 수신하고 모터속도를 산출하여 산출된 신호를 주파수 분석부에 인가하는 주파수 분석부, 작동 검출부로부터 로터바 주파수신호를 모터속도신호와 비교하여 모터에 인가되는 전류/전압신호를 수신하고 수신된 인가 전류/전압신호와 고장분석부의 정상 전류/전압의 스펙트럼의 신호와 비교하여 비교신호를 모터상태진단부에 인가하므로 모터상태진단부가 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보를 하게 한 로터바고장진단부, A/D변환부로부터 디지털 전류,전압 감지신호와 모터속도산출부로부터 모터구동에 따른 속도 주파수신호를 수신하여 토크를 산출하고 토크 스펙트럼을 발생시키는 에어갭 토크산출부, 데이터베이스로부터 베어링메이커와 베어링의 내륜, 외륜, 볼등의 정상적인 구동 주파수를 선택하고 설정주파수 외륜주파수 BPFO, 내륜주파수 BPFI 및 볼주파수(BSF)중의 어느 하나를 선택하는 베어링주파수 산출부, 베어링주파수 산출부로부터 산출된 주파수와 토크스펙트럼에서 토크피크와 일치되는가를 분석하는 토크주파수분석부, 토크주파수분석부로 부터 분석된 신호를 판단하여 베어링 고장 여부를 진단하고 진단 신호를 모터상태진단부에 인가하여 베어링 고장 여부를 판단하게 한 베어링진단부, 에어갭 토크산출부로부터 토크스펙트럼에 근거하여 모터운전효율을 산출하는 모터운전효율산출부, 모터운전효율에 관련한 데이터를 수신하여 시간단위 또는 일정시간동안의 평균운전효율을 분석하는 시간영역분석부, 부하운전상태진단부로 부터 평균운전효율신호를 고장분석부로부터 정상전류, 전압, 정상역률, 운전온도, 토크의 모터운전속도에 대한 정상상태 데이터신호와 비교하여 운전상태를 진단하고 운전상태에 따른 진단신호를 모터상태진단부에 공급하여 모터의 정상 또는 비정상인가를 판단하게 하고 비정상운전시에는 이를 경고하게 한 시간영역분석부들로 구성된다. 본 발명은 현장에서 모터의 이상상태에 대하여 즉각 대응하는 것이 가능하도록 모터에 설치되는 온도센서 서머커플러와 이 서머커플러의 양단에는 병렬접속된 방전용 저항에 의하여 유기전압의 전압차가 발생 되게 하여 소정온도 이상에서는 부(-) 전위를 발생시켜 역 전압 저지를 위한 다이오드 케소드에 인가하므로 밧데리 전원에 연결된 다이오드를 통전시켜 기준전압을 발생시켜 쉬미트 트리거로 구성되는 반전증폭기에 인가되게 하는 유기전압검출회로를 더 구비한다.
본 발명은 모터의 주요고장의 원인으로 되는 로터바 고장, 고정자 고장 및 베어링 고장의 기계적 결함을 전압, 전류, 자속 특성분석을 통해 진단하는 전류신호분석방법으로 전원상태를 진단하는 외에 토크 분석 및 모터의 운전효율을 산출하여 진단의 신뢰성 및 정확도를 높이기고 현장에서 열적인 방법으로 고장판정이 이루어지도록 하고 있다.
본 발명의 도면을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 고장진단 시스템을 상세히 보인 블록선도이고,
도 2는 본 발명에 따라 모터의 고장진단 시스템의 작동을 보인 것으로, 로터바의 고장진단루틴과 진동진단루틴을 보인 플로우챠트이며,
도 3은 본 발명에 따라 모터의 고장진단 시스템의 작동을 보인 것으로, 베어링의 결함을 감시하는 베어링고장진단 루틴을 보인 플로우챠트이다.
본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 기술하면 다음과 같다.
본 발명의 원리에 따라 운전중인 모터의 기계적 전기적인 고장을 온라인으로 진단하기 위한 준비를 한다. 먼저, 작동중의 모터 운전 속도를 산출한다.
운전속도를 산출하는 방법으로 편심 주파수 피크를 이용하거나 로터바 통과주파수를 이용하는 것으로, 편심 주파수 피크를 이용하는 방법은 회전자의 위치에 따른 공극의 크기 변화에 의한 진폭이 결정되는 변조파가 측대역 형태의 전류 파형으로 나타나는데, 이와 같은 전류신호의 주파수의 정확한 위치는 모터의 극수와 속도의 함수이다. 즉 모터속도(rpm)는 식(1)로 나타난다.
rpm= ffund(ffund - fsb) (1)
여기서, ffund은 기본주파수(60 Hz)이고, fsb은 측대역 주파수로써 주파수 스펙트럼 상에서 나타나는 위치이다.
로터바 통과주파수를 이용하는 방법은 로터바 동기주파수(RBPFsynch)를 식(2)에서 구한다.
RBPFsynch = n x fs ± ffund (2)
여기서 n은 로터바 갯수이며, fs는 동기주파수이고, ffund 는 편심으로 발생한 피크주파수 기본주파수(60Hz)이다.
통상 동기주파수는 극수가 2이고 동기주파수가 60Hz일때 동기속도가 3600rpm이고, 극수가 4이고 동기주파수가 30Hz일때 동기속도가 1800rpm이며, 극수가 6이고 동기주파수가 20Hz일때 동기속도가 1200rpm이고, 극수가 8이고 동기주파수가 15Hz일때 동기속도가 900rpm이며, 극수가 10이고 동기주파수가 12Hz일때 동기속도가 720rpm이고, 극수가 12이고 동기주파수가 10Hz일때 동기속도가 600rpm이다.
그 다음 로터바 통과 주파수[RBPF(fmech)]가 산출되는데, 식(3)에서 산출된다.
RBPF(fmech) = (frpm ± ffund) / n (3)
여기서, frpm은 전류스펙트럼에서 로터바 통과 동기주파수 다음의 피크 주파수이다
모터 속도 (rpm) 식 (4)에서 산출된다.
rpm = fmech x 60 (4)
또한 운전중인 모터의 부하 토크를 산출하는 방법으로는 모터제어센터(MCC)에서 전압트랜스포머(PT) 및 전류 트랜스포머(CT)로부터 3상 전압,전류성분을 취득하여 아날로그/디지털 변환하여 에어갭 토크를 산출한다.
아래 그림은 유도전동기의 등가회로이고, 자화 인덕턴스 Lm가 회전자 각도 (Rotor Angle) phi의 함수로 표현된다. 이러한 모델에서는 자계 내에 있는 모든 전동기에서 검출되는 전류 신호가 유도된다
Figure 112013103738437-pat00004
유도전동기의 등가회로
위 등가회로에서 보이는 입력된 3축의 전류 (Iabc)와 전압 (Vabc)를 2축의 dq 영역으로 변환하여 Idq와 Vdq를 산출하여 다음 식(5)및 (6)의 의하여 에어 갭 자속을 산출한다.
Φdq(t) = ∫ Vdq(t) dt (5)
Vdq(t) = Vterminal dq - rs x Idq (6)
여기서, Φdq(t)은 자속이고, Vterminal dq 는 단자전압, rs 는 고정자 저항이며, Vdq 는 단자전압에서 고정자의 전압 강하를 뺀 고정자 전압이다.
그러므로, 에어 갭 토크Te는 극 수를 입력하여 식(7)과 같이 에어 갭 토크를 산출한다.
Figure 112013103738437-pat00005
(7)
여기서, p 는 극수 이다.
모터축의 토크 Tm는 식(9)에서 와 같이 에어갭 토크Te로 부터 동손, 마찰손실, 회전체의 공기마찰손실(Windage loss), 표유부하손실(Stray load loss)들로 이루어진 손실 Pfw을 감하게 하여 입력하여 식(12)과 같이 전동기 축의 토크를 산출
한다.
Tm = Te - Pfw (8)
여기서, Pfw 에는 동손 뿐만 아니라, 마찰 손실 (Friction loss), 회전체의 공기 마찰 손실 (Windage loss), 표유 부하 손실 (Stray load loss) 등이 포함
된다.
Tm 은 기계적 토크 (Mechanical torque) 로서 전동기의 축에 형성되는 토크를 의미하며, 부하 토크라고 할 수 있다. 이 부하 토크를 이용하여 전동기의 기계적 결함을 진단할 수 있다.
또한, 전동기에 공급되는 전류 신호만을 이용하여 진동 여부를 파악하여 모터 고장을 진단할 수 있다. 그러나, 원래의 주파수에 고장 징후 신호가 나타나
지 않고 모터에 인가되는 전류가 기본 주파수 (60 [Hz])에 의해 변조되어 측대역(Sideband) 형태로 나타나므로 측정이 까다로운 문제점이 있다. 그러나, 전압과 전류를 곱한 형태의 신호로 나타나는 토크 신호는 변조파가 아닌 원래의 징후 신호를 나타내므로 쉽게 관찰할 수 있다. 이 징후로써 나타나는 토크 리플은 토크의 순시값을 시간축 함수로 표기한 것이다. 따라서, 토크의 시간 변화를 파악하여 기계적인 불평형과 베어링 고장, 부하의 운전 상태, 펌프의 캐비테이션 (cavitation), 컨베이어 벨트의 느슨함, 인버터 구동기기의 기계적 공진 등을 파악하는데 활용할 수 있다.
이 토크 리플은 정상 상태에서의 토크에 대한 과도 상태에서의 토크를 백분율 (% torque ripple)로 계산한다. 다음 식(9)은 토크 리플의 관계식이다.
Figure 112013103738437-pat00006
(9)
여기서, Tripple 은 토크 리플, Tpk는 과도 상태에서의 토크 피크, Tss 는 정상 상태에서의 토크 리플이다.
이러한 원리에 근거하여 운전중인 모터의 고장진단을 할 수 있다. 그 대표적인 것으로 로터 바의 고장, 베어링의 고장 및 모터의 운전효율에 근거한 고장진단을 할 수 있다. 이를 위하여 본 발명은 모터의 운전속도로부터 모터의 슬립을 계산하고 이 슬립에 근거하여 로터바의 회전을 계산하여 로터바의 상태를 진단한다.
로터바의 고장진단은 다음과 같은 알고리즘에 근거한다.
로터 바의 파손은 전류 스펙트럼에서 기본 주파수로부터 슬립 주파수의 2배수 만큼 떨어진 곳에 2개의 측대역이 기본 주파수의 좌우에 대칭으로 발생한다. 좌측 성분이 직접적으로 결함에 의한 성분이고, 우측 성분은 연속적인 속도 리플에 기인하는 성분이다. 좌측 성분, 즉 기본 주파수의 좌측에 나타나는 측대역이 바로 로터 바의 주파수이다. 로터 바 주파수는 다음식(10)으로 계산된다.
frotor = 60 (1-2s) (10)
여기서, frotor 는 로터 바 주파수, s 는 슬립이다.
슬립s은 다음식(11)으로 계산된다.
s = (Nsynch - Nrpm) / Nsynch (11)
여기서, Nsynch 는 동기속도, Nrpm 은 회전자 속도이다. 회전자 속도가 정확하지 않으면 슬립 주파수가 정확하지 않고, 또한 로터 바 주파수가 정확하지 않게 되어 로터 바 진단 내용이 틀리게 될 수 있다. 그만큼 속도 산출 방법의 정확성이 중요하다는 것을 의미한다.
베어링의 고장진단은 다음과 같은 알고리즘에 근거한다.
베어링 고장 진단은 전기 신호를 이용하여 진단이 가능하다. 즉, 베어링고장은 에어 갭의 동적 편심과 유사하게 에어 갭의 자속 밀도에 불균일을 주어 에어 갭 전류 및 토크의 변화로 나타난다.
베어링 구성 요소 (외륜, 내륜, 볼스핀) 에 결함이 있으면 아래의 식과 같은 특성 주파수를 발생시킨다.
Figure 112013103738437-pat00007
(12)
Figure 112013103738437-pat00008
(13)
Figure 112013103738437-pat00009
(14)
여기서, BPFO (Ball Path Frequency of Outer Race) 는 외륜 주파수, BPFI
(Ball Path Frequency Inner Race) 는 내륜 주파수, BSF (Ball Spin
Frequency) 는 볼 스핀 주파수이다.
더하여, f 는 운전주파수 (내륜의 회전 주파수), n 은 볼의 개수, d 는 볼의
직경, D 는 피치 직경, α는 볼의 접촉 각이다.
이 공식은 외륜이 고정되어 있고 내륜이 축과 함께 회전하는 것을 가
정한 것이다. 만약 내륜이 고정되어 있고 외륜이 회전하는 경우에는 볼 스핀
공식의 괄호 안에 있는 (-)부호를 (+)부호로 변경하면 된다.
또한 모터의 고장은 특정의 결함 주파수에도 나타나며 모터 운전시 발생되는 진동 스펙트럼에서 나타난다. 단, 고정자와 회전자의 상대운동에 의한 에어 갭의 변화 및 로터의 편심은 고정자 전류 및 에어 갭 토크에 그 영향을 준다. 만약 베어링에 결함이 발생된다면 그 특성 주파수가 다음식(15)과 같이 변조된다.
fbrg = fe +/_ m x fr (15)
여기서 fbrg 는 스펙트럼에 나타나는 결함 주파수, fe 는 전원 주파수, m 은 1, 2, 3, ... 등의 정수, fr 은 식 (12) ~ (14) 중의 한 특성 주파수이다.
식 (15) 의 의미는 베어링 결함이 발생하는 경우 전원 주파수를 중심으로 측대역이 나타남을 의미하며, 베어링 결함 성분은 토크 스펙트럼에서 베어링 주파수의 정수 배와 전원 주파수의 +/_ 성분으로 나타나는 특성을 모터결함 진단에 이용할 수 있다.
이와 같은 모터의 속성에 근거하여 모터의 고장진단을 하기 위하여, 본 발명의 원리에 따른 모터고장진단스테이션 또는 모터고장진단 시스템(20)은 온라인에 의해 원격 감시뿐 아니라 현장진단이 가능하다.
모터의 작동중에 고장을 진단하는 본 발명에 따른 모터고장진단 시스템(20)은 현장에 설치된 유도전동기로 되는 다수의 모터(1)들에 전기적으로 연결되는 모터제어센터(19)에 연결된다. 모터제어센터(19)는 모터(1)들의 각 전류를 개별적으로 검출하는 전류트랜스포머(CT)들로 구성되는 다수의 전류감지부(21), 모터(1)들의 각 온도를 감지하는 PTC 또는 PTC-S 더미스터들로 구성되는 다수의 온도감지부 (22)와 모터(1)들의 구동에 따른 자극의 위치를 검출하는 자극위치센서(2)들에 연결되는 다수의 자극위치 감지부(23)들로 구성된다. 그러므로 이들 감지부들로부터 각 모터(1)의 구동에 따른 감지전류, 전압신호를 취득하게 된다. 이 신호는 이하에 기술되는 바와 같이 모터상태진단을 완료한 후 인터넷에 연결된 서버(50)로 연결되고,유저의 개인 단말기(60)에서는 모터의 진단결과를 확인할 수 있다.
또한 이 시스템은 모터(1)의 정상운전상태에 대한 데이터를 외부로부터 입력받아 사전에 저장하는 데이터베이스(33)를 구비하고 이 데이터베이스(33)는 자체 저장된 데이터를 고장분석부(34)에 인가한다. 고장분석부(34)는 데이터베이스(33)의 모터 정상 상태 데이터를 전류/전압스펙트럼화하고 이를 알고리즘으로 수치화 한 정상상태의 토크리플 주파수신호, 회전자 구동 주파수신호 및 시간에 따른 부하알고리즘을 수치화한 부하신호를 출력한다.
A/D변환부(24)는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 시스템에 전류, 전압 감지신호를 시스템에 인가한다. 전류 피크 산출부(25)는 입력된 전류/전압에 근거하여 전류/전압의 실효 값을 산출하고 전류스펙트럼을 작성하는 동시에 전류 피크 치를 산출한다. 산출된 전류 피크 치는 작동 검출부(26)에 인가되고 로터바의 주파수를 산출하며, 로터바의 주파수에 대하여 3배수의 전류 피크 치를 곱하여 델타 주파수와 일치하는가를 판단한다. 이 작동 검출부(26)로부터 텔타 주파수신호는 진동검출부(27)와 주파수영역분석부(32)에 인가된다. 진동검출부(27)는 이후에 상세히 기재되는 바와 같이 고장분석부(34)로부터의 토크리플 주파수를 진동검출부(27)로부터 델타주파수와 비교하여 비교신호를 발생시킨다. 이 비교신호는 모터상태진단부(36)에 인가된다. 이 경우 모터상태진단부(36)는 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보를 한다.
모터속도 산출부(31)는 모터제어센터(20)를 경유하도록 한 자극위치센서(2)에 의하여 발생한 모터구동에 따른 속도를 나타내는 주파수신호를 수신하여 이용하거나 A/D변환부(24)로 부터 시스템에 전류, 전압 감지신호를 근거하여 모터속도를 산출하고 산출된 데이터를 주파수 분석부(32)에 인가한다. 주파수 분석부(32)는 작동 검출부(26)로부터 로터바 주파수신호를 모터속도신호와 비교하여 모터인가되는 전류/전압신호를 로터바고장진단부(35)에 인가한다. 로터바고장 진단부(35)는 수신된 인가 전류/전압신호와 고장분석부(34)의 정상 전류/전압의 스펙트럼의 신호와 비교한다. 이 비교신호는 모터상태진단부(36)에 인가된다. 이 경우 모터상태진단부(36)는 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보를 한다.
에어갭 토크산출부(40)는 A/D변환부(24)로부터 디지털 전류,전압 감지신호와 모터속도산출부(31)로부터 모터구동에 따른 속도 주파수신호를 수신하여 토크를 산출하고 토크 스펙트럼을 작성하여 작성된 신호를 출력한다. 베어링주파수 산출부(41)는 데이터베이스(33)로 부터 베어링메이커와 베어링의 내륜, 외륜, 볼등의 정상적인 구동 주파수를 선택하고 설정주파수 즉, 외륜주파수 BPFO, 내륜주파수 BPFI 및 볼주파수(BSF)를 결정한다. 토크주파수분석부(42)는 토크스펙트럼에서 토크피크와 설정된 주파수를 분석하고 토크피크와 일치되는가를 분석한다. 베어링진단부(43)는 분석된 신호를 판단하여 베어링 고장 여부를 진단하고 진단 신호를 모터상태진단부(36)에 인가하여 베어링 고장 여부를 판단한다.
한편, 본 발명은 모터의 운전효율을 산출하여 고장진단을 하는 모터 효율진단루틴을 수행한다.
이 루틴을 수행하기 위하여, 모터운전효율산출부(44)는 에어 갭 토크산출부(40)로부터 토크 스펙트럼에 근거하여 얻어지는 출력이 실제 모터 축 출력과 마찰손, 권선손, 표유 부하손실을 합한 값과 같으므로 모터의 출력과 모터의 효율을 다음식(16), (17)과 (18)들을 이용하여 산출한다.
즉, 모터의 운전효율은 다음 식(16)으로 표현된다.
Figure 112013103738437-pat00010
(16)
여기서 Pin은 입력전력, Ploss은 각종손실, Pout는 모터축에서 발생하는 출력이다.
다음식(17)을 이용하여 모터에 인가되는 전압, 전류의 순시값을 취득하여 평균전력값을 산출한다.
Figure 112013103738437-pat00011
(17)
여기서 Pin은 입력전력, Pel은 전기적입력으로 모터에 인가되는 전압이다.
그리고, 에어 갭토크를 이용하여 모터의 축 출력을 다음식(19)에 근거하여 산출하게 된다.
Figure 112013103738437-pat00012
(18)
여기서 n은 모터의 운전속도이고, Torques는 에어갭 토크이다.
그러므로 모터효율은 전체입력전력(Pin)에 대하여 순전력출력의 비로써 나타남을 알 수 있다.
이와같이 모터의 운전효율에 관련한 모터운전효율산출부(44)의 출력은 시간영역분석부(45)에 입력되어 시간단위 또는 일정시간동안의 평균운전효율을 분석하고 설정한다. 시간분석영역부(45)는 설정된 평균운전효율신호를 부하운전상태진단부(46)에 입력한다. 부하운전상태진단부(46)는 평균운전효율신호를 고장분석부(34)로부터 정상전류, 전압, 정상역률, 운전속도, 토크등의 모터운전속도에 대한 정상상태 데이터신호와 비교하여 운전상태를 진단한다. 부하운전상태진단부(46)는 운전상태에 따른 진단신호를 모터상태진단부(36)에 공급하여 모터의 정상 또는 비정상인가를 판단하게 하고 비정상운전시에는 이를 경고한다.
또한 본 발명은 현장에서 모터의 이상상태에 대하여 즉각 대응하는 것이 가능하다. 즉, 모터(1)들에는 온도센서, 실례를 들면 서머커플러(3)가 설치된다. 이 서머커플러(3)의 양단에는 병렬접속된 저항(4)와 (6) 및 저항(5)와 (7)이 배열되어 유기전압의 전압차가 발생 되게 하는데, 소정온도 이상에서는 부(-) 전위가 발생된다. 이 부(-) 전위는 역 전압 저지를 위한 다이오드(8)의 캐소드에 인가되고, 다이오드(8)를 통전 상태로 하여 배터리(도시안됨)의 전원(Vcc)이 인가된다. 이 전원(Vcc)에 접속된 바이어스 저항(9)에 전압은 평활저항(11), 방전저항(12), 평활 콘덴서(3)를 경유하여 쉬미트 트리거로 구성되는 반전증폭기(14)에 인가된다. 이 반전증폭기(14)는 입력전압을 반전시켜 소정의 하이 또는 로우 레벨의 유기전압검출신호를 경보구동부(15)에 입력하여 모터(1)가 과열상태인 경우 경보 한다.
여기서, 반전증폭기(14)는 드레숄드(Threshold) 레벨이 반전증폭기(14)의 출력레벨에 따라 가변하는 히스테리시스 특성을 가진 채터링을 억제하고 드레스 홀드레벨에 대하여 입력전압을 반전하여 소정의 하이 또는 로 레벨의 전압을 출력한다. 즉, 이 반전증폭기(14)는 영 전압 입력시에는 로 레벨신호를 출력하고 영 전압이상이 입력되면 하이 레벨의 전원을 출력하여 경보기(도시안됨)가 작동되게 한다.
이상의 구성을 가진 본 발명의 고장진단 시스템은 다음과 같이 모터의 고장진단을 한다.
도 2 및 도 3은 로터바 고장진단루틴과 진동감시루틴을 도시한 플로우 차트이다. 모터고장진단을 위한 현장의 모터고장진단스테이션 또는 모터고장진단시스템(20)에서 전류피크산출부(25), 모터속도산출부(31)와 에어갭토크산출부(40)에 인가한다.
전류피크산출부(25)에서는 단계(101)를 수행하여 A/D변환부(24)로부터 전류/전압신호를 수신하고, 단계(102)에서 로터바 주파수를 산출하고 모터속도주파수 신호를 전류피크산출부(25)에 인가하고, 단계(103)에서는 전류주파수에 따른 스펙트럼에서 전류피크치를 산출하게 한다. 산출된 전류 피크 치 신호는 작동검출부(25)에 인가되고 단계(104)에서 전류 피크 치가 -45dB 이상인지 판단하고 이하이면 단계(112)로 이전하여 로터바 상태가 양호한 것으로 판단한다.
만일 -45dB 이상이면 그 신호는 작동 검출부(26)에 인가되어 단계(105)에서는 로터바 주파수(델타 주파수)를 산출하고 단계(103)에서는 로터바 주파수 5배수의 전류피크를 점검한다. 그다음 단계(107)에서는 전류 피크의 주파수가 델타주파수와 일치하는가를 판단한다. 일치하지 않는다면 단계(112)로 이전하여 로터바 상태가 양호한 것으로 판단한다. 만일 일치한다면 단계(108)로 이전하여 모터의 진동을 감시루틴을 수행한다.
이 루틴에서 먼저 진동검출부(27)가 부하상태를 나타내는 로터바의 진동에 따른 로터바 주파수의 피크를 파형을 확인하여 고장분석기(34)에 출력한다. 고정분석부(34)가 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거하여 토크 리플을 산출한다. 단계(109)에서는 토크로플이 10%이하인가를 판단한다. 토크리플이 10% 이하인경우 단계(112)로 이전하여 모터상태진단부(36)가 로터바 상태가 양호한 것으로 판단한다. 반대로 토크리플이 10% 이상일 경우 로터바고장진단부(35)에 출력하게되고, 이 검출신호는 로터바고장 진단부(35)가 모터주파수분석부(34)로부터 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거한 정상전류와 진동 검출부(27)의 토크 리플 신호를 비교하여 단계(110)에서 기동전류를 점검하고 단계(111)에서 전류왜곡이 발생하고 있는지를 판단한다. 만일 기동전류이상이 없다면 단계(112)로 이전하여 로터바 상태가 양호한 것으로 판단한다. 반대로 전류왜곡이 있다면 단계(113)로 이전하여 모터상태진단부(36)가 고장 알람신호 등을 발생시키거나 통지한다.
도 3 및 도 4에는 베어링고장과 관련한 베어링 진단 루틴의 플로우 차트가 도시된다.
단계(101)에서 발생 된 전류/전압신호와 데이터베이스(33)로부터 베어링 관련자료를 근거로 에어갭 토크 산출부(40)는 단계(121)를 수행하여 에어갭 토크를 산출하고 단계(122)를 수행하여 데이터베이스의 베어링관련 제조사 및 베어링의 번호의 데이터를 인출하여 확인하며, 단계(123)를 수행하여 외륜주파수(BPFO), 내륜주파수(BPFI)와 볼주파수(BSF)중 어느하나를 선택하며, 단계(124)를 수행하여 외륜주파수(BPFO)의 1 내지 10배수의 주파수를 설정한다. 그 다음 토크주파수 분석부(42)는 단계(125)를 수행하여 고장분석부(34)로부터 수신한 토크스펙트럼데이터에 근거하여 토크피크와 소정배수의 외륜주파수(BPFO)를 비교하고 서로 일치하는 주파수를 확인한다(단계 126). 만일 배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링진단부(43)가 단계(134)를 수행하여 베어링상태가 양호한 것으로 판단한다. 만일 일치 한다면 단계(127)를 수행하여 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz를 가감한 주파수를 산출한다.
이후 베어링진단부(43)는 단계(127)를 수행하여 산출한 주파수를 토크 피크치와 일치하는가를 확인하고, 단계(128)에서 만일 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 단계(134)를 수행하여 베어링의 양호한 상태를 확인한다. 만일 일치하는 경우 단계(129)를 수행하여 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 두배수 주파수를 가감한 주파수를 산출한다.
이후, 단계(130)에서 만일 n배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링 고장 진단부(43)가 단계(134)를 수행하여 베어링상태가 양호한 것으로 판단한다. 만일 일치 한다면 단계(131)를 수행하여 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 1 ~ 3배수의 주파수를 가감한 주파수를 산출한다. 단계(132)에서 만일 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 단계(134)를 수행하여 베어링의 양호한 상태를 확인한다. 만일 일치하는 경우 단계(133)를 수행하여 모터 상태 진단부(36)가 베어링 고장 알람 신호를 발생시키도록 한다.
1: 모터 20; 모터고장진단시스템
21: 전류감지부 22: 온도감지부
23: 자극위치감지부 50: 서버
60: 개인단말기 24: A/D 변환부
25: 전류피크산출부 26: 작동 검출부
27: 진동검출부 31: 모터속도 산출부
32: 속도주파수 분석부 33: 데이터분석부 34: 고장분석부
35:회전자 진단부 36: 모터상태진단부
40: 에어갭토크산출부 41: 베어링주파수산출부
42: 토크주파수분석부 43: 베어링진단부
44: 모터운전효율 산출부 45: 시간영역 분석부
46: 부하운전상태진단부

Claims (7)

  1. 모터의 고장진단방법에 있어서,
    모터의 운전중에 발생하는 전류, 전압을 A/D변환하여 모터의 속도와 전류피크를 산출하여 로터바의 파손을 검출하는 로터바의 고장진단루틴,
    모터의 로터바의 주파수를 산출하여 모터의 성능을 확인시키는 진동검출루틴,
    에어 갭의 동적 편심과 유사하게 에어 갭의 자속 밀도에 불균일을 주어 에어 갭 전류 및 토크의 변화로 베어링 결함을 검출하는 베어링 고장진단루틴과
    모터에 대한 전체입력전력(Pin)과 순전력출력의 비를 산출하여 모터 작동효율을 근거로 모터의 고장을 진단하는 모터효율 산출루틴들로 이루어진 것을 특징으로 하는 모터의 고장진단방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    로터바의 고장진단루틴은;
    전류피크산출부가 A/D변환부로부터 전류/전압신호를 수신하고, 로터바 주파수를 산출하고,
    전류피크산출부가 전류주파수에 따른 스펙트럼에서 전류피크치를 산출하여 산출된 전류 피크 치 신호를 작동검출부에 인가하여 전류 피크 치가 -45dB 이상인지 판단하고 이하이면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하며,
    만일 -45dB 이상이면 그 신호를 작동 검출부에 인가하여 로터바 주파수(델타 주파수)를 산출하고,
    로터바 주파수 5배수의 전류피크를 점검하고,
    전류 피크의 주파수가 델타주파수와 일치하는가를 판단하여 일치하지 않는다면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하고 만일 일치한다면 로터바(부하) 진동검출부에서 로터바의 진동을 점검하도록 진동검출루틴으로 이전하게 한 것을 특징으로하는 모터의 고장진단방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    진동 검출루틴은;
    고장분석부가 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거하여 토크 리플을 산출하도록 하고,
    토크로플이 10%이하인가를 판단하여 토크리플이 10% 이하인경우 모터상태진단부가 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하며,
    토크리플이 10% 이상일 경우 그 이상신호를 로터바고장진단부에 출력하여 모터주파수분석부로부터 로터바의 회전주파수의 알고리즘에 근거한 정상전류와 진동 검출부로부터 토크 리플 신호를 비교하여 기동전류를 점검하고 전류왜곡이 발생하고 있는지를 판단하며,
    기동전류이상이 없다면 로터바 상태가 양호한 것으로 판단하고, 반대로 전류왜곡이 있다면 모터상태진단부가 고장 알람신호를 발생시키거나 통지하게 한 것을 특징으로 하는 모터의 고장진단방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    베어링 결함 진단 루틴은;
    모터의 운전중에 수행하도록 에어갭 토크 산출부가 모터로 부터 검출된 전류/전압신호와 데이터베이스로부터 베어링 관련자료를 근거로 에어갭 토크를 산출하고,
    데이터베이스의 베어링관련 제조사 및 베어링의 번호의 데이터를 인출하여 확인하여 외륜주파수(BPFO), 내륜주파수(BPFI)와 볼주파수(BSF)중 어느하나를 선택하여 외륜주파수(BPFO)의 1 내지 10배수의 주파수를 설정하고,
    토크주파수 분석부가 고장분석부로부터 수신한 토크스펙트럼데이터에 근거하여 토크 피크와 소정배수의 외륜주파수(BPFO)를 비교하고 서로 일치하는 주파수를 확인하고,
    배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링진단부가 베어링상태가 양호한 것으로 판단하며, 만일 일치 한다면 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz를 가감한 주파수를 산출하며,
    베어링고장진단부가 산출한 주파수를 토크 피크치와 일치하는가를 확인하고, 만일 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 베어링의 양호한 상태를 확인하며, 만일 일치하는 경우 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 두배수 주파수를 가감한 주파수를 산출하고,
    만일 n배수의 외륜주파수에 토크피크가 일치하지 않는다면 베어링진단부가 베어링상태가 양호한 것으로 판단하고, 만일 일치 한다면 n 배수의 외륜주파수(BPFO)에 대하여 120Hz의 3배수의 주파수를 가감한 주파수를 산출하고, 만일 이 주파수와도 일치하지 않는 것으로 판단한 경우 베어링의 양호한 상태를 확인하며, 만일 일치하는 경우 모터상태진단부가 베어링 고장 알람 신호를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 모터의 고장진단방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    모터효율산출루틴은;
    모터운전효율산출부가 에어갭 토크산출부로부터 토크스펙트럼에 근거하여 얻어지는 출력이 실제 모터 축 출력과 마찰손, 권선손, 표유부하손실을 합한 값과 같으므로 모터의 출력과 모터의 효율을 다음 식(a)으로 산출하고,
    Figure 112013103738437-pat00013
    (a)
    여기서 Pin은 입력전력, Ploss은 각종손실, Pout는 모터축에서 발생하는 출력이며,
    위 식에서 전체입력전력(Pin)과 에어갭 토크를 이용한 모터축 출력전력출력(Pout)이 다음식(b) 및 (c)으로 산출되고,
    Figure 112013103738437-pat00014
    (b)
    여기서 Pin은 입력전력, Pel은 전기적입력으로 모터에 인가되는 전압이며,
    Figure 112013103738437-pat00015
    (c)
    여기서 n은 모터의 운전속도이고, Torque는 에어갭 토크이며,
    위 공식으로 산출된 모터운전효율산출부의 출력이 시간영역분석부에 입력되어 시간단위 또는 일정 시간 동안의 평균운전효율을 분석하고 설정하고,
    부하운전상태진단부가 평균운전효율신호를 고장분석부로부터 정상전류, 전압, 정상역률, 운전속도, 토크등의 모터운전속도에 대한 정상상태 데이터신호와 비교하여 운전상태를 진단하여 운전상태에 따른 진단신호를 모터상태진단부에 공급하여 모터의 정상 또는 비정상인가를 판단하게 하고 비정상운전시에는 이를 경고하게 한 것을 특징으로 하는 모터의 고장진단방법.
  6. 모터고장진단 시스템에 있어서,
    모터상태 또는 모터고장진단을 하고 인터넷에 연결된 서버로 전달하고, 개인 단말기에서 모터의 진단결과를 확인할 수 있으며, 다수의 모터들에 전기적으로 연결되고, 각 모터들의 전류를 개별적으로 검출하는 전류트랜스포머(CT)들로 구성되는 다수의 전류감지부;
    모터들의 각 온도를 감지하는 더미스터들로 구성되는 다수의 온도감지부와 모터들의 구동에 따른 자극의 위치를 검출하는 자극위치센서들에 연결되는 다수의 자극위치 감지부들을 구비하는 모터제어센터;
    모터의 정상운전상태에 대한 데이터를 외부로부터 입력받아 사전에 저장하는 데이터베이스;
    데이터베이스로부터 모터 정상 상태 데이터를 수신하여 전류/전압스펙트럼화하고 이를 알고리즘으로 수치화한 정상상태의 토크 리플 주파수신호, 회전자 구동 주파수신호 및 시간에 따른 부하알고리즘을 수치화한 부하신호를 발생시키는 고장분석부;
    모터제어센터로부터 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 시스템에 전류, 전압 감지신호를 인가하는 A/D변환부, A/D변환부로부터 입력된 전류/전압에 근거하여 전류/전압의 실효 값을 산출하고 전류스펙트럼을 작성하는 동시에 전류 피크 치를 산출하는 전류 피크 산출부;
    전류피크산출부로 부터 수신된 전류 피크 치를 수신하여 로터바의 주파수를 산출하며 로터바의 주파수에 대하여 5배수의 전류 피크 치를 곱하여 델타 주파수와 일치하는가를 판단하는 작동 검출부;
    작동 검출부로부터 텔타 주파수신호와 고장분석부로부터의 토크리플 주파수를 비교한 비교신호를 발생시켜 모터상태진단부에 인가하여 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보하는 진동검출부;
    자극위치센서에 의하여 발생한 모터구동에 따른 속도를 나타내는 주파수신호를 수신하고 모터속도를 산출하여 산출된 신호를 주파수 분석부에 인가하는 주파수 분석부;
    작동 검출부로부터 로터바 주파수신호를 모터속도신호와 비교하여 모터에 인가되는 전류/전압신호를 수신하고 수신된 인가 전류/전압신호와 고장분석부의 정상 전류/전압의 스펙트럼의 신호와 비교하여 비교신호를 모터상태진단부에 인가하므로 모터상태진단부가 로터바의 고장진단을 하고 고장 경보를 하게 한 로터바고장진단부;
    A/D변환부로부터 디지털 전류,전압 감지신호와 모터속도산출부로부터 모터구동에 따른 속도 주파수신호를 수신하여 토크를 산출하고 토크 스펙트럼을 발생시키는 에어갭 토크산출부;
    데이터베이스로부터 베어링메이커와 베어링의 내륜, 외륜, 볼등의 정상적인 구동 주파수를 선택하고 설정주파수 외륜주파수 BPFO, 내륜주파수 BPFI 및 볼주파수(BSF)중의 어느 하나를 선택하는 베어링주파수 산출부;
    베어링주파수 산출부로부터 산출된 주파수와 토크스펙트럼에서 토크피크와 일치되는가를 분석하는 토크주파수분석부;
    토크주파수분석부로 부터 분석된 신호를 판단하여 베어링 고장 여부를 진단하고 진단 신호를 모터상태진단부에 인가하여 베어링 고장 여부를 판단하게 한 베어링고장진단부;
    에어갭 토크산출부로부터 토크스펙트럼에 근거하여 모터운전효율을 산출하는 모터운전효율산출부;
    모터운전효율에 관련한 데이터를 수신하여 시간단위 또는 일정시간동안의 평균운전효율을 분석하는 시간영역분석부;
    부하운전상태진단부로 부터 평균운전효율신호를 고장분석부로부터 정상전류, 전압, 정상역률, 운전속도, 토크의 모터운전속도에 대한 정상상태 데이터신호와 비교하여 운전상태를 진단하고 운전상태에 따른 진단신호를 모터상태진단부에 공급하여 모터의 정상 또는 비정상인가를 판단하게 하고 비정상운전시에는 이를 경고하게 한 시간영역분석부들로 구성한 것을 특징으로 하는 모터고장진단시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    모터고장시스템은 현장에서 모터의 이상상태에 대하여 즉각 대응하는 것이 가능하도록 모터에 설치되는 온도센서 서머커플러와;
    이 서머커플러의 양단에는 병렬접속된 방전용 저항에 의하여 유기전압의 전압차가 발생 되게 하여 소정온도 이상에서는 부(-) 전위를 발생시켜 역 전압 저지를 위한 다이오드 케소드에 인가하므로 밧데리 전원에 연결된 다이오드를 통전시켜 기준전압을 발생시켜 쉬미트 트리거로 구성되는 반전증폭기에 인가되게 하는 유기전압검출회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 모터고장진단시스템.
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