KR102212084B1 - 동기전동기의 고장 진단 방법 - Google Patents

동기전동기의 고장 진단 방법 Download PDF

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이준민
박찬희
안길준
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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법은, 동기전동기의 상전류 신호를 고속 푸리에 변환하는 변환 단계, 상기 고속 푸리에 변환에 따른 주파수 스펙트럼과 상기 동기전동기의 특성을 고려하여 공급주파수를 계산하는 공급주파수 계산 단계, 상기 주파수 스펙트럼과 상기 공급주파수를 이용하여 제1 건전성 인자를 산출하는 제1 건전성 인자 계산 단계, 상기 주파수 스펙트럼, 상기 동기전동기의 축 회전주파수와, 상기 공급주파수를 이용하여 제2 건전성 인자를 산출하는 제2 건전성 인자 계산 단계, 및 상기 제1 건전성 인자와 상기 제2 건전성 인자를 이용하여 상기 동기전동기의 상태를 판단하는 상태 판단 단계를 포함한다.

Description

동기전동기의 고장 진단 방법{FAULT DIAGNOSIS METHOD OF SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 전동기의 고장 진단 방법에 관한 것으로, 일례로 동기전동기의 고장 진단 방법에 관한 것이다.
전동기는 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 기계장치이다. 전동기는 교류 전기를 이용하는 교류전동기가 있으며, 교류전동기는 교류 전기를 이용하여 고정자에 회전 자기장을 발생시키고, 도체의 회전자에 전류를 발생시키면, 회전자가 전자기력을 받아 회전 자기장에 대응하여 회전 운동을 하는 원리로 작동한다.
교류전동기는 크게 유도전동기와 동기전동기로 나뉘는데, 근본적인 토크 발생 원리는 둘 다 동일하나, 제어 방식과 특성에 차이가 있다.
유도전동기는 고정자에 교류 전원을 투입하게 되면 고정자에 회전 자기장이 형성된다. 이 자기장을 회전자가 받게 되면 이에 반응하여 기전력이 유도되고 회전자에도 전류가 흐르게 된다. 이 전류로 회전자에 자기력이 형성되어 고정자의 자기장과 상호작용하여 토크가 발생한다.
동기 전동기는 전자기 유도로 토크를 발생시키는데 유도 전동기와는 달리 동기 전동기의 계자는 자화된 코일이나 영구자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 차이점이 있다. 동기 전동기의 가장 큰 특징은 모터를 구동하는 고정자 회전 자계와 회전자가 항상 동기되어 회전한다는 점인데 그 이유는 고정자 회전 자계가 회전자의 자석을 직접 밀고 당기면서 구동력을 얻는데 그 자석이나 코일이 회전자에 고정되었기 때문이다. 일반적으로 동기 전동기는 영구자석을 사용한 전동기를 의미하는 경우가 대부분이다.
한편, 동기전동기는 전기적인 고장(고정자 권선 단락 고장), 기계적인 고장(베어링, 편심 고장), 및 자기적인 고장(불가역 감자 고장) 등이 발생할 수 있다.
이러한 고장 발생은 동기전동기가 적용된 시스템에 악영향을 줄 수 있으므로, 이를 검출하기 위한 고장 감지 기술이 개발되고 있다.
종래의 고장 감지 기술 중에서 유도전동기의 고장을 감지하는 기술의 경우, 유도전동기의 모델식으로부터 계산된 수식을 이용한 고장 감지 또는 다양한 데이터에 기초한 퍼지 방식 등으로 유도전동기의 고장 감지를 수행한다.
이러한 유도전동기의 고장 감지 기술은, 유도전동기와 영구자석 동기전동기의 구성 요소와 작동 원리가 달라, 동기전동기의 고장 감지에 적용되기가 어려운 문제가 있다. 즉, 종래 유도전동기의 고장 감지 기술은 전동기의 종류에 따라 달라지는 시스템에 일괄적으로 적용되기가 어렵다.
또한, 종래의 고장 감지 기술 중에서 동기전동기의 고장을 감지하는 기술의 경우, 지령 값 대비 실제 측정값과의 차이를 이용하여 동기전동기의 고장 감지를 수행한다. 그러나, 종래의 동기전동기의 고장 감지 기술은, 여러 다른 측정 신호와 값들(입력전압, 인덕턴스, 자속, 진동), 및 이를 측정하기 위한 장비가 추가적으로 요구되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0118339호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 영구자석 동기전동기의 특성을 반영한 고장 감지 알고리즘을 구성하고, 전동기 제어목적으로 기본적으로 측정되는 상전류 신호를 고장 감지 알고리즘에 적용하여 동기전동기의 고장을 감지하는 동기전동기의 고장 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법은, 동기전동기의 상전류 신호를 고속 푸리에 변환하는 변환 단계; 상기 고속 푸리에 변환에 따른 주파수 스펙트럼과 상기 동기전동기의 특성을 고려하여 공급주파수를 계산하는 공급주파수 계산 단계; 상기 주파수 스펙트럼과 상기 공급주파수를 이용하여 제1 건전성 인자를 산출하는 제1 건전성 인자 계산 단계; 상기 주파수 스펙트럼, 상기 동기전동기의 축 회전주파수와, 상기 공급주파수를 이용하여 제2 건전성 인자를 산출하는 제2 건전성 인자 계산 단계; 및 상기 제1 건전성 인자와 상기 제2 건전성 인자를 이용하여 상기 동기전동기의 상태를 판단하는 상태 판단 단계;를 포함한다.
상기 동기전동기의 특성은 영구자석 동기전동기인 것을 특징으로 한다.
상기 동기전동기는 등속 회전 상태일 수 있다.
상기 상태 판단 단계는, 상기 제1 건전성 인자와 제1 기준주파수성분을 비교하는 제1 상태 판단 단계, 및 상기 제2 건전성 인자와 제2 기준주파수성분을 비교하는 제2 상태 판단 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 상태 판단 단계는, 상기 제1 건전성 인자가 상기 제1 기준주파수성분 이상이면 상기 동기전동기의 제1 상태를 고장으로 판단할 수 있다.
상기 제2 상태 판단 단계는, 상기 제2 건전성 인자가 상기 제2 기준주파수성분 이상이면 상기 동기전동기의 제2 상태를 고장으로 판단할 수 있다.
상기 제1 상태와 상기 제2 상태를 고려하여 상기 동기전동기의 권선 단락 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고장 판단 단계는, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 모두 고장인 경우, 상기 동기전동기의 권선 단락 고장으로 판단하고, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 중에서 어느 하나 이상이 정상인 경우, 상기 동기전동기의 권선 단락 고장이 아닌 것으로 판단할 수 있다.
상기 동기전동기의 권선 단락 고장인 경우, 고장 알람을 출력하는 고장 알람 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 스펙트럼에서 상기 공급주파수 성분을 제거하는 노치 필터링을 수행하는 필터링 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 건전성 인자 계산 단계는, 상기 공급주파수 성분이 제거된 상기 주파수 스펙트럼에서 잔여 주파수 성분을 합하여 상기 제1 건전성 인자를 산출할 수 있다.
상기 제2 건전성 인자 계산 단계는, 상기 공급주파수에서 상기 축 회전주파수를 차감하여 고장특성주파수를 산출하고, 상기 주파수 스펙트럼에서 상기 고장특성주파수의 성분을 읽음으로써 상기 제2 건전성 인자를 산출할 수 있다.
상기 동기전동기의 축 회전주파수를 검출하는 축 회전주파수 계산 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법에 의하면, 영구자석 동기전동기의 특성을 반영한 고장 감지 알고리즘을 구성하고, 전동기 제어목적으로 기본적으로 측정되는 상전류를 고장 감지 알고리즘에 적용하여 동기전동기의 고장을 감지할 수 있다.
또한, 종래 상전류 신호를 이용한 전동기의 고장 감지 기술이 실제 적용에 있어서 높은 샘플링 레이트를 요구했던 것에 비해 충분히 낮은 샘플링 레이트가 요구되어, 강건한 건전성 인자를 제안할 수 있다.
또한, 운행 중인 모터의 고장 감지 분야 및 제품 품질 관리에 적용될 수 있다.
또한, 영구자석 동기전동기로 구동되는 시스템의 건전성 상태진단을 위해 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 동기전동기의 고장 진단 장치의 고장 진단 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법의 순서도이다.
도 4는 종래기술에 따른 동기전동기의 고장 진단 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 동기전동기의 고장 진단 방법에 따른 건전성 인자를 보여주는 도면이다.
도 6은 동기전동기의 권선 단락 고장의 진단 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 장치의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 장치(200)는, 영구자석 동기전동기(permanent magnet synchronous motor)의 등속 상태로 구동 시, 고정자 권선 단락 고장을 조기에 진단할 수 있는 것으로서, 변환부(210), 공급주파수 계산부(220), 잔여주파수 성분 산출부(230), 고장특성주파수 성분 산출부(240), 및 고장판단부(250)를 포함한다.
변환부(210)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 장치일 수 있다. 변환부(210)는 동기전동기의 상전류 신호(Stator Current Signal)를 고속 푸리에 변환하여 주파수 신호로 변환할 수 있다. 여기서, 상전류 신호는 센싱부(100)에 의해 검출될 수 있다.
센싱부(100)는 전류 센서(Current Sensor) 및 엔코더(Encoder)를 포함할 수 있다. 전류 센서는 동기전동기의 전원 공급부에 설치되어 상전류 신호를 검출할 수 있다. 또한, 전류 센서는 동기전동기 구동 회로의 출력단에 설치되어 상전류 신호를 검출할 수도 있다. 엔코더는 동기전동기의 축 끝 단에 부착되어 축 회전주파수를 검출할 수 있다.
변환부(210)는 센싱부(100)가 검출한 상전류 신호를 고속 푸리에 변환함으로써 상전류 신호의 주파수 스펙트럼 정보 및 고장 정보를 획득할 수 있다.
공급주파수 계산부(220)는 변환부(210)의 변환 결과(주파수 스펙트럼)와 동기전동기의 특성(영구자석)을 고려하여 공급주파수를 계산할 수 있다. 공급주파수 계산부(220)는 동기전동기의 극 수를 더욱 고려하여 공급주파수를 계산할 수 있다.
일반적으로 상전류 신호의 주파수 스펙트럼 중에서 공급주파수 성분의 크기가 가장 크기 때문에, 공급주파수 계산부(220)는 주파수 스펙트럼으로부터 공급주파수를 획득할 수 있다.
한편, 권선 단락 고장이 매우 심한 경우, 공급주파수 성분보다 고장특성주파수 성분이 더 커질 수 있는데, 이러한 경우 공급주파수가 잘못 계산될 수 있다,
공급주파수 계산부(220)는 동기전동기의 회전 속도 정보(예, 등속도 정보)와 극 수 정보를 고려하여 공급주파수를 계산함으로써 상술한 바와 같은 오류를 회피할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 극 수가 4로서, N극과 S극이 2개씩 총 2쌍으로 구성된 동기전동기의 경우, 회전축이 1바퀴 회전하게 되면, 상전류가 2바퀴 회전하게 된다. 이러한 동기전동기가 3000rpm(50Hz) 정도로 구동되는 경우, 상전류의 공급주파수는 100Hz 근처일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 고정자 권선 고장이 발생할 경우, 주파수 스펙트럼의 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz의 세 개의 주파수에서 거의 동일한 크기를 가질 수 있다.
공급주파수 계산부(220)는 3000rpm의 회전 속도 정보와 4의 극 수 정보를 이용하여 50Hz와 150Hz가 고장특성주파수이고 100Hz가 공급주파수임을 계산할 수 있다. 또한, 공급주파수 계산부(220)는 동기전동기의 실제 회전속도가 100Hz/2*60 = 3000rpm 정도임을 계산할 수 있다.
한편, 일반적으로 엔코더에 의해 검출되는 축 회전주파수(fr)가 공급주파수 계산부(220)에 의해 계산될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 동기전동기의 극 수가 4인 경우 상전류에 100Hz를 공급하면, 실제로 회전 축은 그보다 2배 느리게 50Hz로 회전하는데, 공급주파수 계산부(220)는 이러한 원리를 이용하여 축 회전주파수를 계산할 수도 있다.
잔여주파수 성분 산출부(230)는 노치 필터링(notch filtering) 기능을 구비할 수 있다. 잔여주파수 성분 산출부(230)는 상전류 신호의 주파수 스펙트럼 정보에서 공급주파수 성분을 제거하는 노치 필터링을 수행할 수 있다. 잔여주파수 성분 산출부(230)는 공급주파수 성분이 제거된 스펙트럼 성분들의 합을 계산함으로써 잔여주파수 성분을 산출할 수 있다. 이와 같이 동기전동기 구동을 위한 주력주파수(공급주파수) 성분이 제외됨으로써 동기전동기 상태 정보가 극대화되어 잔여주파수 성분에 포함될 수 있다.
고장특성주파수 성분 산출부(240)는 공급주파수와 축 회전주파수를 이용하여 고장특성주파수를 산출할 수 있다. 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 공급주파수에서 축 회전주파수를 차감함으로써 고장특성주파수를 산출할 수 있다. 고장특성주파수는 저주파 대역을 포함할 수 있다. 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 주파수 스펙트럼에서 고장특성주파수에서의 값을 읽어 고장특성주파수 성분을 획득할 수 있다. 여기서, 축 회전주파수는 공급주파수 계산부(220) 또는 상술한 바 있는 엔코더에 의해 획득될 수 있다.
고장판단부(250)는 잔여주파수 성분과 고장특성주파수 성분 각각을 이용하여 동기전동기의 권선 단락 고장 여부를 판단할 수 있다. 고장판단부(250)는 잔여주파수 성분이 미리 설정된 제1 기준주파수성분 이상이면 동기전동기의 제1 상태를 고장인 것으로 판단할 수 있다. 또한 고장판단부(250)는 고장특성주파수가 미리 설정된 제2 기준주파수성분 이상이면 동기전동기의 제2 상태를 고장인 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 제1 기준주파수성분과 제2 기준주파수성분은 서로 다른 주파수이며, 사용자 필요 또는 실험 결과에 따라 적절히 설정될 수 있다.
고장판단부(250)는 제1 상태 및 제2 상태 모두 고장인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장으로 판단할 수 있다. 반면에 고장판단부(250)는 제1 상태 및 제2 상태 중에서 어느 하나 이상이 정상인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장이 아닌 것으로 판단할 수 있다.
고장판단부(250)는 동기전동기의 권선 단락 고장인 것으로 판단되면, 알림장치(미도시)를 통해 고장 알람을 사용자에게 출력할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 장치(200)는, 동기전동기 구동에 이용되는 일반적인 전류 센서를 통해 상전류 데이터를 획득하기 때문에 추가적인 센서가 필요하지 않고, 다양한 속도 및 하중조건에서 고장 진단의 검증이 이루어졌으며, 낮은 데이터 취득 속도에서도 적용 가능하다는 효과가 있다.
도 2는 도 1의 동기전동기의 고장 진단 장치의 고장 진단 과정을 보여주는 도면이다.
도 2를 참고하여 동기전동기의 고장 진단 장치(200)의 고장 진단 과정을 설명하면, 먼저 (a) 단계에서 동기전동기의 권선 단락 고장이 발생할 수 있다. (b) 단계에서 센싱부(100)는 동기전동기에 입력되는 상전류 신호를 검출할 수 있다. (c) 단계에서 공급주파수 계산부(220)는 상전류 신호를 고속 푸리에 변환하여 상전류 신호의 주파수 스펙트럼을 획득할 수 있다. (d) 단계에서 공급주파수 계산부(220)는 동기전동기의 극 수를 획득할 수 있다. (e) 단계에서 공급주파수 계산부(220)는 상전류 신호의 주파수 스펙트럼 정보, 동기전동기의 특성, 및 극 수를 이용하여 공급주파수(fe)를 계산할 수 있다. 또한, 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 공급주파수(fe)에서 축 회전주파수(fr)를 차감하여 고장특성주파수를 산출하고 주파수 스펙트럼에서 고장특성주파수 성분을 획득할 수 있다. (f) 단계에서 잔여주파수 성분 산출부(230)는 노치 필터링을 수행하여 상전류 신호의 주파수 스펙트럼에서 공급주파수 성분을 제거할 수 있다. 잔여주파수 성분 산출부(230)는 공급주파수 성분이 제거된 스펙트럼 성분들의 합을 계산함으로써 잔여주파수 성분을 산출할 수 있다. 잔여주파수 성분과 고장특성주파수 성분은 동기전동기의 고장 판단을 위한 건전성 인자로 이용될 수 있다. (g) 단계에서 고장판단부(250)는 건전성 인자(잔여주파수 성분, 고장특성주파수 성분)를 이용하여 동기전동기의 고장 상태를 판단할 수 있다. (h) 단계에서 고장판단부(250)는 잔여주파수 성분(제1 건전성 인자)에 따른 동기전동기의 제1 상태가 고장이고, 고장특성주파수 성분(제2 건전성 인자)에 따른 동기전동기의 제2 상태가 고장인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장으로 판단할 수 있다. 이때 고장판단부(250)는 고장 알람을 사용자에게 출력할 수 있다. 또한, 고장판단부(250)는 제1 건전성 인자에 따른 동기전동기의 제1 상태 또는 제2 건전성 인자에 따른 동기전동기의 제2 상태 중에서 어느 하나 이상이 정상인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장이 아닌 것으로 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법은, 검출 단계(S310), 변환 단계(S320), 공급주파수 계산 단계(S330), 필터링 단계(S340), 제1 건전성 인자 계산 단계(S350), 제1 상태 판단 단계(S360), 축 회전주파수 계산 단계(S370), 제2 건전성 인자 계산 단계(S380), 제2 상태 판단 단계(S390), 고장 판단 단계(S400), 및 고장 알람 단계(S410)를 포함할 수 있다.
검출 단계(S310)에서, 센싱부(100)는 동기전동기에 흐르는 상전류 신호를 검출한다.
변환 단계(S320)에서, 변환부(210)는 동기전동기의 상전류 신호를 고속 푸리에 변환한다. 변환부(210)는 고속 푸리에 변환을 통해 상전류 신호의 주파수 스펙트럼을 획득할 수 있다.
공급주파수 계산 단계(S330)에서, 공급주파수 계산부(220)는 변환 단계(S320)의 변환 결과(주파수 스펙트럼)와 동기전동기의 특성(영구자석) 및 극 수를 이용하여 공급주파수를 계산할 수 있다.
필터링 단계(S340)에서, 잔여주파수 성분 산출부(230)는 동기전동기의 상전류의 주파수 스펙트럼에서 공급주파수 성분을 제거하는 노치 필터링을 수행할 수 있다.
제1 건전성 인자 계산 단계(S350)에서, 잔여주파수 성분 산출부(230)는 공급주파수 성분이 제거된 주파수 스펙트럼에서 잔여 주파수 성분을 합하여 제1 건전성 인자(잔여주파수 성분)를 산출한다. 제1 건전성 인자는 잔여 주파수 성분의 신호 크기(magnitude)를 나타낼 수 있다.
제1 상태 판단 단계(S360)에서, 고장판단부(250)는 제1 건전성 인자(잔여주파수 성분)가 미리 설정된 제1 기준주파수성분 이상이면 동기전동기의 제1 상태를 고장인 것으로 판단한다. 고장판단부(250)는 제1 건전성 인자가 제1 기준주파수성분 미만이면 동기전동기의 제1 상태를 정상인 것으로 판단할 수 있다.
축 회전주파수 계산 단계(S370)에서, 센싱부(100)는 동기전동기의 축 회전주파수를 검출한다. 여기서, 축 회전주파수는 공급주파수 계산부(220) 또는 엔코더에 의해 획득될 수 있다.
제2 건전성 인자 계산 단계(S380)에서, 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 주파수 스펙트럼, 공급주파수와, 축 회전주파수를 이용하여 제2 건전성 인자(고장특성주파수 성분)를 산출한다. 제2 건전성 인자는 고장특성주파수 성분의 신호 크기를 나타낼 수 있다. 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 공급주파수에서 축 회전주파수를 차감함으로써 고장특성주파수를 산출할 수 있다. 고장특성주파수는 저주파 대역을 포함할 수 있다. 고장특성주파수 성분 산출부(240)는 주파수 스펙트럼에서 고장특성주파수의 값을 읽어 고장특성주파수 성분을 획득할 수 있다.
제2 상태 판단 단계(S390)에서, 고장판단부(250)는 제2 건전성 인자(고장특성주파수 성분)가 미리 설정된 제2 기준주파수성분 이상이면 동기전동기의 제2 상태를 고장인 것으로 판단한다. 고장판단부(250)는 제2 건전성 인자가 제2 기준주파수성분 미만이면 동기전동기의 제2 상태를 정상인 것으로 판단할 수 있다.
고장 판단 단계(S400)에서, 고장판단부(250)는 동기전동기의 제1 상태 및 제2 상태 모두 고장인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장으로 판단한다. 반면에 고장판단부(250)는 동기전동기의 제1 상태 및 제2 상태 중에서 어느 하나 이상이 정상인 경우, 동기전동기의 권선 단락 고장이 아닌 것으로 판단할 수 있다.
고장 알람 단계(S410)에서, 고장판단부(250)는 동기전동기의 권선 단락 고장인 것으로 판단되면, 알림장치(미도시)를 통해 고장 알람을 사용자에게 출력한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법은, 동기전동기의 입력 전류에 대해 푸리에 스펙트럼을 계산하고, 계산 값을 이용하여 두 개의 건전성 인자를 계산하고, 두 개의 건전성 인자에 대해 공통으로 고장 진단한 후 최종 진단 결정을 하는 알고리즘으로 구성될 수 있다.
이를 통해, 전류 신호 외에 다른 추가적인 신호를 사용하지 않고, 영구자석 동기전동기의 특성을 반영하면서도 다양한 하중 및 속도에 대해 강건한 건전성 인자를 산출할 수 있다. 이를 기초로 병렬적 진단 알고리즘을 구성하여, 동기전동기의 고장 진단 결과에 대해 오 경보를 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 고장 진단 방법은, 높은 샘플링 레이트를 요구하는 종래 고장 감지 기술 대비하여 충분히 낮은 샘플링 레이트에서도 단락 고장 감지가 가능한 효과가 있다.
도 4는 종래기술에 따른 동기전동기의 고장 진단 결과를 보여주는 도면이다.
도 4를 참고하면, 종래기술에 따른 동기전동기(Motor) 및 모듈(Module)의 고장 진단 결과로서, 동기전동기의 U 상(U phase)의 상전류 관련한 부하 토크(Load Torque) 대비 RMS 값을 확인할 수 있다. 평균 제곱근(RMS, Root Mean Square)은 동기전동기에 하중 변화에 따라 그 값의 수준이 변화하며, 고장 전동기와 정상 전동기 간 중복구간이 존재해 오진단의 위험이 있다. 이는 수시로 하중이 변화하는 산업현장에 적용할 수 없음을 의미한다. 또한 도 4 관련한 종래기술뿐만 아니라 다른 종래기술 역시 하중이나 속도에 대한 강건성 검토가 되지 않고 있다.
도 5는 본 발명의 동기전동기의 고장 진단 방법에 따른 건전성 인자를 보여주는 도면이다.
도 5를 참고하면, 속도 수준(50%, 100%) 별 정상 상태(Normal)의 동기전동기와 고장 상태(Abnormal)의 동기전동기에 대한 건전성 인자를 확인할 수 있다.
도 5의 (a)에서, 동기전동기의 U 상(U phase) 상전류에 대한 제2 건전성 인자(fe-fr)를 확인할 수 있다. 제2 건전성 인자는 고장특성주파수 성분에 대응한다. 본 발명의 경우, 하중 수준 0~100%에 대해 제2 건전성 인자를 이용하여 고장 진단이 가능하다.
도 5의 (b)에서, 노치 필터링에 따라 동기전동기의 상전류의 주파수 스펙트럼에서 공급주파수 성분이 제거되고 잔류 주파수 성분으로 구성된 제1 건전성 인자(잔여주파수 성분)를 확인할 수 있다. 본 발명의 경우, 하중 수준 0~100%에 대해 제1 건전성 인자를 이용하여 고장 진단이 가능하다.
도 6은 동기전동기의 권선 단락 고장의 진단 결과를 보여주는 도면이다.
도 6의 (a)에서 정상 상태의 동기전동기(Normal Motor)와 고장 상태의 동기전동기(Abnormal Motor) 각각의 잔여주파수 성분(제1 건전성 인자)이 차이가 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 회전 속도 및 부하 토크(하중 변화)에 무관하게 제1 건전성 인자를 통해 동기전동기의 고장 상태가 판단될 수 있다.
도 6의 (b)에서 정상 상태의 동기전동기(Normal Motor)와 고장 상태의 동기전동기(Abnormal Motor) 각각의 고장특성주파수 성분(제2 건전성 인자)이 차이가 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 회전 속도 및 부하 토크(하중 변화)에 무관하게 제2 건전성 인자를 통해 동기전동기의 고장 상태가 판단될 수 있다.
즉, 동기전동기의 상전류 신호의 메인 주파수 성분을 관측할 수 있으면, 잔여주파수 성분(제1 건전성 인자)과 고장 특성주파수 성분(제2 건전성 인자)을 이용할 수 있으므로, 낮은 샘플링 레이트에서도 고장 감지가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 알고리즘 및 건전성 인자의 경우, 영구자석 동기전동기 자체의 진단뿐 아니라 이를 구동 시스템으로 사용하는 모든 상위시스템에 적용 가능하다.
또한, 본 발명의 경우, 산업용 로봇의 구동부, 전기 자동차 구동부, 진공 챔버 시스템 구동부 등 전류신호가 취득 가능한 다양한 산업시설의 건전성 상태진단에 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
100: 센싱부
200: 고장 진단 장치
210: 변환부
220: 공급주파수 계산부
230: 잔여주파수 성분 산출부
240: 고장특성주파수 성분 산출부
250: 고장판단부

Claims (13)

  1. 동기전동기의 상전류 신호를 고속 푸리에 변환하는 변환 단계;
    상기 고속 푸리에 변환에 따른 주파수 스펙트럼과 상기 동기전동기의 특성을 고려하여 공급주파수를 계산하는 공급주파수 계산 단계;
    상기 주파수 스펙트럼과 상기 공급주파수를 이용하여 제1 건전성 인자를 산출하는 제1 건전성 인자 계산 단계;
    상기 주파수 스펙트럼, 상기 동기전동기의 축 회전주파수와, 상기 공급주파수를 이용하여 제2 건전성 인자를 산출하는 제2 건전성 인자 계산 단계; 및
    상기 제1 건전성 인자와 상기 제2 건전성 인자를 이용하여 상기 동기전동기의 상태를 판단하는 상태 판단 단계;
    를 포함하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기전동기의 특성은 영구자석 동기전동기인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동기전동기는 등속 회전 상태인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 판단 단계는,
    상기 제1 건전성 인자와 제1 기준주파수성분을 비교하는 제1 상태 판단 단계, 및
    상기 제2 건전성 인자와 제2 기준주파수성분을 비교하는 제2 상태 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 상태 판단 단계는,
    상기 제1 건전성 인자가 상기 제1 기준주파수성분 이상이면 상기 동기전동기의 제1 상태를 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 상태 판단 단계는,
    상기 제2 건전성 인자가 상기 제2 기준주파수성분 이상이면 상기 동기전동기의 제2 상태를 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 상태와 상기 제2 상태를 고려하여 상기 동기전동기의 권선 단락 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고장 판단 단계는,
    상기 제1 상태와 상기 제2 상태 모두 고장인 경우, 상기 동기전동기의 권선 단락 고장으로 판단하고, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 중에서 어느 하나 이상이 정상인 경우, 상기 동기전동기의 권선 단락 고장이 아닌 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동기전동기의 권선 단락 고장인 경우, 고장 알람을 출력하는 고장 알람 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 스펙트럼에서 상기 공급주파수 성분을 제거하는 노치 필터링을 수행하는 필터링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 건전성 인자 계산 단계는,
    상기 공급주파수 성분이 제거된 상기 주파수 스펙트럼에서 잔여 주파수 성분을 합하여 상기 제1 건전성 인자를 산출하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 건전성 인자 계산 단계는,
    상기 공급주파수에서 상기 축 회전주파수를 차감하여 고장특성주파수를 산출하고, 상기 주파수 스펙트럼에서 상기 고장특성주파수의 성분을 읽음으로써 상기 제2 건전성 인자를 산출하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기전동기의 축 회전주파수를 검출하는 축 회전주파수 계산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 고장 진단 방법.
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