KR102325650B1 - 유도 전동기 관리 시스템 - Google Patents

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KR102325650B1
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김종구
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(주)수산인더스트리
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Abstract

본 발명은 유도 전동기 관리 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템은, 계기용 변압기와 계기용 변류기가 설치되고, 유도 전동기가 운전되는 동안 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 계기용 변류기를 통해 입력된 전류 및 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수를 측정하는 전동기 제어부; 전동기 제어부에서 측정된 전압, 전류 및 주파수를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 아날로그/디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 기반으로 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 회전자 저항, 회전자 리액턴스, 고정자 전압, 고정자 전류, 회전자 전압 및 회전자 전류를 추정하고, 유도 전동기의 동기 속도, 회전자 속도, 슬립, 회전자 주파수, 고정자 전류, 회전자 전류, 토크, 유도 전동기의 소비 전력, 유도 전동기의 실제 출력, 유도 전동기의 에어 캡(Air cap) 출력, 유도 전동기의 손실을 계산하며, 유도 전동기를 실시간으로 모니터링하여 유도 전동기의 운전 상태를 진단하고, 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측하는 데이터 처리 분석부; 및 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 수신하고, 데이터 처리 분석부로부터 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대한 경보를 수신하고, 유도 전동기의 상태를 실시간으로 모니터링하는 관리자 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도 전동기 관리 시스템{System for managing induction motor}
본 발명은 유도 전동기 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해당 설비의 신뢰성을 확보하는 동시에 계산된 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대해 관리자에게 경보할 수 있는 유도 전동기 관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유도 전동기는 교류 전동기의 대표적인 예이다. 고정자가 만드는 회전 자계에 의해, 전기 전도체의 회전자에 유도 전류가 발생해 미끄러짐에 대응한 회전 토크가 발생한다.
유도 전동기의 고장 원인의 상당 부분은 베어링의 문제이며, 베어링의 고장은 크게 2가지로 구분된다. 첫번째는 베어링 자체의 결함(그리스 부족, 볼 마모, 전식 등)이고, 두번째는 베어링과 베어링 하우징 사이의 간극이 허용 범위 이상일 경우이다. 이러한 유도 전동기의 베어링 고장을 탐지하기 위해서 진동 센서를 직접 설치한다.
그러나, 설비가 복잡해지고 추가 비용이 발생됨에 따라 실제 현장에서는 대형(고압) 유도 전동기가 아닌, 일반적인 중소형 유도 전동기의 경우 진동 센서가 설치되지 않는다.
최근, 유도 전동기의 전류 진단 기술은 고정자, 회전자, 베어링 등의 결함에 의해 발생하는 주파수가 전류 주파수 성분을 변조시키고 이 변조된 전류 주파수 성분을 FFT(Fast Fourier Transform) 기술에 의해 분석하여 결함 주파수를 찾아내는 진단 기술을 사용하고 있다.
그러나 이러한 방법은 전동기 냉각 팬이 팬 커버에 접촉되거나 외부의 일시적인 외란에 대해 오류가 발생하며, 베어링 고장 진단의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
따라서, 해당 설비의 신뢰성을 확보하는 동시에 계산된 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대해 관리자에게 경보할 수 있는 유도 전동기 관리 시스템이 요구된다.
국내 등록특허공보 제10-1661854호(전력분석기반 모터관리 시스템)(2016년 9월 30일 공고)
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 유도 전동기에 대한 지속적인 모니터링을 통해 유도 전동기의 현재 운전 상태를 정확히 진단함으로써, 해당 설비의 신뢰성을 확보하는 동시에 계산된 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대해 관리자에게 경보할 수 있는 유도 전동기 관리 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 입력 전압 및 입력 전류를 통해 베어링, 회전자 및 고정자의 건전성을 확인할 수 있도록 하는 유도 전동기 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템은, 계기용 변압기와 계기용 변류기가 설치되고, 유도 전동기가 운전되는 동안 상기 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 상기 계기용 변류기를 통해 입력된 전류 및 상기 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수를 측정하는 전동기 제어부; 상기 전동기 제어부에서 측정된 전압, 전류 및 주파수를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 기반으로 상기 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 회전자 저항, 회전자 리액턴스, 고정자 전압, 고정자 전류, 회전자 전압 및 회전자 전류를 추정하고, 상기 유도 전동기의 동기 속도, 회전자 속도, 슬립, 회전자 주파수, 고정자 전류, 회전자 전류, 토크, 상기 유도 전동기의 소비 전력, 상기 유도 전동기의 실제 출력, 상기 유도 전동기의 에어 캡(Air cap) 출력, 상기 유도 전동기의 손실을 계산하며, 상기 유도 전동기를 실시간으로 모니터링하여 상기 유도 전동기의 운전 상태를 진단하고, 상기 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 상기 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측하는 데이터 처리 분석부; 및 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 수신하고, 상기 데이터 처리 분석부로부터 상기 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대한 경보를 수신하고, 상기 유도 전동기의 상태를 실시간으로 모니터링하는 관리자 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 데이터 처리 분석부는. 상기 유도 전동기의 회전자 주파수로부터 상기 유도 전동기의 베어링 상태를 감시할 수 있는 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)를 산출하고, 상기 BPFI, 상기 BPFO 및 상기 BSF를 측정된 주파수와 비교하여 상기 유도 전동기의 베어링의 결함을 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 처리 분석부는, 상기 유도 전동기가 운전되는 동안 입력된 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수와, 상기 유도 전동기의 등가 회로를 통해 상기 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 여자 리액턴스, 회전자 저항 및 회전자 리액턴스를 예측하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 처리 분석부는, 상기 유도 전동기가 운전되는 동안 상기 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 상기 계기용 변류기를 통해 입력된 전류에 의해 상기 유도 전동기의 에어 갭 출력을 계산하고, 상기 에어 갭 출력에서 상기 유도 전동기의 회전자에서 발생하는 손실을 차감하여 상기 유도 전동기의 출력을 계산하여 주파수 영역과 시간 영역에서의 상기 유도 전동기의 토크 변화량을 감시하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 처리 분석부는, 상기 관리자 서버로부터 상기 유도 전동기에 요구되는 토크에 대응되는 요구 토크를 수신하고, 상기 요구 토크가 상승 토크인지 하강 토크인지의 여부를 판단하며, 상기 판단 결과에 따라 상승률 맵과 하강률 맵을 선택하여 상기 상승 토크 또는 상기 하강 토크에 대한 상승률 또는 하강률을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 처리 분석부는, 상기 상승률 또는 상기 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상기 상승률 또는 상기 하강률을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 처리 분석부는, 상기 상승률 또는 상기 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값을 저장하고, 저장된 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상승률 또는 하강률을 결정하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에 따르면, 유도 전동기에 대한 지속적인 모니터링을 통해 유도 전동기의 현재 운전 상태를 정확히 진단함으로써, 해당 설비의 신뢰성을 확보하는 동시에 계산된 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대해 관리자에게 경보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에 따르면, 입력 전압 및 입력 전류를 통해 베어링, 회전자 및 고정자의 건전성을 확인할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 슬립에 대한 임피던스의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 동기 속도, 슬립 속도, 회전자 속도의 분석 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 등가 회로의 파라미터 분석 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 고장 분석 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
또한, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의하여 유도 전동기 관리 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 유도 전동기 관리 시스템(1000)은 전동기 제어부(100), 아날로그/디지털(A/D) 변환기(200), 데이터 처리 분석부(300) 및 관리자 서버(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
전동기 제어부(100)는 계기용 변압기와 계기용 변류기가 설치되고, 유도 전동기가 운전되는 동안 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 계기용 변류기를 통해 입력된 전류 및 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수를 측정한다.
아날로그/디지털 변환기(200)는 전동기 제어부에서 측정된 전압, 전류 및 주파수를 디지털 신호로 변환한다.
데이터 처리 분석부(300)는 아날로그/디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 기반으로 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 회전자 저항, 회리액전자 턴스, 고정자 전압, 고정자 전류, 회전자 전압 및 회전자 전류를 추정한다. 그리고, 데이터 처리 분석부(300)는 유도 전동기의 동기 속도, 회전자 속도, 슬립, 회전자 주파수, 고정자 전류, 회전자 전류, 토크, 유도 전동기의 소비 전력, 유도 전동기의 실제 출력, 유도 전동기의 에어 캡(Air cap) 출력, 유도 전동기의 손실을 계산하고, 유도 전동기를 실시간으로 모니터링하여 유도 전동기의 운전 상태를 진단하고, 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한다.
또한, 데이터 처리 분석부(300)는 유도 전동기의 회전자 주파수로부터 유도 전동기의 베어링 상태를 감시할 수 있는 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)를 산출하고, BPFI, BPFO 및 BSF를 측정된 주파수와 비교하여 유도 전동기의 베어링의 결함을 진단한다.
또한, 데이터 처리 분석부(300)는 유도 전동기가 운전되는 동안 입력된 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수와, 유도 전동기의 등가 회로를 통해 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 여자 리액턴스, 회전자 저항 및 회전자 리액턴스를 예측한다.
또한, 데이터 처리 분석부(300)는 유도 전동기가 운전되는 동안 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 계기용 변류기를 통해 입력된 전류에 의해 유도 전동기의 에어 갭 출력을 계산하고, 에어 갭 출력에서 유도 전동기의 회전자에서 발생하는 손실을 차감하여 유도 전동기의 출력을 계산하여 주파수 영역과 시간 영역에서의 유도 전동기의 토크 변화량을 감시한다.
또한, 데이터 처리 분석부(300)는 관리자 서버(400)로부터 유도 전동기에 요구되는 토크에 대응되는 요구 토크를 수신하고, 요구 토크가 상승 토크인지 하강 토크인지의 여부를 판단하고, 판단한 결과에 따라 상승률 맵과 하강률 맵을 선택하여 상승 토크 또는 하강 토크에 대한 상승률 또는 하강률을 제어한다.
이때, 데이터 처리 분석부(300)는 상승률 또는 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상승률 또는 하강률을 제어한다.
또한, 데이터 처리 분석부(300)는 상승률 또는 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값을 저장하고, 저장된 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상승률 또는 하강률을 결정한다.
관리자 서버(400)는 아날로그/디지털 변환기(200)로부터 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 수신하고, 데이터 처리 분석부(300)로부터 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대한 경보를 수신하고, 유도 전동기의 상태를 실시간으로 모니터링한다.
이상, 본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템의 구조 및 제어 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 등가 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 슬립에 대한 임피던스의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 동기 속도, 슬립 속도, 회전자 속도의 분석 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 등가 회로의 파라미터 분석 과정을 나타낸 흐름도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 관리 시스템에서 유도 전동기의 고장 분석 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 동기 속도, 슬립 속도, 회전자 속도의 분석 과정은, 유도 전동기 기동(11), 운전전류 입력(12), 구형파 변환기(13), 동기 속도 분석(14), 슬립 속도 분석(15), 회전자 속도 분석(16)의 과정을 포함한다. 구형파 변환기(13)에는 펄스발생기(17)에서 발생한 펄스가 입력된다.
본 발명의 일 실시예에서는 유도 전동기의 동기 속도, 슬립 속도 및 회전자 속도를 구하기 위해 Open Loop Estimator 방식을 사용한다. 회전자 속도는 슬립 속도와 동기 속도를 통해 구할 수 있다.
먼저, 유도 전동기의 동기 속도를 구하기 위하여 유도 전동기의 고정자 주파수를 알아야 한다.
그러나, 유도 전동기의 고정자 주파수와 전원 공급 주파수는 동일하게 취급되지 않는다. 전원 공급 주파수와 유도 전동기의 고정자 주파수를 동일하게 취급한다면, 유도 전동기의 부하가 증가할수록 회전자 속도의 오차는 증가한다.
동기 속도를 계산하기 위해 입력 주기의 1/2 주기를 측정시간 t라고 한다. 측정 시간 t를 매우 짧은 시간펄스로 나누고, 이 시간펄스를 카운팅(counting)하여 동기 속도를 예측한다. 높은 주파수일수록 측정시간은 작아져 동기 속도의 계산은 빨라진다.
결과적으로, 동기 속도를 계산하기 위해 가능한 측정시간은 가능한 단축해야 한다. 측정시간을 감소하기 위해 아래와 같은 삼각함수를 이용하며, ds-qs 고정 기준 좌표계에서 유도 전동기의 고정자 전류는 수학식 1 내지 수학식 2와 같다.
[수학식 1]
Figure 112021073720365-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021073720365-pat00002
수학식 1 및 수학식 2로부터 수학식 3 내지 수학식 4를 도출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021073720365-pat00003
[수학식 4]
Figure 112021073720365-pat00004
여기서,
Figure 112021073720365-pat00005
이며, f는 유도 전동기의 고정자 주파수이다.
Figure 112021073720365-pat00006
로 대신하고, 수학식 3에 2를 곱하면 수학식 5 내지 수학식 6과 같다.
[수학식 5]
Figure 112021073720365-pat00007
[수학식 6]
Figure 112021073720365-pat00008
따라서, 2배의 주파수가 되는 신호로 표현할 수 있고 수학식 7 내지 수학식 8과 같이 측정시간 t를 감소시킬 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021073720365-pat00009
[수학식 8]
Figure 112021073720365-pat00010
유도 전동기의 고정자 주파수를
Figure 112021073720365-pat00011
hz라고, 클럭 주파수를
Figure 112021073720365-pat00012
hz라 하면, 유도 전동기의 고정자 주파수
Figure 112021073720365-pat00013
는 운전 상태에 따라 변하게 되며, 클럭 주파수
Figure 112021073720365-pat00014
는 변화되지 않는다. 만약, 일정시간동안 측정시간 t의 감소가 없다면 구형파 변환기에서 수신된 파형의 주파수는 실제 고정자 전류와 동일하다. 따라서 t는 수학식 9 내지 수학식 10과 같다.
[수학식 9]
Figure 112021073720365-pat00015
측정시간 동안의 클럭 펄스의 수를 Nc라고 하면 다음과 같은 공식을 유도할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112021073720365-pat00016
수학식 9 내지 수학식 10을 통해 유도 전동기의 고정자 주파수를 구하면 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112021073720365-pat00017
만약, 측정시간 t를 1/K배 감소시킨다면 측정시간 t와 유도 전동기의 고정자 주파수 f는 수학식 12 내지 수학식 13과 같다.
[수학식 12]
Figure 112021073720365-pat00018
[수학식 13]
Figure 112021073720365-pat00019
따라서, 유도 전동기의 동기 속도 Ns는 수학식 14와 같다.
[수학식 14]
Figure 112021073720365-pat00020
Lm이 자화 인덕턴스라면 슬립 속도는 수학식 15와 같다.
[수학식 15]
Figure 112021073720365-pat00021
수학식 14 및 수학식 15 통해 회전자 속도 Nr를 구하면 수학식 16과 같다.
[수학식 16]
Figure 112021073720365-pat00022
따라서 유도 전동기의 슬립 S는 수학식 17과 같다.
[수학식 17]
Figure 112021073720365-pat00023
수학식 16을 이용하여 유도 전동기의 회전자 주파수를 구하면 수학식 18과 같다.
[수학식 18]
Figure 112021073720365-pat00024
일반적으로, 회전자 자속
Figure 112021073720365-pat00025
은 일정하고, 회전자 시정수
Figure 112021073720365-pat00026
이기 때문에 운전 상태에서 회전자 저항은 변환된다. 따라서, 회전자 저항 Rr을 구하는 것은 매우 중요하다.
따라서, 수학식 15를 유도하기 위해 고정자 전류
Figure 112021073720365-pat00027
의 계산이 필요하며, 고정자 전류
Figure 112021073720365-pat00028
,
Figure 112021073720365-pat00029
,
Figure 112021073720365-pat00030
에서 수학식 19 내지 수학식 20을 유도할 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112021073720365-pat00031
[수학식 20]
Figure 112021073720365-pat00032
유도 전동기는 기본적으로 도 2에 도시된 바와 같은 유도 전동기의 등가 회로도를 통해 다음과 같은 파라미터를 구한다.
유도 전동기의 등가 회로의 파라미터 분석 과정은 도 5에 도시된 바와 같이, 유도 전동기 기동(21), 전류, 전압, 속도 측정(22), 임피던스 분석(23), 다항식 계수 계산(24), 파라미터 계산(25)의 과정을 거친다. 전류, 전압, 속도를 측정하기 위해서는 동기 속도를 분석한다(26).
전동기 고정자 저항 Rs, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 여자 리액턴스 Xm, 회전자 저항 Rr, 회전자 리액턴스 Xr. 유도 전동기 정상운전 중 상기 열거된 파라미터를 예측하여 전동기 운전 상태를 확인할 수 있으며, 상기 열거된 파라미터를 예측하기 위해 다항식 분수 회귀법을 사용하여 도 2와 같은 유도 전동기의 등가 회로도를 작성한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 전압 및 전류는 PT와 CT를 통해 취득하며 회전자 속도는 수학식 16과 같이 계산된다.
상기에서 언급한 유도 전동기의 전압, 전류 그리고 회전자 속도를 통해 슬립의 비율에 따라 유도 전동기의 등가 회로도의 파라미터를 예측한다. 유도 전동기의 Steady 상태에서 등가 회로도는 도 2와 같으며 유도 전동기의 입력 임피던스는 수학식 21과 같다.
[수학식 21]
Figure 112021073720365-pat00033
유도 전동기의 임피던스를 저항과 리액턴스로 나누면, 저항과 리액턴스는 수학식 22 내지 수학식 23과 같다.
[수학식 22]
Figure 112021073720365-pat00034
[수학식 23]
Figure 112021073720365-pat00035
유도 전동기는 정지상태에서 동기 속도상태로 변환될 때 슬립(slip)은 1에서 0으로 변화되며 저항과 리액턴스의 변화는 도 3에 도시된 바와 같다. 유도 전동기는 기동단계에서 리액턴스의 변화는 거의 없지만 저항은 서서히 증가한다. 그리고, 저항과 리액턴스의 값은 동기 속도 근처에서 교차되며, 슬립(slip)이 감소될 때 저항은 빠르게 감소되고 슬립(slip)이 0일 때 저항 역시 거의 0이 된다.
따라서, 입력저항과 입력 리액턴스는 수학식 24 내지 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 24]
Figure 112021073720365-pat00036
[수학식 25]
Figure 112021073720365-pat00037
따라서, 임력 임피던스(Z)는 다항식 분수를 이용하면 수학식 26과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 26]
Figure 112021073720365-pat00038
상기의 결과를 비교하여 다항식 분수 계수와 유도 전동기의 파라미터 사이의 관계는 수학식 27 내지 수학식 32와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 27]
Figure 112021073720365-pat00039
[수학식 28]
Figure 112021073720365-pat00040
[수학식 29]
Figure 112021073720365-pat00041
[수학식 30]
Figure 112021073720365-pat00042
[수학식 31]
Figure 112021073720365-pat00043
[수학식 32]
Figure 112021073720365-pat00044
상기의 공식을 통해 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 회전자 저항, 회전자 리액턴스를 계산하기 위하여 특정 비율 η는 다음과 같이 정의한다. 리액턴스는 고정된 리액턴스인 여자 리액턴스와 슬립에 따라 변화되는 리액턴스로 구분되며, 여자 리액턴스는 3상 성분의 리액턴스로 구분할 수 없으므로, 고정자 리액턴스와 합치며 리액턴스 비율 η는 다음과 같다.
[수학식 33]
Figure 112021073720365-pat00045
일반적으로, η는 0.95~1.05이며, η를 수학식 27 내지 수학식 32에 대입하면, 수학식 34와 같다.
[수학식 34]
Figure 112021073720365-pat00046
수학식 34에서 여자 리액턴스 Xm은 수학식 35와 같다.
[수학식 35]
Figure 112021073720365-pat00047
고정자 리액턴스 Xs는 수학식 36과 같다.
[수학식 36]
Figure 112021073720365-pat00048
회전자 리액턴스 Xr은 수학식 37과 같다.
[수학식 37]
Figure 112021073720365-pat00049
회전자 저항 Rr은 수학식 38과 같다.
[수학식 38]
Figure 112021073720365-pat00050
고정자 저항 Rs는 수학식 39와 같다.
[수학식 39]
Figure 112021073720365-pat00051
유도 전동기의 실제 토크(torque)를 계산하기 위해 다음의 과정을 거쳐야 한다. MCC의 PT, CT를 통해 공급되는 전동기의 입력 전압 및 입력 전류와 더불어 다항식 분수 회귀법을 통해 예측한 전동기 고정자 저항 Rs, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 여자 리액턴스 Xm, 회전자 저항 Rr, 회전자 리액턴스 Xr의 데이터가 필요하며 수학식 17을 통한 슬립이 확인되어야 한다. 상기의 유도 전동기 등가 회로를 통해 계산된 파라미터인 동기 고정자 저항 Rs, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 여자 리액턴스 Xm, 회전자 저항 Rr, 회전자 리액턴스 Xr 와 수학식 17을 통해 계산된 슬립을 이용하여 다음과 같은 값을 계산하여 유도 전동기 토크값을 계산할 수 있다. 유도 전동기 고정자 전류
Figure 112021073720365-pat00052
은 수학식 40과 같다.
[수학식 40]
Figure 112021073720365-pat00053
따라서, 고정자 권선의 동손은 수학식 41과 같다.
[수학식 41]
Figure 112021073720365-pat00054
고정자 권선의 Core 손실은 수학식 42와 같다.
[수학식 42]
Figure 112021073720365-pat00055
유도 전동기의 에어 캡(air-cap) 출력은 수학식 43과 같다.
[수학식 43]
Figure 112021073720365-pat00056
유도 전동기의 회전자 동손은 수학식 44와 같다.
[수학식 44]
Figure 112021073720365-pat00057
유도 전동기 출력 Pconv는 수학식 45와 같다.
[수학식 45]
Figure 112021073720365-pat00058
유도 전동기 Torque는 수학식 46과 같다.
[수학식 46]
Figure 112021073720365-pat00059
상기의 계산값을 이용하여 유도 전동기의 베어링 상태를 점검할 수 있는 데이터의 확보가 가능하다. 수학식 18을 통해 얻어진 유도 전동기 회전자 주파수를 통해 유도 전동기의 베어링 상태를 감시할 수 있는 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)를 수학식 47 내지 수학식 49와 같이 산출할 수 있다.
[수학식 47]
Figure 112021073720365-pat00060
[수학식 48]
Figure 112021073720365-pat00061
[수학식 49]
Figure 112021073720365-pat00062
유도 전동기의 슬립이 증가하면, 회전자 주파수가 증가하게 되며, 수학식 47 내지 수학식 49에서 유도된 기준값과 비교하여 베어링의 결함을 판단할 수 있다. 볼 베어링은 전동기의 축과 접촉되어 구동되므로 전동기 축이 회전할 때마다 베어링이 부하부분을 통과하면 주파수 축에 임펄스가 나타난다. 즉, 베어링에 결함이 있는 경우 결함 주파수의 하모닉에서 부하토크가 피크로 발생하면 그 베어링에 손상이 발생했다고 판단한다.
데이터 처리 분석부(300)에 베어링 주파수에 대한 정보를 사전에 저장하여 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency) 주파수와 실제 측정된 주파수를 비교하여 베어링의 결함을 진단한다. 또한, 수학식 46을 통해 유도 전동기의 토크값을 유도하여 기준 파형과도 비교하여 베어링 결함 진단 정확도를 향상시키며 Sideband 토크 피크와 일치하는지 확인하여 베어링 결함 진단 정확도를 향상시켰다.
따라서, 정확한 베어링 진단을 위해 유도 전동기의 정확한 동기 속도, 회전자 속도를 예측하는 것이 매우 중요하다. 또한, 유도 전동기 등가 회로를 통해 각종 파라미터의 정확한 분석이 매우 중요하다. 과거에는 전동기 소비전류를 계기용 변류기를 통해 입력받아 주파수의 증가폭을 계산하여 베어링의 상태를 진단하였다.
그러나, 본 발명은 소비전류의 변화에 의한 주파수뿐만 아니라 유도 전동기의 등가 회로를 통해 각 성분 즉, 전동기 고정자 저항 Rs, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 여자 리액턴스 Xm, 회전자 저항 Rr, 회전자 리액턴스 Xr을 예측하여 고정자 및 회전자 전압, 고정자 및 회전자 전류, 실제 전동기 역률, 회전자 주파수, 동기 속도, 회전자 속도, 전동기 소비 전력 및 손실을 제외한 유도 전동기 출력, 유도 전동기 고정자 동손, 유도 전동기 고정자 히스테리 및 와류손실, 유도 전동기 에어갭(air gap) 출력, 유도 전동기 회전자 전류, 유도 전동기 토크 등을 계산하여 유도 전동기 베어링 상태 진단의 정확성을 대폭 개선하였다.
유도 전동기의 전력품질 상태진단. 회전자 상태진단, 부하상태 진단을 위해 유도 전동기의 토크신호 분석기술은 유도 전동기에 인가되는 전압과 전류에 의해 전동기의 에어 갭 출력(air gap power)를 계산하고, 여기에서 유도 전동기의 회전자 손실을 제외하고 유도 전동기 출력을 계산하면 주파수 영역에서의 토크 변화량 뿐만 아니라 시간영역에서의 토크 변화량을 감시할 수 있다.
계기용 변압기와 계기용 변류기를 통해 입력된 전압, 전류, 주파수를 통해 수학식 35 내지 수학식 37을 통해 여자 리액턴스 Xm, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 회전자 리액턴스 Xr, 회전자 저항 Rr, 전동기 고정자 저항 Rs를 구하여 유도 전동기의 에어 갭 출력은 수학식 43과 같이 계산된다. 회전자에서 발생되는 손실을 고려하여 수학식 46을 통해 최종적인 유도 전동기의 토크 변화량을 감시하여 전기적 결함뿐만 아니라 기계적인 결함까지 진단 가능하다. 전류신호 분석기술을 통해 유도 전동기의 속도와 토크를 계산하고, 주파수, 전압, 전류, 토크를 분석을 통해 유도 전동기에 인가되는 전력품질의 상태, 회전자 상태, 부하운전 상태를 진단할 수 있다. 유도 전동기의 파라미터 분석을 통해 회전자 주파수는 수학식 18을 통해 얻을 수 있고 유도 전동기의 회전자 전류
Figure 112021073720365-pat00063
는 수학식 50과 같다.
[수학식 50]
Figure 112021073720365-pat00064
회전자 주파수와 회전자 전류의 분석을 통해 유도 전동기의 Rotor Bar의 상태를 진단할 수 있다. 유도 전동기의 축은 부하와 연결되어 운전되며 부하의 진동이 유도 전동기에 항상 전달되므로, Rotor Bar의 진동으로 연결되어 Rotor의 결함이 발생할 수 있다. 유도 전동기의 회전자 전류가 기준값 이상 증가시 또는 피크값 발생시 운용자에게 유도 전동기의 회전자의 Rotor Bar의 결함을 경보한다. 또한, 분석의 신뢰성을 높이기 위해 회전자 주파수와 회전자 전류의 피크를 분석하고 트렌드를 축적 관리하여 유도 전동기의 동기 속도를 나타내는 수학식 14, 회전자 속도를 나타내는 수학식 16, 슬립을 나타내는 수학식 18을 통해 유도 전동기의 회전자 주파수
Figure 112021073720365-pat00065
을 통해 수학식 51을 유도할 수 있다.
[수학식 51]
Figure 112021073720365-pat00066
일반적으로, 수학식 51에서 -45(dB) 이상이면 Rotor Bar의 크랙입이 발생하며, -35(dB) 이상이 되면 Rotor Bar가 부러진다고 정의한다. 따라서, 운용자에 의해 지정된 값에 수학식 51을 통해 얻어진 값이 발생하면 경보를 발생시킨다.
모든 데이터는 유도 전동기의 입력 전압, 입력 전류, 입력 주파수, 동기 속도, 회전자 속도, 회전자 주파수, 슬립, 여자 리액턴스 Xm, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 회전자 리액턴스 Xr, 회전자 저항 Rr, 전동기 고정자 저항 Rs, 고정자 권선 전류, 회전자 권선 전류, 유도 전동기 입력 전력 및 역률, 고정자 권선 동손, 고정자 권선 코어 손실, 유도 전동기 에어 갭 출력(air gap power) 및 역률, 회전자 동손, 유도 전동기 출력 및 역률, 유도 전동기 토크, BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency) 정보를 기준값으로 하여 각각의 유도 전동기의 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)는 1/2cycle에서 1/256cycle로 관리자에 의해 선택 가능하며, 선택한 주기로 측정된 데이터는 실시간 트렌딩 확인이 가능하고 DPAS(Data Processing & Analysis System)에 저장된다.
모든 유도 전동기의 베어링 정보를 통해 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency) 정보를 기준값으로 하여 각각의 유도 전동기의 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)값을 실시간으로 계산하여 트랜딩 및 저장하고, 기준값과 동일값에 도달할 경우 운전자에게 경보한다.
취득 및 계산된 모든 데이터, 입력 전압, 입력 전류, 입력 주파수, 동기 속도, 회전자 속도, 회전자 주파수, 슬립, 여자 리액턴스 Xm, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 회전자 리액턴스 Xr, 회전자 저항 Rr, 전동기 고정자 저항 Rs, 고정자 권선 전류, 회전자 권선 전류, 유도 전동기 입력 전력 및 역률, 고정자 권선 동손, 고정자 권선 코어 손실, 유도 전동기 Air Gap Power 및 역률, 회전자 동손, 유도 전동기 출력 및 역률, 유도 전동기 토크, BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency) 정보를 기준값으로 하여 각각의 유도 전동기의 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)는 실시간 측정 및 계산되는 데이터와 과거 데이터의 평균값(운용자에 의해 임의의 기간 지정 가능한) 측정값이 평균값 이상으로 분석되면 운용자에게 유도 전동기의 각 파라미터에 대한 경보를 발생한다.
취득 및 계산된 모든 데이터, 입력 전압, 입력 전류, 입력 주파수, 동기 속도, 회전자 속도, 회전자 주파수, 슬립, 여자 리액턴스 Xm, 전동기 고정자 리액턴스 Xs, 회전자 리액턴스 Xr, 회전자 저항 Rr, 전동기 고정자 저항 Rs, 고정자 권선 전류, 회전자 권선 전류, 유도 전동기 입력 전력 및 역률, 고정자 권선 동손, 고정자 권선 코어 손실, 유도 전동기 에어 갭 출력 및 역률, 회전자 동손, 유도 전동기 출력 및 역률, 유도 전동기 토크, BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency) 정보를 기준값으로 하여 각각의 유도 전동기의 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)는 실시간으로 측정 및 계산된 데이터가 운용자에 의해 지정된 기간만큼의 평균값과 또 다른 기간의 평균값과 비교하여 모든 전동기 관련 데이터를 비교하여 분석한다.
취득 및 계산된 모든 데이터의 순간적인 피크값은 피크(peek) 이벤트에 기록되어 관리된다. 상기의 모든 데이터는 DPAS(Data Processing & Analysis System)에 저장되며 관리자는 실시간으로 해당 유도 전동기의 운전 상태를 확인할 수 있다.
전술한 바와 같은 유도 전동기의 고장 분석 과정은 도 6에 도시된 바와 같이, 유도 전동기 기동(31)을 동기 속도, 슬립 속도, 회전자 속도 분석(32) 및 유도 전동기 등가 회로 분석(33)이 이루어진다. 그리고, 이러한 분석을 통해 베어링 상태 진단, 전력품질 상태진단, 회전자 상태진단, 부하상태 진단(34)이 가능하다. 이러한 진단을 통해 트렌딩 관리(35) 및 운용자에게 경고(36)를 할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1000: 유도 전동기 관리 시스템
100: 전동기 제어부 200: 아날로그/디지털 변환기
300: 데이터 처리 분석부 400: 관리자 서버

Claims (7)

  1. 계기용 변압기와 계기용 변류기가 설치되고, 유도 전동기가 운전되는 동안 상기 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 상기 계기용 변류기를 통해 입력된 전류 및 상기 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수를 측정하는 전동기 제어부;
    상기 전동기 제어부에서 측정된 전압, 전류 및 주파수를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 아날로그/디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 기반으로 상기 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 회전자 저항, 회전자 리액턴스, 고정자 전압, 고정자 전류, 회전자 전압 및 회전자 전류를 추정하고, 상기 유도 전동기의 동기 속도, 회전자 속도, 슬립, 회전자 주파수, 고정자 전류, 회전자 전류, 토크, 상기 유도 전동기의 소비 전력, 상기 유도 전동기의 실제 출력, 상기 유도 전동기의 에어 캡(Air cap) 출력, 상기 유도 전동기의 손실을 계산하며, 상기 유도 전동기를 실시간으로 모니터링하여 상기 유도 전동기의 운전 상태를 진단하고, 상기 유도 전동기의 파라미터를 이용하여 상기 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측하는 데이터 처리 분석부; 및
    상기 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호로 변환된 전압, 전류 및 주파수에 대한 데이터를 수신하고, 상기 데이터 처리 분석부로부터 상기 유도 전동기의 기계적 및 전기적 상태를 진단 및 예측한 결과에 대한 경보를 수신하고, 상기 유도 전동기의 상태를 실시간으로 모니터링하는 관리자 서버를 포함하며,
    상기 데이터 처리 분석부는,
    상기 유도 전동기가 운전되는 동안 입력된 전류의 변화에 의해 발생하는 주파수와, 상기 유도 전동기의 등가 회로를 통해 상기 유도 전동기의 고정자 저항, 고정자 리액턴스, 여자 리액턴스, 회전자 저항 및 회전자 리액턴스를 예측하고,
    상기 유도 전동기가 운전되는 동안 상기 계기용 변압기를 통해 입력된 전압과 상기 계기용 변류기를 통해 입력된 전류에 의해 상기 유도 전동기의 에어 갭 출력을 계산하고, 상기 에어 갭 출력에서 상기 유도 전동기의 회전자에서 발생하는 손실을 차감하여 상기 유도 전동기의 출력을 계산하여 주파수 영역과 시간 영역에서의 상기 유도 전동기의 토크 변화량을 감시하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 분석부는.
    상기 유도 전동기의 회전자 주파수로부터 상기 유도 전동기의 베어링 상태를 감시할 수 있는 BPFI(Ball Pass Frequency of Inner ring), BPFO(Ball Pass Frequency of Outer ring), BSF(Ball Spin Frequency)를 산출하고, 상기 BPFI, 상기 BPFO 및 상기 BSF를 측정된 주파수와 비교하여 상기 유도 전동기의 베어링의 결함을 진단하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 관리 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 분석부는,
    상기 관리자 서버로부터 상기 유도 전동기에 요구되는 토크에 대응되는 요구 토크를 수신하고, 상기 요구 토크가 상승 토크인지 하강 토크인지의 여부를 판단하며, 상기 판단 결과에 따라 상승률 맵과 하강률 맵을 선택하여 상기 상승 토크 또는 상기 하강 토크에 대한 상승률 또는 하강률을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 분석부는,
    상기 상승률 또는 상기 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상기 상승률 또는 상기 하강률을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 관리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 분석부는,
    상기 상승률 또는 상기 하강률이 제어되어 출력되는 출력 토크값을 저장하고, 저장된 출력 토크값에 따라 이후에 입력되는 요구 토크의 상승률 또는 하강률을 결정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 관리 시스템.
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