[논문]잔류자기와 I 결선에 의한 3상유도전동기 고정자 권선의 극성판별법에 대한 연구

최순만

doi:10.5370/kiee.2015.64.1.072

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When connecting 6 lead wires from stator windings to the terminals of 3 phase induction motors for Y or ${\triangle}$ connection, it is feared that the polarities of windings could be reversed each other if the wire tags are lost or erased, resulting in inadmissibly high current to motors...

When connecting 6 lead wires from stator windings to the terminals of 3 phase induction motors for Y or ${\triangle}$ connection, it is feared that the polarities of windings could be reversed each other if the wire tags are lost or erased, resulting in inadmissibly high current to motors in case of starting. To protect motors against such situations, some test procedures are necessary during wire connection which need to be easy ways to electricians without particular tools except a general multi-tester and with less time-consuming in the field. This study focuses on a test measure to satisfy these requirements which is able to provide them a convenient procedure for winding polarity discrimination considering the field condition. Here, the proposed measure utilizes the residual magnetism of the rotor and checks the indication of voltage or current at windings which are induced by the residual flux of rotor when rotating it by hands with 3 stator windings connected in the form of I connection. Principle characteristics and experiment results for this method are analyzed in the view of the effectiveness and applicability for the winding polarity discrimination.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 현장에서 권선의 극성을 간단히 확인하는 수단으로서 전동기 권선을 I 결선한 상태에서 회전자 축을 수동으로 돌릴 때 잔류자기에 의해 I 결선 양 단자에 나타나는 합성 기전력과 합성전류를 측정하는 방법을 제시하고 있다. 이와 관련하여 I 결선에서의 전압 전류 크기를 해석하고 실험함으로써 극성 연결의 정상여부에 따라 달라지는 합성전압과 전류의 특성 관계를 살펴보고 이러한 결과가 극성 판별에 적합한지를 알아보기로 한다.
본 연구는 현장에서 권선의 극성을 간단히 확인하는 수단으로서 전동기 권선을 I 결선한 상태에서 회전자 축을 수동으로 돌릴 때 잔류자기에 의해 I 결선 양 단자에 나타나는 합성 기전력과 합성전류를 측정하는 방법을 제시하고 있다. 이와 관련하여 I 결선에서의 전압 전류 크기를 해석하고 실험함으로써 극성 연결의 정상여부에 따라 달라지는 합성전압과 전류의 특성 관계를 살펴보고 이러한 결과가 극성 판별에 적합한지를 알아보기로 한다.

제안 방법

3상유도전동기를 기동반과 연결할 때 발생할 수 있는 고정자 권선의 극성 연결 오류를 방지하기 위한 방법으로 서 유도전동기의 회전자에 존재하는 잔류자기와 회전자의 수동구동으로 유도되는 기전력이 I 결선의 양 단자에 나타내는 전압과 전류의 크기 차이를 측정하는 방식에 의해 고정자 권선의 극성판별법을 제시 하였다. 또한, 이와 관련하여 I 결선이 나타내는 전압과 전류의 특성을 해석하였으며 이 결과 전압 측정인 경우 정상 극성 연결에서는 측정 전압이 거의 0을 가리키는 반면 극성에 오류가 있는 경우는 단일 권선의 상전압에 대해 2/3배가 되는 전압이 측정되었으며 이러한 측정치의 차이를 이용하여 극성 연결의 오류가 간편하게 판별될 수 있었다.
3상유도전동기에서 고정자 권선의 극성 연결 형태에 따라 달라지는 I 결선 상의 합성 전압과 전류의 관계를 0.4kW와 3.7kW의 4극 농형 3상유도전동기에서 실험으로 확인하였으며 각 전동기는 60Hz 정격에 Y, △ 결선으로 220V와 380V의 양 전압이 선택적으로 사용되기 위한 6개의 리드선을 갖고 있다. 회전자는 손으로 돌리기에 적합한 수준인 분당 2회전의 속도로 구동하였으며 그림 6은 0.

데이터처리

7kW의 4극 농형 3상유도전동기에서 실험으로 확인하였으며 각 전동기는 60Hz 정격에 Y, △ 결선으로 220V와 380V의 양 전압이 선택적으로 사용되기 위한 6개의 리드선을 갖고 있다. 회전자는 손으로 돌리기에 적합한 수준인 분당 2회전의 속도로 구동하였으며 그림 6은 0.4kW 전동기에서 발생한 기전력들의 측정 결과로서 3개의 곡선을 함께 나타내어 상대적인 크기의 관계를 비교하였다. 발생된 기전력은 모두 약 4Hz의 정현파 형태이고 곡선 A는 잔류자기와 회전자의 구동에 의해 권선 하나에서 나타나는 상전압 변화이다.

성능/효과

각 경우의 결과를 통해 극성 연결의 정상 여부에 의해 평형 혹은 불평형 3상 기전력인지의 여부에 따라 잔류자기가 만들어내는 I 결선에서의 전압과 전류의 측정치 모두 큰 차이를 나타낸다는 것을 알 수 있으며 이러한 결과는 회전자를 손으로 돌릴 때의 속도에 관계없이 극성의 정상 여부에 따라 멀티테스터의 지시치는 확연한 차이를 보인다는 것이 확인된다. 또한, 극성 연결인 정상인 때에도 전동기의 베어링에 의한 축의 편심 및 고정자 권선에서의 이상 등에 의한 자기적인 불평형 특성이 더 큰 경우에는 I 결선의 양 단자 간 측정값은 0에서 벗어난 정도가 상대적으로 더 커진다는 것이 유추될 수 있었다.
또한, 이와 관련하여 I 결선이 나타내는 전압과 전류의 특성을 해석하였으며 이 결과 전압 측정인 경우 정상 극성 연결에서는 측정 전압이 거의 0을 가리키는 반면 극성에 오류가 있는 경우는 단일 권선의 상전압에 대해 2/3배가 되는 전압이 측정되었으며 이러한 측정치의 차이를 이용하여 극성 연결의 오류가 간편하게 판별될 수 있었다. 또한, I 결선에서의 전류 특성에서도 이러한 차이를 확인한 결과 역상 연결이 없이 평형된 3상기전력 하에서는 전류의 측정치가 거의 0을 가리키는 것에 대해 극성 연결에 오류가 있는 불평형 상태에서의 전류변화는 상전류의 2배 가까운 전류가 측정되었으며 이러한 측정값 크기의 확연한 차이를 통해 연결 상태의 오류 여부를 판별할 수 있었다. 또한, 제시된 판별법의 경우 특별한 장치를 필요로 하지 않고 멀티테스터의 측정만으로도 이러한 차이가 구별된다는 점에서 현장에서의 활용성이 크다는 것을 확인하였다.
각 경우의 결과를 통해 극성 연결의 정상 여부에 의해 평형 혹은 불평형 3상 기전력인지의 여부에 따라 잔류자기가 만들어내는 I 결선에서의 전압과 전류의 측정치 모두 큰 차이를 나타낸다는 것을 알 수 있으며 이러한 결과는 회전자를 손으로 돌릴 때의 속도에 관계없이 극성의 정상 여부에 따라 멀티테스터의 지시치는 확연한 차이를 보인다는 것이 확인된다. 또한, 극성 연결인 정상인 때에도 전동기의 베어링에 의한 축의 편심 및 고정자 권선에서의 이상 등에 의한 자기적인 불평형 특성이 더 큰 경우에는 I 결선의 양 단자 간 측정값은 0에서 벗어난 정도가 상대적으로 더 커진다는 것이 유추될 수 있었다.
3상유도전동기를 기동반과 연결할 때 발생할 수 있는 고정자 권선의 극성 연결 오류를 방지하기 위한 방법으로 서 유도전동기의 회전자에 존재하는 잔류자기와 회전자의 수동구동으로 유도되는 기전력이 I 결선의 양 단자에 나타내는 전압과 전류의 크기 차이를 측정하는 방식에 의해 고정자 권선의 극성판별법을 제시 하였다. 또한, 이와 관련하여 I 결선이 나타내는 전압과 전류의 특성을 해석하였으며 이 결과 전압 측정인 경우 정상 극성 연결에서는 측정 전압이 거의 0을 가리키는 반면 극성에 오류가 있는 경우는 단일 권선의 상전압에 대해 2/3배가 되는 전압이 측정되었으며 이러한 측정치의 차이를 이용하여 극성 연결의 오류가 간편하게 판별될 수 있었다. 또한, I 결선에서의 전류 특성에서도 이러한 차이를 확인한 결과 역상 연결이 없이 평형된 3상기전력 하에서는 전류의 측정치가 거의 0을 가리키는 것에 대해 극성 연결에 오류가 있는 불평형 상태에서의 전류변화는 상전류의 2배 가까운 전류가 측정되었으며 이러한 측정값 크기의 확연한 차이를 통해 연결 상태의 오류 여부를 판별할 수 있었다.
또한, I 결선에서의 전류 특성에서도 이러한 차이를 확인한 결과 역상 연결이 없이 평형된 3상기전력 하에서는 전류의 측정치가 거의 0을 가리키는 것에 대해 극성 연결에 오류가 있는 불평형 상태에서의 전류변화는 상전류의 2배 가까운 전류가 측정되었으며 이러한 측정값 크기의 확연한 차이를 통해 연결 상태의 오류 여부를 판별할 수 있었다. 또한, 제시된 판별법의 경우 특별한 장치를 필요로 하지 않고 멀티테스터의 측정만으로도 이러한 차이가 구별된다는 점에서 현장에서의 활용성이 크다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	여자전류 공급에 의한 방법이란?	이를 방지하려면 결선 시 권선의 극성을 미리 확인하는 점검 과정이 필요하고 여기에는 외부 여자전류 공급에 의한 극성판별법과 유도전동기 회전자의 잔류자기를 이용하는 극성판별법이 가능하다. 여자전류 공급에 의한 방법은 3상 권선 중 하나에 전류를 흘릴 때 발생하는 자속이 나머지 권선에 일으키는 상호유도 기전력 특성을 기초로 판별하는 것으로서 직류여자와 교류여자 방식이 있으나 이 경우 여자에 필요한 별도의 전원 공급이 필요하다는 점에서 현장에서 사용하기에는 번거로운 단점이 있다. 이에 대해 3상유도전동기의 회전자에 남아있는 잔류자기를 이용하는 방법은 판별을 위한 테스트용 전원이 없이 일반 멀티테스터만으로도 극성 확인이 가능하므로 간편하다.
	권선의 극성을 미리 확인하는 점검 과정을 통해 방지할 수 있는 것은?	3상유도전동기에서 Y 혹은 Δ 결선을 위해 고정자 권선을 서로 연결하는 경우 6개 리드선의 단자 표시 기호가 훼손되거나 불분명하면 극성 연결에 오류가 있게 되고 이러한 상태로 전원을 투입하게 되면 기동 실패는 물론 큰 전류의 흐름으로 전동기가 손상될 염려가 있다. 이를 방지하려면 결선 시 권선의 극성을 미리 확인하는 점검 과정이 필요하고 여기에는 외부 여자전류 공급에 의한 극성판별법과 유도전동기 회전자의 잔류자기를 이용하는 극성판별법이 가능하다.
	여자전류 공급에 의한 방법의 단점은?	이를 방지하려면 결선 시 권선의 극성을 미리 확인하는 점검 과정이 필요하고 여기에는 외부 여자전류 공급에 의한 극성판별법과 유도전동기 회전자의 잔류자기를 이용하는 극성판별법이 가능하다. 여자전류 공급에 의한 방법은 3상 권선 중 하나에 전류를 흘릴 때 발생하는 자속이 나머지 권선에 일으키는 상호유도 기전력 특성을 기초로 판별하는 것으로서 직류여자와 교류여자 방식이 있으나 이 경우 여자에 필요한 별도의 전원 공급이 필요하다는 점에서 현장에서 사용하기에는 번거로운 단점이 있다. 이에 대해 3상유도전동기의 회전자에 남아있는 잔류자기를 이용하는 방법은 판별을 위한 테스트용 전원이 없이 일반 멀티테스터만으로도 극성 확인이 가능하므로 간편하다.

참고문헌 (10)

Li Wang, Chaing-Huei Lee, "A novel analysis on the performance of an isolated self excited induction generators", IEEE Transactions on Energy conversion, vol. 12, No.2, pp. 109-117, 1997.

상세보기
Al-Bahrani A.H. and Malik N.H., "Steady state analysis and performance characteristics of a three phase induction generator self-excited with a single capacitor", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol 4, no.4, pp.725-732, 1990.
T. F. Chan, "Capacitance requirements of self-excited induction generators", IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 8, No.2, pp.304-311, 1993.

상세보기
Seyoum D, Grantham C and Rahman M. F, "The dynamic characteristics of an isolated self-excited induction generator driven by a wind turbine", IEEE Transactions on Energy conversion, vol.39, No.4, pp.939-944, 2003.
M. E. H. Bendouzid, “A review of induction motors signature analysis as a medium for faults detection”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, pp. 984-993, 2000.

상세보기
H. Nejjari and M.E.H. Benbouzid, “Condition Monitoring and Diagnosis of Induction Motors Electrical Faults Using a Park’s Vector Pattern Learning Approach”, IEEE Trans. on Industrial Application, vol.36, no.3, pp.730-735, 2000.

상세보기
N. Mehala and R. Dahiya, Rotor, “Fault Detection in Induction Motor by Wavelet Analysis”, International Journal of Engineering, Science and Technology, vol.1, no.3, pp. 90-99, 2008
A. J. Marques Cardoso, S. M. A. Cruz, D. S. B. Fonseca, “Inter-Turn Stator Winding Fault Diagnosis in Three-Phase Induction Motors, by Park’s Vector Approach”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No.3, pp.595-598, 1999.

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N. Mehala and R. Dahiya, Rotor, “Fault Detection in Induction Motor by Wavelet Analysis”, International Journal of Engineering, Science and Technology, vol.1, no.3, pp. 90-99, 2008
W.T. Thomson and M. Fenger, “Current signature analysis to detect induction motor faults”, IEEE Ind. Applications Magazine, vol. 7, pp.26-34, 2001.

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