[논문]가변 속도 유도 전동기에서 발생한 펄스 토크에 의한 회전축계의 비틀림진동 현상

이돈출; 버 광다오; 남택근

doi:10.5050/ksnve.2015.25.6.414

[국내논문] 가변 속도 유도 전동기에서 발생한 펄스 토크에 의한 회전축계의 비틀림진동 현상
Torsional Vibration Phenomenon due to Pulse Torque of Variable Speed Induction Motor on Rotating Systems 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.6, 2015년, pp.414 - 419

이돈출 (National Maritime University) , 버 광다오 (National Maritime University) , 남택근 (National Maritime University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, commercial ships and other specialized vessels with electric propulsion system employ variable speed induction motor as its prime mover. The wide application of electrical motors also includes being the main drive system in most industrial machineries. However, during its start-up, shutdown, and brake switch operation, excessive torque variation are generated. As such, flexible coupling are installed in order to reduce the transmitted torque fluctuation to the driven side. In this paper, the pulse torque generated by an variable speed induction motor was analyzed theoretically and through measurement of torsional vibration. Induction motor with inverter on marine propulsion system and industrial compressor were used as experimental subjects. The study confirmed that pulse torque are generated regardless of motor speed and interpreted as a vibration source of the whole system. Results presented herein can be adopted as the basis in future amendment of inspection classifying body regulations.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 논문에서는 이러한 회전축계에서 회전속도를 제어하기 위하여 PWM 방식의 인버터를 사용한 유도 전동기에서 발생하는 펄스 토크에 의해서 일어나는 과도비틀림진동의 이론해석과 다양한 비틀림진동 계측장비를 동시에 사용하여 그 결과를 확인하였다. 실험 대상의 모델은 선박용 저속 추진시스템과 산업용 고속다단 압축기가 이용되었다.

가설 설정

시뮬레이션 과정에서 30~120 Hz, 그리고 120 Hz이상의 고주파 등 다양한 충격 토크를 가하여 해석하였다. 이 논문에서는 이중 시스템에 공급되는 교류 라인인 60 Hz 성분이 PWM 변환 중 조화함수 성분으로 일부 남아 있다고 가정하여 기진원으로 Fig. 5와 같이 1회의 충격 토크만을 가하여 해석한 결과를 Fig.
43 Hz 성분의 진동 원인을 찾기 위하여 비틀림진동의 고유진동수가 높은 방향으로 검토하였다. 우선 압축기의 피니언 기어와 불(bull) 기어 사이가 유격(back-lash)에 의한 비선형으로 가정하여, 일정한 수준 이하의 각진폭에 대해서는 피니언 기어의 관성모멘트를 무시할 수 있으며 이를 적용하면 고유진동수는 37 Hz로 올라가게 된다. 해석결과와는 여전히 6 Hz정도의 차이가 나며, 아직까지 원인이 명확하지 않다.
14에 보인다. PWM방식의 인버터를 통해서 유도 전동기에 공급된 전류와 전압을 초단위로 계측하여 순간 토크 변동은 계측할 수 있는 기회는 없었지만 인버터에서 충격토크가 발생한다고 가정하여 비틀림진동의 고유진동수를 중심으로 진동이 발생함을 확인할 수 있었다. Fig.

제안 방법

이 결과는 Table 2의 계산된 1절 고유진동수와 상당히 떨어져 있다. 43 Hz 성분의 진동 원인을 찾기 위하여 비틀림진동의 고유진동수가 높은 방향으로 검토하였다. 우선 압축기의 피니언 기어와 불(bull) 기어 사이가 유격(back-lash)에 의한 비선형으로 가정하여, 일정한 수준 이하의 각진폭에 대해서는 피니언 기어의 관성모멘트를 무시할 수 있으며 이를 적용하면 고유진동수는 37 Hz로 올라가게 된다.
이 연구에서는 선박용 추진시스템과 산업용 압축기에서 PWM 방식의 인버터를 이용한 가변 속도 유도 전동기에서 전류와 전압 측정을 통한 기진력을 확인할 수는 없었지만, 펄스 토크를 기진력으로 한 비틀림진동 발생현상을 과도비틀림진동의 이론 해석과 진동실험 결과를 통해서 확인하였으며 이를 정리 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

이 논문에서는 이러한 회전축계에서 회전속도를 제어하기 위하여 PWM 방식의 인버터를 사용한 유도 전동기에서 발생하는 펄스 토크에 의해서 일어나는 과도비틀림진동의 이론해석과 다양한 비틀림진동 계측장비를 동시에 사용하여 그 결과를 확인하였다. 실험 대상의 모델은 선박용 저속 추진시스템과 산업용 고속다단 압축기가 이용되었다.
실험 대상은 PWM 방식의 인버터를 이용하여 회전속도를 제어하는 가변 속도 유도전동기가 적용된 선박용 추진시스템(2,800 kW×183 rpm)이다. 비틀림 진동에 대한 질량-강성계는 Fig.
이는 마치 가진 해머에 의해서 철 구조물에 충격을 가하면 낮은 감쇠와 함께 진동이 상당기간 지속되어 고유진동수를 확인할 수 있는 원리와 유사하다. 시뮬레이션 과정에서 30~120 Hz, 그리고 120 Hz이상의 고주파 등 다양한 충격 토크를 가하여 해석하였다. 이 논문에서는 이중 시스템에 공급되는 교류 라인인 60 Hz 성분이 PWM 변환 중 조화함수 성분으로 일부 남아 있다고 가정하여 기진원으로 Fig.
실험 대상은 산업용 고압다단 압축기(735 kW× 3,600 rpm)로 간략화된 비틀림진동의 질량-강성계는 Fig. 9에 보인다.

성능/효과

이 해석 및 실험 결과들로부터 전동기를 원동기로 추진축계를 설계할 때 비틀림진동의 고유진동수가 40~70 Hz 내에 존재하면 기진토크와 함께 방진 대책을 세우는 것이 바람직하며, 탄성커플링 강성과 축의 직경을 변경하여 고유진동수를 피하거나, 비틀림진동 댐퍼 등을 사전에 검토하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(1) 회전속도를 제어하기 위하여 PWM방식의 인버터를 이용한 가변 속도 유도 전동기에서 발생하는 펄스 토크는 축의 회전수에 무관하게 진동계 내의 특정 진동 모드의 공진주파수로 비틀림진동이 발생하였으며, 이 진동으로 인하여 기계적인 손상과 동력손실을 가져올 수 있었다. 그리고 선박 추진용 전동기의 회전속도가 낮은 영역에서 감쇠가 적은 40~60 Hz대역의 자려 비틀림진동으로 성장하는 것을 실험을 통해서 확인하였다.
(1) 회전속도를 제어하기 위하여 PWM방식의 인버터를 이용한 가변 속도 유도 전동기에서 발생하는 펄스 토크는 축의 회전수에 무관하게 진동계 내의 특정 진동 모드의 공진주파수로 비틀림진동이 발생하였으며, 이 진동으로 인하여 기계적인 손상과 동력손실을 가져올 수 있었다. 그리고 선박 추진용 전동기의 회전속도가 낮은 영역에서 감쇠가 적은 40~60 Hz대역의 자려 비틀림진동으로 성장하는 것을 실험을 통해서 확인하였다. 또한 탄성커플링의 강성 변경을 통해서 이 진동은 상당히 개선되었지만, 다른 진동요소의 설계 변경이 어려워 공진영역은 운전을 피하도록 하였다.
그리고 선박 추진용 전동기의 회전속도가 낮은 영역에서 감쇠가 적은 40~60 Hz대역의 자려 비틀림진동으로 성장하는 것을 실험을 통해서 확인하였다. 또한 탄성커플링의 강성 변경을 통해서 이 진동은 상당히 개선되었지만, 다른 진동요소의 설계 변경이 어려워 공진영역은 운전을 피하도록 하였다.
(2) 산업용 압축기에서 순간적인 과부하로부터 시스템을 보호하기 위한 전기적인 단락 과정을 통해서 비틀림진동의 고유진동수를 확인할 수 있었다. 이 경우 과도한 토크변동을 줄이고 피동축 간의 원활한 축계배치를 위하여 탄성커플링이 필요하다.
이 경우 과도한 토크변동을 줄이고 피동축 간의 원활한 축계배치를 위하여 탄성커플링이 필요하다. 비틀림진동 계측과 관련하여 과도 비틀림진동 토크가 크게 발생하는 순간에 비틀림진동이 기계적으로 축의 배치상의 불균형성분인 2차와 1차의 런 아웃 성분으로 전환되어, 각속도 측정에서는 순수한 비틀림진동 성분이 거의 확인되지 않았다. 따라서 비틀림 진동이 작은 고속 회전축에서 계측을 통한 시스템의 검증은 계측 장비의 설치 상 어려움이 많지만 반드시 스트레인 게이지를 이용한 원격측정장치로 확인 해야만 한다.
그리고 회전 각속도 측정에 의한 간접적인 방법은 보조적인 수단으로 사용할 수 있으나 이 연구에서는 부적합하였다. 또한 과도상태가 아닌 정상상태에서도 동일하게 각속도 측정에 의한 방법으로 비틀림진동은 관찰되지 않았고, 회전축 또는 계측장비의 1차 성분의 런 아웃 성분만 측정되었다.
(3) 전동기를 원동기로 하는 선박용 전기 추진시스템과 산업용 기계에서도, 디젤엔진과 동일하게 비틀림진동의 해석과 계측을 통해서 검증이 필요함을 확인하였다. 따라서 관련 검사 기관에서 이를 반영한 규정 개정이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

비틀림진동 계측과 관련하여 과도 비틀림진동 토크가 크게 발생하는 순간에 비틀림진동이 기계적으로 축의 배치상의 불균형성분인 2차와 1차의 런 아웃 성분으로 전환되어, 각속도 측정에서는 순수한 비틀림진동 성분이 거의 확인되지 않았다. 따라서 비틀림 진동이 작은 고속 회전축에서 계측을 통한 시스템의 검증은 계측 장비의 설치 상 어려움이 많지만 반드시 스트레인 게이지를 이용한 원격측정장치로 확인 해야만 한다. 그리고 회전 각속도 측정에 의한 간접적인 방법은 보조적인 수단으로 사용할 수 있으나 이 연구에서는 부적합하였다.
(3) 전동기를 원동기로 하는 선박용 전기 추진시스템과 산업용 기계에서도, 디젤엔진과 동일하게 비틀림진동의 해석과 계측을 통해서 검증이 필요함을 확인하였다. 따라서 관련 검사 기관에서 이를 반영한 규정 개정이 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Freese, T. and Maxfield, R., 2008, Torsional Vibration Problems with Motor/ID Fan due to PWM Variable Frequency Drive, Proceeding of the 37th Turbomachinery Symposium, pp. 45-56.
Lim, H.-J. and Cha, H. J., 20124, Design and Simulation of High Efficiency PWM Modulation Method for Three-phase Matrix Converter, The Transaction of the Korean Institute of Power Electrics, Vol. 17, No. 4, pp. 337-344.

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Freese, T. and Hill, C., 2009, Prevention of Torsional Vibration Problems in Reciprocating Machinery, Proceeding of the 38th Turbomachinery Symposium, pp. 213-237.
ABB Korea, 2007, Drive IT High Voltage Drive ACS1000, Manual.
Lee, D. C. and Yu, J. D., 2003, Transient and Unstable Torsional Vibration on a 4-Stroke Marine Diesel Engine, 2003 Spring Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division, Salzburg Austria.
Barro, R. D. and Lee, D. C., 2014, Transient Torsional Vibration Analysis for Ice-class Propulsion Shafting System driven by Electric Motor, Transactions of the Korean Society Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 9, pp. 667-674.

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Timo, P. H. et. al, 2013, Electric Motors and Drives in Torsional Vibration Analysis and Design, 2013, Proceedings of the 42nd Turbomachinery Symposium.

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