[논문]펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정

정성인

doi:10.7236/jiibc.2022.22.5.111

초록
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전동기 소손의 원인으로는 과부하, 결상, 구속, 층간단락, 권선의 지락, 순간과전압의 유입, 회전자가 고정자에 닿는 경우 등 절연파괴로 이어져 고장 또는 전기 사고로 이어지고 있다. 따라서 기기 고장은 기기의 보수/수리에 필요한 비용에 의한 손실뿐만 아니라, 전동기가 포함된 공정 자체를 멈추기 때문에 공정 정지에 따른 생산성 저하에 의한 막대한 경제적 손실을 초래한다. 전동기의 고장을 진단하기 위한 현재의 기술의 수준은 진동, 열, 전력분석 방식을 이용하고 있지만, 고장에 따른 상당 부분의 시간이 진행되어야 문제점을 분석할 수 있는 한계점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 DC AMP 신호를 이용하여 절연저항을 측정하는 장치 및 알고리즘을 산업용 전동기에 적용하여 절연저항 상태값을 추종하여 기존방식에서 해결되지 못한 전동기의 열화 및 고장 진단을 제안한다.

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The causes of motor burnout include overload, phase loss, restraint, interlayer short circuit, winding ground fault, instantaneous overvoltage, and the rotor contacting the stator, leading to insulation breakdown, leading to breakdown or electrical accidents. Therefore, equipment failure causes not ...

The causes of motor burnout include overload, phase loss, restraint, interlayer short circuit, winding ground fault, instantaneous overvoltage, and the rotor contacting the stator, leading to insulation breakdown, leading to breakdown or electrical accidents. Therefore, equipment failure causes not only loss due to cost required for equipment maintenance/repair, but also huge economic loss due to productivity decrease due to process stop because the process itself including the motor is stopped. The current level of technology for diagnosing motor failures uses vibration, heat, and power analysis methods, but there is a limit to analyzing the problems only after a considerable amount of time has passed according to the failure. Therefore, in this paper, a device and algorithm for measuring insulation resistance using DC AMP signal was applied to an industrial motor to solve this problem. And by following the insulation resistance state value, we propose a diagnosis of deterioration and failure of the motor that cannot be solved by the existing method.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 전동기의 절연파괴 및 전기사고 사례 Fig. 1. Insulation breakdown and electric accidents of motors
그림 그림 2. 산업용 전동기의 실시간 절연파괴 및 절연상태 감시 및 모니터링 Fig. 2. Real-time insulation breakdown and insulation status monitoring and monitoring of industrial motors
그림 그림 3. 전동기 절연파괴 및 절연상태 측정 장치의 DC 펄스신호 연결도 Fig. 3. DC pulse signal connection diagram of motor insulation breakdown and insulation state measuring device
그림 그림 4. 전동기 절연파괴 모의시험 지그 Fig. 4. Motor insulation breakdown simulation test jig
그림 그림 5. 모의시험지그를 이용한 조건 별 측정 데이터 처리(예시) Fig. 5. Measurement data processing by condition using simulation jig (example)
그림 그림 6. 전동기의 절연저항 산출 연산 예 Fig. 6. Example of calculating the insulation resistance of a motor
그림 그림 7. Labview 연동을 통한 전동기의 절연저항 측정값 변동추이 분석 Fig. 7. Analysis of changes in insulation resistance measurements of motors through Labview linkage
그림 그림 8. 알고리즘 구성 Fig. 8. Main transformer and shape mounted at vehicle
그림 그림 9. 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 시스템 구성 Fig. 9. Deterioration and failure diagnosis monitoring controller system configuration
그림 그림 10. 전동기 최적화 알고리즘에 따른 실험결과 Fig. 10. Experimental results according to the motor optimization algorithm
표 표 1. 전동기 최적화 알고리즘에 의한 전력량 비교 Table 1. Comparison of wattage by motor optimization algorithm

AI 본문요약
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문제 정의

❏ 전동기의 DC 펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 열화 추정 및 고장 진단 모니터링 연구를 통해 핵심 설계 기술을 확보 및 산업용 절연 저항 모니터링 연구에 대한 최초 성과물 확보.
따라서 본 논문에서는 DC 펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정 연구를 제안한다. 열화 감지는 전동기 및 전동기와 연계된 선로의 절연 저항을 실시간 모니터링하고, 데이터 분석을 통해 이상(異常) 유무 확인, 화재 및 폭발 사고 등의 안전사고를 사전 예방할 수 있어 고장 및 화재의 피해를 최소화할 수 있다.
그림 2는 본 논문에서 제안된 전동기의 열화 추종 연구내용을 바탕으로 산업용 전동기의 절연파괴 및 절연상태를 실시간으로 감시 및 모니터링의 내용을 보여주고 있다. 이러한 결과를 통해 전기안전 사고 예방 및 가동률 향상을 추가적인 결과물로 도출하기 위해 DC 펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 제안한다.

성능/효과

62kWh의 결과값을 각각 보여주고 있다. 따라서 최적화 알고리즘에 따른 전력사용 저감율 51.96%의 효과를 각각의 실험결과를 통해 확인할 수 있다.

후속연구

5~1uF) 및 인덕턴스(50uH) 측정값 데이터 처리 및 보정계수 알고리즘 개발의 연구를 통해 절연저항 산출 방법의 예를 보여주고 있다. 따라서 향후 연구 및 실험을 통해 전동기의 절연저항을 산출할 수 있는 알고리즘 개발이 필요하다.
본 논문을 통해 제안한 “펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정” 연구내용은 독일 Schneider에서 연구한 이력이 있을 뿐 국내에서 연구 및 적용되지 못한 새로운 기술이다. 따라서 제안된 연구 내용을 바탕으로 향후 연구 및 실험을 통해 전동기의 열화추정에 대한 새로운 신기술을 확보함과 동시에 다음과 같은 기대효과를 얻을 것으로 사료된다.

참고문헌 (6)

I Made Yulistya Negara, Dimas Anton Asfani, Daniar Fahmi, Siti Sudatul Aisyah N, "Testing and Simulation of Motor Insulation System under Some Artificial Environmental Conditions, International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics, pp.286~289, 2014. DOI:https://doi.org/10.11591/eecsi.v1.343
McKinnon, David L., "Simulation Insulation System under Various Environmental Conditions in Labora-tory," IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/ELINSL.2012.6251485
Ken Watkins, "Condition Monitoring Sensor for Electric Vehicle Motor and Generator Insulation Systems," World Electric Vehicle Journal, vol. 5, pp.541~545, 2012. DOI:https://doi.org/10.3390/wevj5020541

상세보기
Peter Nussbaumer, Markus A. Vogelsberger, Thomas M. Wolbank, "Induction Machine Insulation Health State Monitoring Based on Online Switching Transient Exploitation," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.62, no.3, pp.1835~1845, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2361114

상세보기
Muhammad Amin, Salman Amin, Muhammad Mubarak Ali, "Monitoring of Leakage Current for Composite Insulators and Electrical Devices, Reviews on Advanced Materials Science, vol.21, no.1, pp.75~89, 2009.
G. Mamatha1, A. H. Thejaswi, "Induction Motor Condition Monitoring and Controlling Based on IOT, International Research Journal of Engineering and Technology, vol.4, no.9, pp.220~225, 2021.

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