Ⅰ. 서론
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[1].
특히 전동기 고장 중에서도 전기 절연 파괴에 의한 고장은 아크사고의 원인이 되기 때문에 화재와 인명 피해의 원인이 되며 그림 1은 전동기의 절연파괴 및 전기사고 사례를 보여주고 있다. 따라서 전동기 고장에 의한 피해를 방지하기 위하여 전동기의 절연상태를 정기적으로 정확하게 진단하는 것은 신뢰성 있는 운전을 위해 필수적이라 할 수 있다.
그림 1. 전동기의 절연파괴 및 전기사고 사례
Fig. 1. Insulation breakdown and electric accidents of motors
국내의 전동기 고장 진단 기술은 진동을 측정한 기계적인 고장 감지와 R, S, T 상별 전력 소비의 편차를 측정하는 전력 감지 방법이 주를 이루고 있다. 그러나 두 방법은 모두 고장에 따른 상당 부분의 시간이 진행되어야 문제점을 분석할 수 있는 한계점을 가지고 있어 사전 사고 예방을 감지할 수 없다. 이러한 결과로 산업 현장에서는 전동기의 과부하, 진동, 전기적 단락, 열화 등으로 인한 화재 및 안전사고가 빈번히 발생하고 있다[2].
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.
II. 전동기 열화 추정을 위해 제안된 연구내용
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.
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
본 논문에서는 제안된 알고리즘을 이용하여 전동기 열화추정을 위해 다음과 같이 4개의 연구개발 주제를 제안하며 세부적인 내용들은 각 절에서 언급하였다.
(1) 절연저항 측정용 DC 펄스(AMP) 출력 및 절연저항 연산 임베디드 회로 연구
(2) 전동기용 절연저항 측정 Topology 연구
(3) 절연저항 측정값 변동추이 및 산포도에 따른 열화 및 고장 진단 알고리즘 연구
(4) 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 연구
1. 절연저항 측정용 DC 펄스(AMP) 출력 및 절연저항 연산 임베디드 회로
그림 3과 같이 전동기의 절연저항 측정용 DC 펄스(AMP) 출력 및 절연저항 연산 임베디드 회로를 구성하기 위하여 (1) DC 펄스(AMP)기반 전동기의 절연파괴 및 절연상태 측정 장치, (2) 전동기 절연파괴 및 절연열화 모의가 가능한 모의시험 지그 설계를 위해 다음의 내용들로 정리할 수 있다[3].
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
(1) DC 펄스(AMP)기반 전동기의 절연파괴 및 절연상태 측정 장치
⦁ 380Vac 활선의 P, N 신호 배분 회로 기술 개발(Varistor 및 고정밀 저항 구성을 통한 전압배분 및 보호회로 설계)
⦁ SiO2기반, 이중 용량성 절연 장벽 구성 및 차동 증폭 OP-AMP 회로 설계
⦁ DC 펄스(AMP) 신호 제너레이터 회로 설계 및 BBM (Break-before-make) 로직 구성을 통한 내부 회로 단락발생 방지 설계
⦁ ADC 신호 테이블링을 위한 시험용 TP 포인트 일체형 테스트 보드 설계 및 제작
(2) 전동기 절연파괴 및 절연열화 모의가 가능한 모의 시험 지그
⦁ 인버터 및 전동기 기반 절연파괴 및 절연열화 모의 시험 지그 설계 및 제작 (그림 4)
그림 4. 전동기 절연파괴 모의시험 지그
Fig. 4. Motor insulation breakdown simulation test jig
2. 전동기용 절연저항 측정 Topology 연구
(1) 전동기 절연파괴 및 절연열화 모의시험 지그를 이용한, 절연 구간별 실요값 데이터 처리
⦁ 전동기 입력전압, 절연고장 저항값(Rf:Resistor fault), OP-AMP내 증폭신호 측정 및 테이블링[4]
⦁ 전동기 구동 인버터의 주파수 제어를 통한 각 전압 레벨별 측정 신호 데이터 취득 및 분석
그림 5는 본 논문에서 제안한 모의시험 지그를 이용하여 전동기의 절연저항 측정과 분석을 하기위한 데이터처리의 실례를 보여주고 있다. 따라서 절연파괴 및 절연열화에 따른 데이터 측정, 테이블링, 그래프 처리 등의 프로그램 설계가 필요하다.
그림 5. 모의시험지그를 이용한 조건 별 측정 데이터 처리(예시)
Fig. 5. Measurement data processing by condition using simulation jig (example)
(2) 모의 절연 구간별 전동기의 선로 커패시턴스(0.5~1uF) 및 인덕턴스(50uH) 측정값 데이터 처리 및 보정계수 알고리즘 개발
⦁ 전동기 종류, 특성, 방식 등에 의해 발생하는 절연 저항 측정오차 요소인 커패시턴스 및 인덕턴스값을 보정하기 위한 알고리즘 설계
그림 6은 본 논문에서 연구내용으로 제안한 펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정에서 (1) 전동기 절연파괴 및 절연열화 모의시험 지그를 이용한, 절연 구간별 실요값 데이터 처리, (2) 모의 절연 구간별 전동기의 선로 커패시턴스(0.5~1uF) 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.
그림 6. 전동기의 절연저항 산출 연산 예
Fig. 6. Example of calculating the insulation resistance of a motor
3. 절연저항 측정값 변동추이와 산포도에 따른 열화 및 고장 진단 알고리즘 연구
절연저항 측정값 변동추이와 산포도에 따른 열화 및 고장 진단 알고리즘을 연구하기 위해 (1) 전동기의 열화 요인 및 특성(열화현상) 분석, (2) 절연저항 측정값 변동 추이 및 산포도에 따른 열화 및 고장 진단 알고리즘 개발 연구에 관한 내용들을 다음과 같이 정리할 수 있다[5].
(1) 전동기의 열화 요인 및 특성 (열화현상) 분석
⦁ 열, 전압, 기계력, 수분, 오손 등 열화 요인별 특성(열화현상) 자료 분석
⦁ 열적 열화, 전기적 열화, 기계적 열화, 환경적 열화, 경년 열화 자료 분석
⦁ 절연특성의 경년 열화 자료 분석(절연저항, 성극지수(P.I), tanδ)
⦁ 정상적인 전동기의 15~20년 주기 절연저항 값 변동 자료 분석
(2) 절연저항 측정값 변동추이 및 산포도에 따른 열화 및 고장 진단 알고리즘 개발 연구
⦁ Labview 연동을 통한 전동기의 절연저항 변화추이 분석을 위한 DB 개발 및 실험환경 구축 (그림 7)(센서보드 → DAQ → Labview → Monitoring)
그림 7. Labview 연동을 통한 전동기의 절연저항 측정값 변동추이 분석
Fig. 7. Analysis of changes in insulation resistance measurements of motors through Labview linkage
⦁ 정상적인 전동기의 15~20년 주기 절연저항 값 변동 자료를 이용한 경년 열화 절연저항 변동 기울기 경계값 도출
⦁ 절연저항 측정값 변동추이에 따른 시간별 변화 기울기 경계값 도출
⦁ Pre-alarm 및 critical-alarm 알고리즘 도출
그림 7은 전동기의 절연저항 측정값 변동추이를 분석하기 위해 Labview 프로그램을 활용하는 구성도를 보여 주고 있다. 전동기 각상의 절연저항값을 측정하기 위해 설계된 센서보드를 통해 DA처리된 값들은 그림 8에서 보여준 알고리즘을 이용하여 설정된 절연저항 변동 기울기에 따른 Pre-alarm 및 critical-alarm을 사용자에게 알려줄 수 있다. 따라서 사용자는 절연저항 변화에 따른 전동기의 상태진단을 감지할 수 있다.
그림 8. 알고리즘 구성
Fig. 8. Main transformer and shape mounted at vehicle
4. 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 연구
(1) 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 시스템 구성[6]
⦁ 시스템의 10HP급 전동기 연계
⦁ 원격 제어형 전동기 절연저항 제어기 연계
⦁ 전동기 구동 인버터 PLC 제어기, 아크 부분방전기 등 연계
(2) 현장의 예방정비와 상시고장진단 및 감시 자동화를 위한 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 개발 연구
⦁ 상시감시자료 및 상태진단자료의 DB 연계 기술 연구
⦁ 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기의 연계, 단계별 고장 조치 및 대응조치 연계
⦁ 전동기 절연파괴 및 절연감시 장치 및 고장 진단 모니터링 제어기 시스템 구축 및 최적화
1~3절에서 제안한 연구내용들을 바탕으로 구성된 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 시스템을 통해 전동기의 절연저항 측정을 통해 전동기의 열화 상태를 진단할 수 있다. 모니터링 제어기 시스템을 통하여 전동기의 절연파괴 및 고장 진단을 통해 전동기 시스템의 최적화를 이룰 수 있다. 그림 10은 전동기 시스템의 최적화를 위해 본 논문에서 제안한 열화 및 고장진단 모니터링 제어기 시스템 구성을 통한 실험결과를 보여주고 있다. 또한 표 1은 그림 10의 실험결과에 대해 정리한 내용으로 전동기의 동일 부하에 대해 최적화 알고리즘을 적용시 누적 전력량은 그림 10(b)에서 2.71kWh, 미적용시 그림 10(a)에서 5.62kWh의 결과값을 각각 보여주고 있다. 따라서 최적화 알고리즘에 따른 전력사용 저감율 51.96%의 효과를 각각의 실험결과를 통해 확인할 수 있다.
그림 9. 열화 및 고장 진단 모니터링 제어기 시스템 구성
Fig. 9. Deterioration and failure diagnosis monitoring controller system configuration
그림 10. 전동기 최적화 알고리즘에 따른 실험결과
Fig. 10. Experimental results according to the motor optimization algorithm
표 1. 전동기 최적화 알고리즘에 의한 전력량 비교
Table 1. Comparison of wattage by motor optimization algorithm
IV. 연구성과 활용방안
펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정을 하기 위해 II절에서 언급한 제안된 연구 내용을 통해 얻어진 연구 성과물은 다음과 같은 내용으로 활용할 수 있다.
❏ DC 펄스 신호 및 절연저항 측정 알고리즘을 이용한 전동기 열화 추정 모니터링 개발 기술은 요소별 핵심 원천기술 확보가 가능하므로 전동기 산업 분야 및 타 분야에 응용기술로 활용.
❏ 전동기 절연상태 감시 모니터링 시스템은 맑은물사업소, 상하수도 처리장 등 전동기 연계 산업 분야에 적용되고 있는 산업 전동기에 활용.
❏ 현재 전동기 절연상태 감시 모니터링 시스템은 기존 전동기 고장 진단장치(진동, 전력분석 등)를 대체할 수 있으며, 고장 예측 기능 등 기술적 우위를 갖는 선진적 기술로서, 향후 확보된 기술을 토대로 해외 진출.
❏ 기존의 인버터/제어반/전동기로 구성된 제어 시스템의 고장 진단 및 가동률 향상을 통한 생산성 향상 및 절연 상태 분석을 통한 예방 진단을 진행할 수 있어 유지 보수성 향상
❏ 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.
V. 결론
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.
(1) 산업용 전동기의 고장 정지 및 사고 사전방지와 운행의 안전성 확보
(2) 실시간 진단 모니터링 자동화에 의한 안정적인 기능 유지 및 운전 장애 최소화
(3) 절연상태 이력 변경에 따른 상태진단에 의한 위험 요소 도출 및 고장감소 방안 도출
(4) 연구제품의 산업설비 상용화 가능성 도출
References
- 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
- 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
- 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.