Coupled Magnetic Circuits을 이용한 유도 전동기 결함 모델링 연구

Abstract

산업 현장에는 펌프, 팬, 송풍기, 압축기, 제지기, 방직기 등의 다양한 종류의 전동기 구동 회전기기가 설치되어 플랜트의 주요 동력원으로 사용되고 있다. 특히 대형 핵심 설비에는 진동과 속도 센서, 그리고 신호처리 장치를 부착하여 운전 상태를 상시 감시하는 예지 정비 기술이 활용되고 있다. 전동기에 이상이나 고장이 발생했을 경우, 원인을 추정하는 데에는 전문적인 지식이나 오랜 경험이 필요하다. 또한 원인 추정에 있어서 잘못된 판단은 큰 사고와 경제적 손실을 초래하기 때문에 회전 기계 제작사의 전문가와 설비 운전을 담당하는 정비 기술자가 긴밀하게 협력해야 한다. 그래서 전동기의 상태 감시 및 진단 기술의 자동화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상태 감시 기술은 설비 운전자에 운전 상황에 관한 체계적인 정보를 제공하여 이상의 징후를 조기 분석함으로써 적절한 보수 유지 계획의 수립을 하여 보수 유지 비용을 절감하고, 운전 정지 및 고장에 의한 경제적 손실과 인명 손실의 방지 및 최소화 하는데 필요하다. 본 연구는 전동기의 상태를 조사하고, 보수 유지 계획의 기초정보로 활용하기 위해 3상 농형 유도 전동기를 모델링 한다. 전동기의 상태에 따라서 정상 상태와 회전자 도체 봉 파손, 회전자 정적 편심, 그리고 앞의 두 가지 결함을 동시에 가지는 복합 결함을 고려하여 모델링한다. 특성해석 방법으로 전자장 이론에 의한 해석적 방법으로 Coupled magnetic circuit method를 사용한다. 마지막으로 특성해석 결과를 FEM 결과와 비교한다.

Three-phase induction motor is the most important one because of its simplicity, low cost and ease of operation. Condition monitoring and diagnostic faults used for increasing machinery availability, performance and machine life. It is also used for reducing consequential damage, spare parts inventories and breakdown maintenance. Asymmetrical operation of the induction motor results in poor efficiency which eventually leads to the failure of the motor. An intrinsic rotor eccentricity is unavoidable in real machines. Broken rotor bars can be a serious problem with certain induction motors due to heavy duty cycles. Although broken rotor bars do not initially cause an induction motor to fail, there can be serious secondary effects. Motor analysis is important to diagnose faults at early stages. A conventional d-q model is not suitable for analysis under motor faults. Toliyat and others have developed an analysis method for modeling the multiphase cage induction motor. The model considers the magnetomotive force(MMF) harmonics using winding function approach. The stator currents are obtained by means of the coupled magnetic circuits. The model is used effectively to simulate different types of machine faults, such as air-gap eccentricity and broken rotor bars. Magnetic circuit and d-q model do not require lots of computation time but finite element method(FEM) requires lots of computation time. This paper focuses on the faults modeling of three-phase squirrel cage induction motor with the rotor static eccentricity, the broken rotor bars, and the mixed fault at steady state. Self and mutual inductances for the machine are calculated by using the winding function. Stator currents are obtained by means of the coupled magnetic circuits. The proposed mixed fault model is similar to Toliyat’s. The simulation results are identified by the frequency component obtained by means of motor current signature analysis(MCSA). Simulation and FEM results confirm the validity of the proposed approach.