V 벨트 풀리 드라이브의 결함에 대한 전기적 진단 방법 및 회전자 구조가 전동기 시험에 미치는 영향 분석 = Electrical monitoring of mechanical defects in induction motor driven V-belt pulley drive and analysis of the influence of rotor design on the motor testing

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

V-belt-pulley couplings are commonly used for speed reduction in induction motor driven industrial applications since they provide flexible transmission of power at low cost. However, they are susceptible to mechanical defects such as wear or crack that can lead to slippage or damage of the belt, which reduces the efficiency and lifetime of the system. There are many limitations to applying existing tests, which include visual inspection, thermal or mechanical monitoring, since they require visual or physical access to the motor and/or costly sensors/systems. Considering the large quantity of belt-pulley systems, the impact of economic loss incurred by low-efficiency operation and unplanned process outage can be significant. In this paper, electrical monitoring of belt-pulley coupling defects based on the analysis and trending of the stator current frequency spectrum under steady-state and startup conditions is presented. The proposed method is verified on 1) 6.6 kV motor driven pulpers, and on a 2) custom-built 380 V motor driven air compressor with speed reduction belt-pulleys under controlled fault conditions. It is shown that the proposed method can provide automated, remote, and safe detection of belt-pulley system defects based on current measurement available in the system for improving the system reliability and efficiency.
In addition to the above topic, the effect of the rotor construction on motor tests, low voltage rotor test and surge PD test are analyzed and evaluated experimentally.
The single-phase rotor rotation test(SPRT) is frequently used in the field for assessing the integrity of the rotor cage without motor disassembly. However, the inconvenience of the SPRT has triggered the advent of a portable low-voltage version of the test. This test has recently become common as it is convenient to use in an industrial environment. However, concerns on the reliability of the test have been raised due to frequent false test indications. The objective of this work is to provide an analysis and experimental evaluation of low-voltage rotor tests under controlled rotor fault conditions on 380-V and 6.6-kV motors. The results of the low-voltage test reveal that it cannot provide reliable diagnosis due to the low excitation flux level, particularly for motors with the closed rotor slot design.
Partial discharge (PD) has been identified as one the main root causes of stator winding failures in low voltage (LV) random wound AC motors fed by PWM inverters. To ensure that PWM inverter-fed motors (type I) are PD-free under impulse excitation, the test procedure for acceptance testing of the stator insulation system was developed (IEC TS 60034-18-41). Although many successful cases of applying the TS have been reported, some concerns have been raised. It is implied in the TS that the rotor has no impact on the off-line surge PD test result, and testing is often performed without the rotor; however, it was observed that the test results can change with rotor insertion for some types of machines. The surge PD test must be performed under actual operation condition(with the motor assembled) to guarantee absence of PD. In this paper, the influence of the rotor on the surge PD test is investigated for AC machines, and it is shown that the PD inception voltage (PDIV) can change significantly depending on the rotor design. A detailed analysis is given along with experimental test results on a number of induction and permanent magnet (PM) synchronous motor samples with different rotor designs.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 유도전동기의 역할과 중요성 1
• 1.2. 유도전동기의 고장 3
• 1.3. 기계적 커플링 5
• 1.4. 연구의 목표 6
• 1.5. 논문의 구성 7
• 2. 유도전동기의 구조와 시험 방법 8
• 2.1. 고정자 권선 8
• 2.1.1. 성형 권선 8
• 2.2.2. 비성형 권선 10
• 2.2. 고정자 절연 진단 11
• 2.2.1. 주절연 진단 11
• 1) 사선 직류 시험 12
• (1) 절연 저항 12
• (2) 성극 지수, 유전 흡수 13
• (3) 직류 하이팟 시험 13
• 2) 사선 교류 시험 14
• (1) 교류 하이팟 시험 14
• (2) 정전 용량 14
• (3) 유전 계수 14
• (4) 역률 tip-up 시험 16
• (5) 부분 방전 16
• 3) 활선 시험 18
• (1) 부분 방전 18
• (2) 온도, 기체 19
• (3) 릴레이 19
• 2.2.2. 턴간 절연 진단 19
• 1) 써지 시험 21
• 2) 써지 부분 방전 시험 23
• 2.3. 회전자 구조 25
• 2.3.1. 제작 방법 25
• 1) Die-cast 회전자 25
• 2) Fabricated 회전자 26
• 2.3.2. 회전자 슬롯 디자인 27
• 1) 밀페형 슬롯 회전자 27
• 2) 개방형 / 반개방형 슬롯 회전자 27
• 2.4. 회전자 바 고장 진단 28
• 2.4.1. 기계적 방법 28
• 1) 활선 시험 28
• (1) 진동 28
• (2) 온도 29
• (3) 소음 29
• (4) 토크 30
• (5) 회전 속도 30
• 2) 사선 시험 30
• (1) 육안 검사 31
• (2) Tap test 31
• (3) 염료 침투 시험 31
• (4) 온도 반응 페인트 31
• 2.4.2. 전기적 방법 31
• 1) 활선 시험 32
• (1) 전동기 전류 스펙트럼 분석 32
• (2) 기동 전류 주파수 분석 34
• (3) 누설 자속 38
• 2) 사선 시험 39
• (1) 단상 회전 시험 39
• (2) 저전압 회전자 시험 41
• (3) Growler 42
• (4) 고전류 여자 시험 42
• 3. 기계적 커플링과 V 벨트-풀리 드라이브 43
• 3.1. 동력 전달 장치 43
• 3.1.1. 마찰차 43
• 3.1.2. 기어 44
• 3.1.3. 벨트-풀리 드라이브 44
• 1) 벨트 46
• 2) 로프와 체인 47
• 3.2. V 벨트 47
• 3.2.1. V 벨트의 개요 48
• 3.2.2. V 벨트의 고장 49
• 4. 기존 V 벨트 고장 진단 방법과 문제점 53
• 4.1. 기존의 진단 방법 53
• 4.1.1. 장력계 53
• 4.1.2. Deflection force method 54
• 4.1.3. 정적 장력 계산 57
• 4.1.4. 육안 검사 59
• 4.1.5. 온도 59
• 4.1.6. 진동 59
• 4.1.7. 속도 60
• 4.2. 선행 연구 조사 60
• 5. 제안하는 진단 방법 63
• 5.1. 배경 이론 64
• 5.1.1. 이상적인 전동기, 부하, 벨트의 속도 64
• 5.1.2. 진동에서 관찰되는 전동기, 부하, 벨트 성분 65
• 5.1.3. 전류에서 관찰되는 전동기, 부하, 벨트 성분 66
• 5.1.4. 결함이 있을 때 전류에서 관찰되는 전동기, 부하, 벨트 성분 66
• 1) f_(m,i,d) 67
• 2) f_(l,i,d) 67
• 3) f_(b,i,d) 67
• 5.2. 정상상태일 때 감속비 계산 68
• 5.3. 기동 상태 73
• 6. 실 험 76
• 6.1. 실험의 구성 76
• 6.2. 실험의 설계와 고려 사항 79
• 6.2.1. 풀리 중심 거리, d와 벨트의 장력 80
• 6.2.2. 풀리의 평행 오정렬 82
• 6.2.3. 마모, 크랙 82
• 6.2.4. 흡습, 기름 오염 83
• 6.2.5. 부하 변화 84
• 6.3. 실험 진행 과정 85
• 6.4. 실험 결과 87
• 6.4.1. 정상상태 87
• 1) 오정렬 87
• 2) 마모, 크랙, 오염 89
• 6.4.2. 기동 상태(기동 시간) 92
• 1) 오정렬 93
• 2) 마모, 크랙, 오염 93
• 3) 부하 변화 95
• 6.4.3. 기동 상태(주파수 분석) 96
• 6.5. 기존 진단법 수행 결과 102
• 6.5.1. Deflection force method의 문제점 102
• 6.5.2. 진동에서 성분의 크기 비교 102
• 6.5.3. 정상상태일 때 감속비 계산 104
• 6.6. 정리 및 기존 방법과의 차별성 105
• 7. 회전자 구조의 영향 평가 108
• 7.1. 이론적 배경 108
• 7.1.1. 브릿지의 잔류 자속 110
• 7.1.2. 여자 조건 111
• 7.2. 회전자 고장 시험에의 영향 114
• 7.2.1. 실험의 구성 115
• 7.2.2. 실험 결과 119
• 7.3. 써지 부분 방전 시험에 미치는 영향 133
• 7.3.1. 실험의 구성 133
• 7.3.2. 실험 결과 137
• 7.4. 기존 시험들의 문제점 및 제안하는 방법 144
• 7.4.1. 회전자 고장 시험 시 144
• 7.4.2. 써지 부분 방전 시험 시 145
• 8. 결 론 148
• 8.1. 향후 연구 150
• 9. 참 고 문 헌 152

참고문헌 (Reference)

1. “기계설계 5 판”, 홍장표, 교보문고, , 2008

2. “機械工學槪論,”, 강기주, ㈜북스힐, , 2006

3. “소음 특성을 이용한 회전체의 이상 진단 방법”, 신영수, 등록번호 10- 0431980-0000, 소멸, 특허청, , 2004

4. 래스터 이미지의 에지 검출을 통한 벨트 마모의 측정, 숍 자크 플로이드엠, 출원번호 10-2014-7009028, 공개, 특허청., , 2014

5. “전기기기의 절연 상태 평가 기법 개선에 관한 연구”, 양진규, 박사학위논문, 고려대학교, 서울, 대한민국, , 2011

6. “회전자 축방향 에어 덕트 구조 유도 전동기의 회전자 고장 진단”, 이성호, 석사학위논문, 고려대학교, 서울, 대한민국, , 2013