전기적 시그니처 분석을 이용한 펄스 폭 변조 모터 드라이브 고장 감지

업계에서 AC 모터용 모터 드라이브의 사용은 계속 증가하고 있으며 펄스 폭 변조 드라이브(PWM)는 저마력에서 중간 마력 애플리케이션의 일반적인 업계 표준이 되었습니다. 모터 시스템의 다른 구성 요소와 마찬가지로 PWM 드라이브에는 다양한 고장 모드가 있으며, 전기 기술자는 일반적으로 문제 해결을 위해 디지털 멀티 미터(DMM), 디지털 오실로스코프 및 전력 품질 분석기를 사용합니다. 이 세 가지 계측기는 전기 기술자가 들어오는 전원 및 모터 드라이브와 관련된 문제를 해결할 수 있지만 모터 자체 및 모터의 구동 부하 내에서 결함을 감지하는 데는 제한적인 기능을 제공합니다. 또한 이러한 도구는 개별적이고 보고 기능이 제한적일 수 있으므로 예측 유지 관리(PdM) 또는 상태 기반 유지 관리(CBM) 목적의 테스트가 어려울 수 있습니다.

신뢰성 테스트 목적으로 전기적 시그니처 분석(ESA)이 DMM, 오실로스코프, 전력 품질 분석기에 비해 뚜렷한 이점을 제공하는 이유도 바로 여기에 있습니다. 또한 들어오는 전원 및 모터 드라이브의 상태를 평가하는 것 외에도 많은 일반적인 고장 모드에 대해 모터 및 구동 부하의 상태도 평가합니다.

ESA 정보

ESA는 모터 시스템이 작동하는 동안 전압 및 전류 파형을 캡처한 다음 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 제공된 소프트웨어를 통해 스펙트럼 분석을 수행하는 온라인 테스트 방법입니다. 이 FFT에서 들어오는 전원, 제어 회로, 모터 자체 및 구동 부하와 관련된 결함을 감지한 다음 CBM/PdM 용도로 추세를 파악할 수 있습니다. 당사의 특정 ESA 기기는 휴대용 배터리로 작동하는 휴대용 기기입니다.

모든 ESA 분석 시스템에는 전압, 작동 속도, 최대 부하 전류 및 마력(또는 kW)의 모터 명판 정보가 필요합니다. 또한 로터 바 및 고정자 슬롯 수, 베어링 부품 번호, 팬의 블레이드 수 또는 기어 박스 애플리케이션의 톱니 수와 같은 구동 부하 구성 요소에 대한 정보(선택 사항)를 입력하여 보다 상세하고 정확한 분석을 수행할 수 있습니다.

ESA는 많은 분들에게 생소한 기능이므로, 아래는 ESA가 탐지하는 일반적인 결함을 보여주는 차트입니다. 그림 1을 참조하세요.

이 문서에서는 PWM 드라이브의 일반적인 결함 세 가지에 대해 설명합니다:

1) 정류기 브리지의 개방형 입력 다이오드.

2) 중간 DC 회로의 커패시터에 결함이 있습니다.

3) 불량 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT).

이 세 가지 중 커패시터 고장은 모터의 성능을 모니터링해도 즉각적인 징후가 나타나지 않기 때문에 조기에 발견하기 가장 어렵습니다.

드라이브 정보

그림 2는 들어오는 AC 전원, 들어오는 AC 전압을 정류하는 전파 다이오드 브리지, 커패시터, 인버터 브리지 및 모터가 포함된 중간 DC 회로를 포함하는 PWM 모터 드라이브의 기본 블록을 보여줍니다.

ESA로 테스트할 때는 테스트 중인 모터 시스템에 전압 및 전류를 연결합니다. 이 작업은 일반적으로 모터 제어 센터에서 수행되며, 제공된 휴대용 전압 프로브와 휴대용 변류기를 사용하거나 이전에 설치된 특수 연결 상자를 통해 연결합니다. 연결 박스의 장점은 이러한 필수 연결을 위해 모터 제어 패널을 열지 않고도 데이터를 가져올 수 있다는 것입니다.

PWM 애플리케이션의 경우 두 세트의 데이터를 수집해야 하는데, 하나는 PWM 드라이브의 입력에서, 다른 하나는 PWM 드라이브의 출력에서 수집해야 합니다. 전체 데이터 수집 프로세스(연결 완료 후)는 약 4분 정도 소요되며, 이 시점에서는 모터 명판 정보가 필요하지 않습니다. 이 정보는 나중에 데이터 분석을 수행할 때 입력할 수 있습니다.

그런 다음 제공된 소프트웨어를 사용하여 데이터 파일을 확인하면 Microsoft® Word 보고서가 생성됩니다. 이 소프트웨어는 다양한 분석 스펙트럼으로 작업할 수 있는 사용하기 쉬운 도구를 제공합니다. 전체 보고서를 생성하지 않고도 소프트웨어 결과를 확인할 수 있습니다.

소프트웨어가 자동으로 다음 사항을 보고합니다:

역률, 전류 불균형, 전압 불균형 및 명판에 대한 RMS 전압, 명판에 대한 부하, 위상 연결, 회전자 상태, 고정자 전기 및 기계적 상태, 회전자/고정자 에어 갭, 총 고조파 왜곡(전압 및 전류), 오정렬/불균형 표시 및 베어링 상태입니다.

또한 전압 및 전류 피크 및 파고율, 위상 임피던스, 전력(피상, 실효 및 무효), 실행 속도 및 회선 주파수를 보고합니다. AC 유도 모터 및 DC 모터의 경우 모터 효율도 계산합니다.

숙련된 사용자라면 평균적으로 모터당 10분 이내에 전체 분석을 실행하고 보고서를 생성할 수 있습니다.

사례 1

첫 번째 사례는 뉴욕주 코틀랜드에 위치한 EMA Inc 서비스 시설에 접수된 모터 드라이브입니다. 드라이브와 모터는 테스트를 위해 동력계에서 작동했습니다.

두 개의 데이터 세트가 수집되었습니다. 첫 번째는 드라이브의 입력에서만 파형을 캡처한 다음 두 번째 세트는 드라이브의 출력에서 캡처한 것입니다. 두 번째 데이터 세트에는 전압 및 전류 파형 캡처와 50초 분량의 전압 및 전류 파형이 포함됩니다.

그림 6은 위상 C의 들어오는 전류 파형을 보여줍니다. 음의 피크가 누락된 것을 확인할 수 있습니다. 이는 다이오드가 열려 있기 때문에 발생합니다.

ESA가 자동으로 생성한 보고서는 개방 다이오드로 인해 발생하는 전류 불균형과 과도한 고조파 왜곡을 모두 식별합니다.

보고서의 첫 페이지는 요약본일 뿐이며 각 주요 주제 제목에 대한 세부 정보를 제공하는 추가 페이지가 있습니다. 여기에서 볼 수 있듯이 전류 위상 불균형이 크면 PWM 드라이브의 내부 부품이 손상되고 모터 드라이브에 전원을 공급하는 공급 변압기에 스트레스를 줄 수 있습니다.

사례 2

두 번째 사례는 커패시터 뱅크의 노후화된 커패시터와 관련하여 EMA에서 수리를 위해 접수된 것입니다. 문제는 이러한 커패시터가 노후화되고 성능이 저하되기 시작하면 모터의 성능에 뚜렷한 징후가 나타나지 않는다는 것입니다. 커패시터가 고장 나기 시작하면 양호한 커패시터에 추가 전류가 전달되어 커패시터에 과도한 열이 발생하고 추가 열로 인해 나머지 커패시터의 고장이 가속화됩니다. 이러한 커패시터에는 내부의 과도한 압력을 방출하기 위한 통풍구가 있지만 충분히 빠르게 배출되지 않으면 폭발할 수 있습니다. 또한 모터에 과도한 리플 전압이 공급되면 모터에 고조파 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 고조파 전류는 마이너스 시퀀스 토크를 생성하고 모터 성능을 저하시키며 모터 내부에 열이 추가로 축적되어 손상을 입힐 수 있습니다.

그림 9는 드라이브 출력의 전압을 보여 주며, 이는 커패시터의 상태가 양호한 드라이브의 경우입니다.

사례 3

세 번째 사례는 EMA에서 수리를 위해 접수되었습니다. 출력 파형은 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)가 켜지지 않는 것을 보여줍니다. 이로 인해 전류의 불균형과 파형 왜곡이 모두 발생합니다.

결론

결론적으로, DMM, 오실로스코프 및 전력 품질 계측기는 PWM 모터 드라이브에 우수한 문제 해결 기능을 제공합니다. 그러나 데이터 수집 및 보고 제한으로 인해 전기 모터 테스트 신뢰성 프로그램에 잘 통합되지 않습니다. 또한 일반적인 모터 및 부하 관련 문제에 대한 정보는 거의 제공하지 않습니다.

전기적 서명 분석을 통해 신뢰성 기술자는 들어오는 전력부터 구동 부하까지 전체 모터 시스템을 볼 수 있습니다. PWM 애플리케이션을 사용하면 전압과 전류를 연결한 후 데이터 수집에 4분도 채 걸리지 않습니다. 이 4분 테스트 프로세스에서 전체 8가지 분석을 통해 드라이브 또는 모터 고장으로 인해 모터 시스템이 고장 나기 전에 정류기 다이오드 고장, DC 버스 커패시터 불량, IGBT 고장 등의 문제를 신속하게 파악할 수 있습니다.

세 가지 경우 모두 부하 및 기타 작동 요인에 따라 모터가 계속 작동할 수 있지만 시스템이 계속 작동할 수 있는 확실성은 손상된다는 점에 유의해야 합니다. 모터 또는 PWM 드라이브에 추가 손상이 발생하기 전에 이러한 결함을 조기에 식별할 수 있는 ESA의 기능은 값비싼 가동 중단 시간을 최소화하고 장비 신뢰성을 높이며 장비의 치명적인 손상이나 인명 부상을 방지하는 데 도움이 됩니다.

저자 정보

리차드 스콧은 전국 영업 관리자로, 돈 하파푸로(CMRP)는 ALL-TEST Pro, LLC의 주요 계정 관리자로 일하고 있습니다. ALL-TEST Pro는 전기 모터, 발전기, 변압기, 코일 및 권선의 예측 유지 보수 테스트, 품질 관리 및 문제 해결에 사용되는 모터 회로 분석(MCA), 전기적 특성 분석(ESA) 및 전력 품질 분석(PQ)을 위한 휴대용 테스트 장비 제조업체입니다. ALLTEST PRO® MCA 계측기는 권선 결함, 위상 불균형, 로터 결함 및 접지 결함을 포함한 전기적 결함을 조기에 감지합니다. ALL-TEST PRO® ESA 및 PQ 계측기는 입력 전원인 전기 모터부터 구동 부하(전기 및 기계 모두)까지 자동 분석을 제공합니다. 계측기는 배터리로 작동하는 휴대용으로 사용이 간편하며 원격 위치에서도 거의 모든 크기와 유형의 전기 모터, 발전기 또는 변압기를 테스트할 수 있습니다. 웹사이트는 www.alltestpro.com.

딘 윌리엄스는 EMA, Inc의 기술 서비스 담당 부사장으로 뉴욕주 코틀랜드 서비스 센터에서 근무하고 있습니다. EMA는 모터 드라이브를 판매 및 서비스하고 모터 드라이브의 올바른 문제 해결을 위한 교육도 제공합니다. 웹사이트는 www.emainc.net.

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