모터 전류 시그니처 분석(MCSA) 애플리케이션

모터 진단 기술은 1990년대를 거쳐 새로운 세기에 들어서면서 훨씬 더 널리 보급되었습니다. 이 기술에는 통전 및 비통전 전기 모터 시스템에 적용되는 모터 회로 분석(MCA) 및 모터 전류 시그니처 분석(MCSA)이 모두 포함됩니다. 응용 프로그램은 거의 끝이 없는 것 같습니다.

이 문서에 포함된 시스템은 ALLTEST IV PRO 2000 모터 회로 분석기, ALL-TEST PRO OL 모터 전류 신호 분석기, EMCAT 모터 관리 소프트웨어, Power System Manager 소프트웨어 및 ATPOL MCSA 소프트웨어입니다. ALL-TEST PRO MD 키트에는 미국 에너지부의 MotorMaster Plus 소프트웨어 외에도 이러한 모든 시스템의 통합이 포함되어 있습니다. 이 백서의 목적은 다음을 유지하는 ALL-TEST PRO MD 시스템의 MCSA 적용을 강조하는 것입니다.

• 저항, 임피던스, 인덕턴스, 위상각, 전류/주파수 응답 및 접지 절연(MegOhm) 테스트의 MCA 판독값.
• 5kHz까지의 FFT 분석을 포함한 전압 및 전류 복조의 MCSA 기능.
• 소프트웨어를 통한 MCA 및 MCSA 모두에 대한 자동화된 분석 및 추세 기능.
• 즉각적인 3상 이벤트 캡처를 포함한 전체 전력 품질 데이터 로깅 및 분석.

이 백서에서 찾은 예에는 모터 진단 기술의 구현을 통해 사용할 수 있는 많은 잠재적 응용 프로그램이 포함됩니다.

 

로터 바 테스트

MCSA 기술의 원래 개발 이면에 있는 기본적인 목적은 로터 바 결함을 감지하는 것이었습니다. 로터 바는 진동 분석을 포함한 기존 테스트 방법을 사용하여 평가하기 어렵습니다. 로터 바의 상태를 평가하기 위해 전류를 사용하는 방법을 사용할 수 있다고 판단되었습니다. 기본 규칙은 간단합니다. 모터에 부하가 걸려 있을 때 기본 라인 주파수 주변의 극 통과 주파수 측파대는 회전자에 문제가 있음을 나타냅니다. 측파대 피크가 라인 주파수 피크의 35dB 이내로 접근할 때 로터 바 문제가 심각하다고 표준 규칙이 결정되었습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 1: 로터 바 주파수

그림 1의 예는 피크 라인 주파수에서 약 -40dB의 측파대를 보여줍니다. 이는 컴프레서의 이 500HP, 4160V 모터에서 적어도 하나의 파손된 로터 바를 나타냅니다.

그림 2는 가능한 두 가지 중 하나의 예입니다.
시나리오:

• 알루미늄 로터에서 보이드 주조.
• 기어드 애플리케이션의 부드러운 치아(또는 치아).

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 2: 보이드 또는 ‘소프트’ 기어 톱니 캐스팅

더 높은 주파수 복조 전압 및 전류 FFT를 사용하면 동적 및 정적 편심, 느슨한 로터 바 및 기타 로터 관련 결함과 같은 문제를 감지할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 3: 무부하 시 로터 마찰

그림 3의 데이터는 무부하 상태에서 건조 테스트를 거친 7.5마력, 1800RPM, 수중 펌프와 관련이 있습니다. 로터는 고정자 코어에 약간 마찰하고 있었는데, 이는 그림과 같이 여러 전류 피크가 있는 정적 및 동적 편심으로 식별되었습니다.

유도 전동기 테스트

복조된 전압과 전류의 조합을 사용하여 단상 및 3상 모터를 평가할 수 있습니다. 하나의 특정 규칙 및 강도
전압과 전류의 조합은 피크가 전압과 전류에 표시되면 결함은 본질적으로 전기적이며 피크가 전류에 표시되지만 전압이 표시되지 않으면 본질적으로 기계적인 문제입니다. MCSA로 시스템을 평가하는 또 다른 이점은 전원 공급 장치 및 부하 관련 오류를 감지할 수 있다는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 4: 고정자 기계적 결함

그림 4에서 알 수 있듯이 피크는 전류에서 식별되지만 전압 FFT에는 표시되지 않습니다. 이는 기계적 결함이 있음을 나타냅니다. 작동 속도 및 고정자 슬롯 수와 관련되므로 권선과 관련된 기계적 결함입니다. 몇 가지 다른 전류 전용 피크가 존재하여 부하 관련 오류를 나타냅니다. 이 경우 기어박스 문제일 가능성이 높습니다(이는 그림 2와 관련된 고주파수 데이터임).

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 5: 기계적 불균형

그림 5에 표시된 모터에는 기계적 불균형이 있습니다. 시그니처는 2배의 라인 주파수(LF), 4배의 라인 주파수, 2배의 라인 주파수 패턴으로 나타납니다. 이 경우 로터 막대는 LF 측파대로 실행 속도를 곱한 다음 나머지 패턴이 나타납니다.

DC 모터 테스트

DC 모터는 진동과 유사한 방식으로 평가됩니다. 사실, 시그니처는 진동에서 MCSA와 동일합니다. DC 전압과 전류는 전기자 회로에서 가져옵니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 6: DC 드라이브 결함

그림 6의 경우 라인 주파수의 다중 고조파와 전력 전자 장치(SCR) 수 x 라인 주파수(이 경우 360Hz)의 다중 고조파는 SCR 오류 또는 느슨한 연결을 나타냅니다. 이는 저주파 데이터에서 전압 및 주파수 리플을 보면 확인할 수 있습니다.

동기 교류 발전기 테스트

동기식 교류 발전기는 전압 및 전류 복조 전류를 사용하여 빠르고 간단하게 평가할 수도 있습니다. 다음 예의 경우 교류 발전기가 고온에서 트립되었습니다. MCA와 MCSA 모두 시스템을 평가하는 데 사용되었습니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 7: 동기 교류 발전기의 MCSA 데이터(저주파수)

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 8: 발전기 동적 편심

 

테스트 중인 교류 발전기는 40분의 테스트 실행 동안 편심 증가, 회전 필드 오류 및 일부 전기 오류 신호를 보여주었습니다. 이 정보는 짧은 부분 부하 실행 동안 권선 단락, 케이블 단락 및 절연 저항의 현저한 저하를 나타내는 MCA 데이터와 결합되었습니다. 교류 발전기는 위상당 3개의 병렬 케이블이 필요한 475kW, 480Vac 교류 발전기였습니다. 더 큰 케이블을 위한 ATPOL 시스템에는 다양한 옵션이 있습니다. 단, 핀치로 각 상의 3개 케이블 중 1개를 사용했기 때문에 전류값은 대략 1/3이었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 9: 교류 발전기의 전류 연결

가변 주파수 드라이브

가변 주파수 드라이브는 여러 MCSA 시스템에서 해결해야 할 과제였습니다. 그러나 ATPOL의 경우에는 이것이 문제가 되지 않습니다. 출력 전압 및 전류 신호를 볼 수 있습니다(그림 10).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 10: VFD 전압 및 전류 파형(0.05초 캡처)

 

 

 

 

 

 

 

그림 11: VFD 저주파 데이터

저주파인 그림 11에서(< 그림 10과 같은 시스템에 대한 120Hz) 데이터는 드라이브의 출력 라인 주파수가 43Hz이고 3600RPM 모터의 작동 속도가 2570RPM임을 보여줍니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 12: VFD 고주파수 데이터

그림 12에서 알 수 있듯이 강한 전압 및 전류 피크는 모터 시스템 관련 결함을 나타냅니다. 추가 노이즈 중 일부는 VFD에서 나오는 전압 및 전류 파형으로 인해 발생합니다. 그러나 소프트웨어는 파형 내의 다른 결함과 관련된 커서를 자동으로 배치합니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 13: 피크 값의 특별 분석

그림 13은 동일한 데이터를 보여주지만 피크 전압과 전류를 보여줍니다. 더 높은 주파수 전류는 더 낮은 파형에 표시되는 전압 고조파와 관련된 문제를 나타냅니다. 결합된 모든 데이터는 들어오는 전압 관련 문제를 보여줍니다. 46Hz에서 테스트했을 때 문제는 더욱 심각해졌으며 45Hz 이상에서 만연하게 되는 공급 시스템의 잠재적 결함을 지적했습니다.

이 솔루션은 VFD 드라이브 출력에 적용된 필터링으로 완화됩니다.

모터 및 와전류 드라이브가 있는 펀치 프레스

구동 부하를 포함하여 전체 모터 시스템을 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 14: 펀치 프레스 로드 사이클

그림 14는 10초 동안의 현재 주기를 보여줍니다. 피크 A는 이 사이클에서 프레스 스트로크의 펀치(하단)와 관련된 세 개의 피크 중 하나이고 지점 C는 스트로크의 상단과 관련됩니다. 지점 B는 시스템이 스트로크의 피크에 접근함에 따라 문지르거나 잡는 문제 유형을 식별합니다. 세 개의 하단 스트로크는 작업이 분당 18회 발생하고 있음을 식별하는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 15: 모터 관련 라인 주파수 측파대

그림 15는 높은 ‘노이즈 플로어’와 피크 LF 주파수 주변의 많은 측파대를 나타냅니다. 이는 고주파 데이터와 함께 부하 방향을 가리키는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

그림 16: 와전류 클러치 고주파수 데이터

그림 16은 정류기(SCR 6개)의 공급 DC 전압에 연결 및/또는 SCR 결함이 있음을 나타냅니다. 높은 봉우리
주파수 스펙트럼은 또한 와전류 드라이브 및 펀치 프레스 자체의 결함, 시스템의 느슨함을 식별합니다(관련 서명은 노이즈 플로어 상승을 나타냄).

MCSA 및 에너지 애플리케이션

ATPOL 시스템의 자동화된 보고 및 데이터 로깅 기능에는 미국 에너지부의 MotorMaster Plus 소프트웨어와 함께 작동하는 기능도 포함됩니다.

모터 진단 정보가 분석에 포함될 수 있도록 ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors 및 Pruftechnik이 MotorMaster Plus에 추가 기능을 포함하기 위해 자금을 지원했습니다. MCA와 MCSA를 모두 사용하면 사용자가 전기 모터의 상태를 평가한 다음 확인 가능한 투자 수익으로 에너지 관련 수리 또는 교체 결정을 내릴 수 있습니다.

예를 들어, MCSA로 테스트한 40마력, 1800RPM 모터는 일부 기계적 및 전기적 결함을 확인했습니다. 이 데이터는 MotorMaster Plus 보고서에 통합되었으며 작동 주파수는 90% 부하에서 91.5% 효율로 결정되었습니다. $0.07/kWh의 에너지 비용과 $14/kW 수요를 가정하고 연간 2000(1교대) 작동하는 교체 프리미엄 효율적인 전기 모터는 0.9년의 단순 회수 기간과 투자 세금 환급 후 866%로 확인되었습니다.

미국 에너지부의 펌프 시스템 평가 도구(PSAT), AirMaster 및 기타 도구에서도 데이터를 활용할 수 있습니다.

모터 진단 전원 – ALL-TEST PRO MD 시스템

EMCAT 모터 관리 소프트웨어 시스템을 통해 통합된 ALL-TEST PRO MD 키트에서 사용할 수 있는 MCA 및 MCSA의 결합된 성능은 다음을 허용합니다.
사용자가 다음을 수행합니다.

• MCA 및 MCSA 데이터의 자동 분석.
• Power System Manager 및 MotorMaster Plus 소프트웨어 시스템을 통한 회수 계산.
• 전기 기계 시운전
• 전기 기계 문제 해결
• 전기 기계의 동향
• 전기 기계의 근본 원인 분석
• 전기 및 기계 상태에 대한 전체 시스템 보기
• AC/DC 시스템 평가, ‘소프트 커플링’ 시스템(예: 와전류 드라이브)을 통한 부하
• 에너지 연구 및 조사.
• 진동, 적외선 등과 같은 기타 진단 기술을 지원합니다.

모두 간단한 모터 진단 시스템을 통해 이루어집니다. 데이터는 휴대용 데이터 수집기를 사용하거나 컴퓨터나 랩탑을 통한 ‘원격 작동’ 기능을 통해 수집할 수 있습니다(시스템은 컴퓨터 화면에서 원격으로 작동할 수 있음).

결론

이 ALL-TEST Pro 백서의 목적은 ALL-TEST PRO MD 모터 진단 시스템의 MCSA 기능을 제시하는 것이었습니다.
입증된 기능은 유도 전동기의 단순한 분석을 훨씬 뛰어넘으며 다음을 포함합니다.

• AC 모터 및 교류 발전기
• DC 모터 및 발전기
• 단상 및 삼상 시스템
• 와전류 드라이브
• 가변 주파수 드라이브
• 들어오는 전력 품질
• 구동 하중
• 훨씬 더

기능은 이 백서에 언급된 것보다 훨씬 뛰어납니다.

전력 품질, MCA, MCSA 및 부하 관련 오류 감지를 사용하여 기회를 식별하는 추가 문서가 제공됩니다.