7.2 2X전력계통 주파수 문제

Why Many Electrical Problems Occur at 2×Line Frequency

 

많은 전기적인 문제는 전력계통 주파수(동기 주파수)의 2배 주파수에서 진동이 “정상보다 높은” 진폭을 나타낸다. 한국과 미국에서의 전력계통 주파수는 60 ㎐(3,600 cpm)이고 유럽과 다른 지역에서는 50 ㎐(3,000 cpm)이다. 그러므로 한국에서의 전기적인 문제에서 나타나는 중요한 주파수는 120 ㎐(7,200 cpm)이다.

그림 11-47은 많은 전기적인 문제에 왜 기본 전력계통 주파수 보다 오히려 전력계통 주파수의 두 배가 되는 주파수가 포함되는지를 설명하고 있다. 그림 11-47의 2극 전동기에서 3600 cpm의 고정자 회전자계가 1회전을 하는 동안, 편심 로터에서는 가장 가까운 극을 향하는 자력(Magnetic Pull)이 0에서 최대까지 2번 발생한다. 회전자계는 분당 3600 회전을 하기 때문에 자력은 분당 7,200번(7,200 cpm) 최대치에 도달하게 된다. 이것을 다른 방법으로 설명하면 로터의 가장 가까운 측이 처음 N극에 의해 끌리고 나서 또 S극에 의해 끌리기 때문에, 힘 자체는 편심에 비례해서 회전자계의 2× 주파수로 변화한다. 그러므로 로터가 고정자 내에서 편심(편심된 로터나 편심된 고정자 때문에)되었을 때는 항상 7,200 cpm의 진동이 발생한다. 이러한 현상은 2극이건 아니건 동일하게 발생한다. 만일 1800 cpm 주파수로 여자되는 4극 전동기가 있다면 4극의 각 극은 그림 11-47의 B와 같이 작은 공극을 통과할 때마다 맥동이 발생하여 1회전당 4번의 맥동이 발생한다. 즉 4극기에서는 동기 주파수가 1800 cpm이므로 동일하게 7200 cpm의 진동 주파수가 발생한다. 이는 동기 주파수 1200 cpm인 6극 전동기에서도 마찬가지로 전력계통 주파수의 2배인 7200 cpm의 진동 주파수가 발생한다.

그림 11-47 회전자와 고정자간의 불균일한 공극

 

다음에는 많은 전기적인 문제에 공통되는 몇 가지 항목에 대하여 정의한다.

(a) FL = 전력계통 주파수 (60 ㎐ = 3,600 cpm)

(b)

여기서 NS = Slip이 없는 동기속도(rpm)

(c) FS =NS ― rpm

여기서 FS = Slip Frequency (cpm)

(d) FP = (# Poles) × (Slip Frequency)

여기서 FP = Pole Pass Frequency

= 전기적인 문제점들의 존재를 나타내는 중요한 측대파 주파수

= 2극인 경우 2 FS, 정상적인 3,600 rpm 전동기

= 4극인 경우 4 FS, 정상적인 1,800 rpm 전동기

= 6극인 경우 6 Fs, 정상적인 1,200 rpm 전동기

(e) RBPF = # Bars × rpm

여기서 RBPF = Rotor Bar Pass Frequency

# Bars = Rotor Bar 수

(f) Air Gap = 전동기의 로터와 고정자 사이의 Gap

(g) Magnetic Center = 고정자와 로터 자계가 평형된 위치 및 로터가 당겨지는 위치

 

그림 11-48은 고정자 문제점을 나타내는 전형적인 스펙트럼이다. 2×전력계통 주파수 (2FL)에서 진동치(0.134 in/sec)가 2×RPM에서 진동치(0.046 in/sec) 보다 높음에 유의하라. 진동분석기와 자료 수집기(Data Collector)를 사용할 때 좋은 주파수 해상도를 가지려면 전동기의 운전속도 고조파 (2극 전동기의 경우는 2×RPM, 4극 전동기의 경우는 4×RPM…)로부터 2×전력계통 주파수를 분리해야 한다. 즉, 대부분의 선정된 주파수 범위에서 분석기는 2×RPM 및 2FL에서 각각의 주파수별로 진폭을 나타내지 않고 이른바 7,200 cpm의 1개 주파수만의 진폭을 나타낸다. 이 경우에 FFT Line 수를 증가시키거나, 또는 운전속도 고조파로부터 2FL을 분리하기 위하여 그림 11-48에서 보는 바와 같이 7,200 cpm 부근에서의 스펙트럼을 Zooming할 필요가 있다.

예를 들면 운전속도가 3,580.5 rpm인 2극 전동기를 나타낸 그림 11-48에서 400 FFT Line 및 최대주파수 60,000 cpm을 채용하면 7,200 cpm으로부터 2×운전속도 (7,161 cpm)를 분석해 낼 수 없다 (이 경우는 150 cpm 떨어진 주파수들만 분석할 수 있기 때문임). 이 경우 12,000 cpm부터 10배 Zoom을 사용하거나 (3 cpm 해상도를 줌), 또는 예를 들면 3,200 FFT Line (3.75 cpm의 해상도를 줌)을 사용하는 것이 좋다. 그러면 문제점이 기계적인 특성 (운전속도의 고조파)에 의한 것인지 전기적인 특성 (2×계통주파수)에 의한 것인지 평가할 수 있다.

그림 11-48 Stator 문제를 나타내는 Zoom Spectrum

 

어떤 전기적인 문제점을 알아내기 위하여 운전속도의 고조파 또는 기본 Pole Pass Frequency(FP) 주변을 Zooming할 필요가 있을 때 Zoom Spectrum을 작성하는 경우 선형 진폭보다는 Log 진폭을 사용하는 것이 좋다. 만일 Log 진폭을 사용하지 않으면 1×RPM, 계통주파수 또는 2×계통주파수들의 Peak 주변에서 Pole Pass Frequency Sideband들을 쉽게 놓칠 염려가 있다. 이는 진폭은 아주 낮지만 아직도 잠재적인 문제점을 나타낼 수 있기 때문이다.

 

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