6. 유도 전동기 로터 바 균열

Detection of Multiple Cracked Rotor Bars within an Induction Motor

 

특히 주요 전동기를 평가할 경우, 내재하는 문제점들을 진단하고 또 이 문제점의 심각성을 평가하여 (전동기뿐만 아니라 구동장치도 포함) 이들 결과를 이용하는 전동기 전류 및 진동신호 기술을 조합하는 것은 좋은 착상이다. 발전소의 대형 유인 통풍기에서 이런 특별한 경우가 있었다. 쌓인 Soot를 불어내기 위해서는 통풍기의 속도가 주기적으로 변화되었다. 승속시에 전동기 내부로부터 심하게 우는 소리가 있음이 보고되었고, 발전소 예지 정비 팀원의 측정에 의하면 61,440 cpm(1024 ㎐)에서의 진동치가 4g를 초과하는 것으로 나타났다. 과거 이 설비는 경보가 발생하여 몇 번 정지된바 있으며, 이로 인해 꽤 금전적인 대가를 치렀다. 구동기는 명판상 885 rpm, 467Amps, 460Volts, 60 ㎐로 기재되어 있는, 400마력 가변속 전동기였다.

이 전동기에는 70개의 로터 바가 있다고 알려져 있으며, SKF 6222 볼 베어링이 장착되어 있었다. 그림 12-20에 전동기(측정위치 1,2) 및 Fan(측정위치 3,4)의 진동 측정 위치가 표시되어 있다. 그림에서와 같이 수평, 수직 그리고 축방향에 대해 진동 측정을 실시하였다. 이 유니트에 대해서 철저한 진동 및 위상분석을 실시하였으며, 측정결과는 4채널 Tape Recorder에 기록하였다. 협대역 실시간 분석기를 사용하여, 진동 및 전류 신호 분석을 실시하였다. 진동 측정시 속도 및 가속도 값도 기록되었으며, 고유주파수, 충격, 승속 및 감속시의 평가 등을 포함하는 몇 번의 시험을 수행하였다.

그림 12-20 유인통풍기의 진동측정 위치도

진동분석용 전기적 문제점을 찾아내는 각각의 중요한 신호 패턴을 표 12-2에 요약하였다. 이 신호 패턴을 전류 신호 분석 패턴과 비교해 보면, 유사점과 틀린 점이 약간씩 있다. 예를 들면, 로터 바 문제점의 경우, 진동 분석에서는 극 통과 주파수가 특히 1×RPM 부근에 나타나는가를, 반면에 전동기 전류 분석에서는 전력계통 주파수 주변에 동일한 극 통과 주파수가 집중되는가를 찾는다. 또한 주요 주파수에 대한 측대파의 상대적인 크기가 중요하다 (이 신호에 대해 이와 같은 관점으로 보는 것은 전류 분석의 경우에서는 더 중요하다).

약간 틀린 점은 가변 공극 문제가 있는 곳에 있다. 진동을 분석하는 경우 사람들은 2× 전력계통 주파수 영역 특히 여기서의 높은 진폭과 그 주변에 극 통과 주파수가 있느냐 없느냐를 찾아본다. 하지만 진동 측정에서는 로터바 통과 주파수(로터 바×RPM)로 알려진 Rotor Slot 주파수 영역에서 보다 높은 주파수를 찾아보아야 한다. 이 값은 여전히 일반적인 fAG의 값 이내이고, 두 경우에 있어서, 사람들은 주요 주파수(fAG 혹은 RBPF) 주위에 2× 전력계통 주파수 측대파를 주로 찾아보고 있다.

예제로 돌아가서, 진동이나 전류 신호분석 어느 쪽에서도 로터와 고정자 사이의 공극과 관련있는 문제점을 발견하지 못했다. 하지만 이 두 분석을 통해 로터 바의 문제점을 발견하였다.

 

표 12-2 전력계통의 전류와 좌측 극 통과 주파수에서의 측대파 진폭을 비교할 때
로터 상태 평가용 전동기 전류분석 가혹정도표

① 최소 유도전동기 부하 = 80%

② fL = 전력계통 주파수의 크기 (dB 혹 Amps)

③ fSB = 전력계통 주파수 왼편 첫 번째 극 통과 측대파의 크기(dB 혹 Amps)

④ 극 통과 주파수 = 극수 × 슬립 주파수 (㎐ 혹은 cpm)

⑤ 슬립 주파수 = 2배 전력계통 주파수/극수 - 전동기 회전수

 

그림 12-21은 0에서 30,000 cpm(500 ㎐)까지의 광대역 스펙트럼으로, 무수한 전동기 회전속도의 조화 주파수가 스펙트럼 전반에 걸쳐 나타나 있다. 1×와 3×RPM 사이인 낮은 조화주파수 근방, 7×와 12×RPM 사이인 중간 조화주파수 및 22×와 26×RPM 사이인 높은 조화주파수 부근에서 일련의 “화상확대 스펙트럼”을 수집하였다. 그림 12-21은 화상 확대한 스펙트럼중 하나로 22×와 25×RPM 사이를 집중하여 나타낸 것이다. 이와 같은 높은 조화 주파수에서도, 이들 각각은 약 60 cpm (실제는 60.9 cpm = 1.009 ㎐) 간격으로 일련의 극 통과 주파수 측대파가 둘러싸고 있었다. 그러므로, 스펙트럼에서 많은 극 통과 주파수(P) 측대파를 가지고 있어, 명확한 로터 바 문제점이 있음을 나타내었다.

그림 12-21 전동기 운전속도 조화파가 많이 있는 스펙트럼

그림 12-22 외측 전동기 베어링(위치:1H)에서 1×RPM과 극 통과 주파수의 측대파

그림 12-23 외측 전동기 베어링 (위치:1H)에서 23×RPM과 극 통과 주파수의 측대파

그림 12-24 높은 차수 조화파에서 일련의 극 통과 주파수는 로터 바의 문제점을 의미

다음, 통풍기를 구동하는 전동기(3상) 각 상에서 몇 개의 전류 스펙트럼을 수집하였다. 그림 12-25는 그 중 하나이며, 전력계통 주파수 fL은 51.023 ㎐에 있고 극 통과 주파수 측대파 fSB는 49.924 ㎐에 있음에 유의하라. 또한 Log 진폭 스케일로 표시한 계통주파수 전류의 크기는 1.89 EU(Engineering Unit)인데 이와 비교하여 극 통과 주파수 측대파는 0.051 EU임에 유의할 필요가 있다 (시간이 촉박하여, 전류를 0 dB 정격에 교정하지 못하였다). 그림 12-25는 dB 계산을 어떻게 하는 가를 나타내는 것으로, 그림에 있는 식에 값들을 대입한다. 계산결과 fL/fSB의 비가 단지 31.4 dB (즉 fL이 fSB보다 단지 31.4 dB 높았다) 이었다. 표 12-2에서 보면, 이와 같은 경우 이 전동기는 “Rotor Bar와 End Ring에서 다수의 크랙 혹은 손상”이 있음을 의미한다.

그림 12-25 전동기 각상에서 취한 전류 스펙트럼

분석을 진행하고 있는 동안, 이 구역 관리자는 자기가 “이상한 소음“을 들은 적이 있는 #4 전동기에 대해서도 긴급히 동일한 분석을 해줄 수 있느냐고 물어 왔다. 이에 따라, 유사한 전류 스펙트럼 분석을 실시하였으며, 그림 12-26에 그 결과가 나타나 있다. 이 전동기의 경우, fL/fSB의 비가 33.7 dB (전동기 #2의 것보다 약간 좋음)로 나타났지만, 전력계통 주파수 좌․우측에 보이는 극 통과 주파수 측대파의 2차 군이 있는 것으로 보아 #2 전동기보다 더 상태가 나쁜 것으로 느껴졌다. 떠나기 전에 이 공장내의 다른 두 전동기에 대해서도 유사한 시험을 실시하였으며, 그 결과는 매우 만족스러웠다.

그림 12-26 #4 전동기의 전류 스펙트럼

TA사는 즉시 두 전동기에 대해 점검 및 분해 정비를 건의하였고, 나중에 사용자와 함께 실시한 재점검중에 전동기를 분해하자 말자, 두 전동기가 모두 “거의 폐기 상태”임을 알게 되었다. 이 두 경우, 여러 개의 로터 바가 부러졌거나 균열되었고 단락환에 심한 손상이 있었던 경우였다. #4 전동기도 로터 권선에 심한 손상이 있었고 고정자와 접촉한 흔적이 있었다.

 

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