2. 불균일한 공극에 의한 맥놀이

Beat Vibration due to Uneven Air Gap on a Motor

 

2.1 運轉 狀況 (Operating Status)

주급수 펌프를 구동하는 3000마력 유도전동기의 기계 개략도는 그림 15-1과 같다. 운전원의 보고에 의하면 고부하 운전시 전동기의 진동 진폭이 높고 전동기 인근에서 맥놀이를 들을 수 있다고 한다. 당신은 기계진동 전문가로서 전동기의 고장을 진단해야 한다. 피구동 펌프로부터 진동속도 자료의 이용이 가능하지만 분석 내용은 전동기에 집중해야 한다. 분석을 수행하기 전에 먼저 다음의 운전 및 정비에 관한 정보를 고려해야 한다. 주급수펌프 및 전동기의 진동은 고부하에서 높게 운전되고 있으며, 맥놀이는 지난 정비 이후 전동기로부터 발생되고 있으며, 지난 정비시 베어링과 오일 밀봉장치가 교체되었다.

그림 15-1 주급수펌프의 개략도 및 진동 변환기 설치 위치

 

2.2 電動機 諸元 (Motor Specifications)

형식 : 유도전동기

마력 : 3000 HP

속도 : 3600 rpm

전압 : 4000V

극수 : 2

 

2.3 振動 分析者의 診斷結果 (The Results Diagnosed by Analyst)

분석을 위한 3개의 데이터 베이스가 있다. 그림15-1에서와 같이 전동기와 펌프로부터 XY 변위 및 속도 변환기에서 자료를 얻기 위해 2개의 108 DAIU 장비가 사용되었다. 변위 변환기로부터는 전동기 베어링의 자료만 수집되었고 속도 변환기로부터는 4개의 베어링 모두에서 자료가 수집되었다. 이 사례에서 기계 오기능은 전동기 문제들만으로 구성되어 있다. 계자권선의 층간단락, 부적절하게 정렬된 전동기 베어링에 기인한 불균일한 공극, 편심 회전자 철심 등을 예상할 수 있다. 이러한 현상은 2× Slip 주파수에서 각기 1× 및 2× 맥놀이가 있고 전동기 부하 증가와 더불어 1× 진동 벡터가 크게 변화하는 것으로 보아 분명하였다.

 

2.4 診斷 結果의 細部內容 (Details of Diagnostic Results)

(1) 제공된 사례의 개요를 읽은 후 조사목적을 정의하고 나열한다.

∙ 전동기 운전상태를 측정하고 기록한다.

∙ 관찰한 비정상 진동특성의 원인을 규명한다.

∙ 고장원인을 고정하기 위한 조치를 추천한다.

(2) 이 사례에서 나타난 기계와 상황에 대해 알고 있는 바를 열거한다.

∙ 전동기는 고출력에서 진동이 높다.

∙ 기계 Train 배치는 그림 15-1과 같다.

∙ 변환기 설치 위치는 그림 15-1과 같다.

∙ 전동기에서 맥놀이가 일어난다.

(3) 데이터베이스를 조사하는 동안 관심 항목이나 문제들을 요약한다.

∙ #1, 2 베어링에서 Slow Roll이 크다. 153 rpm에서 변위 변환기(1XD, 1YD, 2YD) 채널의 Slow Roll 값이 2 mil을 초과한다.

∙ 전동기 전원이 차단될 때 과도한 2× 진동(1.8mil)이 현저하게 사라지는 것으로 나타난다.

∙ 전동기 양쪽 베어링의 1× 진동은 전동기 부하가 증가될 때 현저하게 변화한다.

∙ 부하운전 중 전동기의 1× 진동은 2배의 전동기 Slip 주파수와 같은 맥놀이 주파수로 변조된다.

∙ 또한 부하운전 중 전동기의 2× 진동은 2배의 전동기 Slip 주파수와 같은 맥놀이 주파수로 변조된다.

∙ 부하운전 중 2× 진동벡터는 진폭과 위상에서 사이클링 한다.

(4) 관찰한 기계 거동의 근본원인과 이러한 관찰을 확인하는 Plot Format들을 열거한다

∙ #1, 2베어링에서의 과도한 축 Glitch는 Proximity 변환기의 대향 축 표면이 더럽거나 스크레치에 기인하는 것 같다. 또한 #1 베어링에서 큰 2× Runout이 있는 것은 고유의 회전자 비대칭에 기인한 것 같다. 이것은 Orbit/Timebase Plot의 Slow Roll 상태에서 분명히 나타난다.

∙ 전동기 전원이 차단되었을 때 첫 번째와 두 번째 파형 샘플 사이에서 2× 진동 진폭이 어떻게 떨어지는가를 정지시의 Cascade Plot가 보여준다. 이것은 전기적 원인인 2× 진동이 있다는 것을 의미한다. 부하운전 중 스펙트럼 정보를 면밀히 검사해보면 2× 부근에, 하나는 2x의 축속도에, 또 하나는 2배의 전력 계통주파수에 실제로 2개의 진동 주파수 성분이 있는 것을 볼 수 있다. 이것이 2배의 Slip 주파수의 맥놀이 주파수에서 2× 진동의 맥놀이를 일으킨다. 2× 축속도 진동은 설계상 로터의 비대칭 결과이다. 비정상적으로 높은 것은 2배의 계통주파수 성분이다. 이것은 전형적으로 베어링과 고정자 Bore간 부적절한 축정렬(Parallel Offset)의 결과로 전동기의 불균일한 공극에 의해 일어난다.

∙ 1× 부근에서의 스펙트럼을 정밀 점검한 결과 부하운전중에 1× 진동은 상당히 낮은 진폭의 제2의 성분을 동반한 것으로 나타났다. 1× 성분과 제2의 성분을 분리하면 다시 2배의 Slip 주파수가 있다. 이것은 작은 크기의 로터 편심(진폭이 낮기 때문임)을 암시한다. 다시 말하면 로터의 회전중심은 기하학적 중심선과 일치하지 않는다는 말이다.

∙ 60 ㎿에서 93 ㎿까지의 부하변화 동안의 1× Bode Plot을 조사해 보면 양 베어링에서의 1× 벡터의 큰 변화가 있음을 알 수 있다. 1× 벡터의 변화는 다음 2가지 요인에서 온다. 첫째는 1× 구동력(불평형)의 변화이고 둘째는 시스템의 1× 동적 강성의 변화이다. 전동기 부하를 변화시킨 결과 상기 첫번째의 변화가 더 가능성이 높을 것 같다. 이것은 로터 Bar가 절단되거나 단락에 의해 크게 기인한다. 이것은 단락된 위치에서 국부가열의 원인이 되어 로터를 휘게 한다. 이 굽힘은 로터의 평형상태를 변화시켜 결과적으로 1× 구동력을 변화시킨다. 이 힘은 벡터량이기 때문에 1× 진동응답의 변화는 벡터변화이고 1× 진폭의 증가, 감소, 또는 같은 값으로 유지할 수 있다. 이러한 벡터 변화를 조사하는 최선의 방법은 Polar Plot Format를 사용하는 것이다.

(5) 지금은 이용할 수 없지만 당신의 가설을 확인 또는 부정하는 다른 정보들도 열거한다.

∙ Bar의 절단이나 단락의 증거를 찾기 위한 전동기의 물리적인 조사를 한다.

∙ 회전자와 고정자 사이의 변화하는 갭 폭을 알기 위한 갭 검사를 한다.

∙ 편심 철심을 검사하기 위한 회전자를 검사한다.

∙ 신호의 품질을 개선하기 위해 변환기 대향지역을 Polishing하거나 소자 시켜야 하는지를 결정하기 위한 변환기 대향지역을 조사한다.

(6) 문제를 교정하기 위한 권고사항

∙ 불균일한 공극을 제거하기 위한 전동기 베어링 축정렬을 시행한다.

∙ 단락되거나 절단된 회전자 Bar 및 손상된 적층 철심을 교체한다.

∙ 조사 동안 발견된 편심 철심을 교정한다.

∙ 변환기 대향지역의 Polishing과 소자를 실시한다.

 

2.5 調査에 使用된 Plot (Plots Used During the Investigation)

(1) APHT

그림 15-2 부하변화동안 (60→93 ㎿, 09:26→09:32) #1 베어링은 1× 진동의 현저한 변화를 보여준다

그림 15-3 부하변화동안 (60→93 ㎿, 09:26→`09:32) #2 베어링은 2× 진동의 현저한 변화를 보여준다

그림 15-4 부하 운전중 2× 진폭 및 위상이 넓게 변화하는 것을 보여준다

그림 15-5 부하운전중 상대적으로 작은 1× 진동을 보여주는 2XD APHT Plot 이다.

그림 15-6 부하운전중 줌 모드로 수집한 2YD APHT Plot. 2× 벡터의 주기적인
진동을 보여주는데 이 진동주파수는 2배의 전동기 Slip 주파수

(2) Waterfall

그림 15-7 2× 부근에 약 119㎐ 성분과 2배의 계통주파수 120㎐ 성분을 보여주는
Zoom Waterfall. 2배의 전력 계통주파수 성분의 존재는 맥놀이의 원인이 된다

(3) Cascade

그림 15-8 전원차단에 의한 전동기 정지시 1XD의 Cascade Plot.
원차단직후 2× 진동이 현저히 감소한 것을 보여준다

(4) Polar

그림 15-9 부하 1× 진동은 바나나 모양으로 변화하고 2× 진동은
변화하는 동안 공모양으로 주기적인 변화를 보여준다

(5) Orbit/Timebase

그림 15-10 Slow Roll운전시 #1,2(YD) 베어링은 과도한 Runout/Glitch를 나타낸다

 

2.6 診斷 專門家의 結論 要約 (Summary of Diagnostic Expert Engineer\s Conclusions)

∙ 과도한 스크레치 및 잔류 자기는 #2 베어링 변환기 대향지역에 있다. 이것은 Polishing 및 소자에 의해 수정되어야 한다.

∙ 전동기는 단락의 증거를 보여준다. 이것은 손상된 적층철심이나 절단된 Bar에 의해 기인된다. 이것은 수정되어야 한다.

∙ 전동기는 회전자와 고정자사이 불균일한 공극의 징조를 보인다. 이는 형편이 닿는 대로 빨리 전동기 베어링을 고정자 Bore에 재정렬시켜 수정해야 한다.

∙ 전동기 축의 회전중심과 기하학적인 중심선 사이에는 적은 양의 편심이 있다. 이것은 미미하므로 이로 인해 상태가 악화되면 수정하면 된다.

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