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8.2 진동분석을 통한 직류전동기와 제어계통의 문제점 검출

DC Motor and Control Problems Detectable Using Vibration Analysis

 

그림 11-75에 진동신호의 분석을 통해 알 수 있는 몇 가지 간단한 직류 전동기와 그 제어 계통에서의 문제점을 나타내었다. SCR로 제어되는 직류 전동기의 진동은 SCR 회로 그 자체의 문제점에 극히 민감하다는 것을 아는 것이 직류 전동기 문제점 진단에서는 무엇보다도 중요하다. 그러므로 이 진단 설명 대부분을 전동기 운전에 영향을 끼치는 제어 계통 문제점에 대해 집중할 것이다. 다음에 계속될 진단 부분에서는 속도 스펙트럼 사용을 가정하였다. 하지만 만일 가속도와 같은 다른 변수가 어떻게 주파수에 따라 변화되는지를 고려한다면 이와 동일한 많은 진단 기술에 적용할 수 있을 것이다.

8.2.1 분명한 問題點이 없는 直流 電動機의 定常 振動 스펙트럼 (Normal Spectrum for a DC Motor with No Apparent Problems)

직류 전동기나 그 제어 계통에서의 문제점을 감지하기 위한 첫 번째 단계는 문제점이 없는 전동기의 정상 상태에서의 진동 스펙트럼을 먼저 알아야 한다. 전원 장치가 SCR 시스템으로 되어있는 직류 전동기의 경우 그림 11-75A에 나타난 진동 스펙트럼처럼 SCR 주파수 크기가 0.05 in/sec peak 정도의 크기를 가지고 있다면 정상 상태로 간주된다. 이 주파수에서 "경보 1" 정도의 크기는 0.1 in/sec peak로 설정할 수 있을 것이다(25 HP 용량에서부터 800 HP까지의 직류 전동기를 일괄하여 통계한 분석을 근거로 함). 물론 베어링 종류와 전동기의 운전속도가 이 경보치에 영향을 미칠 수 있기 때문에 특정 설비에서의 가장 적절한 경보치는 이 SCR 주파수에서의 평균 경보값 (X)과 표준편차(σ)를 계산한 다음에 계산할 수 있다. 대개 약 X+3σ(3배의 표준편차+평균치)을 "경보 1"의 값으로 설정하고 "경보 2"의 값으로는 "경보 1"의 값보다 약50% 높게 설정한다. 물론 직류 전동기를 유사한 용량, 부하, 회전 속도, 설치 방법 등으로 분류해 "가족"을 만들어 그룹화 시키는 것이 필요하다. 그래도 매우 높거나 낮은 값은 표준편차에서 제외시켜야 하며 만일 제외시키지 않으면 계산시 중대한 에러가 포함되어 모든 경보값에 대한 경보치 계산에서뿐만 아니라 경보 1(Warning)의 값을 명기할 때와 그리고 경보 2(Fault)에서 Narrowband Envelope 경보값 설정에서도 설정값이 잘못될 수 있다.

물론 SCR 주파수의 이상적인 크기를 정확히 결정할 수는 없다. 6개의 SCR을 사용한 전파 정류회로의 경우 SCR 주파수는 전력계통 주파수(FL)의 6배이거나 혹은 6×3600 cpm(60 ㎐) = 21,600 cpm(360 ㎐)이며 여기서 = 3600 cpm 혹은 60 ㎐이다. 3개의 SCR을 사용한 반파 정류회로의 경우 SCR 주파수는 3배의 , 또는 3×3600 cpm (60 ㎐) = 10,800 cpm(180 ㎐)과 같다. 그림 11-76에 전파 정류회로(6개의 SCR) 전원 장치가 되어 있는 직류 전동기의 전형적인 정상상태 진동 스펙트럼이 나타나 있으며 21,600 cpm에서의 SCR 점호 주파수 크기가 0.08 in/sec임에 주목하라(도표의 오른쪽에 있음). 2배의 SCR 주파수(3개의 SCR의 경우 21,600 cpm, 6개의 SCR의 경우 43,200 cpm)에서도 어떤 크기가 나타날 것이지만 매우 작을 것이다(대부분 0.01~0.02 in/sec 보다 작을 것임). 이 2×SCR 주파수에서 진동 스펙트럼의 최대값이 때로 발생한다면 이는 문제가 있다는 것을 나타내는 것이다. 1× 및 2×RPM에서의 진폭은 전동기 적용(구동기계)에 따라 다르지만 진동 크기가 정상인 기계적인 원인에 의한 것이며, SCR이나 직류 전동기 쪽의 문제는 아니나 전기자 도체를 코일로 사용한 경우 질량불평형에 의한 코일 Head 부위의 변형에 의해 발생할 수도 있다.

 

고장원인

그 림

비 고

A. 정상

스펙트럼

 

 

 

 

 

 

대부분의 직류전동기와 그 제어계통에서의 문제점은 진동 분석을 통해 알 수 있다. 전파 정류 방식으로 제어(6개의 SCR 사용)되는 전동기에서는 6배의 전력계통 주파수(6FL=360㎐=21600 cpm)에서 진동 신호가 나타나며, 반면 반파 정류 방식으로 제어(3개의 SCR사용)되는 전동기에서는 3배의 전력계통 주파수(3FL= 180 ㎐=10800 cpm)를 발생시킨다. 대개 SCR 점호주파수는 직류 전동기의 진동 스펙트럼상에 나타나지만 크기는 작다. FL의 배수주파수에서 다른 Peak치는 나타나지 않음에 주목하라

B. 전기자 권선

의 단선 혹은

접지 또는 시

스템 조정 불

 

 

직류전동기의 진동 스펙트럼상에서 1배 혹은 2배의 SCR 주파수에서 진동수치가 높으면 이는 전기자 권선의 단선이나 혹은 제어 계통 조정이 불량한 경우이다. 제어 계통의 문제점이 더 심각한 경우에는 단지 제어 계통의 조정만 적절히 잘하면 상기 주파수에서의 진동치를 낮출 수 있다. 일반적으로 이 주파수에서의 진동치는 1배 SCR 주파수에서 약 0.1 in/sec, 2배 SCR 주파수에서 0.04 in/sec보다 클 것이다.

C. 점호카드 불

량 혹은 휴

즈 소손

 

 

 

 

점호카드 하나가 불량하면 전동기 출력의 1/3을 낼 수 없어 순간적인 속도변동을 계속적으로 되풀이하게 된다. 이와 같이 되면 1/3혹은 2/3 SCR주파수(반파정류 제어방식인 경우에는 1/3×SCR 주파수=1×FL 전파정류 제어방식인 경우에는 2×FL)에서 진동치가 커지게 된다.

주의: Card/SCR 구성상태를 Troubleshooting하기 전에 알고 있어야 한다(SCR이 몇 개인지, 점호카드가 몇 개인지 등)

D. SCR 불량,

제어 카드 단

락, 접촉부 이

완 그리고 (혹

은) 휴즈 소손

 

 

SCR이 불량하거나, 제어카드가 단락 되었다든지 그리고(혹은) 접촉상태가 불량할 경우 전력계통 주파수 및 SCR 점호주파수의 여러 조화주파수에서 뚜렷한 진동치가 발생된다. 대개 6개의 SCR로 제어되는 직류전동기의 경우 1개의 SCR이 불량하면 FL 및(혹은) 5FL에서의 진동치가 커진다. 중요한 것은 진동 스펙트럼상에서 FL, 2FL, 4FL 주파수에서나 5FL 주파수에서도 진동치가 나타나지 말아야 한다는 것이다.

E. 비교 카드

불량

 

 

 

비교카드가 불량하면 rpm의 동요나 헌팅 등의 문제가 발생될 수 있다. 이는 자속의 일정치를 소멸 및 재발생하게 하며 그림의 측대파는 때론 거의 rpm동요(변화)수와 같다. 이를 감지하기 위해서는 고해상도의 FFT가 필요하다. 이런 측대파는 자속의 발생과 재발생에 의해 생길 수 있다.

F. 직류전동기

베어링을 통

해 전류가

흐른 경우

 

 

 

대부분 외륜결함 주파수(BPFO) 부근에 뭉쳐있는 일련의 여러 주파수를 통해 전기적인 유도로 인한 베어링 Fluting 발생여부를 알 수 있으며 이런 Fluting이 베어링의 내륜 및 외륜 두군데 다 있다해도 감지가 가능하다. 대개 중심이 약 100,000에서 150,000 cpm 부근 범위내에 이런 주파수들이 나타날 것이며 결함 여부를 알기 위해서는 직류전동기 베어링 OB 및 IB 양쪽을 측정한 1,600 Lines 해상도의 180 kcpm 스펙트럼이 필요하다.

 

그림 11-75 직류 전동기와 그 제어계통의 도해 진동 진단표

 

그림 11-76 허용되는 SCR 주파수 진폭을 가지는 정상적인 SCR 회로 스펙트럼

 

8.2.2 電機子 導體切損, 接地 問題 혹은 制御系統의 調整不良 (Broken Armature Windings, Grounding Problems or faulty System Tuning)

그림 11-75B 스펙트럼 형상은 전기자 도체가 끊어진 경우나 접지계통 문제, 혹은 제어 계통의 Tuning 불량 등에 의해 나타나는 전형적인 형상이다. 제어 계통의 Tuning 불량시 SCR 맥동율이 이상해져 정류된 파형에 약간의 상차가 발생한다(즉, 6개의 SCR을 사용한 전파 정류의 경우 상차가 60˚가 아닌 다른 각이 될 것이며 3개의 SCR을 사용한 반파 정류의 경우는 120˚가 아닌 다른 각이 될 것이다). 단지 SCR Gate 구동 회로 이득조정만으로도 제어 계통 Tuning 문제점을 대부분 해결할 수 있다. 1×SCR 주파수 크기가 0.1 in/sec보다 클 경우는 문제가 있는 경우이며, 0.15 in/sec를 넘을 경우는 대부분 조치가 필요한 심각한 경우이다. 0.1 in/sec나 0.15 in/sec의 수치는 단지 진동치가 이 만큼 넘었다는 것을 아는 가이드 수치 역할만 할뿐이다(경보치는 앞 항에서 이야기한 것과 같이 임의의 값을 설정하지 말고 만족스러운 값을 명기해야 한다). 실제 SCR 주파수 진동치 크기는 SCR 회로나 전동기 무게, 베어링 종류 등에 의해서 크게 변한다. 이런 기기에 대해 수긍할 만한 설정치를 결정하기 위해서는 그런 종류의 여러 기기에 대해 만족스러운 분석을 실시하여 얻는 것이 가장 좋을 것이다.

만일 SCR Gate 구동 회로의 이득을 조정해도 문제가 해결되지 않는다면 계자 권선의 단선이나 회로 접지 계통의 문제점 등이 원인일 것이며 이런 경우에는 SCR 회로나 혹은 전동기 자체에 문제점이 있을 것이다. 가능한 모든 방법을 동원해서라도 어떤 것이 문제점인지를 찾아내어 적절치 못하고 쓸모 없는 정비를 하지 않도록 한다.

그림 11-77A와 11-77B는 3개의 SCR 및 6개의 SCR을 사용한 회로에서 시스템 튜닝에 문제점이 있을 경우 나타나는 각 진동 스펙트럼 형상이며 여기서 진동치의 크기가 0.1 in/sec를 넘는다는 것에 주목하라. 시스템을 튜닝해도 진동치가 0.1 in/sec이하로 눈에 띨 만큼 감소되지 않으면 다른 문제점이 있는 것으로서 전동기 권선 계통이나 접지 계통을 점검해 보는 것이 필요하다. 어떤 경우 SCR 회로 자체의 Filtering 장치가 취약해 원래부터 SCR 주파수에서의 진동치 크기가 매우 높을 수 있다.

그림 11-77A Tuning이 불량한 반파 정류원 직류 시스템의 FFT 스펙트럼

 

그림 11-77B Tuning이 불량한 전파 정류된 직류 시스템의 FFT 스펙트럼.

 

8.2.3 點狐 카드 불량 및 휴즈 斷線 (Faulty Firing Card or Blown Fuse)

SCR의 점호 카드가 나빠 점호가 되지 않거나 휴즈가 단락된 경우, 혹은 아크 발생이나 회로 접속 이완 등을 야기 시키는 부식된 표면을 통한 휴즈 Holder의 불완전한 접속 등일 경우 점호중 1/3 전력이 손실된다. 이렇게 되면 그림 11-75C에서와 같이 1/3 및 2/3 SCR 주파수에서의 최고 진동치 크기 변화와 전동기의 순간적인 속도 변동이 반복될 것이다.

이럴 경우 휴즈나 혹은 점호 카드를 교체하여 조치할 수 있다. 그림11-78A와 11-78B는 점호카드 접속부가 느슨해져 위와 같은 문제가 있었던 전파정류 설비의 직류 전동기 수리 전․후 진동 스펙트럼 형상이며, 여기서 SCR 점호율이 21,600 cpm임에 주목하라. 이 파형에서의 문제점은 점호 카드 동작이 양호하고 상태가 좋은 직류 전동기에서는 나타나지 않는 7,200 cpm(2FL) 및 14,400 cpm(4FL) 주파수에서 진동 피크값이 뚜렷이 나타난다는 것이다(2FL 주파수는 전파 정류 설비에서의 1/3 SCR 주파수와 일치하고 4FL 주파수는 2/3 SCR 주파수와 일치한다). 만일 이 설비가 3개의 SCR을 사용한 회로라면 1/3 SCR 주파수 및 2/3 SCR 주파수는 각 각 3600 cpm 및 7200 cpm이 될 것이다. 그림 11-78B에서 점호 카드 정비후에는 1/3 SCR 및 2/3 SCR 주파수에서의 진동값이 없어졌음에 주목해야 한다. 바꾸어 말하면 매 사이클마다 하나의 상에 점호를 하지 못하면 1/3 SCR 및 2/3 SCR 주파수에서 두 진동값이 과도하게 나타날 것이므로 직류 전동기 진동 스펙트럼 분석시 둘 중 어느 주파수에서의 진동값도 나타나지 않아야 한다.

그림 11-78A 점호카드 접속부가 풀린 6 SCR 회로의 FFT 스펙트럼

 

그림 11-78B 점호카드 접속부를 교체한후 6 SCR 회로의 FFT 스펙트럼

 

8.2.4 SCR 불량, 制御 카드 短絡, 接續部 弛緩 및 휴즈 斷線 (Faulty SCR, Shorted Card, Loose Connections and/or Blown fuse)

그림 11-75D의 경우는 SCR 불량이나 제어 카드 단락 그리고 휴즈 단선 등일 경우 특징적으로 나타나는 스펙트럼 형상으로 SCR 주파수와 전력계통 주파수와 그 조화 주파수(즉, FL , 2FL , 3FL , 4FL , 5FL)에서 Peak치가 나타난다는 것에 주목하라. 이런 FL의 배(수)주파수는 정상 크기 보다 큰, 하나 내지 2개 정도의 Peak값을 가지고 있다. 여기서 중요한 점은 직류 전동기 분석 스펙트럼에서 그 전동기가 SCR 3개 회로이든 6개 SCR 회로이든지 간에 FL, 2FL , 4FL 혹은 5FL 주파수에서의 Peak 값이 눈에 띌 정도의 크기는 되지 않아야 한다. 이 주파수에서의 정상 크기는 대략 0.005 in/sec 정도 될 것이며, 이 때 FL에서 5FL 범위내에서의 Alarm 1의 크기는 0.01 혹은 0.02 in/sec 정도면 된다(3FL은 단지 3개의 SCR을 사용한 반파 정류회로일 경우만 적용한다). 오실로스코프를 사용하면 SCR 계통의 다른 여러 문제점뿐만 아니라 위와 같은 문제점을 확인할 수 있다.

휴즈가 단선되지는 않았지만 마멸, 부식, 접촉 불량 혹은 휴즈 설비 소손 등의 원인으로 단지 휴즈가 순간적인 접촉 반복 상태로 유지되어 있었던 경우도 있었으며 그림 11-79A와 그림 11-79B의 스펙트럼 파형은 6개의 SCR을 사용한 직류 전동기에 있어서 휴즈 단선과 제어 카드 불량이라는 복합적 문제가 있었던 설비의 고장 전․후 파형이다. 정비하기 전 FL(3,600 cpm) 및 5FL (18,000 cpm)에서의 Peak 값이 각각 0.071 in/sec 및 0.073 in/sec이었다는 점에 특히 주목하라.

이 두 주파수가 그림 11-75D와 관련된 문제점들이 발생했을 때 가장 영향을 많이 받은 두 Peak 값일 것이다. 정비 후(그림 11-79B) FL부터 5FL까지의 모든 Peak 값이 감소되었음에 주목하라.

그림 11-79A 6 SCR로 제어되는 회로도에서 범용 합산 증폭 카드 단락 및 휴즈가 단선된 경우의 FFT스펙트럼

 

그림 11-79B 6 SCR로 제어되는 회로도에서 단락된 범용합산 증폭카드 및 단선된 휴즈를 교체한 후의 FFT 스펙트럼

 

8.2.5 比較回路 카드의 故障 (Faulty Comparitor Card)

비교회로 카드는 전동기에 장착된 타코메타와 정전압원과의 전압차를 연속적으로 감시하여 직류 전동기의 회전수를 제어하는 데 사용된다(그림 11-73에 예시). 비교회로 카드가 고장나면 속도제어 계통이 이상해져 속도가 동요되거나 헌팅할 것이다. 이렇게 되면 그림 11-75D와 같이 매우 근접한 측대파 Peak 값을 갖는 전형적인 SCR 주파수가 나타날 것이며 따라서 근접한 Peak 값을 구별하여 문제점을 찾기 위해서는 고해상도의 스펙트럼이 필요하다.

이 Peak값들은 rpm 동요수와 같지만 전자계의 발생 및 재발생에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 물론 1×RPM Peak값이나 SCR 점호 주파수를 실시간 관측해도 동요 상태를 알 수 있다. SCR 주파수 부근에 있는 이런 측대파 주파수를 나타내려면 상태를 감시하고자 하는 각 직류 전동기 베어링에 대한 3200 Line(해상도)의 FFT가 필요하다. 속도 감지기(타코메타) 근방에 자석을 두면 타코메타 자계의 혼란으로 인해 전동기에 심한 속도 변동이 초래되므로 유의하여야 한다.

그림 11-80A 및 11-80B는 3개의 SCR를 사용한 반파 정류회로에서 비교회로 카드가 고장난 경우의 수리 전․후 스펙트럼 형상이다. 그림 11-80A에서 SCR 주파수 부근에 있는 모든 37.5 cpm 주파수가 동일 주파수의 전동기 속도 동요가 있다는 것을 나타내고 있음을 알아야 한다. 이 값은 비교회로 카드를 교체하기전 이 전동기의 실제 속도 동요값과 거의 일치하고 있었다. SCR 주파수 근접 주위에 있는 모든 측대파 값이 비교회로 카드를 교체한 후에 없어졌음에 주목하라. 상태를 감시하고자 하는 각 직류 전동기에 대해 상기와 같은 문제점(특히 각 전동기 베어링의 수평 방향 진동 문제점)을 찾기 위해서는 최소한 최대 주파수 24,000 cpm(400 ㎐)범위까지 표시된 고해상도 (3200 Line) FFT 스펙트럼 파형이 있어야 한다. 그렇지 않고 일반적인 400이나 800 Line 해상도의 스펙트럼 파형으로 이런 비교회로 카드 문제점을 찾는다는 것은 거의 불가능하다.

그림 11-80A 3 SCR로 제어되는 회로도에서 비교카드가

불량한 경우의 FFT 스펙트럼

그림 11-80B 3 SCR로 제어되는 회로도에서 불량 비교카드를 교체한 후의 FFT 스펙트럼

 

8.2.6 直流 電動機 베어링에의 電流 흐름 (Electrical Current Passage Thru DC Motor Bearings)

전기적 원인에 의한 흠(즉, 베어링 내․외륜상의 파상 무늬 발생)은 특히 구름베어링이 설치되어 있는 직류 전동기의 고질적인 문제점으로, 이런 흠은 베어링을 통해 회전자 축과 대지간에 발생하고 있는 미세한 방전에 의해 발생된다. 이런 방전 현상의 3가지 가장 확실한 원인 가능성으로 고체 전하, 축전류에 의한 자계 유도, 축과 대지간의 정전 결합(용량성 결합) 등이다.

이것에 의해 결함이 발생되면 대개 그림 11-75F와 같이 중심 주파수가 100,000 cpm에서 150,000 cpm사이에 있고 외륜 결함 주파수 (BPFO)를 측대파로 갖는 파형이 연속으로 발생할 것이다. 장기간에 걸친 주기적인 진동 조사에 의하면 이것은 연속된 주파수이며, 높은 주파수 속도 스펙트럼 형상으로, 한 주파수에서 다음 주파수까지의 거리가 그 베어링의 외륜 결함 주파수(BPFO)와 같은 범위(영역) 내에서 갑자기 생길 것이다. 아직 베어링에서의 전기적 흠 발생이 확인되지 않은 상태에서 왜 100,000에서 150,000 cpm이내에 이런 주파수가 몰려 있는 것처럼 보이는 것일까? 그러나 내 외륜의 흠에 의한 이런 BPFO의 차 주파수가 베어링이나 주변 구조물의 고유 진동수를 여기 시킬지 모른다는 것이 사전 증거인 듯 하다. 전송 주파수 그 자체의 근원이 무엇이든지 간에 어떤 경우에서도 위와 같은 그런 BPFO의 차 주파수가 이런 고주파수 구역에서 발생되지 말아야 한다는 것이 중요하다. 그림 11-81은 직류 전동기 구름 베어링에 전식 현상이 발생하였음을 나타내는 2 종류의 스펙트럼 파형이다. 그림 11-81A는 속도 스펙트럼으로 여기에서 베어링 외륜(BPFO)의 차 주파수가 확실히 100,000~150,000 cpm 주파수 사이에 존재하고 있음을 알 수 있으며, 또한 낮은 스펙트럼 영역에서 1×BPFO, 2×BPFO, 3×BPFO 등등의 주파수 크기가 작다는 것을 알아야 한다. 그림 11-81B는 동일 베어링에서의 Spike Energy (g/SE) 스펙트럼 파형이며 여기에 분명히 BPFO 주파수가 존재하고 있음이 나타나 있다. 하지만 Spike Energy 스펙트럼 파형에 있는 BPFO 및 조화 주파수 파형이 계산상 존재가 예상되는 낮은 주파수 구역에 존재(이것은 Spike Energy 스펙트럼 파형의 특징으로 일부러 낮은 주파수원을 Filtering하고 높은 주파수원을 통과시키며 전송주파수도 Filtering하여 차 주파수가 표시되게 한다)하고 있음을 알 수 있다.

 

그림 11-81 베어링을 통해 흐른 전류로 말미암아 베어링 외륜에 흠이 생긴 직류 전동기의 외측베어링 부위에서 수집한 속도 및 Spike 에너지 스펙트럼 비교도

또 다시 이와 같은 심각하고 일반적인 전식에 의한 흠 문제가 상태감시 작업중 검출되면 본 직류 전동기의 내 외측 베어링에서 최소한 180,000 cpm(3000 ㎐) 정도의 고주파수 데이터를 수집해야 한다. 또한 이와 같은 주파수에서 베어링 측대파 주파수를 확인하기 위해서는 해상도가 800 FFT Line은 되어야 한다(전식 흠이 없는 전동기의 경우 이런 고주파 구역에서의 베어링 결함에 의한 측대파 주파수가 발생해서는 안된다는 것을 명심하라).

전기적으로 비도전성인 슬리브를 베어링과 베어링 하우징 사이에 설치하거나 혹은 축 접지 브러쉬 설치 등의 조치로 베어링을 절연시켜 이런 류의 베어링 손상을 방지하거나 손상 발생을 지연시킬 수 있다. 하지만 이런 조치는 접지 브러쉬가 실제 마멸되기 때문에 주의 깊은 감시가 필요하다(또한 비도전성 슬리브를 사용하는 것도 때론 일회용 조치로 간주된다).