Induction Motors
7.1 전기적인 문제의 개요 (Introduction to Electrical Problems)
7.2 왜 많은 전기적인 문제는 전력계통 주파수의 2배에서 발생하는가? (Why Many Electrical Problems Occur at 2×Line Frequency)
7.3 고정자 문제들 (Stator Problems)
7.4 로터의 편심과 가변 공극 (Eccentric Rotor and Variable Air Gap)
7.5 로터 문제들 (Rotor Problems)
7.6 로터의 부위 과열에 의한 열적인 휨 (Thermal Bow Induced by Uneven Localized Heating of a Rotor)
7.7 전기적 상 문제 (접속기 이완) [Electrical Phasing Problems (Loose Connectors)]
7.8 동기 전동기 (회전자 이완) [Synchronous Motors (Loose Coil)]
1-11-7-1 전기적 문제 개요
Introduction to Electrical Problems
진동분석을 통해 기계적인 문제뿐만 아니라 전기적인 문제를 발견할 수 있다는 것은 대단한 일이다. 그러나 유의할 사항은 전동기에서는 전자력(Electromagnetic Force)을 발생시키는 자속(Magnetic Flux)을 발생시키며, 이것들은 기계적인 힘과 함께 베어링에 의해 지지된다는 것이다. 이 힘은 베어링 하우징에 설치된 Force Transducer에 의해 직접 측정할 수 있으며 또한 가속도계, 속도 Pickup 혹은 비접촉식 변위계에 의해서도 간접적으로 측정할 수 있다. 가속도계는 질량으로 나눈(f/m) 힘의 비율(Quotient) 즉, 가속도(뉴턴의 법칙에 따라)를 측정한다. 다시 말하면 이들 힘 자체가 기계적으로 발생된 것인지, 전기적으로 발생된 것인지는 문제삼지 않는다는 것이다.
전기적인 문제점들이 어렴풋이 느껴지면 전기적인 상태를 검토하기 위한 진단시험은 전동기의 전출력 상태에서 행하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 특히 전자력은 고정자 전류의 제곱에 따라 변화하기 때문이다. 전동기 단독운전시 또는 회전기계와의 무부하 운전시는 문제의 증상을 나타내는 진동의 조짐이 잘 나타나지 않으나 기계가 부하가 걸렸을 때 특히 100% 부하 근방에서는 징조가 뚜렷하게 잘 나타난다. 물론 이것은 전자력이 전류의 제곱에 직접 비례하기 때문이다.
그림 11-45 및 11-46은 Rotor, Rotor Bar 및 단락환(Shorting Ring 또는 End Ring)을 부각시켜 유도 전동기의 고정자와 회전자를 나타낸 것이다. 진동분석을 이용하여 다음과 같은 전기적인 문제를 탐지할 수 있다.
• 고정자 편심, 단락권선 및 철심이완
• 편심 회전자(가변 공극)
• 동기 전동기에서의 문제들
• 직류 전동기에서의 문제들
• 토오크 Pulse의 문제들
• 회전자의 불균일한 국부가열에 의한 열적인 휨
• 이완 또는 깨진 접속기에 의한 전기적인 상 문제들
• 회전자의 문제점들(깨지거나 균열된 Rotor Bar 또는 단락환, Rotor 권선의 단락, Rotor Bar의 이완 등)
그림 11-45 고정자, 회전자, Rotor Bar 공극 및 자장을 나타낸 유도 전동기
그림 11-46 Rotor Bor 단락환 및 Rotor 권선을 나타낸 Rotor
1-11-7-2 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.
1-11-7-3 고정자 문제
Stator Problems
진동 진단 및 분석에 의하여 탐지가 가능한 고정자 고장은 다음과 같다.
• 고정자 편심(로터와 고정자 사이의 공극 차이를 발생시키는 고정자 편심)
• 층간 단락(국부 부식을 유발할 수 있는 층간 절연 문제)
• 고정 불량(고정자에서 고정불량이나 강도 부족)
이런 문제는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 상기의 모든 고정자 문제는 전력계통 주파수의 2배 주파수에서 높은 진동을 발생 시킨다. 그렇지만 그것들이 고정자 자체에 기인한 경우이므로 Pole Pass 주파수의 측대파를 발생시키지는 않으며 따라서 회전속도나 Slip 주파수에 의하여 변조되지 않는다. 그림 11-49와 11-50은 심각한 전기적인 문제를 나타낸 경우이다. 그림 11-49는 정기적으로 측정토록 계획된 예방정비(PMP) 과정에서 데이터 수집기로 측정된 스펙트럼이다. Band 3을 초과하는 120 ㎐에서 고진폭 5.84 ㎜/sec(0.23 in/sec)가 있음에 유의하라. 같은 날 이 문제를 좀더 명확히 하기 위하여 실시간 분석기로 측정하여 Zoom한 것이 그림 11-50이다. 이 스펙트럼에서 120 ㎐(2FL) 성분의 진동이 5.791 ㎜/sec(0.228 in/sec)이고, 2×RPM 성분은 고작 0.112 ㎜/sec(0.0044 in/sec)이었다. 전력계통 주파수 2배 부근에 어떤 Pole Pass 주파수의 측대파가 없는 것으로 보아 고정자 문제이다.
② 전동기를 새로 혹은 재설치한 경우 전력계통 주파수의 2배 주파수 성분 진동이 0.889 ㎜/sec를 초과하거나 고정자에 이상이 있는 사용중인 전동기의 진동이 2.54 ㎜/sec를 초과하는 경우 특별히 유의하여야 한다 (일반적으로 37.29～745.7 ㎾의 전동기에 적용한다). 이 진동 진폭은 120 ㎐(2FL)에 피크가 있다. 더욱이 이 전동기가 직접 정밀기계 공구 축을 구동하고 있으면 2FL 진동 진폭은 훨씬 낮아 0.381 ㎜/sec 정도가 되어야 한다 (이러한 진폭은 적어도 60～70% 이하의 부하로 운전되는 유도 전동기에 적용한다).
그림 11-49 FMAX = 50 rpm을 가지는 스펙트럼
그림 11-50 문제점을 보여주는 Zoom Spectrum
③ 고정자의 편심은 회전자와 고정자 사이에 불균일한 공극을 발생시키며 이로 인한 큰 간극차이로 방향성 진동(Directional Vibration)이 크게 발생한다. 가장 큰 전자력은 고정자와 회전자의 최소 간극부에서 발생한다. 그러므로 전자력이 최소에서 최고로 변하면서 전력계통 주파수의 2배(120 ㎐) 주파수의 진동을 발생시킨다.
④ 공극의 편차는 유도 전동기에서는 5%, 동기 전동기에서는 10%를 초과하지 않아야 한다. 만약 2FL 진동 진폭이 시간에 따라 증가하면 고정자와 회전자 양측에 Marking을 하여 간극을 점검하여야한다. 즉 Mark를 서로 정렬한후 45˚씩 로터를 회전하면서 고정자에 표시한 한점에서 공극을 측정한다. 만약 차이가 5% 이상 발생하면 공극의 편차는 로터의 편심에 기인하는 것으로 보아야하며 그 다음 다시 로터를 45˚씩 회전시키면서 로터에 표시한 한점에서 측정한다. 만약 이들 간극 측정치간에 편차가 5% 이상 발생하면 고정자가 편심된 것으로 보아야한다.
⑤ 철심의 헐거움은 고정자 지지장치의 국부적인 취약이나 헐거움에 기인한다.
⑥ 층간단락은 국부적인 불균일한 가열을 초래하여 전동기축의 휨을 유발할 수 있다. 이러한 현상은 운전시간과 더불어 계속 증가하는 열에 기인한 휨을 발생시켜 때로는 고정자가 회전자와 접촉하는 대형 고장을 유발하기도 한다.
1-11-7-4 로터의 편심과 가변 공극
Eccentric Rotor and Variable Air Gap
편심 로터의 경우는 로터 자체가 그 중심선과 일치하지 않는다 (그림 11-51 참조). 그러므로 편심 로터의 경우는 로터와 고정자간의 공극 불균일이 발생하며 이 상태로 회전한다 (이는 고정자 편심에 기인한 변하지 않는 공극과는 반대현상이다). 로터의 편심은 로터 층간단락에 기인한 국부적인 온도상승으로 로터의 휨이 발생하는 현상 혹은 단순히 로터가 진원이 아닌 현상 때문에 발생한다.
그림 11-51 Stationary & Rotating Air Gap Variation
편심 Rotor는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 로터의 편심은 가장 흔히 전력계통 주파수의 2배 주파수(2FL)에서 높은 진동이 발생하며 극 통과 주파수(Pole Pass Frequency, FP = #Pole × Slip Frequency)만큼 떨어져 측대파가 존재한다. 즉, 2극기인 3,600 rpm 전동기의 경우 측대파는 Slip 주파수의 2배가될 것이며 반면 4극 전동기에서는 Slip 주파수의 4배가 될 것이다. 그림 11-52와 11-53은 로터 편심으로 공극이 변하는 전동기의 진동 스펙트럼이다. 광대역 스펙트럼인 그림 11-52는 120 ㎐ 주파수에서 4.115 ㎜/sec(0.162 in/sec)의 진동치를 갖으며 전체진동 값이 7.493 ㎜/sec(0.295 in/sec)인 것을 나타낸다. 그림 11-53의 Zoom Spectrum은 120 ㎐에서 4.216 ㎜/sec(0.166 in/sec)의 진동이 있고 로터가 편심 되었음을 나타내는 극 통과 측대파가 뚜렷이 존재함을 보여준다.
② 일반적인 용도의 전동기를 새로 혹은 재 설치한 경우에는 전력계통 주파수의 2배 주파수 성분 진동이 0.889 ㎜/sec를 초과하거나 사용중인 전동기의 진동이 2.54 ㎜/sec를 초과하는 경우 특별히 유의해야한다. 만약 전동기가 직접 정밀기계 공구축을 구동하고 있으면 허용 2FL 진동 진폭은 0.381 ㎜/sec 이하이어야 한다. 이는 약 37.29 ㎾～745.7 ㎾ 정도 크기의 전동기에 적용된다. 이 진폭은 계통주파수의 2배 주파수에 해당하는 진폭에만 적용된다는 사실을 분명히 하여야 한다. 이러한 진폭은 적어도 60～70% 이하의 부하로 운전되는 유도 전동기에 적용한다는 사실에 유의해야 한다.
그림 11-52 순환수 펌프에서의 30,000 cpm 스펙트럼
그림 11-53 편심 로터를 나타내는 Zoom 스펙트럼
③ 편심 로터의 경우는 전 원주에 걸쳐서 공극을 허용치 이내로 하기 위해서 베어링 하우징 자체를 조정하거나 로터 저널을 가공하여야 한다. 로터의 편심은 심한 축정렬 불량과 같은 기계적 문제로도 발생될 수 있다는 사실에 유의하여야 한다.
④ 2FL 부근에 극 통과 주파수의 측대파가 발견되어 로터의 편심 징후가 있다고 판단될 경우는 특히 2FL의 피크 값이 약 1.778 ㎜/sec(Alarm 1)를 초과할때 그 경향분석을 실시해야 한다. 만약 그 진폭이 2.54 ㎜/sec(Alarm 2) 이상 증가하고 또한 극 통과 주파수의 측대파도 같이 증가하면 더욱 특별한 관심을 가져야 하며, 극 통과 주파수의 측대파가 2FL 위와 아래에 존재하면 더더욱 그러해야 한다. 만약 7200 cpm의 진폭과 측대파가 수회 측정하는 동안 변화가 없으면 비록 이들 진폭이 120 ㎐에서 4.445 ㎜/sec에 달한다 할지라도 더 이상의 손상은 진행치 않는 것이다. 이 경우 계속 경향 분석하는 것으로 충분하다. 그렇지만 전동기 자체의 수명은 단축될 것으로 예상된다.
⑤ 로터가 편심된 전동기는 그 온도가 상승할수록 더욱 고진동이 발생한다는 사실에 유의하여야 한다. 예를 들어 전동기가 처음 기동되었을 때는 그 진동치가 2.54 ㎜/sec이었는데 운전 약 10분 후에 진동 진폭이 3.56 ㎜/sec로 상승하였고 20분 후에는 4.57 ㎜/sec, 30분 후에는 6.35 ㎜/sec이었다고 하자. 이는 로터의 어느 한곳이 다른 곳과 상대적으로 다르게 온도가 상승하는 불균일한 가열에 기인할 수 있다. 이를 교정하지 않아 만약 로터가 고정자와 접촉할 정도로 큰 휨이 발생하면 대형 사고로 발전할 수 있다.
1-11-7-5 로터 문제
Rotor Problems
진동 분석으로 감지할 수 있는 로터 문제들은 다음과 같다.
• 절단/균열이 발생된 Rotor Bar 혹은 단락환
• Rotor Bar와 단락환 사이의 고저항 이음매(Joint)의 불량
• 로터 층간 단락
• End Ring과 접촉 불량을 유발시키는 헐겁거나 Open된 Rotor Bar
이들 문제들에서는 다음과 같은 특징들이 나타난다.
① 절단 혹은 균열된 Rotor Bar의 경우 주 관심 영역인 1×RPM과 그 조화 성분들 부근에 극 통과 주파수의 측대파가 존재하는가 이다 (2극 전동기의 경우 이들 측대파는 2× Slip 주파수가 될 것이며 4극기일 경우 4× Slip 주파수가 될 것이다). 그림 11-54는 심각한 회전자 문제들을 갖고 있는 2극 전동기의 전형적인 스펙트럼들이다. 처음에 500 ㎐ 광대역으로 나타낸 스펙트럼(그림 11-54의 A)은 외관상 여러 개의 회전속도 하모닉으로 기계적인 헐거움이 있다는 것을 보여주기는 하나 심각한 문제들을 거의 나타내 주지 않았다. 그러나 좀더 세밀히 관찰한 그림 B-D의 Zoom 스펙트럼들은 1×, 2×, 3×RPM 부근에 뚜렷한 극 통과 측대파를 보여주고 있다. 이들 스펙트럼들은 모두 균열되거나 절단된 Rotor Bar 혹은 단락환에 문제가 있거나 층간단락의 징후를 나타내는 것이다.
그림 11-54 균열 또는 깨진 Rotor Bar 또는 단락환 문제를 가지고 있는 전동기에서의 Wideband 및 Zoom Spectrum
② 그림 11-54에 나타난 것처럼 Rotor Bar가 절단되거나 균열된 경우 혹은 고저항 이음매 불량의 경우 1×RPM 부근에서뿐만 아니라 2차, 3차, 4차, 5차를 포함한 회전속도의 고차 조화파 부근에도 극 통과 측대파가 나타난다. 분해점검 결과 이 전동기에서 4개의 균열이 발생된 Bar와 각 단락환의 Scoring(과열에 기인한 것으로 보이는)이 발견되었다.
③ Loose/Open Rotor Bar에 기인한 진동에 대한 주 관심 영역은 Rotor Bar Pass Frequency (RBPF)와 이의 하모닉과 같은 고주파에 있다.
④ 여기서, 관심은 전동기가 적어도 60～70%이하 부하로 운전되고있는 상황에서 Rotor Bar Pass Frequency(RBPF)나 더 높은 고조파(2 RBPF 혹은 3 RBPF)에서 약 0.06 in/sec을 초과하는 진동의 존재 여부이다. 하지만 2×RBPF 혹은 3×RBPF가 2000 ㎐를 초과하면 이 경보치는 감소되어야한다. 또한 RBPF와 그 고조파 부근에 있는 측대파는 정확히 계통주파수의 2배(2FL)가 될 것이다. 주의하여야 할 것은 RBPF 자체가 허용치 이내에 있다 하더라도 주파수 범위를 넓혀보면 RBPF의 진동 진폭의 10배이상 진동이 발견되기도 한다는 것이다 (특별히 Rotor Bar와 End Ring 사이에 Arching이 발생할 경우에 그러하다). 예를 들어 그림 11-55는 2개 이상의 Rotor Bar가 Open된 전동기의 스펙트럼이다. 이 전동기에는 57개의 Rotor Bar가 있으며 1793 rpm으로 회전하므로 기본 RBPF는 약 102,200 cpm이며, RBPF에서 진동 진폭이 0.203 ㎜/sec임을 나타내었다. 그렇지만 2×FBPF에서 나타난 것은 완전히 달랐다. 그림 11-56의 Zoom Spectrum은 2×RBPF인 3,406.3 ㎐에서 8.636 ㎜/sec의 과도한 진동진폭이 나타났다 (1×RBPF 값의 약 28배 이상 높다). 유의할 사항은 만약 최대주파수를 기본 RBPF 진동만 측정 가능한 정도로 하여 진동 측정을 시행하였다면 이러한 문제점은 전혀 발견되지 않았을 것이다. 중요한 사실은 2× RBPF에서 높은 진동 진폭이 존재하며 이것의 부근, 정확히 120 ㎐(2FL) 간격으로 측대파가 존재한다는 것이다.
⑤ 때로는 RBPF나 그 고조파의 진동 진폭이 가장 높지 않을 수도 있다. 대신 전력계통 주파수의 2× 주파수 부근에 있는 측대파중 하나의 진폭이 최대일 수 있다. 2×전력계통 주파수 (통상 120 cpm FL을 가지는 60 ㎐) 간극마다의 측대파중 하나가 가장 높을 것이다. 이런 주파수의 배열은 RBPF와 정확히 2FL 측대파를 포함하고 있으며 Loose 혹은 Open Rotor Bar (60 ㎐ FL이라면)이거나 공극이 변하고 있음을 나타낸다.
그림 11-55 1× Rotor Bar Pass Frequency에서는 탐지되지 못하고 2× RBPF에서 탐지된 심각한 Rotor Bar 문제
그림 11-56 2× RBPF에서 탐지된 심한 Rotor Bar 문제
참고 : 90. 6. 10일 전동기 수리공장에서는 전동기를 교체해야 할 정도로 2개 이상의 Open Rotor Bar가 생겼다고 확인 전화하였음.
⑥ 비록 1× Rotor Bar Pass Frequency 범위에서 관심 진폭이 대부분의 전동기에서 약 1.524 ㎜/sec로 높을지라도 우선 수행해야할 업무는 이러한 문제점을 탐지하고, 분해정비를 시행하도록 경솔히 결정하기 전에 그 경향을 분석하는 것이다. 만약 스펙트럼 상의 값들이 실제 변화하지 않으면 RBPF 진동 진폭이 2.54～3.81 ㎜/sec이라도 실제 손상은 진행되지 않는 것으로 보아도 된다. 반면, 만약 측정시마다 증가율이 커진다면 긴급 정비를 요할 만큼 상태가 급속히 악화되는 것이다.
⑦ 상태감시 프로그램에서 전기적인 문제점들을 감지하기 위하여 각 전동기의 진동 측정시 다음의 두 가지 특별한 경우를 각각 고려하여 분석하여야 한다.
a. 저주파수의 전동기 자체의 전기적인 문제점
FMAX = 200 ㎐ ; 3,200 FFT Lines ; 2 Ave 및 50% Overlap Processing. 이렇게 함으로서 전동기 회전속도 고조파에서와 2FL에서 실제 진폭을 구별할 수 있다. 이는 또한 극 통과 주파수(FP)가 1×RPM 이나 심각한 Rotor Bar 문제점인 것을 나타내는 조화파 주변에 있는가를 알 수 있게 한다 (주파수 폭이 오직 200 ㎐인 400 Line 스펙트럼은 거의 이들 극 통과 주파수를 보여주지 못하며, 대신 이것은 3개 혹은 그 이상의 피크대신에 이들 회전속도의 고조파에서 단순히 하나의 피크만 보여준다. 다시 말하면 400 Line 스펙트럼으로 측정하였을 때 각 회전속도의 고조파에서 오직 하나의 피크로 나타난 경우에도 실제로는 3개이상의 피크가 존재할 수 있다).
b. 고주파의 Rotor Bar Pass Evaluation의 관점
FMAX = 6,000 ㎐ ; 1,600 FFT Lines ; 8 Ave (2극 이상의 전동기에 대하여는 FMAX가 4,000 ㎐만 되어도 1×와 2× RBPF 둘 다 측정 가능하다). 이렇게 함으로서 RBPF와 그 수 배수에서 잠재적인 문제들을 탐지할 수 있다. 비록 Rotor Bar의 개수가 알려져 있지 않다 하더라도 정확히 2FL(120 ㎐)과 일정한 간격을 유지하는 다른 주파수를 찾아보아야 한다. 그림 11-57은 좋은 예이다. 경보1(1.524 ㎜/sec)과 경보2(2.54 ㎜/sec)영역에 들어간 RBPF의 고진폭 피크에 유의하라. 또한 120 ㎐(2FL) 측대파가 RDPF를 둘러싸고 있는 것에 유의하여야 한다. 측정자는 만약 그가 2극 전동기에서 이들의 높은 주파수 진동을 측정한다면 응답 특성이 6,000 ㎐에 충분한 진동 변환기를 선택하여야 하며 또한 이를 잘 고정하여야 한다.
그림 11-57 6극 복수펌프 전동기 (1180 rpm)에 대한 6 스펙트럼 Alarm Band의 전형적인 설정
1-11-7-6 로터의 국부 과열에 의한 열적휨
Thermal Bow Induced by Uneven Localized Heating of a Rotor
그림 11-58은 로터가 국부과열로 열적인 휨이 발생될 수 있는 것을 설명하고 있다. 로터의 국부적인 과열은 인접한 여러 개의 적층철심이 서로 단락되면 발생할 수 있고, 이는 적층철심에서 높은 와전류와 Hysteresis 손실에 의해 발생된다. 그밖에 Rotor Bar가 끊어지면 로터에 심각한 국부과열을 발생시킬 수 있다.
그림 11-58 단락된 로터 적층철심이나 끊어진 Rotor Bar에 의한 Hot Spot 진전
로터의 국부적인 과열의 결과로 로터는 고정자와 접촉될 정도로 휠 수 있다. 열적인 휨의 문제의 하나는 자체적으로 악화되는 경향이 있을 수 있다는 것이다. 초기에는 축이 약간 휘고, 축이 휘면 불평형 전자력이 발생되어 더 열이 발생되고, 더 발생된 열은 로터를 더 휘게 한다. 그러므로 이 문제는 대단히 심각하다. 열적인 휨은 아래와 같은 특징을 나타낸다.
① 열적인 휨이 Rotor에서 발생될 때 기계를 처음 기동후 1×RPM에서의 진폭은 열적인 휨이 자체적으로 증가되기 때문에 운전시간에 따라 계속 증가된다. 불평형 스펙트럼과 유사하나 간단한 진동교정으로는 효과가 없다.
② 열적인 휨이 증가하면 진동 스펙트럼은 Slip 주파수의 측대파를 동반한 120 ㎐(7,200 cpm)의 높은 진동을 가지는 편심 로터로 나타낼 것이다.
③ 열적인 휨의 문제를 더 분명히 말하자면 축방향의 진동위상은 내측과 외측 베어링 사이에서 180˚차가 발생한다. 다시 말해 휜 축의 움직임과 유사하다.
④ 필요한 정비 부분을 결정하기 위해 국부 과열된 로터상의 Hot Spot 위치를 찾는데 적외선 카메라를 사용할 수 있다.
1-11-7-7 전기적 상 문제 (접속기 이완)
Electrical Phasing Problems (Loose Connectors)
전기적인 상 문제에 나타나는 스펙트럼은 부록으로 편집한 도해 진동 진단표에 있다. 풀리거나 부러진 접속기에 의해 생기는 상 문제는 전력계통 주파수의 1/3의 간격으로 주변에 측대파를 갖는 2배의 전력계통 주파수에서 1.0 in/sec를 초과하는 고진동을 발생할 수도 있다. 결함있는 접속기가 산발적으로 접촉된다면 특히 문제이다.
그림 11-59～11-61은 심각한 전기적인 상 문제에 대해 설명하고 있다. 그림 11-59는 냉각 장치를 구동하는 전동기의 외측 베어링으로부터 취한 것이다. 이 전동기는 공급 주파수와 전압에 따라 속도를 변화시킬 수 있는 인버터로 구동된다. 그림 11-59는 정상적인 예지정비 조사중에 파악되었다. 전의 진동치가 0.011 in/sec에서 2월 21일에 1.03 in/sec까지 2× 전력계통 주파수에서 극적인 변화가 있음에 주목하라. 이 문제가 아직도 남아 있는지 또 이것이 그 스펙트럼 특성상에 어떤 영향을 미치는지를 알기 위해 인버터 주파수를 60 ㎐에서 53.1 ㎐로 낮추기로 결정하였다. 그림 11-60은 2× 전력계통 주파수인 6371 cpm(106.2 ㎐ = 2 × 53.1 ㎐ 계통 주파수) 부근의 3200 Line FFT ”Zoom”을 보여 주고 있다. 여기서 중요한 것은 1/3 전력계통 주파수인 약 1093 cpm(18.2 ㎐) 간격의 측대파가 존재한 것이다. 전기적 상 문제로 진단되었고, 추천사항으로 변전소에서 분전반까지, 분전반에서 인버터까지, 인버터에서 전동기까지, 모든 전원선과 접속기를 철저히 점검할 것을 제안했다. 그 이후의 점검시 인버터에서 전동기 사이의 접속기 3개중 1개가 풀려 있었고, 이로 인해 산발적으로 접촉되었음이 밝혀졌다. 그림 11-61는 풀린 접속기를 수리후의 진동결과이고, 2배의 전력계통 주파수(7200 cpm)는 1.03 in/sec에서 0.017 in/sec까지 극적으로 떨어진 것을 나타내고 있다. 그 이후 예방정비 조사중에도 이 수준으로 유지되고 있었다.
그림 11-59 Refrigeration Chiller의 전동기 진동
그림 11-60 전기적 상 문제 때문에 발생된 1/3 계통 주파수의 측대파
그림 11-61 접속기 수리후의 진동결과
1-11-7-8 동기 전동기 (회전자 이완)
Synchronous Motors (Loose Coil)
그림 11-62는 고정자 코일이 풀린 문제점을 지닌 동기 전동기의 스펙트럼을 보여주고 있다. 이 전동기는 왕복 공기 압축기 구동용이고 약 6개월 간격으로 여러 번 베어링 손상이 있었다. 그림 11-62에서 스펙트럼은 약 43,200 cpm에서 0.134 in/sec의 고진동이 나타났고 Zoom 스펙트럼은 그것이 정확히 84×RPM에 일치하는 것을 보여주고 있다. 이 동기 전동기는 총 14극, 극당 6개 코일로 되어 있었다. 그러므로 코일 통과 주파수 (CPF : Coil Pass Frequency)는 14극 × 6 코일/극 (= 84×RPM)과 같다. Zoom 스펙트럼은 CPF에서 높은 진폭뿐만 아니라 전동기의 1×RPM 간격의 측대파도 나타났다.
여기서 주요 문제가 고정자 코일이 풀린 것으로 진단되었다. 그림 11-63에 “After” 스펙트럼은 코일 사이의 공간을 채웠고 극을 정비하여 CPF가 0.134 in/sec에서 0.059 in/sec까지 떨어져 현저히 개선된 것을 보여 주고 있다.
그림 11-62 동기 전동기의 풀린 Coil (Before Spectrum) (14극×6 Coil/극 = 84×RPM)
그림 11-63 풀린 Coil의 문제점 해결 (After Repair)