펌핑 시스템의 턴간 결함 검출을 위한 머신러닝 적용

Jul 15, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12906(2022) 이 기사 인용

1589 액세스

3 인용

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

펌프 고장 진단은 다양한 주요 분야에서 사용되는 중요한 기기이기 때문에 장치의 유지 관리 및 안전을 위해 필수적입니다. 적절한 시기에 고장을 진단하면 유지관리 비용을 절감하고 에너지를 절약할 수 있습니다. 이 기사에서는 턴 간 결함 조건에서 3상 유도 전동기 기반 원심 펌프의 매개변수 추정 효과를 분석하기 위해 수학 방정식을 기반으로 하는 Simulink 모델을 사용합니다. 턴 간 결함으로 인해 전류가 크게 증가하여 모터와 펌프의 매개변수에 심각한 영향을 미칩니다. 이는 Matlab Simulink 모델을 통한 시뮬레이션으로 분석되었습니다. 이후 HIL(Hardware In Loop) 기반 시뮬레이터를 통해 결과를 검증합니다. 본 논문에서는 기계학습(ML) 기반 인공신경망(ANN)과 ANFIS(ANN 및 Fuzzy) 모델을 결함 검출에 적용하였다. ANN 및 ANFIS 기반 모델은 만족스러운 수준의 정확도를 제공합니다. 이러한 모델은 정확한 훈련 및 테스트 결과를 제공합니다. RMSE(Root Mean Square Error), R2, 예측 정확도, 평균 검증 값을 기반으로 이들 모델을 비교하여 어떤 모델이 본 실험에 더 적합한지 찾아냅니다. 다양한 지도 알고리즘을 ANN, ANFIS와 비교하고 마지막으로 본 실험에 가장 적합한 알고리즘을 찾아냅니다.

유도 전동기는 다양한 산업 분야에서 없어서는 안 될 필수 장치로, 견고한 구조, 고성능, 신뢰성 및 유지 관리 비용으로 인해 더욱 주목을 받고 있습니다1. 유도 전동기의 모든 종류의 결함은 모터 및 전체 시스템에 연결된 장치에 심각한 결과를 초래합니다. 펌프에 결함이 있는 유도 전동기가 연결되면 양정 값이 변경되고 유량이 변경되며 엄청난 진동으로 인해 심각한 손상이 발생합니다2. 전체 시스템의 고장은 시스템 손상을 초래하고 막대한 에너지 손실을 초래하며, 갑작스러운 예상치 못한 다운타임으로 인해 막대한 유지 관리 비용이 발생합니다. 고정자 간 결함으로 인해 유도 전동기에서 30~40%의 결함이 발생하는 것으로 보고되었습니다3. 이것은 실제로 전기적 결함이며, 이 전기적 결함은 매우 민감하여 심각한 손상을 초래합니다. 단 10~20%의 턴 간 결함으로 인해 유도 전동기의 전류가 크게 상승하여 권선에 절연 손실이 발생합니다4. 전기적 결함은 고정자 및 회전자 결함으로 분류됩니다5. 유도 전동기에서 나타나는 회전자 결함은 회전자 바가 파손된 것입니다. 고정자 결함은 주로 상간 결함, 회전 간 결함 및 위상 대 접지 결함의 세 가지입니다. 그 중에서도 턴간 결함이 심각하고 치명적이다6. 이러한 회전간 결함은 유도 모터 작동 및 펌핑 작동을 방해합니다. 기계적, 유압적 결함 외에도 전기적 결함도 펌프 성능을 저하시킵니다. 원심 펌프는 파이프를 통해 유체를 이송하는 데 사용되는 회전 기계입니다. 펌핑 시스템이 갑자기 중단되면 유지 관리에 막대한 손실이 발생합니다7. 유지관리 비용의 70%가 펌핑시스템에 들어가는 것으로 분석됐다. 따라서 비용 절감을 위해서는 유지보수 기술의 개선이 필요하다. 유도전동기의 회전간 결함검출을 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다. 결함 검출을 위해 선간 전압, 모터의 중성점 및 스타점을 사용했습니다. 이는 모터의 모델로 사용되었으며, 턴 간 단락 사고로 인해 불균형이 발생하였습니다. 장치가 완전히 고장나고 심각한 손상을 입기 전에 이러한 불균형을 확인해야 합니다8. 네거티브 시퀀스 임피던스가 추정되어 연구에서 오류 표시기로 사용되었습니다. 모터의 불균형으로 인해 음의 시퀀스 임피던스가 나타났습니다. 파크변환전류에 사용된 발진은 불균형을 위해 생성된 결함검출에 사용되었습니다.

이 문제를 식별하려면 공간 벡터 분석이 필요합니다9. 모터 전류 신호 분석(MCSA) 및 진동 분석을 통해 전기적 결함을 감지할 수 있습니다. 모터의 네거티브 임피던스를 추정하기 위해 불균형 전압 공급에 대한 견고성이 접근 방식으로 추가되었습니다10. 주파수 스펙트럼과 FFT(고속 푸리에 변환) 분석도 유도 모터 결함 감지에 도움이 됩니다. 일부 작업에서는 웨이블릿 패키지 변환(WPT) 및 FFT가 일종의 분류기와 함께 사용되었습니다11,12.