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제품정보 > 임펄스 시험기

레어 쇼트 시험에서 L/R 추정치에 의한 권선 및 코일 평가 (ST4030A)

요약

 

 



 시작하며

레어 쇼트 시험은 임펄스 권선 시험이라고도 하며, 변압기 및 모터와 같은 다양한 장비의 권선을 검사하기 위해 도입되었습니다. 이 시험은 권선에 임펄스 전압을 인가하고 그 응답 파형을 측정합니다. 그리고 시험 대상품의 응답 파형을 양품(마스터 파형)과 비교하여 양품인지 불량품인지 판단합니다. 

그러나 기존의 파형 비교법에는 몇 가지 문제점이 있습니다. 먼저, 응답 파형의 차이를 알기 어렵기 때문에 명확한 판단이 어려울 수 있습니다. 또한, 파형의 차이가 권선의 특성과 직접적으로 연결되지 않기 때문에 고장 원인을 파악하기 어렵다는 문제도 있습니다. 또한, 마스터 파형과의 상대적인 비교이기 때문에 판단 기준의 설정 및 업데이트가 번거로운 경우도 적지 않습니다.

이 애플리케이션 노트에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방식을 제안합니다. 이 접근법은 레어 쇼트 시험에서 얻은 파형으로부터 등가 회로 상수(L값과 R값)를 추정하고, 이 수치를 사용하여 합격 여부를 판단하는 방법입니다. 이 방법은 기존의 파형 비교법에 비해 보다 객관적이고 효율적인 권선 및 코일 평가가 가능해집니다.

 

 기존 파형 비교 판단의 문제점
레어 쇼트 시험에서 기존의 파형 판정법이 구체적으로 어떤 문제점을 가지고 있는지 자세히 살펴보겠습니다.


그림1 상간 응답 파형 비교


그림 1은 양품 삼상 모터의 각 상 사이에 임펄스를 인가했을 때의 응답 파형입니다. 양품 모터의 경우, 모든 파형이 깔끔하게 겹쳐서 하나의 선처럼 보이는 것이 이상적입니다. 그러나 편차에 따라 배선의 응답 파형이 달라지는 경우가 많습니다(그림 1의 빨간색 원 참조).
따라서 파형을 비교하여 합격 여부를 판단하기 위해서는 여러 개의 양품의 응답 파형을 관찰하여 통계적으로 편차 범위를 구하고, 그 범위에서 벗어나는지 여부를 판단해야 합니다.


그림2 원턴 쇼트(0.5 Ω)의 응답 파형


그림 2는 ST4030A로 스테이터의 권선 원턴 사이를 0.5Ω의 저항기로 단락시키기 전후의 응답 파형을 관찰한 것입니다. 노란색 파형은 단락 전, 파란색 파형은 단락 후의 파형입니다.

파란색 파형은 의도적으로 레어 쇼트를 일으킨 명백한 불량 샘플의 응답 파형이지만, 쇼트 전의 파형과 비교해도 그 차이가 미미함을 알 수 있습니다. 이 정도의 차이는 그림 1의 양품의 편차 범위와 크게 다르지 않으며, 파형 비교로는 양품 여부를 판단하기 어렵습니다.

이처럼 파형 비교(파형에 둘러싸인 면적 비교 포함)는 본질적인 한계가 있으며, 신뢰할 수 있는 결함 검출에 불충분할 수 있습니다.



 L/R 추정치에 의한 판정
파형 비교의 한계를 극복하기 위해 이 애플리케이션 노트에서는 수치에 의한 평가 방법을 제안합니다.


그림 3a 양품: 그림 2의 노란색 파형

그림 3b 불량품: 그림 2의 파란색 파형

그림3 그림2의 양품(노란색 파형)과 불량품(파란색 파형)의 L과 R을 측정한 결과


그림 3은 그림 2의 양품(노란색 파형)과 불량품(파란색 파형)의 L과 R을 각각 측정한 것입니다. 이를 보면 불량품의 수치가 양품의 수치와 확연히 다르다는 것을 알 수 있습니다. 이처럼 시험품의 회로 상수를 추정하여 비교하면 파형을 비교하는 것보다 양품/불량품 판정이 쉬워집니다.
다음으로 L/R 값의 산출 방법과 이 값을 사용했을 때의 이점에 대해 설명하겠습니다.


 추정치 산출 원리
그림4 측정 등가 회로

이 애플리케이션에서 사용하는 시험기와 측정 대상(DUT)의 측정 등가 회로가 그림 4에 나와 있습니다. 측정기(여기서는 ST4030A)측 C에 충전된 전압을 스위치를 통해 DUT에 인가하고, 그 때의 전압 응답 파형을 취득합니다.

그림5 응답 파형 예시


그림 5는 DUT에 100V의 임펄스 전압을 인가했을 때의 응답 파형입니다. 이 응답 파형의 첫 번째 피크에 이은 감쇠 부분을 이용하여 그림에서 가정한 등가 회로의 미분 방정식에 적용합니다. 그리고 최소제곱법을 이용하여 L값과 R값을 추정합니다. 그 후, 커브 피팅에 의해 적절한 상수를 구합니다. 
측정 대상에 따라 진동하지 않는 파형이 될 수도 있지만, 파형의 첫 번째 감쇠 부분이 연산 범위가 되기 때문에 진동하지 않는 파형에서도 L값과 R값을 계산할 수 있습니다.
여기서 계산되는 L값과 R값은 LCR 미터로 측정되는 값과 다르다는 점에 유의하십시오. 이는 이 애플리케이션에서 사용하는 등가 회로와 DUT의 실제 특성 차이, LCR 미터와 임펄스 권선 시험기의 전압 크기 및 인가 방법의 차이 등으로 인해 LCR 미터로 측정하는 값과 차이가 발생하기 때문입니다. 그러나 DUT의 특성이 가정 등가 회로에 가깝고 LCR 미터의 측정 주파수가 임펄스 파형의 첫 번째 주기에 가까울 경우 값의 차이는 작아집니다.


 추정치를 사용하는 것의 이점
■ 보다 명확한 판단과 이해도 향상
수치화된 회로 상수를 비교함으로써 파형 해석에 비해 합격/불합격 판단이 훨씬 쉬워집니다. 시험 결과가 DUT의 상태를 직접적으로 반영하는 회로 상수로 나타나기 때문에 이상 성질을 쉽게 이해할 수 있어 품질 판단의 객관성이 향상됩니다.

■ 측정 간소화 및 시험 시간 단축
마스터 파형 등록이 불필요하므로 시험 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 최소한의 설정은 인가 전압만 설정하면 됩니다. 값의 변동이 큰 DUT를 위해 측정 펄스 수를 늘리거나 전압 강하가 심할 경우 전압을 자동 조정하는 등의 추가 설정도 가능합니다.

■ 상세한 해석과 시간 경과에 따른 모니터링
L값과 R값을 저장하여 향후 활용할 수 있는 것은 큰 장점입니다. 파형 차이 데이터도 제조 편차를 개략적으로 파악하는 데 활용할 수 있지만, L/R 데이터는 거시적인 추세 분석과 권선 개선에 대한 통찰력을 얻는 데 유용합니다.


 정리
변압기나 모터 등의 권선 검사에 사용되는 레어 쇼트 시험(임펄스 권선 시험)은 지금까지 파형 비교를 통해 양품과 불량품을 판별해 왔습니다. 그러나 이 방법은 임펄스 파형에서 등가 회로 상수를 정확하게 추출할 수 없다는 근본적인 문제가 있었습니다. 따라서 이미 알려진 양품 파형과의 비교에 의존할 수밖에 없었고, 그 차이가 양품인지 불량인지 판단하기 어려웠으며, 결함 원인 규명도 어려웠습니다.
ST4030A 전용 소프트웨어는 이러한 문제를 해결합니다. 임펄스 응답 파형에서 직접 L과 R의 회로 상수를 추출할 수 있어 다음과 같은 큰 이점을 제공합니다.

■ 보다 명확한 합불 판정
객관적인 수치를 제공함으로써 파형 비교의 모호함을 없애고 합불 판정을 보다 명확하고 신뢰할 수 있게 해줍니다.

■ 이해도 향상
 도출된 L값과 R값은 권선의 성능 특성을 직접적으로 반영하므로 이상 특성에 대해 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있습니다.

■ 측정 간소화
마스터 파형 등록이 필요하지 않아 측정 설정이 간소화되어 시험 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

■ 강력한 데이터 분석 
L값과 R값의 수치적 특성으로 인해 의미 있는 데이터를 지속적으로 축적할 수 있어 장기적인 추세 분석이 가능하며, 권선 설계 및 제조 개선을 위한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

L/R 추정치를 통한 자세한 평가 방법 및 기타 관련 시험에 관해서는 언제든지 문의해 주시기 바랍니다.
특정 애플리케이션에 대한 데모나 상담이 필요하신 경우, 문의 양식을 통해 문의해 주시기 바랍니다.


★ 샘플 데이터 다운로드 
코일용 L값 R값 데모 애플리케이션은 여기에서 다운로드할 수 있습니다.