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문제 정의
- 본 연구에서는 콘덴서에 인가되는 전압과 주파수의 변화시 콘덴서에서 발생하는 온도분포를 측정하여 주파수와 전압이 증가함에 따라 온도가 어느 위치에서 높게 분포함을 확인하였다.
제안 방법
- 이럴 경우 반사를 줄일 수 있는 보조 수단을 이용해야 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다. 그래서 본 연구에서는 반사율이 낮은 테이핑을 표면에 부착하여 측정하였다.
- 측정결과 정상적인 운전에서 내부에서 발생하는 열은 외부로 잘 전달되지 않아 전압 및 주파수 변화에 따른 온도 분포를 확인하기가 매우 어려웠다. 그래서 콘덴서를 개봉하여 내부 소자에 대해 직접 열화상 카메라로 측정하였다.
- 콘덴서 내부에서 발생되는 온도는 절연물체와 보호체에 의해 외부로 온도가 잘 전도되지 않아 정확한 온도를 알 수 없었다. 그러나 본 연구에서는 콘덴서 내부 소자의 온도변화를 확인하기 위해 소자를 밖으로 분리한 다음 전압과 주파수의 변화에 따라 변화를 온도분포를 측정하였다. 측정결과 주파수의 변화에 따라 최대온도와 주위온도와의 차이가 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 선형부하에서는 역률보상을 하고 비선형 부하에서는 직렬 리액터와 함께 고조파를 저감하는데 사용되는 콘덴서가 인가되는 전압 및 주파수의 변화에 따라 발생하는 온도를 열화상카메라로 측정하여 분석하였다.
- 1배 이하가 되도록 요구하고 있다. 본 연구에서는 정격전압과 1.3배의 전압이 인가될 경우 주파수를 차수별로 조정하여 2시간에 걸쳐 내부에서의 온도변화를 측정하였다.
- 콘덴서는 소자를 캔 안에 3단적으로 구성한 경우와 3소자를 병렬로 나란하게 배열한 경우도 있다. 이들 각각에서 외함과 내부에서의 온도 변화를 전압 및 주파수 변화에 따라 측정하였다.
- 3배의 정격전압을 인가하여 콘덴서 내부 소자 표면에서 발생하는 온도를 열화상 카메라로 측정하여 최대와 주위의 온도차를 계산하여 나타낸 것이다. 측정간격은 10분간으로 하였지만, 초기온도의 변화를 관찰하기 위해 측정은 1분 간격으로 시행하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 측정에 사용된 콘덴서는 380[V] 20[㎌]를 사용하였다. 저압 콘덴서의 경우 대부분 델타 결선으로 이루어져 있으며 명판에 표시된 커패시턴스의 값은 3 소자(엘리멘트)에 대한 합으로서 실제 상별 적용 시는 3으로 나눈 값(20/3=6.
- 전압 및 전류의 증가시 콘덴서에서 열의 발생은 정격운전 조건보다 높아진 경우이다. 콘덴서에서 발생하는 열을 측정하기 위해 적외선 열화상 카메라(FLUKE사 TI40FT)를 사용하였다. 그림 1은 본 연구에 사용된 가변전압 가변 주파수 전력변환장치를 나타낸 것이다.
성능/효과
- 그림 2에서는 정격전압에서 주파수를 변화시켜 최대온도와 주위온도와의 차이를 나타낸 것이다. 60[㎐]의 주파수에서 정격전압으로 운전할 경우 처음이나 2시간 경과 후에도 온도는 거의 차이가 없지만, 주파수가 증가함에 따라 온도차는 더욱 높아짐을 알수 있었다.
- 또한 같은 주파수에서도 전압이 높을 경우 열의 발생이 높아 수명에는 매우 큰 영향을 미칠 수 있다는 것도 확인할 수 있었다.
- 측정결과 주파수의 변화에 따라 최대온도와 주위온도와의 차이가 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 온도가 주파수를 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 것이 아니라 어느 정도 지나면 포화되어 더 이상 증가하지 않고 포화된다는 것도 확인할 수 있었다.
- 표 5 (a)에서의 열화상을 3차원으로 표현하면 표 5 (c)와 같이 운전 초기에는 콘덴서 전체의 온도가 비슷하지만. 시간이 경과함에 따라 상단부가 하단부보다 온도가 더 높아짐을 알 수 있었다.
- 그림 2에서 알 수 있듯이 주파수가 증가할 경우 식(5)에서와 같이 콘덴서에 인가되는 전류가 증가하여 열의 발생이 점차 높아짐을 알 수 있었다. 온도가 증가하는 기울기에도 주파수가 높을 경우 커짐과 일정 시간이 경과함 다음에는 온도가 더 이상 증가하지 않고 포화하는 것도 알 수 있었다. 주파수 증가에 따라 온도차는 일정하게 높아지지만, 5차와 6차의 경우 그 간격이 다소 줄어든 것이 특이하다고 할 수 있었다.
- 측정 초기에 비해 1시간 경과 후에는 약간의 온도 변화가 존재하는 것으로 보이지만, 실제로는 큰 차이가 나지 않았다. 온도는 대부분 골고루 분포하지만, 하단부에서 약간 미세하지만 높게 분포하고 있음을 알 수 있었다. 온도변화는 시간이 지남에 따라 약간씩 증가하다가 어느 정도 시점에서는 더 이상의 증가가 없이 거의 포화에 이른다는 것을 확인할 수 있었다.
- 온도는 대부분 골고루 분포하지만, 하단부에서 약간 미세하지만 높게 분포하고 있음을 알 수 있었다. 온도변화는 시간이 지남에 따라 약간씩 증가하다가 어느 정도 시점에서는 더 이상의 증가가 없이 거의 포화에 이른다는 것을 확인할 수 있었다. 측정결과 최대온도와 주위온도와의 차이는 운전초기에 비해 2시간 운전 후에는 거의 2배에 가깝지만 온도 차는 8[℃]정도로서 낮은 편이다.
- 그리고 3D 온도 분포도는 첫 번째 열화상을 3차원 입체적으로 그린 것이다. 첫 번째 열화상 화면을 살펴보면 콘덴서의 중앙부에는 보빈으로 전극을 감을 수 있게 한 것으로서 처음에는 온도가 높다가 시간이 경과함에 따라 유전체를 감싸고 있는 외부 부분에서도 온도가 보빈 다음으로 높아졌으며 이 두 부분 사이에서는 온도분포가 다소 낮게 분포함을 확인할 수 있었다. 이는 표 4에서 중간부분의 온도곡선에 나타낸 것으로 확인할 수 있으며, 운전초기에 비해 1시간 경과 후에는 거의 온도차가 2배 가까이 나는 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나 본 연구에서는 콘덴서 내부 소자의 온도변화를 확인하기 위해 소자를 밖으로 분리한 다음 전압과 주파수의 변화에 따라 변화를 온도분포를 측정하였다. 측정결과 주파수의 변화에 따라 최대온도와 주위온도와의 차이가 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 온도가 주파수를 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 것이 아니라 어느 정도 지나면 포화되어 더 이상 증가하지 않고 포화된다는 것도 확인할 수 있었다.
- 표 1에서 알 수 있듯이 정격전압으로 운전시 60[㎐]로 운전할 경우 지속적인 사용에서 수명은 1/1.28 (=0.78)로 축소되지만, 같은 주파수에서도 1.3배의 전압이 지속적으로 인가될 경우 수명은 1/17.8(0.056)배로 줄어들게 됨을 알 수 있다. 따라서 전압의 상승은 수명에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 표 5의 상단부 열화상 분포도에서와 같이 운전 초기에 비해 2시간 경과 후 온도분포도를 보면 온도가 매우 높아졌다는 것을 알 수 있었다. 이는 콘덴서의 정격에 비해 높은 전류의 유입으로 인해 콘덴서 내부에서 발생하는 열이 상대적으로 높아졌기 때문이다.
후속연구
- 본 연구결과는 고압의 경우에도 그대로 적용할 수 있을 것으로 생각하며 콘덴서 온도를 높이는 요소를 사전에 줄이고 증가한 온도로 지속적으로 운전하지 않도록 하기 위해서는 전류의 변화를 실시간으로 검지하여 온도상승을 미리 막는 것이 안전한 운전과 콘덴서 수명을 보장하는데 도움이 될 것으로 판단한다.
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