전기추진선박의 운전조건별 전력특성 및 추진전동기 특성 비교 해석 Characteristic Analysis of Integrated Power System and Propulsion Motor Comparison for Electric Vessels According to the Driving Condition원문보기
본 논문에서는 발전기, 스위치보드, VFD, 추진전동기 등으로 구성된 전기추전선박의 전력 네트워크를 모델링하고, 전력조류해석과 단락전류해석을 통하여 계절별 선박 운용에 따른 전력시스템 특성 해석 및 단락사고 발생 시차단기의 용량을 선정한다. 이와 더불어 3.7MW급 유도전동기 및 영구자석형 동기전동기의 정성적, 정량적 비교 해석을 통해 전기선박 추진전동기로 적합성에 대해 추가 고찰한다.
본 논문에서는 발전기, 스위치보드, VFD, 추진전동기 등으로 구성된 전기추전선박의 전력 네트워크를 모델링하고, 전력조류해석과 단락전류해석을 통하여 계절별 선박 운용에 따른 전력시스템 특성 해석 및 단락사고 발생 시차단기의 용량을 선정한다. 이와 더불어 3.7MW급 유도전동기 및 영구자석형 동기전동기의 정성적, 정량적 비교 해석을 통해 전기선박 추진전동기로 적합성에 대해 추가 고찰한다.
This paper deals with the characteristic analysis of the integrated power system applied for the electric propulsion ships. This includes the electric power system modeling which is accomplished with the electric power network mainly composed of generators, switchboards, variable frequency devices, ...
This paper deals with the characteristic analysis of the integrated power system applied for the electric propulsion ships. This includes the electric power system modeling which is accomplished with the electric power network mainly composed of generators, switchboards, variable frequency devices, electric motors, and etc. In addition, performance comparison between the permanent magnet synchronous motor (PMSM) and the induction motor (IM) for 3.7MW ship propulsion has been done. In order to investigated the main performance of propulsion motor, a coupled model taking into account torque density, copper loss, iron loss, efficiency, power factor, and torque ripple using finite element analysis (FEA) has been employed.
This paper deals with the characteristic analysis of the integrated power system applied for the electric propulsion ships. This includes the electric power system modeling which is accomplished with the electric power network mainly composed of generators, switchboards, variable frequency devices, electric motors, and etc. In addition, performance comparison between the permanent magnet synchronous motor (PMSM) and the induction motor (IM) for 3.7MW ship propulsion has been done. In order to investigated the main performance of propulsion motor, a coupled model taking into account torque density, copper loss, iron loss, efficiency, power factor, and torque ripple using finite element analysis (FEA) has been employed.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 유도전동기와 영구자석형 동기전동기를 크기, 출력밀도, 효율 등의 측면에서 비교, 분석하여 전기선박의 추진전동기로써의 적합한 구조의 전동기를 선정하고자 한다.
본 논문에서는 전기추진선박의 시스템 모델링 및 전력특성 해석을 통하여 시스템의 안정성 여부를 검토하였다. 설계한 전력 네트워크의 정상상태 및 3상 단락사고 발생 하에서의 전력조류해석을 통해 그 유효성을 검토하였다.
7MW급 영구자석 동기전동기(PMSM)와 유도전동기 (IM)의 비교 해석을 수행한다. 형상, 토크밀도, 철손 및 동손, 효율, 토크리플 등 시뮬레이션 결과를 바탕으로 어떠한 전동기가 전기선박 추진에 적절한지 제시한다.
제안 방법
비교검토는 추진전동기의 주요한 특성을 나타내는 7개 항목(사이즈, 토크밀도, 손실, 효율, 역률, 토크리플)에 대하여 수행하였으며, 각 모터별 비교검토 항목에 해당하는 정량적 값과 더불어 상호 차이도 기준치에 대한 비교값으로 나타내었다. 3.7MW를 만족할 수 있는 전동기를 설계하여 수치해석기법인 유한요소해석(FEM)을 통하여 특성치를 도출하였다. 표 5에 비교대상으로 삼은 유도전동기와 영구자석형 동기전동기의 검토 모델 사양을 제시하였다.
따라서 본 논문에서는 전력조류계산, 고장전류계산, 신뢰도 해석 및 보호협조 해석 등 안정적인 전력시스템 설계 및 해석이 가능한 ETAP(Electric Transient Analyzer Program)을 이용하여 5개의 발전기와 2개의 추진전동기로 구성된 전기추진선박 시스템의 전력 조류해석(Load Flow Analysis) 수행하여 계절별 전력특성을 분석하고, 단락회로해석(Short Circuit Analysis)을 통해 단락사고 발생 시 시스템 보호를 위한 차단기 용량을 선정한다. 그리고 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 통해 선박 추진용 3.7MW급 영구자석 동기전동기(PMSM)와 유도전동기 (IM)의 비교 해석을 수행한다. 형상, 토크밀도, 철손 및 동손, 효율, 토크리플 등 시뮬레이션 결과를 바탕으로 어떠한 전동기가 전기선박 추진에 적절한지 제시한다.
따라서 본 논문에서는 전력조류계산, 고장전류계산, 신뢰도 해석 및 보호협조 해석 등 안정적인 전력시스템 설계 및 해석이 가능한 ETAP(Electric Transient Analyzer Program)을 이용하여 5개의 발전기와 2개의 추진전동기로 구성된 전기추진선박 시스템의 전력 조류해석(Load Flow Analysis) 수행하여 계절별 전력특성을 분석하고, 단락회로해석(Short Circuit Analysis)을 통해 단락사고 발생 시 시스템 보호를 위한 차단기 용량을 선정한다. 그리고 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 통해 선박 추진용 3.
본 논문에서는 발전기 측의 BUS가 3상 단락되었을 때 각 BUS와 차단기에 흐르는 단락전류와 BUS 전압을 측정하여 차단기의 용량을 선정한다. 한편, 차단기의 용량을 계산하는 식은 다음과 같다.
이와 같은 검토사항은 시스템 모델링의 적절성 여부를 평가하는데 사용된다. 본 논문에서는 봄/가을에 항구에 정박하고 있는 선박과 여름/겨울에 최대속도로 운항 중인 선박, 2가지 경우로 나누어 검토하였다. 먼저, 봄/가을에 정박하고 있는 모드일 경우, 그림 2와 같이 보조 발전기 단 한대만 시스템에 전력공급을 위해 운전된다.
전기추진선박에 설치되는 추진전동기의 용량을 만족하는 농형 유도전동기와 영구자석형 동기전동기를 대상으로 하여 그 특성을 정량적으로 비교검토 하였다. 비교검토는 추진전동기의 주요한 특성을 나타내는 7개 항목(사이즈, 토크밀도, 손실, 효율, 역률, 토크리플)에 대하여 수행하였으며, 각 모터별 비교검토 항목에 해당하는 정량적 값과 더불어 상호 차이도 기준치에 대한 비교값으로 나타내었다. 3.
본 논문에서는 전기추진선박의 시스템 모델링 및 전력특성 해석을 통하여 시스템의 안정성 여부를 검토하였다. 설계한 전력 네트워크의 정상상태 및 3상 단락사고 발생 하에서의 전력조류해석을 통해 그 유효성을 검토하였다. 특히, 계절별 선박운용에 따른 전력시스템 특성 해석 및 단락사고 발생 시 선박이 안전하게 귀항 가능하도록 차단기의 용량을 선정하여 하였다.
이 방법을 기반으로 발전기 출력량과 총부하량을 비교하여 발전기의 과부하 여부를 관찰하고, BUS 전압의 변동이 전압제한조건(IEEE Std. 141-1993, 5%미만)에 적합한지 검토한다. 이와 같은 검토사항은 시스템 모델링의 적절성 여부를 평가하는데 사용된다.
전기추진선박에 설치되는 추진전동기의 용량을 만족하는 농형 유도전동기와 영구자석형 동기전동기를 대상으로 하여 그 특성을 정량적으로 비교검토 하였다. 비교검토는 추진전동기의 주요한 특성을 나타내는 7개 항목(사이즈, 토크밀도, 손실, 효율, 역률, 토크리플)에 대하여 수행하였으며, 각 모터별 비교검토 항목에 해당하는 정량적 값과 더불어 상호 차이도 기준치에 대한 비교값으로 나타내었다.
설계한 전력 네트워크의 정상상태 및 3상 단락사고 발생 하에서의 전력조류해석을 통해 그 유효성을 검토하였다. 특히, 계절별 선박운용에 따른 전력시스템 특성 해석 및 단락사고 발생 시 선박이 안전하게 귀항 가능하도록 차단기의 용량을 선정하여 하였다.
이론/모형
전력조류해석을 위한 수치계산 기법으로는 Newton-Rapson Method, Fast-Decoupled Method, Accelerated Gauss-Seidel Method 등이 사용되지만, 본 논문에서는 수렴속도가 빠르고 안정적인 Newton-Rapson Method를 적용하였다[4].
성능/효과
반면, 영구자석형 동기전동기 또한 고효율 및 높은 출력밀도 등의 특징으로 인해 최근 들어 추진전동기로 폭넓게 사용되고 있다. 권선형 동기전동기 및 유도전동기와 같은 전통의 전동기와 비교하여, 회전자 손실이 줄어들어 출력밀도 및 효율이 증대되었다. 하지만 고온에서 동작 시 감자의 위험이 존재하고, 영구자석 가격이 낮아졌음에도 불구하고 여전히 영구자 석형 전동기는 유도전동기보다 비싸다는 단점이 있다.
입력조건이 동일할 때 일반적으로 영구자석형 동기 전동기가 유도전동기에 비해 상대적으로 높은 토크밀도를 나타낸다고 알려져 있다. 본 논문에서도 동일한 외경에서 영구자석형 동기전동기의 적층길이가 유도 전동기에 비해 38.3% 작게 나타났다. 검토 모델의 형상 및 구조는 그림 5와 같다.
아울러, 선박 추진용으로 사용되는 두 전동기 간의 비교 검토를 통해 영구자석형 동기전동기가 유도전동기에 비해 전반적으로 더 우수한 성능을 나타냄을 볼 수 있었다. 하지만 이는 단지 전기추진선박용 전동기의 임의적인 설계 결과로 설계 변수에 따라 얼마든지 결과값은 바뀔 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 선박의 전기추진시스 템은 어느 곳에서 이용되고 있는가?
선박의 전기추진시스템은 2차 세계대전 중 미해군 함정에 폭넓게 적용되었으나 전후 고효율의 디젤엔진 개발 및 기계적인 드라이브 기술 향상으로 인해 80년대까지 별다른 이목을 끌지 못하였다. 하지만 이후 전력소자 및 제어기술의 발달로 현재의 전기추진시스 템은 급속한 발전을 이루었고, 현재 크루즈선, 드릴쉽, 군함 등 다양한 종류의 선박에 적용되고 있다.
원동기의 Redundancy의 이점은 무엇인가?
이러한 전기추진시스템은 디젤엔진-기계시스템과 비교하여 높은 에너지 효율 및 저소음, 저진동, 가제어성 등의 많은 장점을 지니고 있다. 특히, 원동기의 Redundancy는 시스템의 전반적인 신뢰성 및 승무원의 생존 가능성을 향상시키고, 장비 배치에 있어 유동적인 설계가 가능하다[1].
전력조류해석을 통해 무엇을 산출할 수 있는가?
전력조류해석은 선박의 다양한 동작 상태에서 전력 시스템의 정상상태 성능 해석 및 시스템의 전력특성을 분석하는데 사용된다. 이를 통해 각 선로에 흐르는 전력조류 및 타계통과 연결하는 변압기에서의 전력조류, 각 BUS에서의 전압 크기와 위상각 산출이 가능하다.
참고문헌 (6)
ABB Company Ltd, "Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion," 04. 12, 2003.
D. H. Clayton, S. D. Sudhoff, and G. F. Grater, "Electric Ship Drive and Power System", Conference Record of the 2004 24th International Power Modulation Symposium, pp.85-88, 2000.
P. Lettelier, "Electric Propulsion Motors," Electric Propulsion; The Effective Solution, IMarest Conference Proceedings, 5-6 October 1995. pp. 7.1-7.8
A. J. Mitcham, J. J. A. Cullen, "Motors and Drives for Surface Ship Propulsion: Comparison of Technologies," Electric Propulsion; The Effective Solution, IMarE Conference Proceedings, 5-6 October 1995. pp. 4.1-4.9
E. Schroeder, M. Pichot, A. Ouroua, M. Flynn, and J. Beno, "Development of electric propulsion motors with integrated power electronics", presented at the Electric Machine Technology Symposium, Bristol, UK, 2004.
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