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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이에 따라 변압기 탱크의 모드해석을 통하여 진동형태를 해석하고 ANC시스템을 적용하여 현장 변압기를 대상으로 실험을 하였으며, 그 결과를 통해 전력용변압기의 소음을 저감하는데 기여할 뿐만 아니라 점차적으로 확대하여 실용화를 시키고자 한다.
제안 방법
- ANC 시스템의 하드웨어 전체블록도는 그림 4와 같이 구성하였으며, Error microphone과 speaker 및 main amplifier를 제외한 기능들은 회로를 설계하여 one board PCB로 제작하였다.
- 제어하고자 하는 주파수가 120, 240, 360Hz 이므로 차단주파수를 500Hz로 정하였다. 또한 reference generator는 120, 240, 360Hz 주파수의 크기와 합성된 주파수의 크기를 조정할 수 있도록 설계하였으며, 마이크로프로세서의 프로그램을 변경하므로 제어할 주파수도 변경할 수 있다.
- 먼저 모의실험조건은 그림 6과 같이 스피커의 소음 신호와 스피커의 기준발생제어출력과 에러마이크로폰의 위치를 일직선이 되게 하였으며, 각 제어주파수에 따라 오실로스코프로 측정하였다. 그 결과 단일 음인 120Hz, 240Hz의 경우 그림 7 ~ 8과 표 1과 같이 측정되었으며, 240Hz에서는 그림 10에서처럼 에러마이크로폰 출력의 22.
- 모의실험 조건은 소음과 제어출력과 에러마이크로폰의 위치에 따라 두 가지로 구별하였으며, 제어주파수 120Hz, 240Hz의 단일음 주파수에 대한 데이터를 측정하였다.
- 본 논문에서는 Mobility 측정을 통해 단상 전력용 변압기의 구조진동을 분석하였고 FXLAMS 알고리즘을 적용한 능동소음제어시스템을 이용한 운전 중 변압기 소음저감에 관한 모의실험 및 현장실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 대형 변압기의 소음제어에 많이 활용되고 있는 LMS방법을 근거로 한 Filtered-X LMS 알고리즘을 이용하여 제어하도록 하였다. 제어출력으로부터 센서까지의 시스템이 존재할 때, 이를 고려하여 Filtered-X LMS알고리즘을 적용하였으며, 이에 대한 블록선도는 그림 3과 같이 나타내었다.
- 제어하고자 하는 주파수가 120, 240, 360Hz 이므로 차단주파수를 500Hz로 정하였다. 또한 reference generator는 120, 240, 360Hz 주파수의 크기와 합성된 주파수의 크기를 조정할 수 있도록 설계하였으며, 마이크로프로세서의 프로그램을 변경하므로 제어할 주파수도 변경할 수 있다.
대상 데이터
- 모드해석 방법으로 Block Lanczos를 이용하기 위한 Node size는 173,249이고, Element size는 87,016로 설정하였다. 해석 Tool로는 ANSYS를 이용하였으며 mesh를 구성하고 있는 사면체 요소를 사용하였다.
- 본 연구에서 변압기에 대한 FEM을 위해 Young's Modulus의 경계조건은 200GPa (Cast Carbon Steel 기준)이고, Density는 7,800kg/m3 이고, Poisson's ratio는 0.32로 하였으며, Prism/Tetrahedral 요소는 사용하지 않았다.
- 현장 실험하는데 조건은 표 2와 같이 수행하였으며, 그림9의 우측과 같이 15개소에서 제어를 하였으며, 소음측정 위치는 그림 9의 우측 하단과 같이 4개소에서 실시하였고 제어주파수 120Hz, 240Hz의 단일 음에 대한 데이터를 측정한 결과를 그림 11～14 및 표 3에 나타내었다.
데이터처리
- 모드해석 방법으로 Block Lanczos를 이용하기 위한 Node size는 173,249이고, Element size는 87,016로 설정하였다. 해석 Tool로는 ANSYS를 이용하였으며 mesh를 구성하고 있는 사면체 요소를 사용하였다.
이론/모형
- FXLMS 알고리즘은 LMS 방법에서와 동일하게 순간에러 제곱인 e2(k) 최소화하기 위해 최소강하법을 이용한다.
- 본 연구에서는 대형 변압기의 소음제어에 많이 활용되고 있는 LMS방법을 근거로 한 Filtered-X LMS 알고리즘을 이용하여 제어하도록 하였다. 제어출력으로부터 센서까지의 시스템이 존재할 때, 이를 고려하여 Filtered-X LMS알고리즘을 적용하였으며, 이에 대한 블록선도는 그림 3과 같이 나타내었다.
성능/효과
- 그 결과 단일 음인 120Hz, 240Hz의 경우 그림 7 ~ 8과 표 1과 같이 측정되었으며, 240Hz에서는 그림 10에서처럼 에러마이크로폰 출력의 22.3dB 정도로 감소하였다.
- 3dB 정도로 감소하였다. 또한 120Hz와 240Hz를 동시에 소음제어를 하였을 경우 24.4dB로 단독 주파수를 제어할 때 보다 더 많이 감쇄됨을 알 수 있었다. 이는 인접한 경우의 주파수일 경우에만 한정된 현상에서만 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 변압기에 공진시험 결과 외함 공진은 변압기의 구조 해석 및 동적 응답 특성을 해석으로 고유모드 해석한 결과 120Hz, 240Hz 부근에 존재하는 고유주파수가 검출되었으며, 이 주파수가 진동을 유발할 가능성이 있다고 판단하였다.
- 변압기의 구조 해석 및 동적 응답 특성을 고유모드로 해석한 결과 120Hz, 240Hz 부근에 존재하는 고유주파수가 검출되었으며, 이는 공진에 의한 진동을 유발할 가능성이 있다고 판단되었다.
- 아울러 개발한 ANC시스템을 이용하여 제어주파수 120Hz, 240Hz의 단일 음에 대한 현장변압기 데이터를 측정한 결과 변압기의 소음을 적게는 7.0dB에서 9.2dB 정도로, 많게는 13.0dB에서 25.1dB 정도 감쇠하는 효과를 확인하였다. 이러한 결과에서 에러마이크로폰의 위치별로 상호 간섭이 발생 것을 해결한다면 보다 만족되는 소음 제어를 할 수 있을 것이다.
- 측정 결과, 각 주파수 120Hz은 95.55dB, 240Hz는 82.59dB, 360Hz는 84.07dB, 480Hz는 80.62dB, 600Hz는 75.05dB, 720Hz는 72.56dB로 각각 최대치를 나타내었다.
후속연구
- 1dB 정도 감쇠하는 효과를 확인하였다. 이러한 결과에서 에러마이크로폰의 위치별로 상호 간섭이 발생 것을 해결한다면 보다 만족되는 소음 제어를 할 수 있을 것이다. 차 후 이에 대한 연구가 추가로 진행될 것이다.
- 이와 같은 결론을 이용하여 운전 중인 전력용변압기에 적용할 경우, 변전소 인근 주민으로부터 발생되는 민원을 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 변전소나 발전소에서 근무하는 작업자들의 직업병을 해소하며, 또한 작업능률 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
- 이러한 결과에서 에러마이크로폰의 위치별로 상호 간섭이 발생 것을 해결한다면 보다 만족되는 소음 제어를 할 수 있을 것이다. 차 후 이에 대한 연구가 추가로 진행될 것이다.
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