최근 선박의 부식을 방지할 목적으로 전기적인 방식 장치를 이용하여 선체와 프로펠러의 부식을 방지하는 장치가 많이 이용되고 있는 추세이다. 그러나 전기적 방식 방법은 선체 내부의 전원장치에 의해 선체 주위의 해수로 전류를 방사하여 선체와 프로펠러가 부식이 되지 않는 상태로 인위적으로 만들어 주는 방법을 사용하는데, 해수에 방사되는 방식전류로 인하여 선체 외부에서 전자장 신호가 발생하게 된다. 본 논문에서는 선체 외부의 수중에서 발생하는 전자장 신호를 분석하고, 이에 대한 감소 대책에 대한 연구를 수행하는 것을 목표로 하였다. 기존의 축 접지 시스템에서는 축 전위가 100[mV] 이상 이며, 교류 전류 성분이 전체의 10% 이상을 차지하였으나, 본 논문에서는 방식전류내에서 교류전자장을 발생하는 교류 전류 성분과 축 전위가 각각 1% 와 2[mV]이내로 유지되게 하는 제어 시스템을 설계하고, 모의 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다.
최근 선박의 부식을 방지할 목적으로 전기적인 방식 장치를 이용하여 선체와 프로펠러의 부식을 방지하는 장치가 많이 이용되고 있는 추세이다. 그러나 전기적 방식 방법은 선체 내부의 전원장치에 의해 선체 주위의 해수로 전류를 방사하여 선체와 프로펠러가 부식이 되지 않는 상태로 인위적으로 만들어 주는 방법을 사용하는데, 해수에 방사되는 방식전류로 인하여 선체 외부에서 전자장 신호가 발생하게 된다. 본 논문에서는 선체 외부의 수중에서 발생하는 전자장 신호를 분석하고, 이에 대한 감소 대책에 대한 연구를 수행하는 것을 목표로 하였다. 기존의 축 접지 시스템에서는 축 전위가 100[mV] 이상 이며, 교류 전류 성분이 전체의 10% 이상을 차지하였으나, 본 논문에서는 방식전류내에서 교류전자장을 발생하는 교류 전류 성분과 축 전위가 각각 1% 와 2[mV]이내로 유지되게 하는 제어 시스템을 설계하고, 모의 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다.
Recently, for the purpose of preventing the corrosion of a vessel, the electrical corrosion protection device that prevents the corrosions of the hull and the propeller is widely used. However, the electrical corrosion protection method artificially emits the current into the seawater around the hul...
Recently, for the purpose of preventing the corrosion of a vessel, the electrical corrosion protection device that prevents the corrosions of the hull and the propeller is widely used. However, the electrical corrosion protection method artificially emits the current into the seawater around the hull using the power supply in order to make the hull and propeller be in the state of not being corrosion, so that electromagnetic field is generated outside the hull by the current emitted into the seawater. In this paper, the static and alternating constituents of the electromagnetic field generated in underwater outside the hull are analyzed and a countermeasure is investigated to reduce the strength of the electromagnetic field. In conventional shaft grounding system, the shaft potential is maintained above at least 100mV and the alternating current component constitutes more than 10% of the total current. However, in this paper, a control system was designed in order that the alternating current component and the shaft potential which generate electromagnetic field are maintained within 1% and 2mV respectively, and the performance was verified by simulation.
Recently, for the purpose of preventing the corrosion of a vessel, the electrical corrosion protection device that prevents the corrosions of the hull and the propeller is widely used. However, the electrical corrosion protection method artificially emits the current into the seawater around the hull using the power supply in order to make the hull and propeller be in the state of not being corrosion, so that electromagnetic field is generated outside the hull by the current emitted into the seawater. In this paper, the static and alternating constituents of the electromagnetic field generated in underwater outside the hull are analyzed and a countermeasure is investigated to reduce the strength of the electromagnetic field. In conventional shaft grounding system, the shaft potential is maintained above at least 100mV and the alternating current component constitutes more than 10% of the total current. However, in this paper, a control system was designed in order that the alternating current component and the shaft potential which generate electromagnetic field are maintained within 1% and 2mV respectively, and the performance was verified by simulation.
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문제 정의
대하여 집중적으로 분석한다. 그런 후, 선박 운행에 따른 교류 전자장 발생에 대하여 논의하고, 이에 대한 대응책의 하나로써 능동 축 접지(ASG: Active Shaft Grounding) 시스템 설계에 관한 기술을 제안하기로 한다.
따라서 본 논문에서는 프로펠러와 축계 사이에 별도의 장치를 연결하고 프로펠러와 축계통을 통해서 선체로 흐르는 전류를 별도의 장치를 통해 선체로 흐르도록 하여, 축계에 누적피로나 수명저하를 방지하고, 또한 부식 방지 전류가 일정하게 유지할 수 있도록, 축 전위변화를 능동적으로 대처하여 동작하는 축 접지 시스템설계에 대하여 연구하였다. 선행 연구에서는 볼 수 없었던, 교류전자기장 성분으로 인한 자기장 발생에 대하여 이론적으로 해석하고, 교류 전자기장 성분을 발생시키는 교류 전류 성분을 제거할 수 있는 실제적인 제어시스템을 설계하고, 모의실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
가설 설정
모의 실험 환경은 실제 해수의 평균 염도를 고려한 30[‰]의 해수로 가정하였으며, 유전상수 80, 전도율은 4[mho/m]로 가정하였다. 약 5000:1 비율로 축소된 모델을 기반으로 하였으며, 선체(steel) 및 프로펠러(청동 합금 계열) 등은 실제 선박의 소재 및 구성을 기반으로 하였다.
약 5000:1 비율로 축소된 모델을 기반으로 하였으며, 선체(steel) 및 프로펠러(청동 합금 계열) 등은 실제 선박의 소재 및 구성을 기반으로 하였다. 모의실험을 위하여 선체 도장의 약 10%정도의 부분 도장 손실을 가정하였는데, 이는 부식 방지장치의 30% 용량에 해당되며, 마찬가지로 부하로서 약 30% 정도에 해당한다. 선박의 부식 방지 장치는 1개의 양극을 통해 동작하는 장치를 모의하였다.
제안 방법
anode-hull-propeller 는 전도성이 뛰어난, steel 재질로 모의하고, 도장면을 절연체로 모의하였다. 선박에서 anode와 프로펠러만 해수와 접촉을 한 상태이며, 그 외 –z축은 바닷물로 재질을 모의하였다.
그러나 레퍼런스 제어 모델에서는 축-선체로 흐르는 전류를 제어할 수 없어, 임피던스 편차에 따라 전류가 분배되어 지고, 이 전류로 인하여 축계 시스템에 영향을 미칠 수 있다고 생각할 수 있다. 따라서 각 경로 상의 전류를 제어 시스템에서 제어가 가능한 오프셋 제어 시스템을 반영하여 축 전류와 능동 축 접지 제어 장치로 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있도록 제어 시스템을 제안하였다. 그리고 실제 하드웨어 상의 출력 제한을 고려하여 제어모델에도 이를 반영하여 설계하였음을 알 수 있다.
실제 제어 시스템의 경우 전류제어를 위하여 트랜지스터의 베이스를 제어하여야 하며, 제어출력의 최대, 최소가 시스템의 하드웨어에 의해 결정되어 있는 경우가 대부분이며, PID 출력 포화는 하드웨어의 최대, 최소값을 초과하여 출력할 수 없음을 의미한다. 따라서 이러한 부분을 고려하여 제어 시스템에 반영하여 시스템의 성능을 모의하였다. 또한 축 접지의 회전에 의하여 접지 장치의 임피던스 변화 성분을 비선형 저항모델로 등가화 시켜 전체 축 접지 제어 시스템을 모의 하였다.
따라서 이러한 부분을 고려하여 제어 시스템에 반영하여 시스템의 성능을 모의하였다. 또한 축 접지의 회전에 의하여 접지 장치의 임피던스 변화 성분을 비선형 저항모델로 등가화 시켜 전체 축 접지 제어 시스템을 모의 하였다.
분석을 진행하였다. 먼저, 간이 모델링을 통해서 해석 가능성을 검증한 뒤, 실제 모델과 유사한 모델링을 통하여 분석하였다. 실제 지구자기장에 의한 영향도 고려되어야 하나 본 해석에서는 선박의 부식 방지 장치에 의해 발생되는 전자장 성분을 분석하기 위하여 지구자기장의 영향은 무시하였다.
따라서 수중으로 방사하는 전자장 성분 중 교류성분이 포함되게 되며, 이 교류 자기장 성분으로 인하여 감시 방어 체계의 최종 감지 신호로 이용될 수 있기 때문에, 교류 자기장 성분을 제거할 수 있는 방법이 필요하다. 본 논문에서 제안하는 제어 방식은 능동적으로 축 접지로 흐르는 전류를 제어하는 시스템이다. 전체 제어 개념 설계의 접근은 간단하다.
본 논문에서는 먼저, 선체의 부식을 방지하기 위한 전기적인 부식방지장치에 의해서 발생되는 수중 전자장에 대하여 집중적으로 분석한다. 그런 후, 선박 운행에 따른 교류 전자장 발생에 대하여 논의하고, 이에 대한 대응책의 하나로써 능동 축 접지(ASG: Active Shaft Grounding) 시스템 설계에 관한 기술을 제안하기로 한다.
선박에서 발생되는 수중 전자장에 대한 수학적 모델을 기반으로, 기구적 모델링을 통하여 전자장 발생에 대한 분석을 진행하였다. 먼저, 간이 모델링을 통해서 해석 가능성을 검증한 뒤, 실제 모델과 유사한 모델링을 통하여 분석하였다.
모의실험을 위하여 선체 도장의 약 10%정도의 부분 도장 손실을 가정하였는데, 이는 부식 방지장치의 30% 용량에 해당되며, 마찬가지로 부하로서 약 30% 정도에 해당한다. 선박의 부식 방지 장치는 1개의 양극을 통해 동작하는 장치를 모의하였다. 실험결과는 축 접지 제어 시스템이 적용되지 않은 경우와 적용된 경우의 비교를 나타낸다.
이제 실제 선박 형상을 토대로 하여 축소 모델에 대한 전자장 시뮬레이션을 진행하였다. 실제 선박의 해석에 필요한 부분만 형상화 하여 그림4와 같이 모델을 구성하고, 약 5000:1 비율로 축소하여 모델을 형상하여, 전자장을 해석하였다.
가정하였다. 약 5000:1 비율로 축소된 모델을 기반으로 하였으며, 선체(steel) 및 프로펠러(청동 합금 계열) 등은 실제 선박의 소재 및 구성을 기반으로 하였다. 모의실험을 위하여 선체 도장의 약 10%정도의 부분 도장 손실을 가정하였는데, 이는 부식 방지장치의 30% 용량에 해당되며, 마찬가지로 부하로서 약 30% 정도에 해당한다.
4절에서는 수학적 해석모델을 기반으로 한 기구적 모델링을 통하여 축소 모형을 모의하였다. 여기서는, 2.4절에서 설계된 축소모델의 기구적 구조(염도 30[‰]의 해수, 철 재질의 선체, 청동 합금 계열 소재의 프로펠러, 선체도장 등)를 전기적 등가회로로 변환하여 matlab기반의 전기적 모델링 구조를 설계하고, 이를 토대로 제어 시스템을 설계하였다. 제어시스템은 레퍼런스제어, 오프셋제어, 비례적분제어로 각각 분리하여 성능 및 특성을 분석하였고, 각 제어의 특성을 고려하여 장점만을 접목한 ROP (Reference + Offset + PID Saturation ) 제어시스템을 제안한다.
간이 모델을 통하여 전자장의 해석 과정과 간략한 결과를 통하여, 실행 가능성을 검증하였다. 이제 실제 선박 형상을 토대로 하여 축소 모델에 대한 전자장 시뮬레이션을 진행하였다. 실제 선박의 해석에 필요한 부분만 형상화 하여 그림4와 같이 모델을 구성하고, 약 5000:1 비율로 축소하여 모델을 형상하여, 전자장을 해석하였다.
제안하는 제어 시스템을 모의하여 제어 시스템의 성능을 평가하였다. 앞의 2.
4절에서 설계된 축소모델의 기구적 구조(염도 30[‰]의 해수, 철 재질의 선체, 청동 합금 계열 소재의 프로펠러, 선체도장 등)를 전기적 등가회로로 변환하여 matlab기반의 전기적 모델링 구조를 설계하고, 이를 토대로 제어 시스템을 설계하였다. 제어시스템은 레퍼런스제어, 오프셋제어, 비례적분제어로 각각 분리하여 성능 및 특성을 분석하였고, 각 제어의 특성을 고려하여 장점만을 접목한 ROP (Reference + Offset + PID Saturation ) 제어시스템을 제안한다. 그림 8은 본 논문에서 제안하는 능동 축 접지 시스템에 대한 ROP 제어시스템이며, 이는 축 전위를 일정하게 유지하는 제어 시스템과 축 전류를 일정량 이하로 제어할 오프셋 제어 시스템에 실제 PID 출력 포화를 적용한 시스템이다.
대상 데이터
선박에서 anode와 프로펠러만 해수와 접촉을 한 상태이며, 그 외 –z축은 바닷물로 재질을 모의하였다.
성능/효과
간이 모델을 통하여 전자장의 해석 과정과 간략한 결과를 통하여, 실행 가능성을 검증하였다. 이제 실제 선박 형상을 토대로 하여 축소 모델에 대한 전자장 시뮬레이션을 진행하였다.
모델링을 기반으로 한 모의실험 결과, 약 10% 도장 손실에 대해서, 수동 축 접지 시스템에서 선박 프로펠러의 회전에 의한 교류 성분이 검출되었는데, 약 100[mV]이상의 축 전위와 약 3-4[A]의 전류 변동성분을 보였다. 능동 축 접지 시스템을 적용한 경우, 축 전위성분이 2[mV] 이내로 유지되었으며, 프로펠러 전류 경로상의 교류 전류 성분이 최대 99.9%(제어 트리거 동작 시 약간의 변동 성분 존재) 가깝게 제거됨을 확인 할 수 있었다. 교류 성분의 제거라 함은 부식 방지 장치에 의해서 부식을 방지하기 위한 방식 전류를 해수에 방사하는데 이 해수에 방사되는 전류가 직류 성분 외에 교류 성분이 포함 되는지의 여부에 따라 가부를 확인할 수 있다.
따라서, 능동 축 접지 시스템을 적용하여 선박의 부식 방지 장치에 의해 발생되는 교류 전자장 신호원을 제거할 수 있음을 알 수 있다. 모델링을 기반으로 한 모의실험 결과, 약 10% 도장 손실에 대해서, 수동 축 접지 시스템에서 선박 프로펠러의 회전에 의한 교류 성분이 검출되었는데, 약 100[mV]이상의 축 전위와 약 3-4[A]의 전류 변동성분을 보였다. 능동 축 접지 시스템을 적용한 경우, 축 전위성분이 2[mV] 이내로 유지되었으며, 프로펠러 전류 경로상의 교류 전류 성분이 최대 99.
선체에서 해수로 흘러 나가는 전류는 각각 직류 전류의 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있으며, 그림 10과 같이 선체 내부에서는 프로펠러 회전에 따른 축 전류 변화 성분을 감지하여 변화량을 능동 축 접지 시스템에서 레퍼런스 제어 시스템을 통하여 제어하고 있는 것을 보여주고 있다. 따라서 변화 성분을 내부에서 보상을 하고 있기 때문에 해수를 통해 프로펠러로 흘러 들어가는 전류()는 약간의 변동 성분을 보이지만 거의 직류성분을 유지하고 있음을 볼 수 있다.
것에 대한 비교 모의 결과이다. 양극봉 끝부분에서 -z축 방향의 선상에서 나타나는 자속밀도의 크기를 추출한 결과이며, 거리가 멀어질수록 형태의 감소를 보이고 있지만, 교류 성분이 포함되지 않는 앞선 결과보다 훨씬 큰 자속밀도의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 청색 실선이 능동 축 접지 시스템을 적용하지 않은 경우의 자속 밀도 결과 이며, 적색 실선이 능동 축 접지 시스템을 적용한 경우의 자속 밀도를 나타낸다.
후속연구
그리고 실제 하드웨어 상의 출력 제한을 고려하여 제어모델에도 이를 반영하여 설계하였음을 알 수 있다. 전체적으로 제어 시스템의 속응성과 오차 제거율 등이 뛰어난 시스템이 설계되었으며, 향후 실제 시스템 개발에 있어서도 본 논문의 실험결과가 도움이 될 것으로 기대한다. 향후, 실제의 선박에 더욱 근접한 시스템을 모의하여, 많은 실험을 통해 문제점과 개선점을 분석해 나갈 예정이다.
전체적으로 제어 시스템의 속응성과 오차 제거율 등이 뛰어난 시스템이 설계되었으며, 향후 실제 시스템 개발에 있어서도 본 논문의 실험결과가 도움이 될 것으로 기대한다. 향후, 실제의 선박에 더욱 근접한 시스템을 모의하여, 많은 실험을 통해 문제점과 개선점을 분석해 나갈 예정이다.
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