[논문]선박 및 해양플랜트용 디지털 자동전압조정기 개발에 대한 연구

이준수; 윤경국; 김종수

doi:10.5916/jkosme.2016.40.1.39

선박 및 해양플랜트용 디지털 자동전압조정기 개발에 대한 연구
A study on the development of digital AVR for ship and offshore 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.40 no.1, 2016년, pp.39 - 44

이준수 (Syssun Techin) , 윤경국 (Seanet) , 김종수 (Division of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper

선박 및 해양플랜트용 자동전압조정기(AVR)는 발전기의 출력전압을 실시간 검출하여 기준 전압으로 조정하는 장치로서 기존에는 아날로그 타입의 자동전압조정기가 주로 사용되었지만 목표값에 대한 응답성과 신속성의 개선이 요구됨으로써 디지털 방식의 전압조정기로 대체되는 추세이다. 본 논문에서는 부하변동이 심하고 운전 환경이 열악한 해양플랜트 발전기용 자동전압조정기의 특성에 적합한 디지털 자동전압조정기 시스템을 새롭게 구성하였으며 부하변동 및 임의의 출력전압 변동 실험을 통해 안정성과 속응성을 비교하여 우수성을 입증하였다. 또한, 실시간으로 발전기의 출력 전압과 여자기의 계자전류를 감시하고 자동전압조정기의 게인 값을 편리하게 조정할 수 있는 통합제어시스템을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Automated voltage regulators (AVRs) are used on ships and offshore to automatically adjust the voltage based on real-time output voltage readings of the generator engine. Analog-type AVR was previously more commonly used, but is slowly being replaced with digital-type AVR because of increased demands of response time. This study presents a new digital AVR system that contains appropriate features of the AVR with respect to offshore unstable load conditions and poor operating conditions. Furthermore, experiments of load and voltage change prove the excellence of stability and response of the proposed system compared to previous AVR systems. Additionally, an integrated control system for a monitoring the output voltage and field current was developed to easily set the gain value.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 육상과 달리 진동, 수분 등의 운전 환경적인 측면의 차이와 부하변동이 빈번한 운전 특성적인 측면에서 강인성을 가질 수 있는 구성부로 제작된 디지털 자동전압조정기의 개발과 실시간으로 발전기의 출력 전압과 여자기의 계자전류를 감시하고 자동전압조정기의 게인 값을 편리하게 조정할 수 있는 통합제어시스템을 개발 하는 것에 초점을 맞추었다[2].

제안 방법

개발된 통합제어시스템은 LabVIEW로 구성되어 사용자 인터페이스가 매우 친숙하며 직관성이 우수하도록 구성 하였다. RS-232 통신으로 디지털 자동전압조정기와 통신으로 데이터와 제어 값을 송수신 한다.
경제성을 위하여 고가의 32비트 CPU 대신 RISC 구조의 8 비트 CPU를 사용하였고, 대부분의 부품들을 SMD 타입으로 구성하여 디지털 자동전압정기의 소형화를 이루었다.
내구성을 위하여 기존의 자동전압정기들이 주로 채용하는 사이리스터 대신에 스위칭 속도가 빠르며 과전압 특성이 우수한 IGBT를 채용하였고 열악한 설치 환경과 장기간 운전에 대비하여 방열 능력이 우수한 케이스 일체형 방열 판을 개발하여 적용하였다. 특히 선박 및 해양플랜트 내의 EMC 환경에 적용이 용이하도록 EMC 필터를 자동전압정기 내부에 설치하였다.
CPU는 경제성과 내구성이 우수한 Microchip 사의 8비트 CPU 인 PIC16F883을 채용하였다. 대부분의 디지털 AVR들이 고가의 32비트 CPU를 채용하고 있으나 본 과제에서 는 연산량이 많은 부분을 기계어로 간략화 하고 명령어의 수를 최소한으로 줄인 RISC(Reduced Instruction SetComputer) 구조의 CPU를 채용하여 가격대비 성능이 우수한 시스템으로 구성하였다. CPU 에서는 변압기를 통해서 입력 받은 전압 값을 토대로 발전기 출력 전압 값과 출력 주파수를 감지하고 출력 제어 값을 연산한다.
디지털 자동전압조정기의 부하 및 전압변동에 대한 안정성과 속응성을 평가하기 위한 실험장치는 정격전압 380[V], 정격전류 50[A], 정격출력 20[KVA]의 동기발전기, 부하장치, 디지털 전압조정기 부분으로 구성하였으며 또한, 편리한 게인값 조정을 위한 실효성을 입증하기 위해 통합제어 시스템을 개발하여 설치하였다. 실험장치의 전체 구성은 Figure 11과 같다.
본 연구에서는 선박 및 해양플랜트의 진동, 소음 및 수분 등에 노출이 심한 운전환경과 빈번한 부하변동의 운전 특성을 고려하여 강인성을 갖춘 하드웨어를 구성하였으며 발전기 출력전압의 조정 성능에 있어서도 안정성과 속응성이 우수한 결과를 얻었다. 또한, 기존 디지털 전압조정기에 설치되지 않은 통합제어시스템을 구성하여 실시간으로 발전기 출력전압 및 여자기 계자전류를 모니터링하고 디지털 자동전압조정기 의 응답특성 향상을 위한 게인 값을 편리하게 조정할 수 있도록 하였으며 그 유효성을 실험을 통해 확인하였다.
각 변압이 이루어진 전압은 정류자를 통해 AC에서 DC로 변환시켜 각 회로에 전원을 공급한다. 본 논문에 사용된 정류자는 PCB에 적합하게 설계되었다.
CPU는 디지털 자동전압조정기의 기준값 설정과 아날로그 신호를 DSP(Digital Signal Processing) 하여 제어대상을 제어하기 위한 소자이다. 본 논문에서는 PIC16F883 마이크 로칩을 이용해 변환한 디지털 신호로 제어기 및 표시장치와 송수신하여 적절한 조작량을 PWM 신호로 바꾸어 IGBT 게이트 드라이브를 작동시킨다.
본 논문에서는 빠르게 전류의 흐름을 막거나 통하게 하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용함으로써 정밀한 전압 조정을 구현하였다. 제어대상의 주 회로에서 공급되는 전원은 교류이므로 정류자를 통해 직류로 변환하여 전기자에 전원을 공급하게 된다.
본 연구에서는 선박 및 해양플랜트의 특수한 운전 환경에 적합한 자동전압조정기의 하드웨어 구성과 선박의 입·출항과 해양플랜트의 작업 시 빈번한 부하변동에도 안정성과 속응성이 우수한 제어특성을 보일 수 있는 시스템을 개발하였으며, 기존의 디지털 자동전압기에는 구성되지 않은 통합제어시스템을 추가하여 실시간으로 발전기의 출력전압과 여자기의 계자전류를 감시하고 게인 값을 편리하게 조정 할 수 있도록 하였다.
주요 구성부는 발전기 출력전압을 검출하는 전압검출회로, 출력전압 비교 및 신호 증폭을 위한 비교회로, 점호펄스회로, 전압변동에 대한 응답이 늦어져서 발전기가 불안 정한 상태 시 발생되는 난조를 방지하기 위한 댐핑 회로, 발전기 계자권선의 인덕턴스가 커져서 그 양단에 과대한 전압이 발생하여 정류기가 파손되는 것을 방지하는 슬라이스 회로 등으로 구성된다.

대상 데이터

동기발 전기 출력전압이 변압기를 통해서 CPU 회로에 공급된다. CPU는 경제성과 내구성이 우수한 Microchip 사의 8비트 CPU 인 PIC16F883을 채용하였다. 대부분의 디지털 AVR들이 고가의 32비트 CPU를 채용하고 있으나 본 과제에서 는 연산량이 많은 부분을 기계어로 간략화 하고 명령어의 수를 최소한으로 줄인 RISC(Reduced Instruction SetComputer) 구조의 CPU를 채용하여 가격대비 성능이 우수한 시스템으로 구성하였다.

성능/효과

본 연구에서 개발한 선박용 디지털 자동전압조정기는 다음 Figure 9와 같다. 본 과제에서 개발한 디지털 자동전압조 정기는 실제 선박과 해양플랜트에 사용하기 적합하도록 내구성과 경제성이 매우 우수하다.
본 연구에서는 선박 및 해양플랜트의 진동, 소음 및 수분 등에 노출이 심한 운전환경과 빈번한 부하변동의 운전 특성을 고려하여 강인성을 갖춘 하드웨어를 구성하였으며 발전기 출력전압의 조정 성능에 있어서도 안정성과 속응성이 우수한 결과를 얻었다. 또한, 기존 디지털 전압조정기에 설치되지 않은 통합제어시스템을 구성하여 실시간으로 발전기 출력전압 및 여자기 계자전류를 모니터링하고 디지털 자동전압조정기 의 응답특성 향상을 위한 게인 값을 편리하게 조정할 수 있도록 하였으며 그 유효성을 실험을 통해 확인하였다.
Figure 13은 빈번한은 부하 변동시 디지털 전압조정기의 전압 조정 성능을 평가한 결과이며 부하변동은 정격의 0[%]→ 20[%]→ 0[%]→ 40[%]→ 0[%]와 0[%]→ 20[%]→ 40[%]로 설정하였다. 실험 결과에서는 선급 및 IEEE 규정에서 제한하고 있는 전부하 상태에서의 기준 출력전압 복귀 시간 1.5[sec]를 만족함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동전압조정기의 작동원리는 무엇인가?	특히, 선박이나 해양플랜트는 운전 특성상 입·출항 시나항해 시, 또는 드릴 작업 시나 기상 악화로 인한 플랜트 선체의 위치를 유지하기 위해 다이나믹 포지셔닝 시스템을 작동할 경우에 부하가 심하게 변동하기 때문에 발전기의 출력전압도 빈번하게 변동한다. 이 경우에 자동전압조정기가 발전기 여자기의 계자전류를 조정하여 발전기 출력 전압을 조정함으로서 급변하는 선박 및 해양플랜트의 부하변동에도 출력 전압 특성을 양호하게 유지시키게 된다[3]-[6].
	자동전압조정기란?	선박 및 해양플랜트용 자동전압조정기(AVR)는 발전기의 출력전압을 실시간 검출하여 기준 전압으로 조정하는 장치로서 기존에는 아날로그 타입의 자동전압조정기가 주로 사용되었지만 목표값에 대한 응답성과 신속성의 개선이 요구됨으로써 디지털 방식의 전압조정기로 대체되는 추세이다. 본 논문에서는 부하변동이 심하고 운전 환경이 열악한 해양플랜트 발전기용 자동전압조정기의 특성에 적합한 디지털 자동전압조정기 시스템을 새롭게 구성하였으며 부하변동 및 임의의 출력전압 변동 실험을 통해 안정성과 속응성을 비교하여 우수성을 입증하였다.
	선박이나 해양플랜트에서 어떠한 경우에 자동전압조정기가 작동되는가?	특히, 선박이나 해양플랜트는 운전 특성상 입·출항 시나항해 시, 또는 드릴 작업 시나 기상 악화로 인한 플랜트 선체의 위치를 유지하기 위해 다이나믹 포지셔닝 시스템을 작동할 경우에 부하가 심하게 변동하기 때문에 발전기의 출력전압도 빈번하게 변동한다. 이 경우에 자동전압조정기가 발전기 여자기의 계자전류를 조정하여 발전기 출력 전압을 조정함으로서 급변하는 선박 및 해양플랜트의 부하변동에도 출력 전압 특성을 양호하게 유지시키게 된다[3]-[6].

참고문헌 (8)

S. H. Kim, J. S. Kim, S. G. Oh, H. S. Kim, "Practical Electrical Machinery", Sanghakdang, 2011.
B. G. Jung, Y. C. Lee, and J. S. Kim, "A study on improvement of the control performance of the automatic voltage regulator of a brushless synchronous generator," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 38, no. 7, pp. 909-915, 2014.

원문보기 상세보기
M. Giuffrida, "Electrical plants and electric propulsion on ships," LuLu, 2013.
M. R. Patel, "Shipboard electrical power systems," CRC Press, 2012.
B. G. Jung and Y. C Lee, "Design of Excitation Control System of Synchronous Generator on Board Ships," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 39, no. 3, pp. 312-317, 2015.

원문보기 상세보기
G. B. Lee, J. Y. Yu, J. H. Jang, and S. K. Lyu, "electric power system design and analysis for FLNG vessel," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 38, no. 5, pp. 573-580, 2014.

원문보기 상세보기
D. H. Yu, S. H. Park, C. Y. Won, J. S. Yu, and S. S. Lee, S. J. Ahn, "Voltage control of synchronous generator for ship using a PMG type digital AVR," Journal of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 14, no. 1, pp. 38-45, 2009.
S. Corsi, Voltage Control and Protection in Electrical Power Systems, Springer, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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