[논문]캠 윤곽 최적설계를 통한 차단기 래칭 성능 향상

이재주; 장진석; 박현규; 유완석; 김현우; 배병태

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.1.073

[국내논문] 캠 윤곽 최적설계를 통한 차단기 래칭 성능 향상
Optimization of a Cam Profile in a Circuit Breaker to Improve Latching Performance 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.1, 2016년, pp.73 - 79

이재주 (부산대학교 기계공학부) , 장진석 (부산대학교 기계공학부) , 박현규 (부산대학교 기계공학부) , 유완석 (부산대학교 기계공학부) , 김현우 (효성중공업) , 배병태 (효성중공업)

초록
AI-Helper

차단기 메커니즘의 안전성은 클로징 메커니즘 작동 시 접점 이후의 속도 감소를 통한 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭(latching) 구간에서의 유지 시간 개선을 통해 확보된다. 이는 오픈 래치가 복귀할 시간을 확보하여 재 차단되는 현상을 줄이기 때문이다. 본 연구에서는 캠 윤곽 최적화를 통해 기존의 구동 성능을 만족하고 래칭 구간에 대한 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하였다. ADAMS 를 이용한 차단기 다물체동역학 모델을 개발하였으며 시험 결과와 비교하여 검증하고 최적설계 프로그램인 PIAnO 를 사용하여 캠 윤곽의 최적설계를 수행하였다. 캠 윤곽의 최적설계는 캠의 반경 방향으로 설계점을 선정하였으며 설계구간별 민감도 분석을 수행하였다. 최적화 결과 래칭 구간에서의 유지 시간을 개선하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Higher circuit breaker safety standards can be obtained by increasing the sustaining time of the latching section. This time increase is achieved through velocity reduction after contacting when the closing mechanism operates. The potential for the re-closing phenomenon to occur is also reduced by obtaining time to return open latch. In this study, the sustaining time for the latching section was increased through cam profile optimization based on the displacement response of the moving parts. In addition, the existing performance velocity was also satisfied. A multibody dynamics model of the circuit breaker was developed using ADAMS. To validate the model, simulation results were compared to experiment results. Then, cam profile optimization was carried out using an optimal design program PIAnO. Design variables selected included the radial direction of the cam. Design sensitivity analysis was carried out by design section as well. As a result of optimization, the sustaining time for the latching section was increased.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 차단기 모델의 동특성을 파악하고자 ADAMS⁽⁹⁾를 이용한 다물체 동역학 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 시험 결과와 비교하여 검증하고 캠 윤곽의 최적설계를 수행하였다.
목적함수는 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에 대한 구동 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하도록 정하였으며, 식 (1)과 같다. 제약 조건으로는 클로징 메커니즘 작동 시 가동부의 변위가 0.
본 연구에서는 스프링 조작기를 가진 차단기의 캠 윤곽 최적설계를 통해 기존의 구동 성능을 만족하고 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에 대한 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하는 것이 수행되었다. 차단기 모델의 동특성을 파악하기 위해 ADAMS 를 이용한 다물체 동역학 모델이 개발되었다.

가설 설정

Step1) 전기회로 내에 과전류 발생 시, 솔레노이드가 구동된다.

제안 방법

개발된 모델을 시험 결과와 비교하여 검증하고 캠 윤곽의 최적설계를 수행하였다. 최적화 과정에 최적 설계 프로그램인 PIAnO(Process Integration, Automation and Optimization) ⁽¹⁰⁾를 활용하였으며, 캠 윤곽 최적화를 통해 기존의 구동 성능을 항상 만족하고 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에 대한 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하고자 한다.
상용 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 모델링을 하였다. Fig.
4 에 나타내었다. 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 초기 상승 구간의 변위를 기준으로 정규화를 하였으며, 이 구간을 1(p.u : percent unit)으로 두었다. 차단기 메커니즘의 성능상 구동시의 속력이 일정 속도 이상이 되어야 한다.
3 장에서 검증된 다물체 동역학 모델을 이용하여 클로징 메커니즘에 사용되는 캠의 최적설계를 진행하였다. 설계 변수 선정은 변수를 줄이고자 캠의 윤곽에 대해 각도를 일정하게 두고 반경을 설계 변수로 두었다.
3 장에서 검증된 다물체 동역학 모델을 이용하여 클로징 메커니즘에 사용되는 캠의 최적설계를 진행하였다. 설계 변수 선정은 변수를 줄이고자 캠의 윤곽에 대해 각도를 일정하게 두고 반경을 설계 변수로 두었다.⁽⁸⁾ 이를 통해 적은 변수로도 윤곽을 수정할 수 있도록 하였다.
5mm 까지 일정하게 상승하도록 설계 되어 있다. 가동부의 최대 스트로크 구간 및 변위 응답의 특성을 반영하는 캠의 처음과 끝점을 제외한 중간 구간에 대하여 설계 변수로 두었다. 초기 설계점은 설계 변수 11(DV_1 ~ DV_11)개 중 캠의 요구성능을 나타내는 캠의 처음과 끝점을 제외한 총 9 점을 사용하였던 바, Fig.
목적 함수인 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에서의 유지 시간을 최대화 하는 것에는 DV_7 과 DV_9 의 영향이 큰 것을 확인할 수 있다. 민감도 해석을 수행한 결과를 바탕으로 설계변수의 범위를 각각 조정하여 캠 윤곽의 최적화가 진행되었다.
request file 의 경로를 저장하여 Batch file 을 생성하였다. MATLAB 을 통해 목적함수 및 제약조건을 구할 수 있도록 하였다.
특성 분석의 용이성 및 변곡 구간을 줄이고자 총 4 개의 설계점이 사용되었다. B-spline 보간법을 이용해 캠 윤곽을 형성하였으며, PIAnO 의 실험계획법 민감도 해석을 수행한 결과를 바탕으로 설계변수의 범위를 각각 조정하여 최적화가 진행되었다.
또한, 구간별 민감도 해석을 수행하여 메커니즘에 대한 각각의 응답에 대한 관계를 분석할 수 있었다. Fig.

대상 데이터

5(b)와 같이 4 점의 반경만 설계변수(DV_3, DV_5, DV_7, DV_9)로 선정하였다. 설계변수의 개수 선정은 개수를 최소화하고 설계영역별 응답을 분석하기 위해 4 개를 선정하였으며 3 개를 선정할 경우 초기 및 최대 상승구간에 대해 변수가 생성하는 캠 곡면의 구간이 넓어지므로 응답을 조절하기 어려우므로 4 개를 선정하였다. 따라서, 설계점의 개수가 적어지면서 변곡 구간이 발생하지 않았으며 설계구간별 특성 분석이 더 용이해졌다.
캠 윤곽 최적화에서 사용된 캠 윤곽의 설계 변수는 가동부의 변위 응답 특성을 나타내는 캠의 처음과 끝점을 제외한 중간 구간을 변수로 두었다. 특성 분석의 용이성 및 변곡 구간을 줄이고자 총 4 개의 설계점이 사용되었다. B-spline 보간법을 이용해 캠 윤곽을 형성하였으며, PIAnO 의 실험계획법 민감도 해석을 수행한 결과를 바탕으로 설계변수의 범위를 각각 조정하여 최적화가 진행되었다.
2 는 차단기 모델의 메커니즘이다. 메커니즘의 구성은 오픈 및 클로즈 솔레노이드(solenoid) 2 개, 래치 4 개, 롤러(roller) 3 개, 메인 기어 롤러(main gear roller) 1 개, 스토퍼(stopper) 4 개, 가동부 1 개, 클로즈 샤프트 1개 및 클로즈 샤프트 축에 연결된 링크(link) 2 개, 오픈 샤프트 1 개 및 오픈 샤프트에 연결된 링크 5 개와 오픈 스프링에서 작용하는 대시포트(dashpot) 1 개, 총 25 개의 물체로 구성되어 있다. 메커니즘 전체적인 구성은 솔레노이드에서 발생하는 병진 자유도 2 개, 래치에서 발생하는 회전 자유도 4 개, 롤러에서 발생하는 회전 자유도 4 개, 모션에서 발생하는 운동 자유도 2 개, 오픈 샤프트를 기준으로 총 2 개의 슬라이더-크랭크기구(slider-crank mechanism)와 1 개의 4 절기구(4-bar mechanism)로 구성된 구조이며, 총 16 자유도(DOF, degrees of freedom)를 가진다.

데이터처리

를 이용한 다물체 동역학 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 시험 결과와 비교하여 검증하고 캠 윤곽의 최적설계를 수행하였다. 최적화 과정에 최적 설계 프로그램인 PIAnO(Process Integration, Automation and Optimization) ⁽¹⁰⁾를 활용하였으며, 캠 윤곽 최적화를 통해 기존의 구동 성능을 항상 만족하고 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에 대한 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하고자 한다.
ADAMS 를 사용하여 개발된 다물체 동역학 모델을 검증하기 위하여 차단기 클로징 메커니즘 작동 시의 가동부의 변위가 비교되었으며, 비교 결과를 Fig. 4 에 나타내었다. 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 초기 상승 구간의 변위를 기준으로 정규화를 하였으며, 이 구간을 1(p.
본 연구에서는 캠 윤곽의 최적설계를 수행하기위해 최적설계 프로그램인 PIAnO 를 사용하였다. 최적설계를 수행하기에 앞서 목적함수 및 제약조건에 가장 큰 영향을 미치는 구간을 분석하기 위해 민감도 해석(design sensitivity analysis)을 하였으며, 해석 결과를 Fig. 7 에 나타내었다. 제약 조건인 클로징 메커니즘 작동 시 가동부의 변위가 0.
차단기 모델의 동특성을 파악하기 위해 ADAMS 를 이용한 다물체 동역학 모델이 개발되었다. 시험 결과와의 비교를 통해 메커니즘의 신뢰성을 확보하였다.
검증된 다물체 동역학 모델을 기반으로 최적설계 프로그램 PIAnO 를 사용하여 최적화가 이루어졌다. 캠 윤곽 최적화에서 사용된 캠 윤곽의 설계 변수는 가동부의 변위 응답 특성을 나타내는 캠의 처음과 끝점을 제외한 중간 구간을 변수로 두었다.

이론/모형

⁽⁸⁾ 이를 통해 적은 변수로도 윤곽을 수정할 수 있도록 하였다. 캠의 윤곽 형성은 ADAMS 의 B-spline 보간법(interpolation)을 사용하였다.
본 연구에서는 캠 윤곽의 최적설계를 수행하기위해 최적설계 프로그램인 PIAnO 를 사용하였다. 최적설계를 수행하기에 앞서 목적함수 및 제약조건에 가장 큰 영향을 미치는 구간을 분석하기 위해 민감도 해석(design sensitivity analysis)을 하였으며, 해석 결과를 Fig.
최적설계 알고리즘은 점진적 이차 반응 표면 방법(Progressive Quadratic Response Surface Method, PQRSM)⁽¹²⁾을 사용하였다. 점진적 이차 반응 표면 방법은 목적함수와 구속 조건을 설계 공간 내에서 2 차 함수로 근사화하고 신뢰영역 근사모델 관리 기법이 정한 설계구역 내에서 근사 최적설계를 점진적으로 수행하는 기법이다.

성능/효과

메커니즘의 구성은 오픈 및 클로즈 솔레노이드(solenoid) 2 개, 래치 4 개, 롤러(roller) 3 개, 메인 기어 롤러(main gear roller) 1 개, 스토퍼(stopper) 4 개, 가동부 1 개, 클로즈 샤프트 1개 및 클로즈 샤프트 축에 연결된 링크(link) 2 개, 오픈 샤프트 1 개 및 오픈 샤프트에 연결된 링크 5 개와 오픈 스프링에서 작용하는 대시포트(dashpot) 1 개, 총 25 개의 물체로 구성되어 있다. 메커니즘 전체적인 구성은 솔레노이드에서 발생하는 병진 자유도 2 개, 래치에서 발생하는 회전 자유도 4 개, 롤러에서 발생하는 회전 자유도 4 개, 모션에서 발생하는 운동 자유도 2 개, 오픈 샤프트를 기준으로 총 2 개의 슬라이더-크랭크기구(slider-crank mechanism)와 1 개의 4 절기구(4-bar mechanism)로 구성된 구조이며, 총 16 자유도(DOF, degrees of freedom)를 가진다. Table 1 에 차단기의 자유도를 나타내었다.
7 에 나타내었다. 제약 조건인 클로징 메커니즘 작동 시 가동부의 변위가 0.53~0.76(p.u) 지점에서의 클로징의 속도가 기존 메커니즘보다 향상되어야 한다는 조건에 큰 영향을 주는 구간은 DV_3 과 DV_5 번 구간이며, 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서 최대 스트로크 상태로 유지하는데 영향이 큰 구간은 DV_9 임을 알 수 있다.
목적 함수인 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에서의 유지 시간을 최대화 하는 것에는 DV_7 과 DV_9 의 영향이 큰 것을 확인할 수 있다. 민감도 해석을 수행한 결과를 바탕으로 설계변수의 범위를 각각 조정하여 캠 윤곽의 최적화가 진행되었다.
목적함수는 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭 구간에 대한 구동 메커니즘의 안전성을 확보하고자 가동부의 변위 응답 중 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 개선하도록 정하였으며, 식 (1)과 같다. 제약 조건으로는 클로징 메커니즘 작동 시 가동부의 변위가 0.53~0.76(p.u) 인 구간의 클로징 속도가 기존 메커니즘보다 향상되어야 한다. 또한, 오픈 샤프트가 래치에 걸릴 때의 가동부의 변위는 기존의 변위 응답 특성을 유지하도록 하였으며, 식 (2)와 같다.
최적설계 결과, 래칭이 발생하는 구간에서의 유지 시간을 최대화하는 것은 기존의 유지시간인 13ms 에서 20ms 로 약 8ms 증가되었다.
최적설계 결과, 차단 메커니즘 작동 시 래칭 구간에서의 유지 시간이 기존 대비 8ms 증가되었다. 또한, 제약조건으로 사용되었던 구동 속도 또한 기존 모델 대비 향상 되었다.
최적설계 결과, 차단 메커니즘 작동 시 래칭 구간에서의 유지 시간이 기존 대비 8ms 증가되었다. 또한, 제약조건으로 사용되었던 구동 속도 또한 기존 모델 대비 향상 되었다. 이 결과를 바탕으로, 메커니즘의 안전성 향상 및 성능을 개선할 수 있다.
또한, 제약조건으로 사용되었던 구동 속도 또한 기존 모델 대비 향상 되었다. 이 결과를 바탕으로, 메커니즘의 안전성 향상 및 성능을 개선할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차단기 메커니즘의 안정성은 무엇을 통해 확보되는가?	차단기 메커니즘의 안전성은 클로징 메커니즘 작동 시 접점 이후의 속도 감소를 통한 오픈 샤프트가 래치에 걸리는 래칭(latching) 구간에서의 유지 시간 개선을 통해 확보된다. 이는 오픈 래치가 복귀할 시간을 확보하여 재 차단되는 현상을 줄이기 때문이다.
	차단기란 무엇인가?	차단기는 전기회로 내 과전류가 발생하거나 시스템 결함의 발생으로 인한 사고를 예방하기 위해 전류의 흐름을 끊는 장치이다. 차단기의 종류에는 여러 가지가 있지만 스프링 힘을 구동동력으로 하는 스프링 타입의 조작기가 주로 이용된다.
	차단기 중 스프링 타입의 조작기가 주로 이용되는 이유는 무엇인가?	차단기의 종류에는 여러 가지가 있지만 스프링 힘을 구동동력으로 하는 스프링 타입의 조작기가 주로 이용된다. 이는 누유에 의한 구동에너지의 감소 및 온도에 의한 조작력의 변동이 없으며, 구동에너지를 스프링에 결합된 기계부품으로 직접 전달하는 비교적 간단한 구조로 이루어져 있기 때문이다. 또한, 30~40ms 의 짧은 시간에 큰 부하를 가진 종동절(follower)을 높은 가속도로써 움직이게 하는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (12)

Sohn, J. H., Lee, S. K., Kim, S. O. and Yoo, W. S., 2007, "Study of Spring Modeling Techniques for Kinematic and Dynamic Analysis of a Spring operating Mechanism for the Circuit Breaker," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.31, No.7, pp.777-783.

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Lee, S. K., Kim, S. O., Yoo, W. S. and Sohn, J. H., 2007, "Study on the Spring Modeling of Circuit Breaker with Spring Operating Mechanism," KSME Spring Conference, Vol. 2007, No. 5, pp. 2171-2176.
Choi, G. S., Cha, H. K., Sohn, J. H. and Yoo, W. S., 2014, "Optimum Latch Contour Design for Improving Gas Circuit Breaker Performance," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.38, No.1, pp.25-30.
Jang, J. S., Yoon, C. G., Ryu, C. Y., Kim, H. W., Bae, B. T. and Yoo, W. S., 2015, "Optimization of the Switch Mechanism in a Circuit Breaker Using MBD Based Simulation," The Scientific World Journal, Vol. 2015.

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Kim, J. H., Ahn, K. Y., Kim, S. H. and Lee, D. G. and Kwak, Y. K., 1998, "Design of the Cam Used in Power Circuit Breaker with Non-Constant Angular Velocity" Journal of the Korean Society for Precision Engineering, pp. 692-697.
Kim, J. H., Ahn, K. Y., Kim, S. H. and Kwak, Y. K., 2001, "Optimal Design of a Variable-Speed Cam for Power Circuit Breaker," Journal of the KSPE, Vol. 18, No. 12, pp.47-53.
Yoo, W. S., Kim, S. O. and Sohn, J. H., 2007, "Dynamic Analysis and Design of a High Voltage Circuit Breaker with Spring Operating Mechanism," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.21, No. 12, pp.2101-2107.

원문보기 상세보기
Jang, J. S., Sohn, J. H. and Yoo, W. S., 2011, "Optimization of the Cam Profile of a Vacuum Circuit Breaker by Using Multi-body Dynamics," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.35, No.7, pp.723-728.
ADAMS User's Guide, MSC Software Corporation, 2005.
PIAnO User's Guide, PIDOTECH, 2004.
MATLAB User's Guide, MathWorks, 1984.
Choi, J. H., Jung, S. I., Park, J. B., Lee, J., Hong, K. J. and Choi, D. H., 2002, "The Optimal Design of Switched Reluctance Motor Using Progressive Quadratic Response Surface Method," KIEE summer conference, Vol. 2002, No. 7, pp. 595-597.

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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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