[논문]발전기 여자기시스템 주제어전원공급장치 국산화 개발

이기선; 박정철; 추순남

doi:10.5370/kieep.2016.65.2.101

[국내논문] 발전기 여자기시스템 주제어전원공급장치 국산화 개발
The Development of EPSM(Exciter Power Supply Module) Localization in Generator Exciter(EX2100) System 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.65 no.2, 2016년, pp.101 - 107

이기선 (Department of Electric Engineering Gachon University) , 박정철 (Department of Electronic Engineering Gachon University) , 추순남 (Department of Electric Engineering Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

The main target in this paper is the localization of VME Type EPSM in Generator Exciter(EX2100) System. Developed EPSM has the compatibility with the existing product in the structure and shape and electrical feature and so on, but it has a much improved capacity and reliability in comparison with origin company product. this paper, to improve these functions, put emphasis on protection, monitoring, power capacity increase(over 120%), an enlarged scale of input voltage supply, AC/DC dual voltage use and so on. After manufacturing product localization, it was carried out several tests for the performance and reliability verification of developed product. These tests were performed in Authorized Inspection Agency(KTL) and field application test and maker self-test were additionally performed. Finally, the results of all tests were "success".

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제안 방법

그림 3, 4에 나타낸 EPSM Module 기본구성도 및 블록도는 Power Board와 EPSM Status Monitoring Board로 구성하고, 기존설비 분석에 따른 호환성 충족 및 현장 요구사항 등을 반영 후 최종 설계된 구조이다. 입출력 전압단자에 과전류보호용 Fuse 부착 및 공급전압의 과전류 제한 기능만을 가진 기존설비 보호 감시기능을 국산화 과정에서 H/W적인 Over/Under Voltage 검출 및 경보 출력포트를 구성하고 Module 상태를 실시간 감시, 분석할 수 있는 Status Option Board를 부가함으로써 사용자 편의를 위한 각종상태감시, 설정, 경보, 전송, 기능 등을 구현하여 설비운용에 따른 고장 예측이 가능하여 제품 신뢰성을 확보하였다. EPSM Module은 VME 6U Type으로 입, 출력결선을 위한 접속은 96Pin DIN Connector를 사용한 P1, P2 커넥터를 통하여 이루어지며, 후면 Back plane Board에 접속되는 구조로 기존제품과 호환성을 가졌으며 입, 출력 접속용 96Pin DIN Connector P1, P2는 양질의 최상위 제품을 사용하여 접속의 신뢰성을 확보하였다.
입출력 전압단자에 과전류보호용 Fuse 부착 및 공급전압의 과전류 제한 기능만을 가진 기존설비 보호 감시기능을 국산화 과정에서 H/W적인 Over/Under Voltage 검출 및 경보 출력포트를 구성하고 Module 상태를 실시간 감시, 분석할 수 있는 Status Option Board를 부가함으로써 사용자 편의를 위한 각종상태감시, 설정, 경보, 전송, 기능 등을 구현하여 설비운용에 따른 고장 예측이 가능하여 제품 신뢰성을 확보하였다. EPSM Module은 VME 6U Type으로 입, 출력결선을 위한 접속은 96Pin DIN Connector를 사용한 P1, P2 커넥터를 통하여 이루어지며, 후면 Back plane Board에 접속되는 구조로 기존제품과 호환성을 가졌으며 입, 출력 접속용 96Pin DIN Connector P1, P2는 양질의 최상위 제품을 사용하여 접속의 신뢰성을 확보하였다. EPSM Module 블록도의 Power Board에 대한 추가설명은 아래 2.
(2) AC 라인의 스위칭 파워류에서 발생되는 고조파 노이즈 등 기기 내, 외부에서 발생하는 불요 전자파를 국제규정에 적합하도록 최소화 하기위한 기기입력라인 및 내부회로 설계에 반영함으로써 기기신뢰성을 확보하였다. 또한, 전도성노이즈 필터는 라인과 라인 간에 교차되는 대칭잡음과 라인(Normal Mode)과 접지 간에 발생하는 비대칭노이즈(Common Mode)를 AC라인의 고조파감쇠(저감) 특성이 좋은(150Khz～30Mhz대역) 노이즈 필터 및 DC Line 필터를 사용하여 국제규정에 적합한 성능을 확보하였다[7-9]
① AC Line Noise Filter는 외부 인입라인 및 내부기기에서 발생된 방출노이즈를 EMI 규정치 이하로 저감할 수 있도록 사용된 Noise Filter로 노멀, 커먼 모드 혼제형 라인필터를 사용하여 최소화 하였다.
P/P 구동시 전력손실(전도손실)을 최소화 하기 위해 충분한 내압(VDSS 400V)과 전류(ID 16A) 및 턴온저항(RDS 0.3Ω) 값을 가진 IR사의 IRFP350 소자를 선정 사용하였으며, 구동용 IC는 1.5A의 구동능력을 가진 Hi-Speed Power MOSFET Drivers IC TC47를 적용하여 FET Gate 용량에 축척에너지 및 기생발진(노이즈포함)을 최소화 하도록 하였다.
(1) Buck Regulator는 폭넓은 입력전압범위에 대응하기위한 1차 안정화 전원부로 B2단자에 안정적인 DC전압을 공급 하여 T－1 트랜스 1차 측의 Push Pull Drive 구동에 의한 전력공급으로 2차측 각종전압 (T－1 트랜스의 1, 2차 권선비에 의한 출력전압)을 출력함으로 B-2 인가전압의 안정화 및 제어성능을 갖도록 Regulator의 성능을 확보하였다. 특별히 코어는 크기(형태) 및 직류 중첩(DC Bias)과 자기포화 등을 고려하여 안정적인 범위에서 운용될 수 있는 Pot Core를 선정하였으며, 제어용 IC는 Switching Regulator 전용 Linear Technology社 LT1105를 Buck Regulator의 구동 및 제어에 사용하였다.
본 연구결과의 기술적 성과로는 발전기 주제어전원공급카드 EPSM 설계 및 제조기술 확보, 산업용 신뢰성 제품과 고장 예측 감시기능 기술 확보를 들 수 있으며, 경제적 성과로는 국내 발전소용 특화된 설비인 EX2100용 EPSM 국산화로 인한 원가절감 등 경제성 확보, 사고예방 및 신속한 대응으로 막대한 경제적 손실 최소화는 물론 설비 신뢰성 확보 및 불시정지 등 사고예방 기여 등을 들 수 있다. 국산화 제품의 평가방법으로 개발제품의 성능 및 신뢰성 확보를 위한 표 1의 정량적 목표항목 중 성능시험을 위한 전기적 특성 및 내 환경시험 등 제반시험 및 평가는 공인 인증기관인 한국산업기술시험원(KTL)에서 실시하였으며, IEC 60068-2-3(온, 습도시험) 등 7항목의 내환경시험과 입, 출력절연저항 및 내전압시험 등의 전기적 특성시험을 실시하여 모두 적합 판정을 받았으며, 국산화 제품의 현장적용시험을 위해 기존에 운용되고 있는 발전기 주제어설비(EX2100 System)에 설치하여 호환성(기능, 구조, 형상등) 및 동작시험 등을 3개월 이상 시험한 결과 적합 판정을 받았다.
VME(Versatile Module European) Type 여자기 EX2100용 EPSM 국산화를 목표로 구조 및 형상, 전기적 특성 등 기존설비와 호환성을 가지며, 입출력 결선용 콘넥터 및 크기, 형태, 구조 및 형상을 동일하도록 설계하고 제작사 제품 대비 동등 이상의 성능과 신뢰성이 확보된 안정적인 제품개발을 목표로 하였으며, 이를 위해 보호, 감시기능 및 용량(전력) 증가(Total 120%이상), 입력공급범위 확대 (90V～160Vdc기준), AC 및 DC 이중화 운용 등에 중점을 두었다. 국산화 개발에 필요한 평가항목 및 개발목표값은 아래 표 1과 같으며 성능지표 및 신뢰성확보를 위해 1～7항목은 한국 산업시험원(KTL)의 공인시험 성적서, 현장적용시험성적서 및 자체시험을 통해 성능을 입증하였다.

대상 데이터

에 반영한 Push Pull Type 설계로 중, 대 전력 구동 및 전력증강(다중구동)에 효율적인 회로설계 및 안정화 중심으로 설계되었으며[10, 11], 구동회로는 Power MOS FET 소자 및 Monostable/Astable Multivibrator IC CD4047의 발진 주파수를 기준으로 반전, 비 반전 출력을 MOS FET 구동 전용 IC-1, 2를 사용하여 Switching Frequency 및 MOS FET Gate 신호로 사용하였다. P/P 구동시 전력손실(전도손실)을 최소화 하기 위해 충분한 내압(V_DSS 400V)과 전류(I_D 16A) 및 턴온저항(R_DS 0.

성능/효과

(1) 그림 5에서 나타난 바와 같이 입력공급전압 AC/DC 이중화(병행) 사용은 다이오드 블로킹에 의한 E1, E2 전위 차를 이용하여 높은 쪽의 전압이 공급되는 형식으로 AC/DC 최소 및 최대값의 범위는 (B1 단자전압) 80～190V의 전압 변동을 고려하여 설계되었으며(관련부품의 용량 및 내압 등) 전기적노이즈 저감을 위한 AC/DC Line의 전자파 EMC/EMI 규정에 따른 전도성잡음도 최소화 하였다.
(2) AC 라인의 스위칭 파워류에서 발생되는 고조파 노이즈 등 기기 내, 외부에서 발생하는 불요 전자파를 국제규정에 적합하도록 최소화 하기위한 기기입력라인 및 내부회로 설계에 반영함으로써 기기신뢰성을 확보하였다. 또한, 전도성노이즈 필터는 라인과 라인 간에 교차되는 대칭잡음과 라인(Normal Mode)과 접지 간에 발생하는 비대칭노이즈(Common Mode)를 AC라인의 고조파감쇠(저감) 특성이 좋은(150Khz～30Mhz대역) 노이즈 필터 및 DC Line 필터를 사용하여 국제규정에 적합한 성능을 확보하였다[7-9]
본 연구결과의 기술적 성과로는 발전기 주제어전원공급카드 EPSM 설계 및 제조기술 확보, 산업용 신뢰성 제품과 고장 예측 감시기능 기술 확보를 들 수 있으며, 경제적 성과로는 국내 발전소용 특화된 설비인 EX2100용 EPSM 국산화로 인한 원가절감 등 경제성 확보, 사고예방 및 신속한 대응으로 막대한 경제적 손실 최소화는 물론 설비 신뢰성 확보 및 불시정지 등 사고예방 기여 등을 들 수 있다. 국산화 제품의 평가방법으로 개발제품의 성능 및 신뢰성 확보를 위한 표 1의 정량적 목표항목 중 성능시험을 위한 전기적 특성 및 내 환경시험 등 제반시험 및 평가는 공인 인증기관인 한국산업기술시험원(KTL)에서 실시하였으며, IEC 60068-2-3(온, 습도시험) 등 7항목의 내환경시험과 입, 출력절연저항 및 내전압시험 등의 전기적 특성시험을 실시하여 모두 적합 판정을 받았으며, 국산화 제품의 현장적용시험을 위해 기존에 운용되고 있는 발전기 주제어설비(EX2100 System)에 설치하여 호환성(기능, 구조, 형상등) 및 동작시험 등을 3개월 이상 시험한 결과 적합 판정을 받았다.

후속연구

본 연구 개발제품은 기존제품과의 호환성, 기존 GE설비 대비 전력증가 및 기능 확대를 통한 성능향상, 고장진단, 예측이 가능한 신뢰성 있는 제품으로 국산화 함으로써 발전설비 안정화 및 유지, 보수 등 사후관리와 원가절감에 기여할 수있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발전기란?	발전기(Generator)는 전자기 유도를 이용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 여자기(Exciter)는 발전기의 회전자코일(계자권선)에 여자전류를 공급하는 장치로 여자전류를 조정하여 발전기의 전압이나 무효전력을 제어한다[1, 2]. 제작사(GE, General Electric)에서 공급된 발전기 여자기 EX2100 모델의 주제어 전원공급장치인 자동전압조정장치(Exciter Power Supply Module, EPSM)는 여자기 주제어설비용 핵심전원 공급장치로 국내의 다수 발전기에 적용 운용되고 있는 실정이나 공급사의 제품 단종으로 구매가의 지속적인 상승 및 조달기간 증가 등으로 고장시 발전기 운전에 막대한 지장을 초래됨은 물론 발전소의 특화된 설비로 인한 제한된 수요 및 신뢰성 문제 등으로 국산화된 제품이 없는 실정이므로 원가절감 및 자립기술 확보를 위해 국산화 제품이 개발되어야 한다.
	여자기란?	발전기(Generator)는 전자기 유도를 이용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 여자기(Exciter)는 발전기의 회전자코일(계자권선)에 여자전류를 공급하는 장치로 여자전류를 조정하여 발전기의 전압이나 무효전력을 제어한다[1, 2]. 제작사(GE, General Electric)에서 공급된 발전기 여자기 EX2100 모델의 주제어 전원공급장치인 자동전압조정장치(Exciter Power Supply Module, EPSM)는 여자기 주제어설비용 핵심전원 공급장치로 국내의 다수 발전기에 적용 운용되고 있는 실정이나 공급사의 제품 단종으로 구매가의 지속적인 상승 및 조달기간 증가 등으로 고장시 발전기 운전에 막대한 지장을 초래됨은 물론 발전소의 특화된 설비로 인한 제한된 수요 및 신뢰성 문제 등으로 국산화된 제품이 없는 실정이므로 원가절감 및 자립기술 확보를 위해 국산화 제품이 개발되어야 한다.
	Power Board의 기본구성은 2차측 출력전압 및 전력공급을 위한 Generator & Driver 부분과 입력공급전압 변동과 Generator & Driver 구성회로에 안정적인 전압과 전력을 공급하기위한 Buck Regulator 회로의 조합으로 설계되었는데, 이러한 구성의 장점은?	Power Board의 기본구성은 2차측 출력전압 및 전력공급을 위한 Generator & Driver 부분과 입력공급전압 변동과 Generator & Driver 구성회로에 안정적인 전압과 전력을 공급하기위한 Buck Regulator 회로의 조합으로 설계되었다[4-6]. 이러한 구성은 폭넓은 입력공급전압의 변동에 능동적인 대처가 가능하며 출력측 부하에 따른 인덕턴스 변화에 구동 회로의 1차측 전류변화를 최소화하여 안적정인 전력공급(제어)에 효과적이며 간결하고 신뢰성있는 회로설계 및 고효율의 제품설계가 가능하였다.

참고문헌 (11)

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Seung-Hoon Oh, Bong-seop Lee, Sang-Ho Lee, Dal-Hae Lee, Sang-Kwon Lee, "Current Fed Type Push Pull High Frequency Inverter", The Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 1123-1125, 1992

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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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