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문제 정의
- 또한 SIV 인버터의 MTTF와 MTBF를 산출하고 Survial Function비교를 통한 신뢰도를 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 철도차량 노후화 구성품의 최적의 운영조건을 위한 개선방안을 연구하고자 한다.
제안 방법
- IGBT 인버터의 온도 스트레스에 대한 개선안으로 IGBT 스위칭 주파수 조정을 통한 손실감소와 냉각팬 또는 방열판 추가 설치를 제안하였다. 이는 냉각용량설계에서 내부발열과 외부공기와의 열교환 문제를 동시에 고려한 제안으로 다구찌 분석에서 알 수 있듯이 최적운행조건과 고장다수발생조건의 냉각용량차이를 줄여 추가 마진확보를 통한 고장발생 확률적 감소를 기대한다.
- [2]김일온은 부하변동에 따른 철도차량용 보조전원장치 역률향상에 관한 연구를 하였다.[3] 신동준은 도시철도 전동차의 인버터 냉각을 위한 밀폐식 히트펌프 냉각시스템 성능평가에 관한 연구를 하였다.[4]
- 초기고장과 반복된 고장의 평균수명 비교분석을 한다. 과연 고장수리 후 평균수명의 차이가 있는지 알아보기 위해서 MTTF(Mean time to failure)와 MTBF(Meantime between failures)를 비교한다.
- 신뢰성에 영향을 주는 운용환경인자와 상관관계 및 다구찌기법를 이용한 최적 운행조건을 분석하였다. 또한 SIV 인버터의 MTTF와 MTBF를 산출하고 Survial Function비교를 통한 신뢰도를 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 철도차량 노후화 구성품의 최적의 운영조건을 위한 개선방안을 연구하고자 한다.
- 본 논문은 서울도시철도공사 유피스 내 전동차관리 고장데이타(BOM)을 통해 지속적으로 축적된 필드데이타를 활용하였다. 신뢰성에 영향을 주는 운용환경인자와 상관관계 및 다구찌기법를 이용한 최적 운행조건을 분석하였다. 또한 SIV 인버터의 MTTF와 MTBF를 산출하고 Survial Function비교를 통한 신뢰도를 분석하였다.
- 신영주는 계전기의 수명특성을 가속수명시험에 의해 산출하고, 계전기의 수명특성에 맞는 수명분포 및 가속 모델을 도출해내기 위한 가속수명시험을 실시하였다.[1] 김세겸은 전동차에 사용되는 계전기의 환경조건 분석을 통하여 사용 환경을 고려한 환경등급 분류에 따라 수명가중치를 부여하여 고장발생이력에 따른 수명 예측 값에 계전기 환경이 고려된 새로운 수명 예측 값을 산출하였다.
- 앞 장에서는 SIV 인버터고장에 대해 외기온도만을 분석하였으나 이번 장에서는 부하량과 외기온도 두 변수를 동시에 고려하여 가장 안정적인 운행조건을 찾아보고 이를 바탕으로 두 변수의 상대적 변화가 고장에 미치는 영향을 분석해 본다.
- 2에서 변수는 인버터 고장빈도와 외기온도를 두개의 변수로 하였다. 외기온도는 4℃ 주위온도 냉각용량 단위로 온도구간을 정하여 해당 온도 구간의 고장빈도를 집계하여 상관계수를 구하고 그 상관계수에 대한 가설검정을 하여 상관관계의 유무에 대해 검정하였다.
대상 데이터
- IGBT 인버터의 수명분포는 서울도시철도공사 2000년 1월부터 2015년 12월까지의 필드데이타(관측 정시중단 데이터)를 미니탭을 이용하여 분석하였다.
- 이번 장에서는 주위온도와의 상관성을 통계적분석으로 알아본다. 고장발생과 주위온도의 상관분석을 위해 전동차 고장데이타 외에 기상청 외기온도 데이터를 추가로 이용하였다. Fig.
- 본 논문은 서울도시철도공사 유피스 내 전동차관리 고장데이타(BOM)을 통해 지속적으로 축적된 필드데이타를 활용하였다. 신뢰성에 영향을 주는 운용환경인자와 상관관계 및 다구찌기법를 이용한 최적 운행조건을 분석하였다.
- 본 논문의 신뢰성분석의 대상은 7호선 2차분 SIV(보조전원장치)이고 분석기간은 2001년 1월 1일부터 2015년 12월31일까지 15년간이다. Table.
데이터처리
- 1는 외기온도에 따른 고장발생빈도를 히스토그램으로 보이고 있다. 분석을 위해 통계․신뢰성분석 프로그램인 미니탭을 사용하였다. 외기온도의 범위는 -5℃ ~ 35℃이고 Fig.
- 초기고장과 반복된 고장의 평균수명 비교분석을 한다. 과연 고장수리 후 평균수명의 차이가 있는지 알아보기 위해서 MTTF(Mean time to failure)와 MTBF(Meantime between failures)를 비교한다.
이론/모형
- 부하량과 외기온도 두 변수를 동시에 고려한 최적의 운행조건을 분석하기 위해 다구찌 기법을 이용한다. SIV 인버터고장과 온도 스트레스 인자간의 관계는 계량 정특성 망소문제로 고장에 영향을 주는 인자를 식(1)의 인버터냉각용량 설계식을 이용해 구분하면 Table.
성능/효과
- IGBT 인버터 수명분포의 MTTF 와 MTBF 비교분석을 통해 초기고장과 고장수리 후 수명의 차이가 있는지 산출해 보았는데 MTTF는 1,280,498km이고 MTBF는 1,118,328km으로 MTTF에 비해 MTBF가 Scale parameter와 평균수명이 줄었음을 알 수 있다. 즉 초기 고장까지의 수명에 비해 고장수리 후 사용수명이 작다는 의미는 온도 스트레스인자의 영향이 이전보다는 커지고 지속적으로 스트레스 상태에 있다는 것으로 생각해 볼 수 있다.
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Table 5. Comparison of MTTF, MTBF
MTTF에 비해 MTBF가 Scale parameter와 평균수명이 줄었음을 알 수 있다
. 즉 초기고장까지의 수명에 비해 고장수리 후 사용수명이 작다는 의미는 반복고장이 일어난다고 볼 수 있다. - SIV 인버터의 최적운행조건을 다구찌 기법을 통하여 SN비가 -13.98로 가장 큰 1/3 난방부하에 외기온도 8℃~ 13℃ 구간임을 알 수 있었다. 이는 고장다수 발생구간인 FULL 냉방, 외기온도 28℃ ~ 33℃ 구간과 비교하면 FULL 냉방과 1/3 난방의 부하량의 차이와 20℃ 외기온도 차만큼의 냉각용량차이가 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 그러나 IGBT 스위칭 주파수 조정은 적정 스위칭주파수 대역을 선정 시 왜율과 소음증가에 대한 고려가 필요하며 이에 대한 연구가 필요하다. 최근 가변 스위칭주파수에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
- IGBT 인버터의 온도 스트레스에 대한 개선안으로 IGBT 스위칭 주파수 조정을 통한 손실감소와 냉각팬 또는 방열판 추가 설치를 제안하였다. 이는 냉각용량설계에서 내부발열과 외부공기와의 열교환 문제를 동시에 고려한 제안으로 다구찌 분석에서 알 수 있듯이 최적운행조건과 고장다수발생조건의 냉각용량차이를 줄여 추가 마진확보를 통한 고장발생 확률적 감소를 기대한다.
- 최근 가변 스위칭주파수에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 평소 쾌적한 운영환경에서 온도스트레스에 대한 이상 징후가 나타날 때 스위칭주파수를 자동으로 낮춤으로써 자기방호기능을 갖추도록 하는 연구도 노후 철도차량 운영 관리에 도움이 될 것으로 기대된다.
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