[논문]비정상 과도상태에서의 해군 전투체계 UPS 개선

김성후; 최한고

[국내논문] 비정상 과도상태에서의 해군 전투체계 UPS 개선
Improvement of Naval Combat System UPS under Abnormal Transients 원문보기

한국융합신호처리학회논문지 = Journal of the Institute of Convergence Signal Processing, v.19 no.3, 2018년, pp.97 - 103

김성후 (한화시스템 해양연구소) , 최한고 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 비정상적인 과도상태에서의 개선된 해상 전투체계 UPS(Uninterruptable Power Supply) 시스템을 다룬다. 기존에는 일시적인 과전압 및 과전류에 대응하기 위하여 서미스터와 바리스터 소자를 사용하고 있지만 시스템 운용 중에 발생하는 비정상 과도전압에는 취약하므로 UPS가 비가용 상태로 되는 경우가 빈번히 발생하였다. 이를 극복하고 UPS 시스템을 보호하기 위하여 본 논문에서는 초기 입력전원 및 운용 중에 발생되는 비정상 과도전압을 감지한 입력 전원 차단회로, 전원제어 시퀀스 개선, 그리고 인버터 및 CPU 오동작 방지 방법 등을 제안한다. 제안된 방법으로 UPS 구현된 시스템은 Programmable AC/DC 발생기를 이용하여 입력전원 가변 시험을 통하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 최종적으로 해상 전투체계의 다기능콘솔에 장착하여 현장시험을 통하여 신뢰성과 안정성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper addresses an improved naval combat UPS(Uninterruptable Power Supply) system under abnormal transients. Previously, thermistor and varistor elements were used to cope with transient overvoltage and overcurrent, however the UPS was frequently unavailable because it was vulnerable to abnormal transient voltage generated during system operation. In order to overcome this problem and protect UPS system, this paper proposes an input power cut-off circuit that detects the initial input power and abnormal transient voltage generated during operation, improvement of power control sequence, and a method to prevent malfunction of an inverter and CPU. The UPS system implementing the proposed method was simulated by input power variable test using programmable AC/DC generator, and finally validated its reliability and stability through field tests by mounting on multifunctional console of naval combat system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 함정 전원 시스템으로 인하여 비정상 과도전압이 무정전장치로 유입되어 전자장비를 보호해야 하는 무정전장치의 고장 및 이상 동작이 빈번하게 발생되고 있으며, 신뢰성을 확보해야하는 전투체계장비의 비가용은 결국 개발 일정, 비용, 공수 등의 심각한 손실을 야기시킨다. 따라서 본 논문에서는 군용함정 전원 시스템의 문제점을 분석하고, 전투체계 무정전장치를 보호하기 위한 개선 방안을 제안하고 시뮬레이션 및 현장 시험을 통하여 제안된 방법을 검증하고자 한다.
위에서 기술된 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서선 PFC 모듈과 인버터 모듈 개선 방안을 제안하였다.

가설 설정

서로 다른 시기에 건조되는 유사한 함정에 대하여 1.6년에 걸쳐서 시험을 수행하였으며, 동일한 UPS를 함정에 탑재하여 함정의 건조과정에서부터 함상시험평가까지 운용됨으로 UPS에 미치는 영향도 유사하다고 가정할 수 있다.

제안 방법

PFC Pack의 소손으로 인하여 발생되는 과전류를 차단하기 위하여 Fig. 8과 같이 입력과전류 1차 제한회로 및 입력과전류 2차 차단회로를 추가하여 과전류 발생 시 과전류를 차단할 수 있는 회로를 추가하였다. 또한 출력전류 불평형 상태를 감시하기 위하여 H상과 N상 출력전류를 감지하고 누설전류 발생 시 출력 차단 신호를 생성하여 IPM 출력을 차단하는 회로를 추가하였다[9,10].
UPS 제어모듈은 입력전압이 165~275[Vrms] 범위를 벗어날 경우 SSR 제어로 입력전압을 차단하게 개선하였으며 입력전압이 순간적인 피크 전압 420[Vp-p] 이상일 경우에는 하드웨어적으로 SSR이 차단될 수 있게 설계하였다.
개선된 인버터 동작을 검증하기 위하여 Fig. 13과 같이 구성하고 과전류 및 출력전류 불평형을 발생시켜 제안된 인버터 동작을 실험하였다.
8과 같이 입력과전류 1차 제한회로 및 입력과전류 2차 차단회로를 추가하여 과전류 발생 시 과전류를 차단할 수 있는 회로를 추가하였다. 또한 출력전류 불평형 상태를 감시하기 위하여 H상과 N상 출력전류를 감지하고 누설전류 발생 시 출력 차단 신호를 생성하여 IPM 출력을 차단하는 회로를 추가하였다[9,10].
부하에서 UPS 용량한계(2.6[KW]) 이상으로 전류가 증가하지 않도록 출력 전류 18[A] 제한기능을 실험하였다. 부하를 단계적으로 증가시켜 전류를 18[A]이상으로 증가 시 Fig.
비정상 과도전압에서 PFC 모듈의 소손을 방지하기 위하여 UPS 입력전압을 차단하여야 하므로 Fig. 7과 같이 UPS 전원스위치와 PFC모듈 사이에 SSR(무접점식 릴레이) 소자를 장착하고 UPS 제어모듈을 통하여 제어하였다.
이를 극복하기 위하여 본 논문에서는 비정상 과도전압이 발생되면 첫째, 비정상 전원 감지회로를 추가하여 과도전압 발생 시 입력전원을 차단하였고, 둘째, 비정상 고도전압으로 인한 내부 회로 단락으로 인하여 발생하는 과전류를 감지하여 인버터 모듈의 소손 현상을 개선하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션 및 현장 시험을 통하여서 UPS 고장률이 개선됨을 입증하였다.
제안된 PFC 모듈 동작을 검증하기 위하여 Fig. 10과 같이 UPS 입력에 저전압과 과전압을 인가하여 개선된 회로가 정상적으로 동작하는지 실험하였다.
출력 Hot 라인과 Neutral 라인간의 전류 불평형 발생 시 출력 전류 제한 기능에 대하여 실험하였다. 그림 17은 전류불평형 2[A] 이상 발생 시 출력을 제한함을 보여주고 있다.

성능/효과

Table 2는 동일 함정에 대한 시험결과로서 전투체계 DT&E1), OT&E2) 기간(1.6년) 동안 비정상 과도전압으로 인한 UPS 비가용 횟수로서 제안된 회로를 장착한 UPS를 사용한 경우(개선 후)가 기존 UPS(개선 전)에 비해서 UPS 고장률이 현저히 떨어짐을 확인할 수 있다.
인버터의 문제는 첫째, IPM 구동 MCU 고장 시 인버터 입/출력 제어 불가상황 발생으로 인한 UPS 내부 모듈 및 인버터 소손 유발 가능이 존재한다. 둘째, MCU의 ADC 포트를 통한 전압, 전류 측정과 IPM 제어 신호 지연으로 인하여 IPM 및 내부 수동소자 소손 유발가능이 발생한다.
6[KW]) 이상으로 전류가 증가하지 않도록 출력 전류 18[A] 제한기능을 실험하였다. 부하를 단계적으로 증가시켜 전류를 18[A]이상으로 증가 시 Fig. 16과 같이 출력전류가 18[A] 이상 증가하지 않음을 확인하였다.
기존 인버터 모듈에 과전류 발생 시 MCU는 인버터 출력을 차단 명령을 수행하였으나, IPM은 소손되었다. 이 결과 인버터 출력을 MCU를 거쳐 SW로 제어는 한계가 있음을 확인하고 Fig. 9와 같이 기존 감지회로에 차단회로를 추가하여 과전류가 감지되면 하드웨어 차단 신호가 생성되고 즉각적으로 인버터 출력을 차단하게 개선하였다.
인버터 입력에 과전류 발생 시 IPM 제어를 통하여 출력 억제 또는 차단됨을 실험하였다. Fig.
이를 극복하기 위하여 본 논문에서는 비정상 과도전압이 발생되면 첫째, 비정상 전원 감지회로를 추가하여 과도전압 발생 시 입력전원을 차단하였고, 둘째, 비정상 고도전압으로 인한 내부 회로 단락으로 인하여 발생하는 과전류를 감지하여 인버터 모듈의 소손 현상을 개선하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션 및 현장 시험을 통하여서 UPS 고장률이 개선됨을 입증하였다.

후속연구

향후 차기 함정에서도 개선 된 UPS를 설치하여 전투체계 전자장비 신뢰성을 확보할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무정전장치(UPS)가 탑재되어야 하는 이유	전투체계에 탑재되는 전자장비는 복합작전을 수행하기위하여 고 신뢰성을 요구하고 있으며, 훈련 및 전시에 전자장비가 비가용 상태이거나 전술 데이터가 소멸되는 것을 방지하기 위하여 전압과 주파수 변동을 안정하게 조정하고 정전 시에도 일정 시간 전력을 계속 공급할 수 있게 무정전장치(UPS)를 기본적으로 탑재하고 있다.
	함정 전투체계란?	함정 전투체계는 대공전, 대함전, 대잠전, 전자전 등의 복합작전을 수행하기 위한 복합 무기체계로 구성되어있고 함정의 두뇌 역할을 수행한다. 따라서 함정 전투체계는 현대전에 없어서는 안 될 필수 무기체계이고 모든 해상 전투의 핵심체계로 자리하고 있다[1,2].
	비정상 과도 전압으로 인하여 전투체계 장비는 부품 소손과 고장 및 오동작 발생이 증가되어 발생하는 문제점은?	이러한 함정 전원 시스템으로 인하여 비정상 과도전압이 무정전장치로 유입되어 전자장비를 보호해야 하는 무정전장치의 고장 및 이상 동작이 빈번하게 발생되고 있으며, 신뢰성을 확보해야하는 전투체계장비의 비가용은 결국 개발 일정, 비용, 공수 등의 심각한 손실을 야기시킨다. 따라서 본 논문에서는 군용함정 전원 시스템의 문제점을 분석하고, 전투체계 무정전장치를 보호하기 위한 개선 방안을 제안하고 시뮬레이션 및 현장 시험을 통하여 제안된 방법을 검증하고자 한다.

참고문헌 (10)

C. Kim, H.-M. Chang, J.-H. Lee, G.-J. Lee"A Study on Real-Time Operating System for Architecture Improvemnet of Navy Combat System," Journal of the KIMST, Vol.16, no.3, pp. 1-2, 2013.
K. Hwang, K. Ok, Y. Kim, B. Choi, H. Oh, K. Choi, "A Study on Development direction of Next-generation Naval Combat System Architecture," Journal of the KIMST, Vol.19 no.1, pp. 1-5, 2016.
D. Shipp, F. Angelini, "Characteristics of different power systems neutral grounding techniques : Fact &Fiction," IEEE 2008 Industry applications society technical conference. Sep. 2008.
Green Book, "Industrial and Commercial Power Systems : System grounding for uninterruptible power system," IEEE Std. 142, pp. 5-56, 2007.
"Grounding methods in mission critical facilities," EATON White Paper WP027004EN, 2013.
H.S.Shim, "Experimental Study of The Floating-Phenomenon on Neutral Ungrounded UPS system," JIEIE, pp. 67-71, 2011.
J.-G. Kim, E.-W. Lee, J.-H. Jeong, "Analysis on the Operation Characteristics of induction motor by asymmetric," The Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 110-112, Nov. 2003.
P. Pillay and M. Manyange, "Definitions of voltage unbalance," IEEE Power Eng, Rev. Mag., vol.5, pp.50-51, May 2001.
S. S. H. Bukhari, T. A. Lipo, B.-i. Kwon, "An On-Line UPS System that Eliminates the Inrush Current Phenomenon While Feeding Multiple Load Transformers,"ICPE 2015-ECCE Asia, pp.385-390, Jun. 2015.
S. S. H. Bukhari, S. Atiq, T. A. Lipo, B.-i. Kwon, "A Cost-Effective, Single-Phase Line-Interactive UPS System that Eliminates Inrush Current Phenomenon for Transformer-Coupled Loads," Journal of Electrical Engineering & Technology Vol.11 no.3, pp. 675-682, Jun. 2016.

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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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