† 교신저자, 서울도시철도공사, 기술연구소 차량연구팀, 정회원 E-mail : [email protected]
* 서울과학기술대학교, 자동차학과 교수
** 한국철도기술연구원, 고속철도연구본부 수석연구원
FMECA
를 통한 7호선 VVVF 인버터 시스템 개선방안에 관한 연구
A Study on the Improvement of VVVF Inverter of the Line 7 EMU by
Applying FMECA Process
박재흥† 김호경* 이관섭**
Jea-Hung Park Ho-Kyung Kim Kwan-Sup Lee
ABSTRACT
RAMS is the procedure to maximize the reliability and availability of systems with managing operation rate, the frequency of failure in the system and repair method. Recently, all system life-cycle focusing on RAMS process has been rapidly developing in the field of railway vehicles, for example, applying th reliability management techniques for procurement and disposal of EMU. In particular, global economic recession require to reasonable measures for the EMU maintenance costs under the circumstances therefore, an alternative solution based on RCM(Reliability Centered Maintenance) which is the optimal maintenance method is interested.
In this study, the state of being critical of each component and a primary factors was analyzed to improve VVVF inverter of the line 7 EMU by applying FMECA process. Furthermore, this paper showed the impact of connecting between the main and sub system. Based on these data, critical components according to malfunction ratings were classified by screening measures and improvements for each components was summarized. 1. 서론 RAMS란 어떤 시스템의 고장주기 관리, 가동율 그리고 고장조치를 관리하는 것으로 시스템의 안전성 과 가용성을 극대화시키기 위한 절차이다. RAMS는 미국 국방분야와 항공분야에서 발전하여 원자력과 플랜트 분야까지 적용되어질 만큼 그 효과가 입증되었다. 최근 철도차량 분야는 발주에서부터 폐기까지 신뢰성 관리기법을 도입하는 등 시스템 생애주기(Life Cycle) 전 과정이 RAMS 프로세스 중심으로 빠르게 발전하고 있다. 특히 전 세계적인 경제불황은 전동 차 유지보수 비용에 대한 합리적인 대책을 요구하게 되었으며, 그 대안으로 RCM(Reliability Centered Maintenance)을 기반으로 한 최적의 정비방식에 대한 관심이 높아지게 되었다. RCM이란 고장분석, RAM분석, LCC, 부품수명관리 및 고장유형 분석 등 실질적인 차량관리의 모든 부분을 포함하는 정비방식으로1) 여러 운영사에서는 철도차량의 고장율을 체계적이고 과학적으로 관리하 기 위해 RCM 도입에 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 신뢰성을 기반으로 한 시스템 도입의 기초적 인 프로세스 중의 하나가 FMECA(Failure Mode Effect, Critiral Analysis)이다. FMECA는 시스템의 기 능과 고장모드를 분석하여 시스템의 치명도를 평가하는 것으로, 이도선 등은 벨트식 도어시스템에 FMECA를 적용하여 도어시스템을 심각도, 발생빈도, 치명도 등으로 위험도를 평가하고, 위험도가 큰 3
에 FMECA 프로세스를 적용해 치명도 매트릭스를 정의 하였으며 예방유지보수 업무를 평가하였다.3) 본 연구는 7호선 1차분 VVVF 인버터 시스템을 6개의 서브시스템으로 나누어 기능분석을 실시하였 다. 또한 VVVF 인버터 시스템에 FMECA 프로세스를 적용하여 시스템의 치명도를 분석하였으며, 이를 통해 VVVF 인버터 시스템 개선방안을 도출하였다. 2. 7호선 VVVF 인버터 FMECA 적용 2.1 7호선 VVVF 인버터 기능분석
7호선 1차분 VVVF 인버터는 세 개의 인버터 모듈인 AIM, BIM 그리고 CIM으로 구성되어 있다. 각 모듈은 견인 모터를 위한 각 상(相)의 펄스폭 변조 전압을 만들기 위해서 스위치를 On, Off 시키는 2개 의 GTO(Gate Turn-Off Thyristor)로 구성되어 있다. 3개 인버터 모듈의 점호 타이밍은 3상 출력을 제 공하기 위해서 제어된다. 7호선 1차분 인버터는 인버터의 스위칭 소자로 GTO를 사용한다. GTO는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자에 비해 스위칭 주파수가 느리고 Turn-On과 Turn-Off시 과도전압(dv/dt)과 과도전류(di/dt) 때문에 스너버 회로가 필요하며, 스너버 회로로 인한 다이오드와 캐 패시터 등 소자가 많고 회로가 복잡한 단점이 있다. 7호선 VVVF 인버터의 주요 제원은 Table 1과 같다. 항 목 규 격 제어방식 가변전압 가변주파수(VVVF) 인버터에 의한 가/감속 제어 출력용량 1,200KVA 출력 주파수 0 ~ 160㎐ 출력전압 0 ~ 1,100V AC 정격입력 DC 1,500V 주회로 소자 GTO 4,500V, 3,500A 제어전원 DC 100V 냉각방식 자연냉각 방식 견인전동기 접속 4대 병렬 연결 Table. 1. 7호선 VVVF 인버터 주요제원 본 논문에서는 7호선 VVVF 인버터에 FMECA를 적용하기 위해 각 장치를 총 4레벨로 구성하였으며, 부품의 기능별로 서브시스템을 구성하였다. 현재 도시철도공사에서 사용하는 BOM(Bills of Material)은 시스템을 부품의 위치별로 분류하였는데, 이럴 경우 시스템의 정확한 부품의 기능을 이해하기 어렵고, 고장 발생 시 그 기능과는 무관한 장치가 교환되는 경우가 있어 본 논문에서는 7호선 인버터를 기능별 로 분류하여 BOM을 구성하였다. Fig. 1. 인버터 시스템 구성요소 전개도 Fig. 2. 인버터 시스템 기능블록도
이렇게 작성된 BOM을 기준으로 LBS(Logistic Breakdown System)와 FBS(Function Breakdown Structure)를 작성하였으며, VVVF 인버터의 하부 구성요소를 확인하고자 Fig. 1과 같이 구성요소 전개 도(SWBS: System Work Breakdown Structure)를 작성하였다. 또한 VVVF 인버터의 각 부품별 기능을 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 기능블록도를 작성하였으며 인버터 기능분석표를 만들어 각 서브시스템 및 부품의 기능을 확인하였다. Table. 2는 7호선 VVVF 인버터 기능분석을 나타낸다. 시스템 구성품 조립체/부품 기능설명 인버터 A~CIM (인버터 상) GTO ASS'Y
GTO ASS'Y는 견인전동기를 위한 펄스폭 변조 전압을 만들기 위해서 스위치를 On-Off 시 키는 상, 하 2개의 GTO 사이리스터로 구성되어 있다. 3개의 인버터 모듈은 점호 타이밍을 바꾸어 120도의 위상차를 갖는 3상 전류파형을 만들어 낸다.
다이오드 ASS'Y GTO의 Turn-on과 Turn-off시 스너버 회로의 전류통로로써 사용된다. 캐패시터 다이오드(D2)와 함께 스너버 회로로서 동작된다. 탑판넬 ASS'Y 탑판넬 ASS'Y는 게이트드라이브 판넬, 펄스 컨디셔닝 판넬 등으로 구성되어 있다. 게이트 드라이브 판넬은 GTO 사이리스터를 동작시키는데 필요한 전원공급장치, Back Porch, Turn-Off 및 역방향 바이어스 파형을 만들어 낸다. 그리고 펄스 컨디셔닝 판넬은 GTO 사이리스터를 보호하고 상태를 모니터링하며 다음과 같 은 기능을 제공한다. - 전기신호를 광펄스로 바꿈으로써 전자 제어 시스템과 전력전자 장치를 절연시킨다. - 펄스 길이와 펄스간의 휴지기(休止期)를 최소화 시킨다.
- 각 상의 상부 GTO와 하부 GTO의 Dead Time을 결정하여 어느 순간 하나의 소자만 펄스 를 받도록 보장한다. … … … … Table 2. 7호선 VVVF 인버터 기능분석 2.2 7호선 VVVF 인버터 FMECA 적용 7호선 VVVF 인버터의 고장 유형 및 영향을 평가하고 대책안을 도출하기 위해 FMECA를 적용하였 다. FMECA 프로세스의 절차는 시스템 및 서브시스템의 구성과 임무를 확인하고, 시스템의 분석레벨을 결정하여 신뢰성 블록다이어그램을 작성하고 각 고장모드를 선정하여 결과를 정리하는 것이다. 따라서 FMECA 프로세스를 적용하면 그 결과로써 고장 등급이 높은 부품을 선별하고 고장 발생의 예측이 가 능하며 그에 따른 대책 및 개선을 할 수 있다.5) 본 논문에서는 신뢰성 프로그램인 Relex 2011에서 추출한 FMECA 표를 이용하여 인버터 시스템의 고장모드를 선정하고 평가하였으며 Fig. 3과 같다. Fig. 3. 인버터 시스템 FMECA 분석
2.3 치명도 분석
IEC 62278에서는 FMECA의 고장등급을 평가할 수 있는 6단계의 발생빈도(Frequency)와 위험심각도 (Hazard Severity Level)의 "Frequency-Consequence" 매트릭스를 제시하고 있다.6) 그러나 치명도 분석 을 위한 시스템의 적용에는 한계가 있어 이후 FMECA 연구에서는 자체적으로 심각도와 발생빈도를 정 의하여 적용하였다. 이도선 등은 치명도를 RPN=심각도(severity)×발생도(occurrence)×검출도(detection) 로 수치화하여 평가하였으며. 차재환 등은 심각도에 유지보수의 비용측면을 고려하여 발생빈도에 따른 치명도 매트릭스를 정의하였다.2,3) 그 세부내용은 Table 3과 같다. 또한 Relex 2011에서 제공하는 고장모 드비율을 적용하여, 같은 부품이라 하더라도 고장모드에 따른 각각의 영향을 비율로 나타내어 평가하였 다. 구 분 심각도 발생빈도 검출도 유지보수비용 비 고 IEC 62278
Railway applications - Specification and demonstration of RAMS 4단계 6단계 - - Frequency-Consequence 매트릭스 제시 서울도시철도 신조전동차 위험도분석 기준안 5단계 5단계 - -Frequency-Consequence 매트릭스 제시 이도선 등 “FMECA 적용을 통한 벨트식 도어시스템 신뢰성 향상에 관한 연구” 10단계 10단계 (고장확률에 따른 발생빈도)
10단계 - RPN(Risk Priority Number)을 수치화 하여 적용 차재환 등 “FMECA를 활용한 KTX-Ⅱ 공기제동장치 예방유지보수 업무 향상에 관한 연구“ 6단계 6단계 -6단계 (심각도에 유지보수 비용 추가) 치명도 매트릭스 정의 Table 3. 치명도 분석 내용 비교표 본 연구에서는 치명도 분석을 위하여 심각도, 검출도, 발생빈도의 평가지표를 사용하여 수치화하였다. 심각도와 발생빈도는 도시철도공사 신조전동차 위험도분석 기준안에서 제시한 5단계의 심각도 분류기준 을 사용하였으며, 검출도를 5가지 기준에 따라 분류하여 평가항목으로 사용하였다. 2.3.1 심각도 심각도는 도시철도공사에서 사용하는 위험도 분석 기준안을 참조하였다. 심각도의 평가는 Table 4와 같이 위험원에 의하여 발생할 수 있는 심각도를 서비스 및 안전성적인 측면으로 고려하였으며 2가지 이 상의 위험 발생요소 발생시 가장 가능성 높은 결과를 선택하도록 하였다. 구 분 등급 C1 C2 C3 C4 C5 안전성 분석기준 미미한 (Marginal) 심각한 (Serious) 중대한 (Critical) 치명적인 (Catastrophic) 재난이 발생가능한 (Disastrous) 서 비 스 서비스지연 (Disruption to line service)
< 10 mins (10분 미만) > 10 mins < 1 hours (10분이상~1시 간미만) > 1 hours < 8 hours (1시간이상~8 시간미만) > 8 hours < 1 day (8시간이상~1 일미만) > 1 day (1일 이상) 안 전 성 사망(Fatality) 0 0 0 1 >2 현장 사망자 및 부상 후 그 부상으로 인하여 72시간 이내 사망한 자 중상(Major Injury) 0 0 >1 3주일 이상의 입원치료를 요하는 상해를 입었거나, 신체의 부분 또는 그 기능을 영구적으로 상실한 자 경상(Minor Injury) 0 >1 1일 이상 3주 미만의 치료를 요하는 부상을 입은 자 등급 2 4 6 8 10 Table 4. 심각도 분류기준 2.3.2 검출도 및 발생빈도 검출도를 평가하기 위해 본 논문에서는 결함발견 방법을 정기검사시 결함을 발견할 수 있는 방법 및 절차의 난이도로 수치화하여 Table 4와 같이 정의하였다. 그러나 결함을 발견하는 절차가 고장모드의 대책수립에 큰 영향을 주지 않으므로 등급에 관한 누적값은 심각도 보다 작게 설정하였다. 발생빈도는
도시철도공사에서 사용하는 위험도 분석 표준안을 사용하였으며 Table 5와 같다. 등 급 결함 발견 방법 등급 M 6 검출불가능 검출 불가능 6 M 5 분해 및 정밀검사 분해 및 정밀검사를 통해 결함 발견 가능(ex 부품의 완전분해 등) 5 M 4 시험 및 측정점검 시험 및 측정장비을 통해 결함 발견 가능(ex 테스터기 등) 4 M 3 동작 및 기능점검 기기를 동작시키거나 기능을 점검하여 발견 가능 3 M 2 육안점검 육안으로 확인하여 결함을 발견 가능 2 M 1 모니터 확인 모니터로 현시 1 Table 4. 검출도 분류기준 등 급 정량적인 범위 등급 F5 빈번한 (Frequent)
More than 10 times per year (연간 10회 이상) 9 F4 가능성이 있는
(Probable)
Once to 10 times per year (연간 1회 ~ 10회) 7 F3 때때로
(Ocasional)
Once every 1 to 10 years (10년 1회 ~ 1년 1회) 5 F2 가능성이 희박한
(Remote)
Once every 10 to 100 years (100년 1회 ~ 10년 1회) 3 F1 가능성이 없는
(Improbable)
Less than once every years (100년 1회 이하) 1 Table 5. VVVF 인버터장치 발생빈도 분류기준 본 논문에서 사용된 치명도 분석은 다음식에 의하여 치명도를 평가하였으며 VVVF 인버터 시스템의 분석결과는 Table 6과 같다. ․RPN = 심각도×검출도×발생빈도×고장모드비율 조립품 고장영향 고장모드 고장원인 검출도 심각도 발생빈도 고장모드비율 치명도 합계 순위 캐패시터 (SC2') SD와함께전압상승율(dv/dt)을제한한다. Opened 부품불량 1 2 3 10 0.6 16.6 4 Shorted 부품불량 1 2 3 10 0.6 과전류 1 2 3 용량저하 노후화 1 2 3 10 0.6 Cracked 노후화 1 2 3 20 1.2 폭발 과전류 1 4 7 50 14 게이트 드라이브 판넬 (GDP1,2) GTO를동작시키는데필요한전원공급,Bac kPorch,TurnOff및역방향바이어스파형을 만든다. GTO Turn-On/Off고장 백포치전류생성용저항불가 1 4 5 20 4 26.4 1 오동작 캐패시터불량 1 4 7 20 5.6 PCP통신고장 광케이블절손 1 4 7 60 16.8 펄스 컨디셔닝 판넬 (PCP) GTO상태모니터링, 데드타임결정, 전력공급모니터링, 전기신호를광펄스로바꿈 GTO모니터링실패 부품불량 1 2 7 30 4.2 12.8 5 통신불가 1 2 7 데드타임주기결정실패 부품불량 1 2 5 30 3 동작불량 1 2 5 펄스신호분배실패 광커플러불량 1 2 7 20 2.8 전력공급모니터링실패 부품불량 1 2 7 20 2.8 캐패시터 (SC1,2) SD와함께전압상승율(dv/dt)을제한한다 … … … 16.6 4 CMD 각 상의 전류 측정 … … … 25.8 3 VMD 각 상의 전압 측정 … … … 25.8 3 LCMD 과부하 보호 및 line 전류 모니터링 … … … 25.8 3 LVMD 과부하 보호 및 line 전류 모니터링 … … … 25.8 3 ESBA 카드 입출력 인터페이스장치 … … … 26.4 1 HSDR 고속차단기 차단 지연 계전기 … … … 26.2 2 Table 6. VVVF 인버터 시스템 치명도 분석결과 3. 7호선 VVVF 인버터 고장분석 FMECA를 통해 고장등급이 높은 부품에 대해 대책을 수립하고자 2003년부터 2009년까지 인버터 고 장을 분석하였다. 인버터의 고장은 영업운전 시 규정된 시간 이상 지연이 발생한 본선지연고장(Service Failure)과 영업운전을 포함한 일반고장(Logistic Failure)으로 구분하여 분석하였다. 서울도시철도공사의 본선고장은 규정된 시간 이상 지연이 발생한 고장에 대해 본선지연고장(Service Failure)로 구분하여 관 리하고 있다. 본선지연고장은 7년간 발생한 총 113건의 고장을 분석하였으며, 고장은 868건의 고장을 분 석하였으며, 발생 원인별로 Fig. 5, 6과 같이 분류하였다. VVVF 인버터는 고장이 발생할 때 여러 고장 이 중복으로 발생하는 특성이 있어 횟수에 상관없이 중복되는 고장도 포함하였다.
Fig. 5. 인버터 고장 원인분석(일반고장) Fig. 6. 인버터 고장 원인분석(본선지연고장) 3.1 고장분석 결과 고장을 분석한 결과 일반고장의 경우 “피크전류 억제고장”과 “회생제동 피드백 고장” 의 비율(47.7%) 이 매우 높았으며, 본선지연고장의 경우 “상고장”의 비율(29.2%)이 가장 높았다. 본선지연고장의 경우 일반고장에 비해 감지센서에 의한 고장의 비율이 높았으며, 감지센서가 불량일 경우 “과전류”, “회생제 동 피드백 고장”, “3/4출력” 등 여러 가지 고장을 유발하는 것을 알 수 있었다. 캐패시터 고장이 발생한 경우 습식 캐패시터의 폭발로 인한 비산 등으로 2차 피해가 발생하는 것을 알 수 있었다. 7호선 1차분 VVVF 인버터 일반고장 중 “피크전류 억제고장”과 “회생제동 피드백 고장”이 발생 후 고장원인이 소멸되는 경우가 많았으며 Fig. 7과 같이 원인소멸성 고장의 비율이 일반고장의 경우 36%에 달했다. Fig. 7. 원인소멸성 고장 비율(일반고장) 3.2 치명도 분석과 일반고장 비교 Table 7은 치명도가 높은 상위 부품과 7년간의 고장 분석결과 고장의 원인인 부품의 리스트이다. 좌측은 FMECA를 통한 치명도의 분석결과이며 오른쪽은 일반고장의 분석결과이며, 비교 결과 6개의 부품 중 1개를 제외하고 일치하였다. FMECA 치명도 분석결과 일반고장분석 결과 순위 치명도 품 명 기 능 품 명 고장원인 순위 1 26.4 게이트 드라이브 판넬(GDP1,2) GTO를 동작시키는데 필요한 전원공급, Back Porch, Turn Off 및 역방향바이어스파형을 만든다
전류센서 및 전압센서 피크전류 고장 1 2 26.4 ESBA 카드 입출력 인터페이스장치 ESBA카드 회생제동 피드백 고장 2 3 26.2 HSDR 고속차단기 차단 지연 계전기 GDP1,2 캐패시터 과전류/과전압 3 4 25.8 CMD, VMD 전류 및 전압 검지 GDP1,2 캐패시터 출력불량 4 5 16.6 캐패시터(SC1,2) SD와 함께 GTO의 전압상승율(dv/dt)을 제한한다. GDP1,2 캐패시터 상고장 5 6 12.8 펄스 컨디셔닝 판넬(PCP) GTO 상태모니터링, 데드타임 결정, 전력공급 모니터링, 전기신호를 광펄스로 바꿈 캐패시터 SC 캐패시터 고장 6 … … … … Table 7. 치명도 분석결과와 일반고장 분석 결과표
4. 결론 본 논문에서는 7호선 1차분 VVVF 인버터를 기능분석하고, FMECA 프로세스를 적용하여 인버터 시 스템의 치명도를 분석하였다. 또한 7년간의 운행지연고장 및 일반고장을 분석하여 치명도 분석결과와 비교하였으며 그 결과는 다음과 같다. 1) 치명도를 분석한 결과 GDP 판넬과 ESBA 카드 등이 7호선 VVVF 인버터의 취약부분으로 나타났다. 2) 일반고장을 분석해 본 결과 고장의 원인이 치명도 분석과 대부분 일치하였다. 그러나 일반고장분석 에서는 전압/전류센서에 의한 고장이 많이 발생하였다. 이것은 센서의 용량설계가 잘못되었거나 외부조 건이 설계시 검토된 내용과 다르다는 것을 나타낸다. 따라서 향후 인버터를 설계할 때 센서류에 대한 불안정한 가선전압 등의 조건도 고려하여 센서의 검지능력, 오프셋 값 그리고 최대 측정값 등에 대한 여유마진이 필요하다고 추정하였다. 3) FMECA를 통한 취약부분의 대책으로 “피크전류 억제고장” 등이 발생할 경우 생기는 VVVF 인버 터의 원인소멸성 고장에 대해 전동차 및 외부요인으로 나누어 적절한 대책이 필요하다. 전동차의 경우 가선의 임펄스 및 리플전압에 대한 대책과 외부요인으로는 불안정한 가선전압의 대책 등이 필요하다. 참고문헌 1) 유양하, “MKBSF산출을 통한 KTX 신뢰성 연구”, pp.58-59, 2005. 2) 이도선, “FMECA 적용을 통한 벨트식 도어시스템 신뢰성 향상에 관한 연구”, 2009. 3) 차재환, FMECA를 활용한 KTX-Ⅱ 공기제동장치 예방유지보수 업무 향상에 관한 연구“ 4) 이도선, “FMECA 적용을 통한 벨트식 도어시스템 신뢰성 향상에 관한 연구” pp.78, 2009. 5) Anthony M. Smith, RCM Gateway to World Class Maintence (2009)
6) IEC 62278: Railway applications - Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS)
