Aging Diagnosis by Analyzing The Electrical Characteristics of Series Hybrid Generator

† 교신저자, 한국철도기술연구원, 바이모달수송시스템연구단 E-mail : [email protected]

* 한국철도기술연구원, 바이모달수송시스템연구단

직렬형 하이브리드용 발전기의 전기적 특성분석 및 열화진단

Aging Diagnosis by Analyzing The Electrical Characteristics of Series

Hybrid Generator

이강원† 장세기*

Kang-Won Lee Se-Ky Jang

ABSTRACT

Bimodal Tram is the new conceptual and environmental-friendly public transportation which adopted series hybrid system. The generator driven by CNG engine supplies the electric power to Battery and traction motor. The generator installed on the vehicle will experience the mechanical vibration and electrical transient variation. Those may cause some defects on the generator which will be the hazardous effects to the vehicle. This paper has investigated the possibility to find out some diagnostic features for the defects of generator through the voltage and current generated from it. Those were analyzed in both time and frequency regions. For the next, more works will be needed to complete the purpose of this paper.

1. 서론 바이모달 트램은 직렬형 하이브리드시스템으로 엔진에 직결된 발전기로부터 전력을 공급받아 배터리 충 전 및 견인전동기를 구동시킨다. 그러므로 발전기의 역할은 매우 중요하다. 정지형 비상발전기와는 달리 차량에 설치된 발전기는 차량의 진동과 엔진기동시 과도적인 진동을 함께 받고 수시로 발전전압 및 전 류가 변동되는 혹독한 환경에서 운영되므로 물리적인 결함에 노출될 위험성이 다수 존재한다. 이러한 결함의 발생을 사전에 예방하는 것도 중요하지만 결함이 발생된 경우에는 결함에 의한 위험이 커지기 전에 신속히 결함원을 알아내어 사고발생확률을 줄이는 것도 또한 매우 중요하다. 본 논문에서는 직렬형 하이브리드시스템에서 엔진구동에 의해 발전하는 발전기의 열화진단을 위한 평가방 법으로서 발전기로부터 측정된 선전압, 선전류 및 3상 일괄형 전류의 시간영역과 주파수영역에서의 양상을 분석한 결과를 보여주고 향후 진단을 위한 평가파라메터를 추출하고자 한다. 2. 본론 2.1 직렬형 하이브리드시스템 및 시험방법 그림 1은 바이모달 트램의 직렬형 하이브리드 추진시스템과 보조전원에 대한 간단한 구성도를 보여주고 있 다. 바이모달트램의 직렬형 하이브리드 추진시스템은 CNG(compressed natural gas) 엔진에 연결된 발전기를 회전시켜 전력을 생산하고 발생된 전력은 직류계통에 연결된 배터리를 충전시키며, 인버터를 통하여 전동기 를 구동하여 차량을 추진토록 한다. 차량의 제동이 이루어지는 경우에는 회생제동에너지가 전동기로부터 발 생하여 인버터를 거쳐 배터리(650V, 80Ah)를 충전시키고 충전에너지를 초과하는 회생에너지는 별도의 제동 저항에서 열로서 소모되도록 하고 있다. 본 논문에서는 208마력(2400rpm)의 Cummins사 CNG엔진에 직결된

kirsch사 140kW급 발전기(6극, 2500rpm/250Hz)를 진단할 대상으로 결정하였다. 그림 2는 엔진이 기동한 후 아이들(900rpm)상태를 거친다음 배터리 충전을 위해 2400rpm으로 상승하는 과정에서 발전기로부터 출력 된 선전압 및 1상의 선전류 그리고 기계적 진동(Acoustic emission signal)에 대해 측정한 파형들을 보여주 고 있다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 엔진의 기동 및 rpm증가시 발전기는 기계적인 진동과 전기적인 과도상태 를 겪게 되므로 예기치 않은 결함이 발생할 가능성이 커지게 된다. 결함은 베어링파손등에 의한 기계적인 편 심 또는 발전기의 고정자권선의 절연불량등의 형태로서 나타나며 이러한 결함들에 의해 발전기로부터 출력되 는 전압 또는 전류파형은 영향을 받을 것으로 보여지나 결함이 시작되는 시점 또는 결함의 정도가 약한 경우 에는 외부의 전기적인 노이즈와 구분하기 힘들 수 있다. 발전기의 2상간 선전압은 Differential probe를 사용 하여 측정하였고 각상의 선전류는 로고스키코일을 이용하여 측정하였다. 마지막으로 3상의 선전류들을 하나 의 로고스키코일을 관통하여 일괄적으로 측정하였다. 측정된 신호는 디지털오실로스코프로 획득하여 저장 후 분석되었다. 그림 1. 직렬 하이브리드시스템 구성도 그림 2. 발전기의 출력전압(상)과 전류(하) 및 엔진의 AE신호 2.2. 측정결과 및 고찰 그림 3은 엔진이 2400rpm으로 동작하며 정류기를 거쳐 배터리를 충전시키는 동안 발전기로부터 출력된 2 상간 선전압을 디지털 오실로스코프의 샘플링주기를 0.1us로 조정하여 측정한 시간에 따른 신호파형 및 FFT 로 분석된 주파수분포를 보여주고 있다. 측정된 선전압 파형은 사인파와 같은 정현파에 비해 왜곡된 주기적 인 파형의 형태를 가지고 있고 이에 따라 기본주파수인 480[Hz]외에 고조파성분을 발생시킨다. 고조파 성분 중 5고조파(2400[Hz])는 기본파의 13.1%이고 7고조파는 6.4%로서 다른 고차고조파에 비해 비중이 큰 성분 이다. 이러한 성분은 3상 전파정류기를 이용하여 교류를 직류로 전환할 때 발전기측의 전압에서 발생되는 고 조파 성분으로 엔진이 아이들상태로 동작하여 3상 전파정류기가 동작되지 않을 때의 전압보다 커지게 된다.

그림 4는 엔진이 아이들 상태에서 동작할 때 발전기에서 출력된 전압파형과 주파수분포를 보여준다. 그림에 서 알 수 있듯이 그림 3에 비하여 보다더 사인파와 같은 정현파의 형태를 가지며 기본주파수인 180[Hz]에 비해 5고조파 성분은 1.4%이고 7고조파는 0.7%정도로서 고조파성분이 비중이 약 1/10으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 발전기의 열화상태에 대한 어떠한 징후를 살피고자 했으나 측정된 전압파형에 대한 시간 영역과 주파수영역에서 특이사항이 관찰되지 않았다. 그러나 전압에 대한 시간영역과 주파수영역에 대한 단 편적인 관찰은 그 이면에 숨겨진 사실에 대해 직관적인 판단의 오류를 발생하게 하므로 이후 신호처리기술을 이용하여 좀더 다양하게 전압신호를 분석하는 것이 필요할 것으로 보인다. 그림 3. 엔진동작(2400[rpm])시 발전기 2상간 선전압파형 및 주파수분포 그림 4. 엔진동작(아이들, 900[rpm])시 발전기 2상간 선전압파형 및 주파수분포 그림 5에서는 엔진이 2400[rpm]으로 동작하여 발전기로부터 출력된 전류가 3상 전파정류기를 통하여 배 터리를 충전시킬때 출력된 각상들의 선전류에 대해 측정한 신호파형 및 이를 적분한 결과를 보여주고 있다. 로고스키코일을 통해 측정된 파형은 Lentz의 법칙에 따라 식 1과 같이 코일내를 통과하는 전류의 시간적 변 화율에 따라 코일이 가진 인덕턴스의 곱으로 생성되는 유기 전압이다.    _  (1) 그러므로 실제 코일을 관통하여 흐르는 전류의 파형은 로고스키코일의 출력값을 적분하여 구해질 수 있 다. 그림 5에서 청색으로 표시된 파형은 로고스키코일에서 측정된 유기전압파형이고 적색으로 표시된 파형은 이를 적분한 파형으로 실제 흐르는 전류의 파형을 나타낸다. 발전기에서 발전된 교류전압은 3상 전파정류회 로를 통하여 직류전압으로 정류되며 이때 정류기 입력단 전류는 적색으로 표시된 파형으로 보여 지게 된다.

로고스키코일에 부가되는 적분회로와 증폭기를 통과하여 출력되는 전류파형은 원 파형에 비해 약간 지연되면 서 고주파성분들이 제거되는 단점을 가지고 있어 본 논문에서는 적분회로와 증폭기를 제거한 상태에서 순수 하게 발전기내에서 출력되는 전류파형의 시간적 변화를 살펴보고자 하였다. 만일 내부 상태에 순간적인 방전 전류가 흐르는 경우 전류의 변화는 매우 빠르게 되어 로고스키코일에 유기되는 전압의 크기도 상대적으로 크 게 될 것이다. 파형들에 대해 살펴본 결과 비정상적으로 큰 크기를 가진 과도적인 파형은 관찰되지 않았으므 로 발전기에 흐르는 전류에는 순간적으로 방전되어 흐르는 전류성분은 없는 것으로 판단되었다. 그림 5. 엔진동작(2400[rpm])시 발전기 1상 선전류의 로고스키코일 출력파형(적분전-청색, 적분후-적색) 그림 6은 엔진이 배터리를 충전시키기 위한 운전속도로 동작할 때 3상 선전류들을 일괄하여 하나의 로고스 키코일 전류센서를 통과시킨 경우에 전류센서에서 측정된 신호파형으로 센서에 연결된 적분기를 통하여 얻어 진 신호파형 및 주파수분포를 나타낸다. 발전기에서 발전된 3상 전류가 크기가 같고 위상차가 120도인 각 상 에 대한 선전류라면 3상 선전류를 일괄한 경우에 노이즈를 제외하면 거의 0(=Ia + Ib + Ic)이 되어야 하나 실제 측정된 신호는 약 3[A]의 크기를 보여주었다. 이는 발전기의 회전각속도가 360도의 각도에서 동일하지 않기 때문으로 판단되며 그림 6에서 신호파형에 대한 주파수분포에서는 약 3[MHz] ~ 6[MHz]사이에서 알 수 없는 주파수성분들이 나타난 것이 확인되었다. 이들 주파수 성분들은 엔진이 정지된 상태에서 배터리로부 터 방전이 이루어지는 환경에서 측정된 전류센서신호에서는 나타나지 않은 것이다. 향후 이들 주파수성분들 의 발생원을 파악하기 위하여 관련 신호들을 좀 더 취득하여 분석할 예정이다. 그림 6. 엔진동작(2400[rpm])시 발전기 3상 일괄 전류파형 및 주파수분포

그림 7. 배터리모드로 운전 중 3상 일괄 전류파형 및 주파수분포 3. 결론 직렬형 하이브리드시스템에서 엔진회전에 의해 발전기가 전력을 바이모달 트램에 공급할 때 발전기로부터 출력되는 전압 및 전류로부터 발전기의 상태를 평가할 수 있는 특이점을 확인하고자 하였으나 출력전압 및 출력전류의 정상적인 출력양상만을 확인하게 되었다. 이는 단순한 시간 및 주파수영역에서의 직관적인 분석 만으로는 발전기내부에서 발생된 결함에 대한 양상을 파악하는데는 부족하다는 것을 보여주는 것이다. 향후 다양한 신호처리기술을 응용하여 발전기로부터 출력되는 전압 및 전류로부터 결함양상을 파악할 수 있는 특 이점을 발견하고자 한다. 한편 3상 선전류들을 일괄적으로 관통시켜 얻어진 전류센서값의 주파수분포로부터 고주파영역에서 알 수 없는 주파수성분들이 나타나는 것을 확인하였는데 이 부분에 대해서도 앞으로 계속 파 악해 나갈 예정이다. 감사의 글 본 논문은 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원에서 위탁시행하는 2010년도 교통체계효율화 사 업의 지원으로 이루어 졌음에 감사드립니다.