수중함에서 전력시스템(PS:Power System)이란 함의 추진시스템 뿐만 아니라 함 내에 모든 부하들의 전력공급을 담당하는 매우 중요한 요소이다. 수중함에 있어 전력시스템의 고장은 안정성에 직결되는 요소이므로 이에 대한 분석과 신뢰성 확보는 필수적이다. 본 논문에서는 수중함의 전력생산부에서부터 부하까지 전력이 공급되는 과정을 전기계통도로 표현하여 이에 대해 고장나무분석을 실시하였으며, 기본구조와 계통 여유율을 고려한 전기적 구조의 고장나무분석을 실시하여 이에 따른 구조변화를 비교한다.
본 논문에서는 수중함의 전력시스템에 대한 안정성과 신뢰성 분석을 위해 고장나무분석 수행한 결과를 제시한다. 본 논문의 고장나무분석 결과는 추후 수중함 설계 시 현재의 전력 계통 체계에서 전력 생산부와 전력 변환부의 장비 추가와 전력 배전부 구조의 변경가능하게 함으로써 더 우수한 신뢰성과 안정성을 갖는 수중함을 설계 할 수 있는 설계 가이드라인을 제시한다.
본 논문에서는 양방향 dc-to-dc 컨버터의 고장원인, 고장영향, 고장 결과를 파악하기 위한 failure mode and effect analysis(FMEA)와 양방향 컨버터의 위험도를 고려한 fault-tree analysis(FTA)를 통해 고장률을 예측한다. 전기차의 구동전압을 효율적으로 상승시키기 위해 인버터 앞단에 부착되는 양방향 컨버터는 배터리 전력을 dc-link 커패시터로 방전시키는 승압모드와 회생전력을 배터리로 충전시키는 강압모드를 가진다. 양방향 컨버터의 동작 특성을 고려한 FMEA 결과를 바탕으로 컨버터의 위험도를 고려한 고장나무를 설계한다. 전기차 MCU용에 맞는 설계 파라메타를 설정하고 출력전압 리플과 인덕터 전류 리플에 따른 커패시터와 인덕터의 부품 고장률을 분석한다. 또한 동작 온도에 따른 주요부품의 고장률을 MIL-HDBK-217F를 이용하여 구한다. 마지막으로 부품 고장률을 고장나무의 기본 사상의 고장률로 반영하여 컨버터 고장률과 평균고장시간을 예측한다.
Cascaded H-bridge 멀리레벨인버터는 출력전압 레벨 수를 증가시켜 고전압 응용이 가능하도록 하는 전력변환장치로 모듈화 특성이 우수하여 그 활용 범위를 넓혀가고 있다. 출력 전압레벨 수를 증가시켜 보다 정현파에 가까운 양질의 출력전압을 생성하기 위해서는 스위칭 소자와 입력 전압원 개수의 증가로 인해 회로구조와 제어방법이 복잡해지는 문제가 발생한다. 하지만 스위칭 여유율(Redundancy)에 따른 대체 스위칭 패턴의 적용으로 전체 시스템의 신뢰성을 개선시킬 수도 있다. 본 논문에서는 고장나무 분석을 통해 Cascaded H-bridge 멀티레벨 인버터의 위험도를 계산하고 스위칭 여유율과의 관련성을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 동일한 설계조건을 갖는 벅 컨버터와 벅-부스트 컨버터를 신뢰성의 측면에서 비교한다. 신뢰성 분석의 대표적인 지표의 고장률과 평균 고장 시간(Mean time between failure, MTBF)을 도출하기 위해 고장나무 분석(Fault-tree analysis, FTA)을 사용한다. FTA는 컨버터의 동작 특성을 고려하여 고장의 원인과 영향을 나타내는 방법으로 컨버터를 구성하는 부품의 고장률은 MIL-HDBK-217F의 값을 사용한다. FTA를 통해 벅 컨버터의 고장률과 벅-부스트 컨버터의 고장률을 도출하고 고장률 차이의 원인을 분석하며 두 컨버터의 동작 온도별 고장률을 그래프로 나타내어 시각화한다.
HVDC 시스템에서 풀-브리지 서브 모듈 구조는 하프브리지 서브 모듈에 비해 부품 수가 증가하지만 100 % 여유율 확보가 가능하여 고장률을 크게 줄일 수 있다. 그러나 풀-브리지 서브 모듈은 여유율 보장과 암(arm) 단락 방지를 위한 데드 타임(dead-time)을 확보하기 위해 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 풀-브리지 서브 모듈과 동일한 부품 수와 100 % 여유율을 갖는 병렬 하프브리지 구성의 고장률을 분석한다. 기존의 부품 고장 분석에 고장나무분석 방법을 적용하여 서브 모듈의 동작 위험을 반영함으로써 서브 모듈의 수명주기를 보다 정확하게 예측할 수 있다. 병렬 하프브리지 서브모듈의 타당성 검증을 위해 FTA 기반 분석 방법과 기존의 PCA 기반 방법으로 분석된 고장률을 비교한다.
수중함 전력시스템(UVPS: Underwater Vehicle Power System)은 함 내에 모든 부하들의 전력 공급을 담당하는 시스템으로서 전력 계통의 안정적인 운영을 위하여 수중함 전력시스템의 신뢰성 확보는 매우 중요한 요소이다. 본 논문에서는 기본형태의 수중함 전력시스템과 장비 여유율을 고려한 수중함 전력시스템의 전기 계통 구성을 비교하고 이에 따른 고장나무 분석을 실시하여 장비 여유율을 고려한 수중함 전력시스템의 신뢰성 향상을 확인한다.
최근의 전력품질은 양적인 요구에서 질적인 요구로 변화하고 순간적인 전압강하나 정전이 사회에 미치는 영향이 크게 되었다. 배전선로 신뢰도 향상을 통한 안정적 전력공급을 위해 조류고장 방지에 대한 대책을 지금까지 다양한 방법으로 시도하였으나 조류고장은 여전히 중가추세에 있다. 조류고장 원인을 분석하면 길조로 인식되고 있고 자연한경보호 의식이 고조되면서 까치수가 급증하고 지역개발에 의해 교목이 감소하면서 전주애 둥지를 짓고 둥지재료도 나무가지 및 철선을 이용하여 둥지재료와 전선과의 접촉으로 전선단선동 고장복구에 장시간을 요하게 된다. 조류피해 방지대책의 종류와 시행상 문제점을 분석하고 까치집을 철거하지 않고 까치와 공존 공생할 수 있는 환경 신화적이고 과학적인 배전설비 구축으로 조류고장의 근원적 해소로 양질의 전력공급에 최선을 다하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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