증기 Turbine plant의 제어방식은 점점 더 복잡하게 고도화하고 있으며 원심 또는 유압조속기등 Lever와 유압기구의 조합으로 구성된 기계유압식 Governor 대신에 전자유압식 Governor(Electro-Hydraulic Governor, EHG 일반적으로 광의의 의미로는 전자유압식제어장치 Electro-Hydraulic Control System이라함)의 개발에 주력하고 있으며 본보고서는 이에 대한 시험결과를 기술한 것이다. 본보고서는 산업용(자가발전용) 증기 Turbine의 전자유압식 Governor에 관한 것으로서 기계유압식에서의 복잡한 Lever 기구, Relay 장치등 기계부분의 전자유압화와 고압제어유의 채용및 이에 따르는 각부분의 Module화, Solid State화 및 소형 Unit화에 의하여 취급및 보수가 용이한 고성능의 제어장치를 개발하게 되었다. 특히 미국의 GE사에서 이에 대한 개발이 앞서 있으며 현재 100MW까지 약 30대가 실용화되고 있다고 한다. (이글은 일본화력발전지 1968년 1월 제136호에서 발췌한 글이다.)
본 논문에서는 발사체에 적용하는 전기-유압식 추력벡터제어 구동장치시스템의 합성공진 현상에 대한 해석 연구결과를 기술한다. 합성공진 현상은 위치서보 구동장치시스템을 유연한 발사체 기체구조체 지지부에 장착하였을 때 발생한다. 이는 관성부하를 갖는 전기-유압식 위치서보 시스템의 유압공진 현상과 유연한 기체구조체 지지부의 구조공진 현상의 합성에 의하여 발생한다. 합성공진 현상은 발사체 제어시스템에 의하여 되먹임 및 증폭되어 안정성을 악화시킬 수 있다. 이와 같은 현상을 정확하게 예측 및 분석할 수 있는 비선형 모델을 개발하였으며 이에 기반을 둔 합성공진 억제 특성이 우수한 동적 압력 되먹임(dynamic pressure feedback) 제어기법을 개발하였다.
본 논문에서는 근래에 들어 중/소형급 추진기관을 갖는 발사체의 추력벡터제어용 구동 장치시스템으로 적용 연구가 활발히 진행되고 여는 전기-기계식 구동장치시스템에 대한 설계 및 해석, 이에 기반을 둔 시제품 제작 및 시험 수행 결과를 기술하였다. 아울러 발사체 적용 추진기관 형상 및 규모를 기준으로 적합한 구동장치시스템의 원천동력 형상을 분류하였다. 국내에서 개발 중인 중/소형 추진기관 추력벡터제어용 구동장치시스템의 원천 동력은 배터리의 전기동력이며 이를 사용한 구동장치 형상은 전기-유압식과 전기-기계식으로 구분된다. 전기-기계식 형상이 전기-유압식 보다 작은 동력 변환 과정을 수행하기 때문에 원천동력 대비 구동기 출력동력의 비율을 나타내는 전효율이 우수한 것으로 분석되었다. 아울러 유사한 동력 규모와 기능을 갖는 구동장치시스템을 구성할 경우 전기-기계식 형상이 소요 부품의 수가 감소하여 중량 측면에서도 우위에 있음을 알 수 있었다.
KSLV-I의 킥모터의 추력벡터제어용 구동장치 시스템은 전기-유압식 서보 구동장치 형상으로 설계되었으며 가동노즐을 구동하는 구동장치, 유압동력을 생성하는 유압동력 생성장치, 유압동력을 구동장치에 전달해 주는 유압동력분배장치와 관성항법장치에서 입력되는 제어신호에 따라 구동장치를 제어하는 제어장치 등으로 구성되어있다. 그중에서 유압동력을 생성하는 장치는 전기모터를 이용하여 유압펌프를 구동하는 EMDP(Electric Motor Driven Pump) 방식을 채택하고 있다. 일반적으로 전기모터는 구동이 편리한 브러시 방식의 직류모터(BDC 모터)를 사용하는데 일정 고도이상에서는 사용이 용이하지 않다. 그래서 고고도에서 사용하기 위해 브러시없는 직류모터(BLDC 모터)를 이용하여 유압펌프를 구동하는 시스템을 개발하고 있다. 본 논문에서는 브러시없는 직류모터를 구동하기 위한 제어기 설계에 대하여 자세히 설명하고자 한다.
본 연구에서는 유압식 방법보다 절삭 정밀도가 높고 전기신호를 사용함으로 인한 조작과 증폭이 간단하고 특성 개선을 위한 조작과 증폭이 간단하고 특성 개선을 위한 계의 보상(sysyem compensation)을 할 수 있는 전기 유압식 모방장치를 설계, 제 작하여 그 성능을 실험적으로 해석하였다.
단락발전기를 이용하여 대전류 단락시험을 실시하는 시험 설비중 단락전류 투입시 정밀한 투입 위상각 제어와 주접점 접촉시 바운싱이 없는 투입개폐기 특성이 요구된다. 이러한 특성을 만족시키기 위하여 공압식, 모터식, 유압식등 여러 종류의 투입개폐기가 사용되고 있으며 Actuator와 주 접점 형상설계 및 조립기술에 의한 바운싱이 없는 제품 제작이 중요하다. 본 논문에서는 정격전압 24 kV 단락전류 47 kA, 통전시간 0.5 s의 투입용량과 연속 반복 투입시 $\pm0.1$ ms의 오차특성을 가진 정밀급 유압식 투입개폐기의 동작특성과 핵심부품 조사 및 바운싱 제거를 위한 대책실시와 반복시험을 통하여 투입개폐기 특성에 대한 연구를 목적으로 한다.
기존의 유압식 엘리베이터에서, 엘리베이터 카는 하강 제어 밸브에 의해 하강하며, 작동유의 유압 에너지는 하강행정 동안 손실 될 수밖에 없다. 본 연구에서는 하강행정 동안 손실되는 유압 에너지를 회수하기 위해서 유압식 엘리베이터용 하이브리드 형 에너지 저감 장치에 대해서 연구하였다. 회수된 에너지는 전기 에너지로 변환하여 저장하고, 저장된 에너지는 엘리베이터의 상승행정 동안에 보조 동력으로 사용하거나 다른 부품의 주동력으로 사용할 수 있다. 본 연구의 결과들은 에너지 저감 장치의 출력 특성이 안정적이고 양호하다는 것을 보여주고 있으며, 본 연구를 통하여 유압식 엘리베이터의 하강행정 동안 손실되는 에너지를 회수하는데 성공하였으며, 회수된 에너지를 재사용하는데 매우 유용하다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 고도 300 km 이상의 고고도 고진공 우주환경에서 발사체의 피치 및 요방향 자세 및 궤적제어를 추력벡터제어 방식으로 수행하는 전기유압식 구동장치시스템의 개발 결과를 기술한다. 성층권 이하에서 운용하는 저고도 발사체용 전기유압식 구동장치시스템과 비교하여 강화된 개발 요구규격 및 이를 충족시키기 위한 신규 설계 및 제작 기술, 성능 검증을 위한 시험장치의 개발 및 이를 사용한 시험 수행 결과를 본 논문에 요약하였다. 시스템 자체 성능 검증을 위한 시험 및 평가가 성공적으로 완료된 구동장치시스템은 관련 시스템과의 접속 및 통합 적합성 검증 후 KSLV-I 발사체에 탑재될 예정이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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