1. 서 론

최근 건설 산업 및 긴급구난 현장에서 용접기, 해머드릴, 전기 절단기 등 고 전력의 상용 전기 장비의 사용이 증가됨에 따라, 실외에서 독립된 발전 구조를 갖는 전원 시스템에 대한 요구가 높아가고 있다⁽¹⁾. 발전 전용 차량이나 크레인, 사다리차, 소방차 등 특장 차량은 차량에 장착된 동력인출장치 (PTO : Power take off)를 이용하여 다양한 유압용 공구(Hydraulic tools)를 사용한다. 그러나 유압용 공구는 사용거리의 제약이 있으며, PTO가 없는 경우에는 단독으로 사용할 수 없다. 이러한 PTO에 의한 유압용 공구의 단점을 개선하기 위하여 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전시스템이 개발되어 사용되고 있다^(1-3).

종전의 특장 차량 발전 시스템^(2,3)은 구동 동력을 담당하는 엔진과 PTO 유압 시스템을 연계한 단상 발전기로 부터 직접 정전압/정주파수(CVCF : Constant voltage constant frequency)의 전력을 발전한다. 이 방법은 비교적 가격이 저렴한 계자권선형 발전기(Wound field synchronous generator)를 사용하여 전압강하 성분을 보상하기 위한 회전자 자속 제어가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 계자권선의 자속 보상에도 불구하고 용량에 따라 전압변동률은 3∼6%정도 발생하고 있다^(2,3). 특히 PTO유압시스템의 유속 변화에 따라 발전기 속도가 결정되기 때문에 속도 변화율이 높으며, 이는 약 5%정도 주파수 변동률에 영향을 준다⁽²⁾. 부하가 저용량인 경우에는 전압 변동률이 더 커지므로, 전압 및 주파수 변동에 민감한 공구는 제 성능을 발휘하기 어렵다. 계자권선형 발전기는 자속 발생을 위한 별도의 전원이 필요하므로 구조가 복잡하고 효율이 저하된다.

본 논문에서는 계자권선형 발전시스템의 문제점을 해결하기 위한 3상 영구자석 매입형 발전기(PMSG : Permanent magnet synchronous generator)^(4,5)와 전력전자 변환장치를 연동한 7kW 특장 차량용 CVCF 발전시스템을 제안한다. 제안된 시스템의 전력전자 변환장치⁽⁶⁾는 AC-DC정류기와 DC-DC 부스트 컨버터 그리고 단상 DC-AC인버터로 구성된다^(7-9). 부스트 컨버터는 3상 PMSG의 속도변동이나 부하변동에 대한 전압 보상 역할을 한다. 제안된 특장 차량용 발전시스템의 유효성을 확인하기 위하여, 시제품을 제작하고 부하변동에 따른 출력 특성을 고찰하기로 한다.

2. 제안된 발전시스템

일반적으로 특장 차량에서 상용전력을 얻는 방법으로는 차량의 24V 배터리 전원을 이용한다. 이 방법은 엔진의 시동과 무관하게 발전이 가능하나, 배터리의 한정된 용량 때문에 사용시간이 제한되며 배터리가 방전되는 경우에는 차량을 운행할 수 없다는 점이 있다.

Fig. 1은 산업 및 긴급구호 현장에 투입된 발전 특장차량에서 다양한 상용 전기 장치 및 공구를 사용하는 일례를 나타낸 것이다.

Fig. 2는 발전 특장 차량에서 상용전력을 발전하는 일반적인 방법을 나타낸다. 이 방법은 차량의 구동 동력을 담당하는 엔진과 PTO 유압시스템을 연계한 계자권선형 발전기에서 직접 상용전력을 발전한다. 이때 사용되는 발전기는 계자권선형 발전기로서 가격이 저렴한 장점이 있으나, 계자권선에 별도의 전원을 이용하여 자속을 생성하기 때문에 계자권선에서 손실이 발생하고, PTO에 의해 발전기의 속도가 결정되므로 속도 변화율이 높아 전압과 주파수가 변동되는 단점이 있다^(2,3).

Fig. 3는 계자권선형 발전시스템의 단점을 보완하기위해 제안한 3상 영구자석 매입형 발전기 PMSG와 전력변환기를 연동한 특장 차량용 발전시스템을 나타낸다. 발전 차량이나 특장 차량의 엔진계통에 있는 PTO나 유압모터(Hydraulic motor)로부터 기계적인 동력을 공급받은 3상 PMSG는 CVCF상용전압을 출력한다. PMSG의 선간 유기기전력(Induced EMF : Electromotive force) $V_{g}$^(4,5,10)와 주파수 f는 3000rpm에서 240V/250Hz이며, PTO유압부하에 영향을 받아 불안정하다. 불안정한 발전기의 유기기전력은 AC-DC다이오드 정류기를 거쳐 DC-DC 부스트 컨버터로 승압 제어되고, 이를 단상 풀 브리지 DC-AC 인버터를 통하여 안정적인 CVCF 상용교류(220V/60Hz)로 발전하게 된다.

Fig. 4는 본 연구에서 특장 차량 발전시스템 발전기로 채택한 3상 영구자석 매립형 동기발전기의 단면 일부를 나타낸 것이다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 발전기는 8kW 회전계자형 비돌극형 영구자석 매립형이다. 특장 차량용 3상 PMSG의 용량은 전력변환기의 최대 출력보다 조금 높게 선정해야 한다. 본 연구에서는 전력변환기의 최대 출력을 7kW로 하였으므로, PMSG의 총 용량은 PMSG 및 전력변환기의 전체 효율을 고려하여 8kW로 하였다.

3상 PMSG의 효율을 $\eta_{g}$,컨버터/인버터를 포함한 전력변환기의 효율 $\eta_{p}$, 그리고 제안된 발전시스템의 효율을 $\eta_{t}$라 할 때, 각 효율은 다음 식으로 나타내진다.

발전기의 선간 유기기전력은 전력변환기 소자의 허용 한계치와 관계가 있으므로, 전력변환기 설계시 이를 고려하여야 한다. 3상 PMSG의 선간 유기기전력 $V_{g}$는 다음 식으로 계산된다⁽¹⁰⁾.

여기서 f는 유기기전력의 주파수이고, N은 동기속도, $\Phi$는 자속을 의미한다. PMSG는 특장차의 엔진에서 회전 동력을 공급받으므로, $V_{g}$의 주파수는 60Hz일 필요가 없다. 회전수 N은 식(5)로 결정되므로 3000rpm으로 회전하는 PMSG의 $V_{g}$의 주파수는 250Hz이다.

Fig. 5는 3,000rpm 조건 하의 3상 PMSG의 선간 유기기전력 파형을 나타내며, Table 1은 본 연구에서 선정한 PMSG의 사양이다.

Fig. 6은 제안된 특장 차량용 7kW급 전체 발전시스템의 블록선도를 나타내고 있다. 제안된 시스템은 특장 차량의 엔진 동력과 연결된 3상 PMSG에서 발생된 교류를 AC-DC정류기에 의하여 제어되지 않은 직류전압으로 변환하며, 이때 부하가 연결되면 매우 심한 전압 강하가 발생하므로 부스트DC-DC컨버터로 이를 일정하게 제어해야 한다.

3상 다이오드 정류기 출력전압$V_{pv}$는 식(6)과 같이 PTO유압시스템과 연결된 3상 PMSG의 선간 유기기전력 $V_{g}$(실효치)으로 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.

3상 PMSG의 출력전압이 강하되거나 급격한 부하변동으로 인해 $V_{pv}$가 변동되는 경우라도, DC-AC인버터의 출력전압을 CVCF로 제어하기 위해 부스트컨버터의 출력전압 $V_{DC}$는 일정하게 제어되어야 한다.

부스트 컨버터의 인덕터 $L_{1}$의 전압이 정상상태에서 $V_{L}$=0임을 고려하면, 부스트 컨버터의 입력전압 $V_{pv}$와 출력전압 $V_{DC}$는 듀티비 D로 다음과 같이 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.

식(8)에 의하여 컨버터의 출력전압$V_{DC}$는 식(9)으로 정리된다.

이 $V_{DC}$를 입력으로 하여 단상 풀 브리지 DC-AC 인버터의 출력 전압의 기본파 실효치$V_{out1}$을 나타내면 다음과 같다⁽¹¹⁾.

(단, m은 변조지수, $m\le 1$)

본 연구에서 제안하는 발전시스템은 동작의 안정성에 주안점을 두었으므로, Fig. 6과 같이 나타낸 노이즈나 공진의 영향이 없는 부스트 컨버터-풀 브리지 인버터를 사용하였고, 전압과 전류 제어 역시 간단한 PI제어기를 사용하였다.

Fig. 7은 전력변환기를 구성하고 있는 컨버터와 인버터의 전압과 전류를 제어하기 위한 간단한 PI제어기($P I_{v}$전압제어기와 $P I_{i}$전류제어기)를 나타낸다. 변조 캐리어의 최대치를 $V_{tri_{peak}}$라 할 때, 부스트 컨버터나 인버터의 게인 $k_{pwm}$은 다음으로 표현된다⁽¹⁰⁾.

여기서 $V_{ref}$는 컨버터의 경우에는$V_{pv}$이고, 인버터의 경우에는$V_{DC}$로 된다.

부스트 컨버터 또는 인버터의 출력 전압 및 출력 전류제어기의 PI게인 $G_{v}$와 $G_{i}$는 식(13)과 같다.

3. 실험 및 고찰

Fig. 8은 특장 차량용 발전시스템의 출력 성능을 검증하기 위한 실험장치를 나타낸다. 전력변환기의 제어기로는 DSP(TMS320F28335)가 사용되고, 하드웨어는 제어부, 파워부, 게이트 드라이버로 구성된다. 전력변환장치의 전압과 전류는 A/D 컨버터에 의해 디지털 신호로 변환되며, DSP로 연산된 제어신호는 기준치와 비교된 후 PWM 신호가 생성된다.

엔진의 유압계통인 PTO 또는 92의 회전에너지를 모사하기 위해 HORIBA사의 전기동력계를 이용하였다. 저항부하 Bank에 의하여 다양한 전동 부하 실험을 테스트 한 후, 측정에는 상용 전동 공구를 사용하였다. 이때의 시스템의 입출력 특성은 전력분석장치(WT 3000)를 사용하여 분석하였다. Table 2에 실험의 주요 사양을 나타내었다.

Fig. 9는 제안된 특장 차량용 발전시스템 중에서 (a)전력변환기 부분과 (b)PWM파형을 나타낸다. 인버터의 IGBT PWM신호는 상위 스위치와 하위 스위치가 상보적으로 동작됨을 보여준다.

Fig. 10은 7kW 최대 부하에서 18kHz로 스위칭하는 전력변환기의 열 분포를 확인하기 위한 플리어 FLIR 열화상카메라 SC660로 측정한 사진이다.

Table 3은 측정한 열 영상 온도를 나타내며, Heat Sink에서 최대 30℃, 인덕터에서는 최대 35℃이고, PCB 전체 및 IGBT 드라이버 IC에서는 최고 온도 약 80℃가 측정되었다. 앞에서 언급한 바와 같이, 견실성 관점에서 제안된 시스템은 최대 부하에서 적정 온도로 동작하고 있다.

Fig. 11은 무부하 상태로 PMSG가 3,000rpm로 회전하는 경우의 PMSG의 유기전력$V_{g}$와 인버터의 출력전압$V_{out}$을 나타낸다. 특장차의 엔진을 모사하는 92 모사장치와 연결된 PMSG의 유기기전력 228.1V/ 250Hz는 전력변환기를 거쳐 216V/60Hz 상용 전압을 출력한다.

Fig. 12는 임계 부하조건에서 3,000rpm으로 구동하는 경우의 결과를 나타낸 것이다. 임계부하에서의 구동은 발전기의$V_{g}$에 왜형을 유발하고 ,이를 전력 변환한 후의 $V_{out}$ 파형 역시 약간 왜형된다. 제안된 발전시스템은 임계 출력에서 유기기전력이 왜형되더라도, Fig. 12와 Fig. 13에서 보듯이 전력변환기에 의하여 출력 전압 220V/ 60Hz을 잘 유지하고 있다.

Fig. 14는 1.1kW 가벼운 부하 조건에서의 전력변환기의 출력 전압과 전류파형인데, 임계 출력 조건에서의 Fig. 13과 비교하여 보면 거의 정현파와 같다.

Table 4는 PMSG 발전기의 입력과 출력 그리고 효율을 나타내고 있는데, 임계 부하에서 발전기의 효율은 97%로 매우 높다.

Fig. 15는 실제 산업 현장에서 사용되고 있는 상용 전동공구인 그라인더와 전동 팬을 제안된 발전시스템에 적용한 결과이다. 실제 산업에서 사용되는 전동 부하를 1.2kW에서 5kW로 급격히 증가시킨 후 다시 1.2kW로 급감한 상황에 대한 출력전압과 전류의 응답특성은 안정적임을 알 수 있다.

Fig. 16은 발전시스템의 부하를 0kW에서 최대용량을 넘어서는 8.2kW로 급격히 증가시켰을 경우, 출력전압과 전류의 응답특성을 나타낸 것이다. Fig.에 보는 바와 같이 7kW를 넘어서면 인버터의 DC링크 전압강하가 발생되어 최대치에 맥동이 발생된다.

Fig. 17은 실제 산업 현장에서와 같은 0→1→5→10kW의 4단계적 부하변동에 대한 발전시스템의 출력 전압과 전류의 응답특성을 나타낸다. 7kW 이하의 부하 용량에서는 출력 전압 강하 없이 안정적이나, 최대 부하를 넘어선 10kW로 급격하게 증가되면 인버터의 DC링크 전압강하가 발생되어 출력전압에는 맥동이 발생된다.

Table 5는 제안된 발전 시스템의 효율을 나타내고 있다. 최대 출력에서의 인버터 출력전압은 정격 220V 기준 223.6V로 약2%의 전압 변동이 있다. 종전의 계자권선형 발전시스템의 전압 변동률은 약 6%^(2,3)인데 비하여 제안된 발전시스템은 약 2%로 개선되며, 출력 주파수도 60Hz기준 1% 이내로 일정하였다. 이는 전기사업법 시행규칙(220±13V) 6%범위를 만족하고 있음을 보여준다. PMSG 발전기 뿐 만 아니라 전력변환기를 모두 고려한 제안된 발전시스템의 전체 효율은 Table 5에서 보는 바와 같이 92%로 높음을 확인 할 수 있었다.

Fig. 18은 컨버터와 인버터로 구성된 전력변환기만의 출력 변동에 대한 효율을 측정한 것이다. 1kW에서 7.7kW로 변동되는 부하에 대하여 모두 92% 이상의 효율을 보이며, 최대 출력 부근의 효율은 95%로 높다.

Table 6은 제안된 시스템과 종전의 시스템의 실험 특성을 비교한 것이다. 우선 출력 전압 변동률과 주파수 변동률을 살펴보면, 제안된 방법은 모두 1%미만인데 비해 종전의 방법은 각각 6%와 5%이다. 또한 제안된 방법은 기계적인 구조가 간단하여 부피가 작으나, 종전의 방법은 복잡하고 부피가 크다. 제안된 방법은 7 kW급의 발전 특장용 차량의 전력변환기를 국산화하였으므로, 각 단계별 전력 특성을 실시간 체크가 가능하나, 종전의 방법은 수입 제품이므로 각 단계별 전력특성을 알기 어렵고 또한 A/S도 불가하고 시스템 효율도 알 수 없다. 특히 종전의 방법에서는 제어 서보가 필요하므로 시스템의 가격이 비싸지만 제안된 방법에서는 불필요하다. 일반적으로 발전을 하면 발전기와 주변 기계장비들의 동작으로 소음 진동이 발생하는데, 제안된 방법은 전자식으로 개발되어 엔진 소음을 제외하고 소음 진동이 거의 없다.

4. 결 론

본 연구에서는 발전 특장차량을 위한 7kW CVCF전력변환장치를 제안하고 출력 특성을 고찰하였다. 제안된 시스템은 특장 차량의 엔진의 PTO유압계통과 연결되어 구동되는 발전기와 7kW급 부스트 DC-DC컨버터/단상DC-AC인버터 전력변환기로 구성된다.

발전기의 종류와 용량은 7kW 전력변환기의 용량을 고려하여 8kW급 3상 영구자석 매립형 동기발전기 (PMSG)로 선정하였다. 3상 PMSG의 240V/250Hz 유기기전력은 3상 다이오드 정류기와 부스트 DC-DC 컨버터에 의하여 안정화된 DC로 승압되며, 단상 PWM인버터에 의해 220V/ 60Hz의 상용전압이 출력된다.

DSP제어 하드웨어 장치를 제작하였으며, 발전시스템의 출력 특성을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 먼저 3000rpm에서 PMSG의 240V/250Hz 유기기전력 파형을 무부하와 임계부하에서 검토한 결과, 무부하시에는 정현파이고 임계부하에서는 왜형된 파형을 보였다. 그러나 경부하와 임계 부하에서 제안된 발전시스템의 상용 출력 전압은 220V/60Hz 정전압 정주파수를 유지하였다. 부하를 0kW∼10kW범위에서 4단계 급변한 경우나 산업현장에서 사용하는 상용 전동공구를 적용한 결과, 모두 전압 및 전류의 지연없이 CVCF 출력 특성을 보였다.

최대 출력에서의 종전의 계자권선형 발전시스템의 전압 변동률은 6%인데 비하여, 제안된 발전시스템에서는 약 2%로 개선되며, 출력 주파수도 60Hz기준 1% 이내로 유지하였다. 최대 부하 조건에서 측정한 효율은 3상 PMSG는 97.1%, 전력변환장치는 94.7%였으며, 전체 발전시스템은 92%로 비교적 양호함을 보였다.