2.1 폐엔진 발전시스템 구조

엔진발전기 시스템의 주요 구성으로는 Fig. 1과 같이 회전력을 발생할 수 있는 폐 CRDI 엔진을 축으로 직결 연결하여 전력을 생산하는 회전형 발전기 또 이를 제어하고 정격전압과 정격주파수를 조정하는 인버터로 구성되어 발전을 한다. Fig. 1과 같이 본 연구는 인버터 개발사양으로 출력전압 3상4선식 AC 380V, 정격용량은 70kW, 역률은 0.85~1로 정하며, 주파수는 입력 50~60Hz, 출력 60Hz가 되도록 하였다. 제어사양은 스위칭 주파수 5kHz, 운전방식은 key운전과 통신운전이 될 수 있도록 설계 및 제작을 한다. 회전형 발전기의 인버터 효율을 개선하기 위해서 Sic소자를 적용하여 스위칭 손실을 최소화하며, 이를 통해 고정적인 손실 감소와 인버터 효율이 향상 되도록 하고, 입력부에 대해 정류효율이 높은 정류 다이오드를 적용하여 발전용 인버터의 입력 손실 저감 및 효율이 향상될 수 있는 구조로 설계한다.

Fig. 1. Waste engine power generation system process

2.2 폐엔진 인버터 구조

콘트롤회로 주요 구성요소로는 Fig. 2와 같이 제어보드의 전원공급과 리셋 신호를 발생시키는 Regulator와 CPU에서 발생한 PWM 신호를 파워보드에 전달하기 위한 PWM Buffer, 인버터의 상태와 모터 제어에 사용되는 인버터 출력전류, 직류단 전압, NTC를 검출하는 Analog 측정 부, 과도한 전류로부터 인버터보호 위한 신호 발생부와 MMI(Man Machine Interface)를 위한 디지털 로더, 제어보드의 기능확장을 위해 I/O와의 통신부, 계통 전원, 전류 검출용 Signal Interface부 및 Memory & RTC부로 제어 되도록 구성하였다.

Fig. 2. Inverter structure for waste engine generator

Fig. 3 인버터를 제작하기 위한 시스템 블록도를 IGBT Gate Driver을 채용하여 PWM방식으로 설계를 하였다. 발전용 인버터 제작 및 실험을 위해 인버터 정류보드, 제어보드, 파워보드 등 제작, 구성품 조립을 하였다.

Fig. 3. Inverter system block diagram

인버터 사양을 설계하기 위해 Table 1과 같이 인버터 개발사양으로 출력전압 3상4선식 AC 380V, 정격용량은 100kW, 역률은 0.85~1로 정하며, 주파수는 입력 50~60Hz, 출력 60Hz가 되도록 하였다. 제어사양은 스위칭 주파수 5kHz, 운전방식은 key운전과 통신운전이 될 수 있도록 설계 및 제작을 한다. 발전용 인버터 효율개선으로 Sic소자를 적용하여 스위칭 손실을 줄이고, 이를 통해 고정적인 손실을 감소 및 인버터 효율이 향상 되도록 하고, 입력부에 대해 정류효율이 높은 정류 다이오드를 적용하여 인버터의 입력 정류 손실 저감 및 효율이 향상 되도록 설계한다.

2.3 인버터 PCB

아래의 PCB는 인버터 정류부로 Fig. 4에서는 입력부 용량 100kW에 적합하도록 하기 위해 SCR 모듈 변경과 회로 설계를 하여 정류부를 제작하였으며, 동작전원 용량으로 Trans former를 설계하였다.

제어부회로 설계로 Fig. 5(a)인버터 제어부 회로 실물 사진에서 MCU 전원을 분리하고자 SMPS 회로 추가 15V, -15V, 5V 출력 변경을 하였고, 전류 검출부의 Reference 전압 보완 회로 변경을 하였다. (b)인버터 센싱 회로는 3상 입·출력 Sensing 신호 회로를 개선하여 적용하였으며, AC 전류 검출 회로부분에서 센싱하도록 적용하였다. (c)통신 및 IO 회로 설계 및 제작을 위해 DC-to-DC Converter 회로로 개선하여 변경(Input 24V, Output 15V, -15V)과 인버터를 이상발생으로부터 신속하게 보호하기 위해 외부접점 신호방식으로 회로를 개선하여 변경(Emergency 신호 추가)하였다. 전체 시스템 시작품으로 제작되는 인버터의 효율은 약 92% 이상을 목표로 설계 되었다.

Fig. 4. Inverter rectifier

Fig. 5. (a) Control board, (b) Sensing board, (c) Communication and input/output board

3.1 부하실험

Fig. 6은 인버터실험과 계측을 위해 부하기 500kWe와 전력분석기 ADPOWER PQA-2100, 온도측정기 GRAPHTEC midi LOGGER GL240, 오실로스코프 Tektroniz TDS 3054 등을 아래 Table 2와 같이 계측 및 시험장비를 사용하였다. 연구개발 발전기용 인버터의 제작과 무부하 및 부하 성능시험으로 발전기용 인버터의 시작품을 아래 Fig. 6과 같이 실험하였으며, 정격부하 운전을 하였을 때 인버터의 효율 측정과 손실 및 효율 등도 실험하였다.

Fig. 6. Inverter prototype

발전기용 인버터의 무부하 및 부하시험을 통한 100kW급 CRDI 엔진발전기용 인버터로 제품화 기술개발을 완료하였고, 매년 국내에서 75만대 이상의 폐엔진이 배출되지만 잔존가치가 50%이상 남아있는 것으로 알려진 폐 CRDI 디젤엔진을 활용하여 엔진발전기로 개발함으로써 성능은 우수하면서 제조비용은 월등히 저감할 수 있기에 개발 이후 다양한 산업과 건축물 분야 등에서 경쟁력있는 사업화가 가능하다. 특히 자동차용 엔진을 엔진발전기에 적용함으로써, 인버터의 내구성, 신뢰성 향상과 판매 이후, 부품 수급과 A/S 측면에서 매우 유리하도록 연구개발하였다. 또한 CRDI디젤엔진의 경우, 기존 가버나 방식의 기계식 엔진발전기에 비해 환경 측면에서 매우 중요한 소음, 연비 및 배출가스에서 매우 유리하는 결과를 Table 3에서 50kW와 Table 4에서 100㎾의 인버터 부하 실증테스트를 하여 정격전압 380V, 정격주파수 60㎐를 얻을수 있음을 확인하였고 파형 실험은 요구사항을 충족하였음을 확인하였으며, 100㎾의 인버터에서 사용한 SCR 구동회로 과부하 운전에서도 Fig.7과 같이 전압과 주파수의 일그러짐이 없음을 실험을 통하여 확인하였다.

Fig. 7. SCR drive waveform

3.2 인버터 신뢰성 시험

발전기용 인버터의 부하시험을 수행하기 전에 Fig. 8의 시험으로 100㎾의 인버터 부하시험을 수행하였으며, 무부하시험은 무부하 유기기전력과 부하저항을 측정하고, 과부하시험을 수행하였다. 우선 시험한 무부하 유기기전력은 상온에서 측정되었으며, 발전기 회전수 1,800rpm조건에서 측정한 결과 상유기 기전력으로 380Vrms로 측정되었으며, Fig. 8의 부하시험으로 상온에서의 해석결과 380Vrms와 큰 오차를 보이지 않는 것을 측정하여 신뢰성을 확인하였다.

Fig. 8. Inverter output characteristics and voltage waveform