안종수
(Jong-Su An)
1iD
정성수
(Seong-Su Jeong)
2iD
김태규
(Tae-Kue Kim)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Changwon University, Korea.)
-
(GU Co., Ltd., Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Piezoelectric transformer, Cut-off time, Short signal detection, Resonant frequency, Protection system
1. 서 론
모든 압전소자는 형상에 따라 고유 진동 주파수와 분극 방향, 진동 방향 등이 결정된다(1-7). 고유 진동 주파수는 공진 주파수와 같으며 상용 전원의 주파수(60㎐)와 많은 차이가 존재하여 인가전압의 크기와 관계없이 출력전압이 매우 낮게 출력된다(8-13). 시스템의 부하와 압전 변압기를 병렬로 연결하였을 때 단락 사고가 발생하면 압전 변압기의 입력 전압은 순간적으로 급감하게 되고, 이때 고조파가 발생하여
고조파에 포함된 압전 변압기의 공진 주파수 성분에 의해 순간적으로 높은 전압이 압전 변압기 2차측으로 출력된다. 이를 이용하여 전원 단락 사고 시
기존의 차단 시스템보다 빠른 신호를 검출할 수 있으며 이를 통해 단락 사고 보호 시스템 설계가 가능함을 보였다(14-15). 그러나 고조파에 의해 순간적으로 신호가 출력된 후 다시 감소하기 때문에 차단 동작을 유지하기에 적합하지 않다. 과전류에 의한 사고로부터 시스템을
보호하기 위해 빠른 검출 시간이 요구되며, 이와 더불어 순간적인 신호를 일정하게 유지할 수 있는 회로를 통해 안정적인 차단 동작이 가능해야 한다.
따라서 본 논문에서는 압전 변압기를 활용한 단락 사고 보호회로 설계 방법에 대하여 제안하고자 한다. 압전 변압기를 통해 검출된 단락 신호를 일정하게
유지하여 안정적인 차단 동작이 가능하도록 설계하였다. 과전류에 의한 사고로부터 시스템을 보호하기 위해서는 회로의 정상적인 동작도 중요하지만 빠른 시간내에
압전 변압기를 통해 검출된 신호를 처리하는 것도 중요하다. 단락 사고 발생 이후 차단 동작까지 걸리는 시간을 반복시험 및 오실로스코프 파형을 통해
분석하였으며 이를 통해 시스템 동작 시 전체 지연 동작을 분석하여 시스템의 성능 및 안정성에 대하여 검증하였다.
2. 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템 설계
2.1 압전 변압기를 통한 단락 신호 검출 방법
압전 변압기는 형상에 따라 고유 진동 주파수를 가지며 입력 전원의 주파수에 따라 출력전압이 달라진다. 전원의 주파수와 압전 변압기의 고유 공진 주파수
간에 차이가 크면 출력전압은 0에 가까운 값이 출력된다. 단락 사고가 발생하여 순간적으로 입력 전압이 감소하게 되면 많은 고조파 성분이 포함되는데
고조파 성분 중 압전 변압기의 고유 진동 주파수와 일치하는 주파수 성분에 의하여 순간적으로 높은 전압이 출력된다. 단락 사고가 발생하는 순간 하강하는
입력 전압에 의해 순간적으로 출력이 상승하고 이후에는 입력 전압과 압전 변압기의 고유 진동수가 일치하지 않기 때문에 압전 변압기 출력이 나타나지 않는다.
즉, 단락 시 압전 변압기에서 순간적으로 상승하는 출력전압은 단락 사고 여부를 판단할 수 있는 신호가 되며 압전 변압기를 단락 사고 센서로 활용할
수 있다. 단락 시 입력 전압의 크기에 따라 출력전압의 크기는 달라지며 안전한 시스템 구현을 위해 빠른 검출 시간이 요구된다.
그림. 1. 압전 변압기 출력전압 검출 시간 측정
Fig. 1. Piezoelectric transformer output voltage detection time measurement
단락 사고를 모의하여 실험을 진행한 결과 압전 변압기의 출력이 순간적으로 상승하는 것을 확인할 수 있었으며, 단락 시 순간적으로 상승하는 신호를 활용하여
단락보호 시스템을 설계할 수 있다. 단락 시 압전 변압기의 출력이 순간적으로 상승하기 때문에 압전 변압기를 단락 감지 센서로 활용할 수 있다. 단락
시 압전 변압기의 출력은 상승한 후 0으로 수렴하기 때문에 추가 회로를 구성하여 안정적인 차단 동작이 가능하도록 해야 한다. 본 논문에서는 출력유지
및 스위칭 소자 제어 회로를 추가 구성하여 시스템의 동작 가능성에 관하여 연구하였다.
2.2 전체 시스템 구성도 고안
압전 변압기의 입력단의 전압이 급격히 하강할 때 압전 변압기의 2차측 출력전압은 순간적으로 높은 전압을 출력한다. 부하 전류와 부하 전압은 서로 반비례하며
단락 사고 발생 시 부하 전압은 급감하게 된다. 이를 고려하여 부하와 압전 변압기를 배치하고 순간적으로 출력되는 신호를 검출하여 부하로 흐르는 전류를
차단해야 한다. 순간적으로 상승하는 신호를 검출하여 차단 동작을 유지해야 하며 신호 검출 이후 차단 동작까지 짧은 시간 내에 이루어져야 한다. 차단
동작의 신뢰성을 위해 동작시간이 짧고 고조파 신호를 감지할 수 있는 소자가 필요하며 신호 검출 이후 부하로 흐르는 전류를 차단하기 위한 스위칭 소자가
필요하다. 현재 어플리케이션에 적합한 스위칭 소자를 선정하여 안정적인 차단 동작이 가능하도록 해야 하며 이러한 기준을 바탕으로 고안한 전체 시스템은
그림 2와 같다.
그림. 2. 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템 구성도
Fig. 2. Short circuit protection system diagram applying piezoelectric transformer
상용 전원을 사용하는 시스템으로 평상시에는 정상적으로 부하에 220V 전원이 공급되도록 구성하며 부하와 압전 변압기를 병렬로 연결한다. 평상시에는
압전 변압기의 공진 주파수에 의해 낮은 전압이 출력되기 때문에 압전 변압기의 출력을 검출하는 회로에서 어떠한 출력도 검출되지 않는다. 단락 사고가
발생했을 경우 압전 변압기에서 순간적인 펄스 전압이 출력되며 이를 감지하는 회로를 통해 단락 사고를 감지한다. 단락 사고가 감지된 후 순간적인 신호를
유지하기 위한 신호 유지 회로를 거쳐 스위칭 소자를 제어한다. 압전 변압기의 입력 변화로 인해 순간적으로 전압이 출력되지만, 이 신호를 그대로 스위칭
소자에 인가하면 스위칭 소자의 상태가 유지될 수 없다. 따라서, 부하로 흐르는 전류를 차단할 수 없고 이를 보완하기 위해 출력을 유지할 수 있는 회로가
추가로 필요하다.
2.3 제품 동작을 고려한 소자 선정 및 배치
단락 사고 발생 여부와 관계없이 시스템 내부 소자의 전원은 계속해서 공급되어야 한다. 상용 전원과 rectifier를 병렬로 연결하여 시스템의 상태와
관계없이 내부 소자의 전원 공급이 원활하게 되도록 하여 단락 사고가 발생하였을 때 시스템이 정상적인 차단 동작을 할 수 있도록 배치해야 한다. 소자의
공급 전압의 크기를 고려하여 rectifier와 regulator를 선정하고 안정적인 전원 공급을 통해 안정적인 차단 동작이 가능하다,
단락 사고 발생 시 압전 변압기의 출력전압을 활용하여 차단 동작을 유지하기 위해서 D-Flip Flop(D-FF) 소자를 활용하였다. D-FF는 D-signal과
Clock signal에 의해 출력이 결정되며 소자 동작 중 Clock signal이 인가되었을 때 현재 D-signal에 인가되는 값을 출력하는
소자이다. 압전 변압기의 신호를 Clock 신호로 활용하여 일정한 출력을 유지하기 위해 사용하였다. D-FF를 통해 단락 사고 발생 시 압전 변압기의
순간적인 출력전압을 Clock signal로 활용하고 D-signal을 제어하여 단락 사고 발생 시 차단 동작을 유지할 수 있는 회로를 구성하였다.
출력 유지 회로를 구성한 후 스위칭 소자를 제어할 수 있는 회로를 추가하여 단락 신호를 감지하였을 때 스위칭 소자를 turn-on 하여 부하로 흐르는
단락 전류를 차단하고자 한다. 스위칭 소자는 relay를 활용하였으며 다양한 스위칭 소자 중 교류 어플리케이션에 적용할 수 있고 크기, 용량 등을
고려하였을 때 relay가 적합하다고 판단하여 선정하였다. 200W 용량을 기준으로 200V/1A에 적합한 소자를 선정하였으며 시스템의 용량에 따라
적합한 소자로 변경하여 시스템의 용량을 변경할 수 있다.
2.4 전체 시스템 알고리즘 및 회로 설계
전체 회로 구성도와 선정한 소자를 바탕으로 구성한 단락 사고 검출 및 보호 시스템의 알고리즘은 그림 3과 같다.
그림. 3. 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템 동작 알고리즘
Fig. 3. Operation algorithm of short circuit protection system applying piezoelectric
transformer
압전 변압기의 출력을 검출한 후 스위칭 소자를 동작시켜 부하로 흐르는 전류를 차단하는 방식으로 알고리즘에 대하여 살펴보면, 시스템에 220V 상용
전원을 공급하여 부하에 정상적으로 전력이 공급되는 것으로 시작된다. 평상시 부하에는 정상적으로 전력이 공급되며 시스템 내부의 전력변환을 위한 rectifier와
regulator에 의하여 relay와 내부 소자들에 전원이 공급된다. 직류전원이 생성되면서 평상시 논리소자의 입력이 결정되며 그에 따라 출력도 결정된다.
평상시에는 출력 유지 회로와 스위칭 소자 제어 회로가 동작하지 않아 정상적으로 부하에 전력이 공급된다. 단락 사고가 발생했을 때 압전 변압기의 출력전압이
상승하고 일정 수준 이상의 전압이 출력되었을 때 논리소자의 출력이 바뀌게 되며 그로 인해 출력 유지 회로와 스위칭 소자 제어 회로가 동작하여 스위칭
소자의 상태가 바뀌어 부하로 흐르는 전류를 차단하게 된다.
그림 4는 그림 2의 전체 시스템 구성도와 그림 3의 알고리즘을 바탕으로 시스템의 전체 회로를 설계한 것이다. 부하와 압전 변압기를 병렬로 연결하여 단락 신호를 검추할 수 있도록 하였고 단락 여부와
관계없이 내부 소자에 전원 공급이 가능하도록 설계하였다. 단락 사고 발생 시 검출된 신호를 처리하기 위한 내부 회로는 단락 여부와 관계없이 정상적으로
동작해야 하므로 그림 4과 같이 전원과 병렬로 연결하였다.
본 시스템은 압전 변압기의 출력 상태에 따라 동작할 수 있도록 설계되었다. 평상시 압전 변압기의 출력전압은 공진 주파수에 의하여 매우 낮게 출력되어
low 상태로 볼 수 있다. 그로 인해 이후 출력 유지 회로 및 스위칭 소자 제어 회로가 동작하지 않고 부하에 정상적인 전력을 공급할 수 있다. 평상시
소자의 출력 상태와 입력 상태는 표 1과 같다.
그림. 4. 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템 상세설계
Fig. 4. System detail design of short circuit protection system applying piezoelectric
transformer
표 1. 단락 사고 이전 소자 특성
Table 1. Device characteristics previous short accident
|
소자 종류
|
출력 상태
|
입력 상태
|
1
|
PZT
|
low(0V)
|
220V/60Hz
|
2
|
OR gate
|
low(0V)
|
input A = low(0V)
Input B = low(0V)
|
3
|
AND gate
|
high(5V)
|
Input A = high(5V)
Input B = high(5V)
|
4
|
D-Flip Flop
|
low(0V)
|
D-signal = high(5V)
Clock = low(0V)
PRESET = high(5V)
Clear = high(5V)
|
5
|
Transistor
|
low(0V)
|
Base voltage = low(0V)
|
단락 사고 발생 시 고조파에 의해 압전 변압기의 출력전압이 순간적으로 상승하여 high 상태가 된다. 이로 인해 평상시와 다르게 OR gate의 출력이
high로 바뀌게 되고 그로 인해 출력 유지 회로가 동작하게 된다. 출력 유지 회로가 동작하면서 스위칭 제어 회로도 같이 동작하여 스위칭 소자의 상태가
바뀐다. 스위칭 소자의 상태가 바뀌면서 부하로 흐르는 전류가 차단되어 시스템을 보호할 수 있다. 단락 사고 발생 시 소자의 상태는
표 2와 같으며 평상시와 다른 입력 상태와 출력 상태를 확인할 수 있다.
표 2. 단락 사고 이후 소자 특성 변화
Table 2. Device characteristics after short accident
|
소자 종류
|
출력 상태
|
입력 상태
|
1
|
PZT
|
low(0V) → high(5V)
|
Short accident
|
2
|
OR gate
|
high(5V)
|
input A = low(0V)
Input B = high(5V)
|
3
|
AND gate
|
high(5V)
|
Input A=high(5V)
Input B=high(5V)
|
4
|
D-Flip Flop
|
high(5V)
|
D-signal = high(5V)
Clock = high(5V)
PRESET = high(5V)
Clear = high(5V)
|
5
|
Transistor
|
high(5V)
|
Base voltage = high(5V)
|
3. 동작 실험 및 결과
시스템의 동작 및 기능 검증을 위해 설계한 회로를 기반으로 제작한 PCB를 활용하여 실험을 진행하였다. 슬라이닥스를 통해 압전 변압기 입력단에 단락
신호를 모의하여 실험을 진행하였으며 실험을 통해 각 소자의 동작확인, 단락 신호 출력 후 차단까지 걸리는 동작 시간 측정을 중점으로 실험을 진행하였다.
실험 구성은 그림 5와 같이 구성하여 실험을 진행하였으며 오실로스코프를 통해 각 소자의 출력 변화 그래프를 통해 확인하였다. 실험 순서는 소자의 동작 순서에 따라서 압전
변압기의 출력, OR gate 동작 지연시간, D-FF 동작 지연시간, 트랜지스터 동작 지연시간 순서로 진행하였다. 각 소자의 지연시간을 측정하고
전체 시스템 동작 지연시간을 측정하여 시스템 구현 가능성에 대하여 검증하였다. 내부 소자들의 정상적으로 동작하여 시스템의 동작이 원활하게 이루어지는
것을 파형을 통해 확인하였고 반복시험을 통해 시스템의 차단시간을 측정하였다. 측정 결과를 바탕으로 기존의 시스템과 본 논문에서 제안하는 시스템의 성능을
비교하였다.
그림. 5. PCB 프로토타입을 활용한 실험 구성
Fig. 5. Experiment configuration using PCB prototype
3.1 단락 시 압전 변압기 출력
시스템이 정상적으로 동작하기 위해 단락 시 압전 변압기의 출력이 감지되어야 한다. 슬라이닥스를 통해 임의로 단락 상황을 모의하고 압전 변압기의 출력을
파형을 통해 확인하였으며 단락 전후 파형 차이의 원인에 대하여 분석하였다. $t_{s}$는 단락 사고가 발생하는 시점으로 단락 이전 파형을 살펴보면
공진 주파수와 상용 전원의 주파수 차이로 인해 출력이 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 단락 사고가 발생한 시점을 기준으로 압전 변압기의
출력이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 압전 변압기의 공진 주파수와 일치하는 고조파에 의한 출력으로 순간적으로 상승한 후 감소하는 형태의 출력이
나타난다. 파형을 확대하여 분석하면 그림 6과 같이 진동하는 형태로 나타나며 이와 같은 출력을 감지하여 단락 사고 여부를 판단할 수 있다.
그림. 6. 단락 시 소자 동작 지연시간 측정
Fig. 6. Device operation delay time measurement in case of short
3.2 OR gate 동작 확인
단락 시 압전 변압기의 출력전압은 OR gate로 인가된다. 평상시 출력을 low로 고정한 후 압전 변압기의 출력이 순간적으로 상승할 때 OR gate의
출력도 low에서 high로 변하여 뒤따르는 회로가 동작할 수 있도록 회로를 설계하였다. $t_{oo}$(OR gate operation)은 OR
gate가 동작하는 시점으로 압전 변압기의 출력에 따라 동작이 결정된다. OR gate가 동작하기 이전에는 출력이 low로 고정되어있는 것을 확인할
수 있으며 단락 사고가 발생하여 압전 변압기에서 신호가 출력되었을 때 그림 6과 같이 high 신호를 출력하는 것을 확인할 수 있다. 압전 변압기의 출력 신호가 일정하지 않기 때문에 OR gate의 출력 신호 역시 지속적인
high 신호를 출력하지 못하고 순간적인 신호만 검출되는 것을 확인할 수 있다. OR gate에 의해서 압전 변압기의 출력이 감지되는 것을 확인할
수 있으며 스위칭 소자를 제어하기에 부적합한 신호이기 때문에 이를 출력 유지 회로의 동작 신호로 활용할 것이다.
3.3 단락 시 D-FF의 동작 확인
OR gate를 통해 얻은 신호를 D-FF의 Clock 핀에 인가하여 원하는 출력을 유지할 수 있다. 순간적인 신호를 Clock 신호로 활용하여 원하는
출력을 유지하기 위해 회로를 구성하고 동작을 검증하였다. $t_{do}$(D-FF operation)은 D-FF이 동작하는 시점으로 OR gate의
신호에 따라 동작이 결정된다. D-FF이 동작하기 이전에는 출력이 low로 고정되어있는 것을 확인할 수 있으며 단락 사고가 발생하여 OR gate에서
신호가 출력되었을 때 그림 6과 같이 D-FF이 동작하여 출력이 high로 바뀌는 것을 실험 파형을 통해 확인할 수 있다. 단락 시 압전 변압기로부터 출력된 신호가 OR gate로
인가되며 그로 인해 OR gate가 순간적으로 high 신호를 출력한다. D-FF의 D-signal은 high로 고정된 상태에서 OR gate에서
출력된 신호가 Clock 핀으로 인가되기 때문에 D-FF의 동작이 low에서 high로 변하게 되는 것이다. 즉, 압전 변압기의 단락 신호에 의해서
D-FF의 출력 상태가 변하게 되며 순간적으로 상승하는 신호를 일정하게 유지할 수 있다.
3.4 단락 시 트랜지스터 동작 확인
마지막으로 스위칭 소자의 동작을 제어하기 위해 트랜지스터를 활용하였다. 평상시 스위칭 소자를 거쳐 정상적으로 부하에 전력이 공급되지만, 단락 사고
발생 시 스위칭 소자를 동작시켜 부하로 흐르는 전류를 차단하기 위해 트랜지스터 스위칭 특성을 활용하였다. $t_{"to"}$(Transistor operation)은
트랜지스터가 동작하는 시점으로 D-FF의 신호에 따라 동작이 결정된다. 트랜지스터가 도통되기 이전에는 collector 전압이 출력되는 것을 확인할
수 있으며 단락 사고가 발생하여 D-FF에서 신호가 출력되었을 때 그림 6과 같이 트랜지스터의 collector 전압이 하강하는 것을 파형을 통해 확인할 수 있다. 단락 시 압전 변압기로부터 출력되는 신호에 의해서 D-FF의
출력 상태가 low에서 high로 변하게 되며 이 신호는 트랜지스터의 베이스로 인가된다. 트랜지스터 베이스 단에 high 신호가 인가됨에 따라 트랜지스터는
도통되고 컬렉터와 이미터 사이에 전류가 흐를 수 있다. 컬렉터와 릴레이의 코일부와 연결되어 있고 코일부에는 12V 전압이 인가되고 있어 트랜지스터가
도통됨에 따라 릴레이 코일부에 전류가 흘러 릴레이를 동작시키고, 접점이 변경되면서 부하로 흐르는 전류가 차단된다.
3.5 부하 연결 후 단락 시 동작 확인
이전 실험에서는 시스템 내부 소자들의 동작을 확인하였으며 이후 부하를 연결한 후 실험을 진행하였다. 부하는 200Ω/800W 시멘트 저항 4개를 병렬로
연결하여 시스템에 흐르는 최대 전류를 1.5A로 제한하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 시스템의 용량은 약 300W로 LAB 환경에서 동작 확인을
위해 진행한 실험이기 때문에 전류값을 낮게 제한하여 실험을 진행하였다. 시스템의 초기 상태는 전원을 공급하였을 때 정상적으로 부하 전류가 흘러 Lamp가
켜지며 슬라이닥스를 통해 압전 변압기에 단락 신호가 인가되었을 때 스위칭 소자의 접점이 변하면서 Lamp가 꺼지도록 회로를 구성하였다. 단락 이전에는
정상적으로 부하에 정상적으로 전력이 공급되어 Lamp가 켜지는 것을 확인할 수 있었으며 단락 발생 시 압전 변압기의 출력전압에 의해 릴레이의 접점이
변화하여 Lamp가 꺼지는 것을 확인할 수 있다. 1A 이상의 전류가 부하에 흐를때도 스위칭 소자에 의해 부하로 흐르는 전류를 차단할 수 있다는 것을
실험을 통해 확인하였다.
그림. 7. 차단시간 측정을 위한 실험 데이터
Fig. 7. Experimental data for measuring cut-off time
그림. 8. 단락 사고 발생 시 동작 확인 실험
Fig. 8. Operation experiment in case of short circuit accident
3.6 단락 신호 감지 후 차단시간 확인
과전류를 차단하기 위한 시스템은 단락 신호 감지 후 차단까지 동작이 빠를수록 시스템을 보호하기에 유리하다. 시스템의 안정성을 향상하기 위해 스위칭
소자의 동작 시간, 신호처리 시간 등을 최소화하여 안정적인 차단 동작이 가능하다. 본 논문에서는 안정적인 시스템 동작을 위해 단락 삭 발생 후 스위칭
소자 제어를 위한 신호가 출력되는 시간을 실험을 통해 확인하였다. 압전 변압기의 출력전압이 진동하기 시작하는 부분을 단락 사고가 발생한 부분으로 설정하고
트랜지스터의 Collector-Emitter 전압이 상승하는 부분을 제어 신호 출력 부분으로 설정하여 단락 사고 발생 이후 차단 신호가 출력되기까지
지연시간을 $\Delta t$로 정의하고 실험을 통해 측정하였다. 시스템의 신호처리 시간을 측정하여 스위칭 소자를 제어하기 위한 지연시간을 측정하고
그 외에 각 소자의 출력을 모두 확인하였으며 실험 결과를 표 3에 정리하였다. 실험 결과 최소 95.2㎲에서 최대 391㎲의 시간이 소요된다는 것을 확인하였다. 단락 신호 감지 후 릴레이의 점점이 변화하는데 걸리는
시간은 약 3~5㎳이다. 기존의 릴레이와 전류 제한 회로를 적용한 단락 보호회로의 릴레이 접점 변화 시 걸리는 시간은 약 10㎳이다. 릴레이의 특성과
회로의 구성은 다르지만 단락 신호를 감지하고 릴레이의 접점을 변화시켜 단락 전류를 차단하는 개념은 같다. 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템은 기존의
단락보호 시스템과 비교하였을 때 동작 시간이 50\%가량 감소하였다는 것을 확인할 수 있다.
표 3. 차단시간 측정 실험 데이터
Table 3. Cut-off time measurement experiment data
|
test 1
|
test 2
|
test 3
|
test 4
|
차단시간
( )
|
116.6㎲
|
95.2㎲
|
391㎲
|
146.9㎲
|
PZT
|
high→
low
|
high→
low
|
high→
low
|
high→
low
|
OR gate
|
high→
low
|
high→
low
|
high→
low
|
high→
low
|
D-FF
|
high
|
high
|
high
|
high
|
4. 결 론
본 논문에서는 압전 변압기를 통해 검출된 단락 신호를 활용하여 단락 사고를 보호하는 시스템 설계에 관한 방법에 대하여 제안하였다. 압전 변압기를 통해
검출되는 단락 신호는 순간적으로 상승하고 감소하는 노이즈에 가까운 성분의 신호이다. 이러한 신호는 차단 동작을 유지하기에 적합한 신호가 아니기때문에,
안정적인 차단 동작을 위한 회로 설계가 필요하다. 압전 변압기를 통해 얻은 신호를 활용하여 출력을 유지할 수 있는 출력 유지 회로, 회로 내부 소자의
전원 공급을 위한 DC 전원 생성부, 소자 배치, 시스템 전체 동작 시간을 고려한 소자 선정 등 다양한 조건에 의해 전체 시스템을 구성하고 알고리즘을
고안하였다. 이후 세부 회로 설계를 통해 전체 하드웨어를 구성하였으며 이를 통해 실험을 진행하였다. 각 소자의 정상 동작 및 시스템 전체 delay를
측정하기 위한 실험을 진행하였으며 각 소자의 출력을 파형을 통해 분석하였을 때 정상적으로 도작하는 것을 확인하였다. 반복 실험을 통해 시스템 전의
전체 delay 시간을 파형을 통해 확인하였을 때 최대 391㎲의 delay 시간을 가졌으며 단락 신호 감지 후 릴레이가 동작하는데 걸리는 시간은
약 3~5㎳로 측정되었다. 기존의 릴레이와 전류 제한 회로를 적용한 시스템은 단락 신호 감지 후 릴레이 동작까지 약 10㎳ 이상의 시간이 걸렸다.
본 논문에서 제안하는 압전 변압기를 적용한 단락보호 시스템은 단락 감지 후 차단까지 동작이 기존의 시스템보다 50\%가량 빨라졌다는 장점이 있다.
차단시간이 감소함에 따라 아크 발생률도 감소할 것으로 판단된다. 부하를 연결하여 실험을 진행하였을 때도 스위칭 소자가 정상적으로 단락 사고 보호 동작하는
것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 스위칭 소자에 의해 부하로 흐르는 전류를 차단할 수 있다는 것을 검증하였다.
압전 변압기를 단락 사고 감지 센서로 활용하였을 때 본 논문에서 제안한 회로와 같이 구성한다면 단락보호 시스템 구현이 가능하며 기존의 시스템의 용량
문제를 해결할 수 있고 빠른 단락 사고 검출 및 시스템 동작을 통해 단락 사고를 보호할 수 있다. 현재 시스템은 차단 동작 시간을 줄여 아크를 감소시킬
수 있지만, 차단시간을 명확하게 특정할 수 없어 모든 구간에서 안정적으로 동작한다고 보장할 수 없다. 향후 압전 변압기의 최적 설계, 시스템 용량에
적합한 스위칭 소자 적용 방안 등 압전 변압기를 적용한 단락 사고 보호 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상할 수 있는 연구를 진행하여 시스템의 동작 신뢰성을
보장해야 한다.
Acknowledgements
This research was supported by Changwon National University in 2021~2022.
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저자소개
Received the B.S. degree in Electrical Engineering from Changwon National University
in 2020.
He is currently pursuing a M.S degree at Changwon National University.
Received the M.S., and Ph.D. degree in Electrical Engineering from Changwon National
University in 2006 and 2010.
He is currently a CEO at GU Co., Ltd.
Received the B.S., M.S., and Ph.D. degree in Electrical Engineering from Changwon
National University in 2006, 2008 and 2015.
He is currently an assistant professor at Changwon National University in Korea.