발전기용 전기시동전동기의 전자식 제어장치 개발에 관한 연구

Abstract

일반적으로 전력은 발전기를 통하여 공급되며 발전기 시스템은 전력을 생산하는 제너레이터(Generator)와 제너레이터 회전자의 회전력을 발생시키는 원동기(Prime Mover)로 구성된다.

원동기로는 주로 중속디젤엔진(Medium-Speed Diesel Engine)이 사용되며 이것은 소형 선박의 주기관(Main Engine), 육상용 발전기 및 이동식 발전설비의 원동기로도 사용된다. 중속디젤엔진을 운전하기 위해서는 시동장치가 필수적인데 일반적으로 공기시동모터가 적용되어 왔다.

특히, 이동식 발전설비(P.P.S

Packaged Power System)인 컨테이너 발전기의 시동을 위해 공기시동모터(Air Starting Motor)를 사용할 경우에는 공기압축기(Air Compressor) 및 탱크 시스템(Tank System) 등이 추가되어 비용 및 용적률 측면에서 손실이 발생하고 공기압축기에 의해 전기에너지를 압력에너지로 변환한 후 다시 공기시동모터에서 기계에너지로 변환하므로 에너지 효율이 감소한다. 또한, 7∼10[kg/㎠] 압력으로 압축시킨 공기로 터빈 블레이드의 회전력을 얻어 공기시동모터를 회전시키는 방식이므로 공기압축기나 공기시동장치의 고장으로 인해 엔진 시동이 되지 않아 발전기 운전이 중단되는 현상이 빈번하게 발생하고 있다. 그리고 공기압축기, 배관자재 제작, 조립 및 설치 등에 과다한 비용 및 인력이 투입될 뿐만 아니라 고압 압축 공기에 의한 안전사고의 위험성을 가지고 있다.

본 논문에서 다루고자 하는 전기시동전동기를 디젤엔진의 시동시스템으로 사용할 경우에는 공기시동모터 기동제어시스템과는 달리, 전기에너지를 직접 기계에너지로 변환함으로써 에너지 효율의 증가 효과를 얻을 수 있다. 추가로 부피와 용적률 및 비용 면에서 43[%] 이상의 절감이 가능하고 안전사고의 위험이 적어지며, 작업의 효율성이 높아 공기시동모터에 비해 선호도가 증가할 것으로 예상된다.

또한 이동식 발전설비에 전기시동전동기를 설치함으로써 기존의 공기시동모터 시스템의 공기압축기에 공급되어야 하는 전력이 필요하지 않으므로 설치에 있어서도 1차 전원 공급이 어려운 도서지역이나 오지 등의 지역적 제한이 없어지는 효과를 얻을 수 있다.

현재 국내에서 건조되고 있는 이동식 발전설비의 전기시동시스템은 국외 업체의 OEM 방식으로 유통되고 있거나 유럽에서 제작된 장치를 직접 수입하여 사용하고 있는 등 전량 수입에 의존하고 있는 실정으로 국내에서는 개발 및 생산이 전혀 되지 않고 있다.

이동식 발전설비를 직접 생산, 수출을 하고 있는 국내 기업에서는 전기시동 전동기 및 제어시스템을 전량 수입에 의존하고 있으며 이동식 발전설비의 수출 증가에 따라 손실액은 더욱 증가할 것으로 예상된다.

고도의 설계 기술과 제작 기술이 요구되는 이동식 발전설비 전기시동시스템의 개발 및 제작업체는 국내에는 전혀 없으며, 유사 기술인 승용 및 상용자동차에 사용되고 있는 전기시동전동기도 일본, 유럽, 미국 등에서 원천 기술을 보유 중이며 국내에서는 수입에 의존하고 있다.

엔진 시동을 위한 전기시동시스템의 국산화 개발에 있어서 핵심 기술은 시동전동기의 피니언 기어와 엔진 플라이휠의 링 기어가 맞물릴 수 있도록 축을 이동시키는 쉬프팅 장치, 축 이동 확인 후 주접점이 닫혀 전동기에 전원이 인가되는 과정으로서 순조로운 전이(轉移) 및 시동이 완료된 후 전기자권선 및 계자권선에 저장된 자기에너지의 발산에 의한 아크로부터 접점과 정류자편을 보호하는 장치이다.

1.2 연구목적과 논문의 구성

본 논문에서는 기 개발된 전기시동시스템 기동제어장치의 단점과 요구되는 핵심기술을 감안하여 새로운 기동제어장치의 개발에 주력하였다. 대 전류의 투입 및 차단을 담당하는 주접점이 축 이동장치와 일체로 되어있는 기존제품의 단점을 제거하기 위해 서로 분리시켰다. 또한 전원공급접점이 닫힘과 동시에 큰 기동전류가 인가되는 점을 보완하기 위해 무접점 스위치인 사이리스터와 사이리스터 지연회로를 사용하여 부드러운 시동을 구현시켰다. 시동완료 후 전기자권선과 계자권선에 저장된 에너지가 접점과 정류자편에서 아크상태로 소멸됨으로 인해 해당부품의 손상을 초래하는 점을 개선하기 위해 고속 휠링 다이오드를 역병렬로 연결하여 부품소손피해를 감소시켰다. 기술적 측면의 비교 분석을 위해 기존제품을 사용하였으며, 개발 시제품과의 기술 특성 비교를 위하여 시동 시험을 통해 취득한 데이터를 비교 분석하면서 개발 제품의 기술 개선에 초점을 맞추었다.

본 연구에 사용된 이동식 발전설비용 전기시동시스템은 원가 절감, 에너지 효율 증가, 유지보수 비용 감소, 용적률 감소 등의 효과가 기대된다.

전기시동시스템의 국산화 기술을 개발함으로써 국외로부터의 전량 수입에 따른 손실 감소, 핵심 기술의 확보에 따른 중소기업 육성, 지역경제 발전과 고용 증대로 취업률 향상을 기대할 수 있다. 또한 우리나라와 조선 및 조선기자재산업 분야에서 경쟁하고 있는 중국 및 일본에 대해 기술적 우위를 확보할 수 있다. 수입제품 대비 85[%] 가격을 목표로 하여 가격 경쟁력 확보로 인한 수입 대체 효과가 기대되며 독자적 기술 적용 생산에 따른 원가 절감 및 기술 의존도가 축소될 것이다. 뿐만 아니라, 국내 조선기자재산업 부품 시장의 활성화를 기대할 수 있다.

본 논문의 구성은 다음과 같다.

1장 서론에서는 연구배경, 동향, 연구목적 및 논문 구성에

대해 기술하고,

2장에서는 직류전동기의 구동원리, 분류 및 용도와 이동식

발전설비에 대하여 서술하였다.

3장에서는 이동식 발전설비의 시동장치인 압축공기식 시동

장치와, 전기식 시동장치의 구조와 특징에 대해 기술

하였으며,

4장에서는 본 논문에서 제안하는 전기 시동장치의 전자식

기동제어장치에 대하여 기술하였다.

5장에서는 제안한 전자식 기동제어장치의 유효성을 검증하기

위한 실험과정 및 기존제품과의 성능 비교분석 결과를

제시하였고,

6장에서는 결론으로서 제안된 기동제어장치에 대하여 연구

결과를 요약하고 평가하였으며 향후 과제에 대하여

언급하였다.