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광기 영
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1 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A066 전동차인버터장치구동용전해콘덴서의사용수명연구 A Study on the Life time of the Electrolytic Condenser for EMU Inverter 한재현 *, 구정서 *, 배창한 ** Jae-hyun Han *, Jeong-seo Koo *, Chang-Han Bae ** Abstract Inverter module, which feeds the converted power to the traction motor for EMU driving, consists of the power semiconductors with their gate drive unit(gdu)s and the control computer for driving, voltage, current and speed controls. Electrolytic capacitor, connected to the gate drive unit and a core component to drive the power semiconductor, has problems such as reduction in lifetime and malfunction caused by electrical and mechanical characteristic changes from heat generation during high speed switching for generation of stable power. On this study, theoretical lifetime was calculated by analyzing the charging and discharging actions of electrolytic capacitors, and expected lifetime was predicted by carrying out accelerated lifetime test on the capacitors currently used together with prediction of reliability through Weibull, log-normal and log-logistic distribution analyses and comparable analysis of each lifetime from the EMU field operations data. Keywords : Inverter module, Electrolytic capacitor, Power semiconductors, Accelerated lifetime test, Reliability 초록전동차가주행하는데필요한전력을변환시켜견인전동기에공급하는인버터장치는운전명령, 전압, 전류, 속도를연산제어하는제어컴퓨터, 전력반도체, 구동컴퓨터로구성되었다. 전해콘덴서는구동컴퓨터에장착되어전력반도체를구동시키는핵심부품으로안정된전력을만들기위한고속스위칭작용시열발생으로전기적, 기계적특성변화가일어나사용수명단축과오동작되는문제를가지고있다. 본연구에서는전해콘덴서충방전동작을해석하여이론적수명을산출하였고현재사용품을대상으로가속수명시험을실시하여잔존수명을예측하였으며또한, 전동차운영필드데이터를활용하여와이블, 로그정규, 로그로지스틱분포해석을통해신뢰도를예측하고각각의수명을비교분석하였다. 주요어 : 인버터장치, 전해콘덴서, 전력반도체, 가속수명시험, 신뢰도 1. 서론도시철도전동차가주행하는데필요한전력을변환시켜견인전동기에공급하는인버터장치는운전명령, 전압, 전류, 속도를제어하는제어용컴퓨터 (LCUM), 인버터본체인전력반도체 (GTO) 와구동컴퓨터 (GDU) 로구성되었는데전해콘덴서는구동컴퓨터 (GDU) 에장착되어전력반도체 (GTO) 를동작시키기위해전류를만들어충방전작용을한다. 이과정에서전해콘덴서는열을발생시키고열을냉각시키기위해강제송풍기를가동하여일정온도이하로유지시켜 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도차량시스템공학과 (hancc@hanmail.net) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도차량시스템공학과 ** 한국철도기술연구원시험인증안전센터

주고는있지만냉각공기의흡기, 배기시각종미세먼지가냉각장치에흡착, 오염되어공기의흐름을방해하거나냉각효율을떨어트려전해콘덴서의기계적, 전기적특성변화에영향을미치고있다. 따라서본연구에서는전동차인버터장치구동용전해콘덴서의사용수명을분석하고유지보수관리기준을제시하고자 1일운영환경을조사하고전해콘덴서동작해석을통해이론적수명계산과현재사용품을대상으로잔존수명을예측하였다.

2 주고는있지만냉각공기의흡기, 배기시각종미세먼지가냉각장치에흡착, 오염되어공기의흐름을방해하거나냉각효율을떨어트려전해콘덴서의기계적, 전기적특성변화에영향을미치고있다. 따라서본연구에서는전동차인버터장치구동용전해콘덴서의사용수명을분석하고유지보수관리기준을제시하고자 1일운영환경을조사하고전해콘덴서동작해석을통해이론적수명계산과현재사용품을대상으로잔존수명을예측하였다. 또한, 전동차운영필드데이터를활용한고장확률분포특성을분석하였다. 2. 본론 2.1 인버터구동용콘덴서의특성 콘덴서의역할견인전동기에 3상전력을공급하여회전시키기위해서는인버터장치의전력반도체소자 (GTO) 를매우짧은시간동안에턴-온 (Turn-on) 시키거나턴-오프 (Turn-off) 를시켜야한다. 이때전력반도체의게이트 (Gate) 입력단에적정전류를만들어인가하는부품으로전해콘덴서를사용하며구성회로는 Fig. 1과같다. Fig. 1 Main circuit diagram of EMU 콘덴서의동작해석견인전동의토오크를제어하기위해 Table 1과같은 7단기어변속을 Fig. 1의컴퓨터장치에서제어하고그결과에대한전동기변조패턴는 Fig. 2와같이이루어진다. 전동기의정지포인트가많을수록회전속도는적지만슬립률이증가하여토오크는커지게되며 E18 - HEX까지모듈레이션의변조형태는콘덴서의충방전작동횟수로결정된다. 이때콘덴서에서만들어지는전류의크기는턴-온 (Turn-on) 시 35~45A, 턴-오프 (Turn-off) 시에는 700A이다 [1]. Table 1 Traction motor torque control algorithm 변조형태 고정자주파수 F3(Hz) 스위칭 ( 쵸핑 ) 주파수 (Hz) 모듈레이션패턴 ( 견인전동기 ) E18 40 ~ 44 9 F3 = 360~396 1 회전당 18 번정지 P18 44 ~ 57 7 F3 = 308~399 1 회전당 18 번정지 P12 57 ~ 62 5 F3 = 285~310 1 회전당 12 번정지 E6 62 ~ 64 5 F3 = 310~320 1 회전당 6 번정지 DEM 64 ~ 70 5 F3 = 320~350 정지하지않음 EM 70 ~ 71 3 F3 = 210~213 정지하지않음 HEX 71 ~ F3= 71 정지하지않음 Fig. 2 Pattern of traction motor

2.1.3 콘덴서의동작환경인버터냉각방식은풍냉식으로열교환기를통해외부의찬공기가내부공기의열을흡수하는구조로공기의풍속이 1.9m s2로유지될때냉각효율 30.1KW ± 5% 로설계제작되었다 [1]. 공차상태에서측정한결과외부냉각공기보다내부냉각공기온도는 FIG. 3과같이약 15 의편차를유지하면서높게나타났고콘덴서표면온도 (MIM) 는 Fig.

2.1.4 콘덴서의동작시간전동차가일일영업운행하기위해서차량기지에서차량검사, 운전대기시간과일평균주행거리 260km( 표정속도32km) 로콘덴서의동작은일평균약 12시간가동한다. 이가동시간중에콘덴서의충방전작동은역행 / 제동시로약 6.4시간이고타행, 운전및검사대기등콘덴서가충방전하기위한동작대기시간이약 5.6시간으로조사되었다. Fig.

3 2.1.3 콘덴서의동작환경인버터냉각방식은풍냉식으로열교환기를통해외부의찬공기가내부공기의열을흡수하는구조로공기의풍속이 1.9m s2로유지될때냉각효율 30.1KW ± 5% 로설계제작되었다 [1]. 공차상태에서측정한결과외부냉각공기보다내부냉각공기온도는 FIG. 3과같이약 15 의편차를유지하면서높게나타났고콘덴서표면온도 (MIM) 는 Fig. 3과같이약 48 로내부냉각공기온도보다약 5 6 의편차로높게측정되었다그러나영업운행조건에서는콘덴서표면온도는승객하중, 스케줄에의한연속운전, 운행속도등의운행환경조건변화에따라공차때보다약 6 가높은 Fig. 4와같이 54 로측정되었다. Fig. 3 Variance of internal & external inverter cooling air temp. Fig. 4 Measurement of capacitor surface temp 콘덴서의동작시간전동차가일일영업운행하기위해서차량기지에서차량검사, 운전대기시간과일평균주행거리 260km( 표정속도32km) 로콘덴서의동작은일평균약 12시간가동한다. 이가동시간중에콘덴서의충방전작동은역행 / 제동시로약 6.4시간이고타행, 운전및검사대기등콘덴서가충방전하기위한동작대기시간이약 5.6시간으로조사되었다. Fig. 5 Running profile between stations Majang-Wangsimni( ) 2.2 콘덴서의수명산출 잔존수명산출구동용콘덴서의잔존수명시험은전자기기용고정캐퍼시터 ( 제4부 : 개별표준지침 : 알루미늄비고체 ), 전해캐패시터 평가수준 E KS C IEC :2008의한국공업규격에의거 25Vdc/2.9A 100Hz,105 를인가하여가속수명시험을하였다.[2] 콘덴서의액출, 변형, 변색등

기계적특성이나용량 (Capacitance), 손실 (Tanδ), 누설전류 (Leakage Current) 의전기적특성변화사용한계에이를때까지시험한결과기계적특성은콘덴서튜브의열화변색, 갈라짐, 액출, 부풀음현상이 Fig. 6과 Fig. 7과같이발생하였다. Fig. 6 Damage of sleeve Fig.

Fig. 8 Rates of capacitance changes F ig. 9 Rates of capacitor dissipation changes 그리고잔존수명시험한데이터를아레니우스이론 (Arrhenius theory) 을적용하여식 (1) 에의거계산한결과 [ 3] 현재약18년사용한전동차콘덴서의잔존수명은최소 4. 1년에서최대 5.9년으로나타났다.

4 기계적특성이나용량 (Capacitance), 손실 (Tanδ), 누설전류 (Leakage Current) 의전기적특성변화사용한계에이를때까지시험한결과기계적특성은콘덴서튜브의열화변색, 갈라짐, 액출, 부풀음현상이 Fig. 6과 Fig. 7과같이발생하였다. Fig. 6 Damage of sleeve Fig. 7 Leakage 전기적특성중콘덴서용량 (Capacitance) 은 Fig. 8과같이감소하고손실 (Tanδ) 은 Fig. 9과같이증가하며누설전류 (Leakage Current) 는감소하는현상이나타났다. 이것은콘덴서에 Ripple 전류가흐르면등가직렬저항에의한 Watt 손실이일어나고그손실은발열을일으켜콘덴서의노후화를가속시켜사용수명에영향을미쳤다는것을확인할수있었다. Fig. 8 Rates of capacitance changes F ig. 9 Rates of capacitor dissipation changes 그리고잔존수명시험한데이터를아레니우스이론 (Arrhenius theory) 을적용하여식 (1) 에의거계산한결과 [ 3] 현재약18년사용한전동차콘덴서의잔존수명은최소 4. 1년에서최대 5.9년으로나타났다. ( Ts+ Ts) ( T + T ) [ ] 10 L = L S 2 (1) ΔT : 인가 Ripple 측정발열온도 (5 ) ΔTs : 최고사용온도에서발열 Spec 온도 (5 ) T : 실사용온도 ( ), Ls : 최고사용온도에서의보증수명 (12,000h) Ts : 제품의최고사용온도 ( ) Fig. 10 Lifetime vs. tmperature 아울러전동차운행조건에서전해콘덴서의실사용온도는 54 로서온도의존성의전자기부품수명계산에사용하는식 (1) 을적용한결과 [4] Fig. 10과같이온도와수명은상호반비례관계임을알수있었으며이론적사용수명은 102,890시간으로약 23.5년으로계산되었다.

2.3 필드운영데이터를활용한고장확률분석 2.3.1 콘덴서고장확률분석인버터구동용전해콘덴서의오동작으로견인전동기에공급하는 3상불평형상고장이 1996 년부터 2011년사이에발생된필드운영데이터를이용 [4] 하여 Fig.11과같이고장분포도에의한고장확률분석을하였다. 그결과와이블분포 11.308, 로그정규분포 23.710, 지수분포 118.433, 로그로지스틱 18.

2 와이블 (Weibull) 분포해석고장률분포의특성을모를때사용하는분석방법으로함수가감마분포 (DFR), 정규분포 (IFR), 지수분포 (CFR) 의형상모수와관계없이한번에처리하도록고안된신뢰성분포로서형상모수 ( ), 척도모수 ( ), 위치모수 ( ) 에의해정의되는분포로서장치의고장발생이없는기간을나타내는위치모수를 0으로가정하면 [6], f ( t ) β η t γ

5 2.3 필드운영데이터를활용한고장확률분석 콘덴서고장확률분석인버터구동용전해콘덴서의오동작으로견인전동기에공급하는 3상불평형상고장이 1996 년부터 2011년사이에발생된필드운영데이터를이용 [4] 하여 Fig.11과같이고장분포도에의한고장확률분석을하였다. 그결과와이블분포 , 로그정규분포 , 지수분포 , 로그로지스틱 로분석되었으며경험적누적분포함수와이론적분포함수차이가가장적은와이블분포로해석하였다 [5]. Fig. 11 Probability analysis of inverter phase fault Fig. 12 Analysis of Weibull distribution 와이블 (Weibull) 분포해석고장률분포의특성을모를때사용하는분석방법으로함수가감마분포 (DFR), 정규분포 (IFR), 지수분포 (CFR) 의형상모수와관계없이한번에처리하도록고안된신뢰성분포로서형상모수 ( ), 척도모수 ( ), 위치모수 ( ) 에의해정의되는분포로서장치의고장발생이없는기간을나타내는위치모수를 0으로가정하면 [6], f ( t ) β η t γ η β 1 e t γ d ( ) η = (2) 이고, 평균 E(t) 과분산 V(t) 은다음과같다. 1 E( t) = MTBF = η Γ 1 + m (3) V ( t) = η Γ(1 + ) Γ (1 + ) m m (4) Fig. 13 Function of expectation E(t) and variance V(t) 와이블분포로고장확률을해석한결과 Fig. 12와같이고장분포의형태를결정하는매개변수인형상모수는 , 모집단의고장확률이 63.2% 인시점에서의수명을의미하는매개변수인척도모수는 98,456.5으로식 (3) 에의거평균고장시간 (MTBF) 은 87,648.4시간약 20.0년으

6 로계산되었으며형상모수값이 로욕조곡선에서콘덴서는 Fig. 14와같이마모고장단계로고장발생빈도는점차적으로증가될것으로판단된다. Fig. 14 Comparison of Weibull distribution and Bathtub curve 3. 결론 (1) 콘덴서의냉각방식은풍냉식으로공기의흡기, 배기과정에서각종미세먼지가유입되거나오염되어공기의흐름을방해하거나냉각효율이떨어질때콘덴서사용온도는상승작용하고수명은반비례하여단축되었으며고장분포특성은형상모수값이 으로욕조곡선에서마모고장형태로나타났다. (2) 전동차운영환경에서콘덴서이론수명은약 23.5년이고잔존수명은 4.1년에서 5.9년으로현재사용기간을고려한사용수명은약 22.1 ~ 23.9년으로예측되었으며필드운영데이터를활용하여고장분포분석에의한평균수명은약 20년으로나타났다. (3) 따라서전동차인버터구동용전해콘덴서에대한유지보수관리를위한적정사용수명은약 20 ~ 22.1년까지사용가능할것으로판단된다. 참고문헌 [1] (1994) Maintenance guide for Line5. EMU Part 3, SMRT [2] (2008) Fixed capacitor for electrolytic device (4 section : individual standard instructions : aluminum non-solid) electrolytic capacitor, Korean Agency for Technology and Standards - Evaluation criteria E KS C ICE [3] (2012) A Resulting report on the residual life and technology for electrolytic condenser in VVVF, SAMWHA ELECTRIC Corp. [4] (2012) Maintenance report(analysis of EMU-management system ), SMRT [5] Back Jae-Wook (2007) Accelerated life test, Korea National Open University(KNOU) Publishers, pp.99~104 [6] Sin Guen-Young (2011) Life Analysis and Reliability Prediction of Relays & Contactors based on Operating Characteristic of EMU, MD Thesis, Seoul National University of Science and Technology

DC Link Application DC Link capacitor can be universally used for the assembly of low inductance DC buffer circuits and DC filtering, smoothing. They

DC Link Capacitor DC Link Application DC Link capacitor can be universally used for the assembly of low inductance DC buffer circuits and DC filtering, smoothing. They are Metallized polypropylene (SH-type)