ISSN 1975-8359(Prnt) / ISSN 2287-4364(Onlne) The Transactons of the Korean Insttute of Electrcal Engneers Vol. 62, No. 12, pp. 1771~1776, 2013 http://dx.do.org/10.5370/kiee.2013.62.12.1771 전력용변압기의구조진동해석및능동소음제어 Structure Vbraton Analyss and Actve Nose Control of Power Transformer 정윤미 최은지 * 김영달 * (Yun-M Jeong Eun-J Cho Young-Dal Km) Abstract - Most cases of power transformer falure are caused by physcal factors lnked to the transent vbratons of multple 120Hz combnatons. In addton, the nose generated n the transformer from ths vbraton not only drectly contrbutes to the worsenng of the work envronment but also causes psychologcal stress, resultng n the worsenng of the workers effcency and of the lvng envronment of the nhabtants around the power plant. Thus, to remedy these problems, the mechancal-exctaton forces workng on a power transformer were categorzed n ths study, and the mechancal-damage mechansm was dentfed through the vbraton transfer paths actng on machnes or structures. In addton, a study on actve nose cancellaton n a transformer usng the FXLMS algorthm was conducted to develop a system that s capable of multple-sound/channel control, whch resulted n the actve nose reducton effect when appled on the feld. Keywords : Actve nose control, Fltered-X LMS, Power transformer, Structure vbraton analyss 1. 서론변압기는내부철심의자왜현상에의해발생되며전기주파수는 120Hz의배수조합이변압기탱크외벽을통하여외부로방출하게된다. 이때변압기탱크가가지는고유진동수에대한변압기내부자장인자왜현상의진동수와같은주파수에의해공진현상의발생이크게증가하여진동과함께소음을크게하였다. 이러한공진현상을방지하기위하여탱크시스템에강제적으로감쇠를추가시키거나강성과질량의조정을통해서공진현상을조정할수있으나, 일반적으로변압기는큰구조물로구성되어있어서진동을감쇠하기위해추가적으로부착하는일은비용적인측면과생산적인측면에서어려움이따르고있다. 그러므로최근에는탱크의재질에대한질량및강성의조정으로방음벽이나엔크로져등을설치하고있다. 그러나고주파소음일경우는이러한방법들이가능하였으나저주파소음일경우이를차단하는데있어많은경제적부담을안고있기때문에능동소음제어 (ANC : Actve Nose Control) 라는새로운방식으로이를실용화시키기위해세계적으로많은노력들을하고있다 [1-3]. 이에대하여 Ross[4] 는변전실내의변압기소음을제어하는연구와, Morgan은 3차원공간에서소음을능동제어하는연구하였다 [5]. 현재로는폐공간전체에서의소음제거를하지는못하나국부적으로침묵영역 (slence zone) 을형성하는단계에이르고있으며 [6], 이경우복잡한음향시스템 Correspondng Author : Dept. of Electrcal Engneerng, Hanbat Natonal Unversty E-mal : jym0809@hanbat.ac.kr * Dept. of Electrcal Engneerng, Hanbat Natonal Unversty Receved : October 31, 2013; Accepted : November 16, 2013 을배제하고단일시스템으로능동소음제어를실현하는연구에많은노력을기울여왔다 [7-9]. 따라서본연구에서는이에따라변압기탱크의모드해석을통하여진동형태를해석하고 ANC시스템을적용하여현장변압기를대상으로실험을하였으며, 그결과를통해전력용변압기의소음을저감하는데기여할뿐만아니라점차적으로확대하여실용화를시키고자한다. 2. 전력용변압기구조진동해석및 ANC 알고리즘 2.1 FEM 본연구에서변압기에대한 FEM을위해 Young's Modulus의경계조건은 200GPa (Cast Carbon Steel 기준 ) 이고, Densty는 7,800kg/m 3 이고, Posson's rato는 0.32로하였으며, Prsm/Tetrahedral 요소는사용하지않았다. 모드해석방법으로 Block Lanczos를이용하기위한 Node sze는 173,249이고, Element sze는 87,016로설정하였다. 해석 Tool로는 ANSYS를이용하였으며 mesh를구성하고있는사면체요소를사용하였다. Free mesh는변압기탱크와같은복잡한형상에대하여규칙성이없는형태의 mesh를만드는데용이하며, 형상의존형의 mesh(smart sze mesh) 를추가하여모델전체의 mesh의수를설정하였다. 그림 1(a) 의유한요소모델을이용하여그림 1(b) 의 mesh 형상을얻어내었다. 이그림에서변압기탱크전체에대해자중에의해지면과닫는부분은거의진동에의한변위가없으며완전고정되어있는구속조건을부여하였고, 절연유의영향을배제하였다. 그림 2(a) 는고유모드형상 118.1Hz에서해석되었으며공진상태는국부공진을나타내었고공진이변압기에영향 전력용변압기의구조진동해석및능동소음제어 1771
전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 이없었다. 하지만그림 2(b) 의경우고유모드형상 121.3Hz에서해석되었으며변압기에큰영향은없으나부싱에서진동이유발될수있는가능성이있다고판단하였다. 그림 2(c) 는고유모드형상 238.2Hz에서해석되었으며공진상태는국부공진을나타내었고공진이변압기에영향이없다고볼수있다. 그러나그림 2(d) 의경우고유모드형상 241.1Hz에서해석되었으며변압기에상부공진상태의공진상태가되었고, 각종부싱부위에서큰진동유발될수있는가능성이있다고해석할수있다. 변압기의구조해석및동적응답특성을고유모드로해석한결과 120Hz, 240Hz 부근에존재하는고유주파수가검출되었으며, 이는공진에의한진동을유발할가능성이있다고판단되었다. (a) 유한요소모델 (b) mesh 형상그림 1 전력용변압기의외형 Fg. 1 Shape of power transformer 관측치를이용하여하나의종속변수 (Y ) 와하나의독립변수 (X ) 의관계를 1차방정식또는그밖의방정식으로분석하는것을말한다. 대형변압기소음을능동적으로제어하기위해크게피드백제어알고리즘과전향제어알고리즘제어기법등이사용되며, 이들두가지장점을고려한안정성과제어성능을향상시키는 hybrd 제어알고리즘을적용하기도한다. 전력용변압기의소음은 60Hz의주파수신호에의해자속이 120회교번되어자왜현상에의해진동이발생하며그에따른소음이발생한다. 이러한소음의전달경로가온도, 습도, 장애물들의여러가지요소들로인하여시계열로변화하는시스템이기때문에정확한모델링이어렵다는단점이있다. 그러나변압기의진동이나전류로부터기준신호를측정하기가용이할뿐만아니라이러한기준신호를측정할수있는구조물의제어가가능하기때문에효과적인전향제어방법을이용하여제어할수있다고본다. LMS 알고리즘에서는제어출력이직접적으로오차신호를측정하는센서에검출되는구조를가지고있어센서와가진기는같은위치에있어야한다. 그러나대부분의경우에있어서는부가된가진기와센서는그위치가다르므로 LMS 알고리즘을바로적용할수없게된다. 본연구에서는대형변압기의소음제어에많이활용되고있는 LMS방법을근거로한 Fltered-X LMS 알고리즘을이용하여제어하도록하였다. 제어출력으로부터센서까지의시스템이존재할때, 이를고려하여 Fltered-X LMS알고리즘을적용하였으며, 이에대한블록선도는그림 3과같이나타내었다. (a) 118.1Hz (b) 121.3Hz 그림 3 FXLMS 알고리즘의블록도 Fg. 3 Block dagram of the FXLMS algorthm (c) 238.2Hz 그림 2 고유형상모드 Fg. 2 Shape of natural mode 2.2 Fltered-X LMS 알고리즘 (d) 241.1Hz 는오차계의모델이며, 길이가 인 FIR필터로가정한다. FXLMS 알고리즘은 LMS 방법에서와동일하게순간에러제곱인 최소화하기위해최소강하법을이용한다. 제어기 의입력은 신호이고, 출력은 이다. 오차계모델과오차계가같다고가정할때오차신호는다음식 (1) 과같다. L k ek ( ) = d( k) + hyk ( j) j = 0 L L k = d( k) + h w ( k j) x( k j) (1) = 0 j= 0 단순회귀분석 (smple lnear regresson analyss) 은실제 한편적용필터의계수는다음식 (2) 와같이유도되어진다. 1772
Trans. KIEE. Vol. 62, No. 12, DEC, 2013 ω (k +1) = ω (k) μ (k) 순간 기울기는 (2) ADC기능을 통해 error mcrophone과 reference 신호를 받 아 제어스피커에 신호를 DAC기능을 통해 전달한다. 제어신 호는 smoothng flter를 통해 man amplfer로 보내지며 스 를 만족한다고 가정할 때 즉, 적응필터의 계수가 천천히 변한다 고 가정할 때, 다음 식 (3)과 같이 구해진다. 피커를 통해 전달된다. Sgnal condtoner는 DSP의 ADC입력조건에 신호를 맞 추도록 구성한 회로이며, DAC의 신호를 man amplfer에 맞추어 조정하는 회로로 오프셋회로와 크기조정회로이다. Lk e 2 (k ) (k ) = = 2e ( k ) h x ( k j ) ω (k ) j=0 그림 5는 ANC 시스템의 내부 조립 상태를 나타내었다. (3) 그러므로 필터계수 갱신식은 다음 식 (4)가 된다. 여기서 는 기준신호가 오차계 모델을 통과한 신호 이다. L k ω (k + 1) = ω (k ) 2μ e(k ) h x(k j ) j=0 = ω (k ) 2μ e(k ) fx(k 1) 3. (4) ANC 시스템 구성 및 변압기 소음분석 그림 5 ANC시스템 시작품 Fg. 5 ANC System Prototype 3.1 ANC 시스템 구성 3.2 모의실험 측정 및 분석 ANC 시스템의 하드웨어 전체블록도는 그림 4와 같이 구 성하였으며, Error mcrophone과 speaker 및 man amplfer 를 제외한 기능들은 회로를 설계하여 one board PCB로 제 작하였다. ICP amplfer는 Error mcrophone에 10mA의 일정한 전 류를 공급해 줄 뿐만 아니라 신호를 증폭한다. Ant-alasng flter는 차단주파수가 500Hz이고 차수가 10 차인 butter worth 저주파통과 필터회로이다. 제어하고자 하는 주파수가 120, 240, 360Hz 이므로 차단 주파수를 500Hz로 정하였다. 또한 reference generator는 120, 240, 360Hz 주파수의 크기와 합성된 주파수의 크기를 조정할 수 있도록 설계하였으며, 마이크로프로세서의 프로그 램을 변경하므로 제어할 주파수도 변경할 수 있다. ANC알고리즘을 탑재하여 수행하는 DSP board는 내장된 모의실험 조건은 소음과 제어출력과 에러마이크로폰의 위 치에 따라 두 가지로 구별하였으며, 제어주파수 120Hz, 240Hz의 단일음 주파수에 대한 데이터를 측정하였다. 먼저 모의실험조건은 그림 6과 같이 스피커의 소음 신호 와 스피커의 기준발생제어출력과 에러마이크로폰의 위치를 일직선이 되게 하였으며, 각 제어주파수에 따라 오실로스코 프로 측정하였다. 그 결과 단일 음인 120Hz, 240Hz의 경우 그림 7 ~ 8과 표 1과 같이 측정되었으며, 240Hz에서는 그림 그림 6 모의실험 조건 Fg. 6 Smulaton Test Condtons (a) 제어전 파형 그림 4 ANC 시스템 블록도 Fg. 4 ANC System Dagram 전력용변압기의 구조진동해석 및 능동소음제어 (b) 제어후 파형 그림 7 120Hz일 때 시뮬레이션 파형 Fg. 7 Smulaton Test Measurement Waveforms of 120Hz 1773
전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 (a) 제어전파형 그림 8 240Hz 일때시뮬레이션파형 Fg. 표 (b) 제어후파형 8 Smulaton Test Measurement Waveforms of 240Hz 1 실험조건의시뮬레이션결과 Table 1 Measurement Results at the Smulaton Test Condtons 제어조건 [Hz] 제어전 [db] 제어후 [db] 감소율 [db] 120 80.8 69.7 11.1 240 80.8 58.5 22.3 120+240 85.6 62.2 23.4 10에서처럼에러마이크로폰출력의 22.3dB 정도로감소하였다. 또한 120Hz와 240Hz를동시에소음제어를하였을경우 24.4dB로단독주파수를제어할때보다더많이감쇄됨을알수있었다. 이는인접한경우의주파수일경우에만한정된현상에서만나타나는것을알수있었다. 3.3 현장실험측정및분석 현장실험을위해그림 9(a) 와같이 20채널까지적용할수있는시스템을제작하였으며, 현재운전중인전력용변압기 (154kV/60MVA) 변압기에그림 9(b) 와같이 15채널까지적용하여실험하였다. 그림 10 변압기소음맵과주파수와의관계 Fg. 10 Relatonshp between the Transformer Nose Map and Frequency 현장실험하는데조건은표 2와같이수행하였으며, 그림 9의우측과같이 15개소에서제어를하였으며, 소음측정위치는그림 9의우측하단과같이 4개소에서실시하였고제어주파수 120Hz, 240Hz의단일음에대한데이터를측정한결과를그림 11~14 및표 3에나타내었다. 표 2 현장실험조건 Table 2 Feld Experment Condtons 제어구분 제어조건 Shutter Door Condtons Closed Control Frequency 120 and 240Hz Man AMP Gan 50% Reference Sgnal Frequency Level 120 and 240Hz = 80% Reference Sgnal Total Level 80% (a) 축정위치 -1 (b) 측정위치 -2 그림 9 다채널 ANC 시스템 Fg. 9 Multchannel ANC System 이와같이전력용변압기의소음을측정분석하기위해에러마이크로폰위치에서측정하였으며, 각주파수에대한소음맵을그림 10과같이나타내었다. 측정결과, 각주파수 120Hz은 95.55dB, 240Hz는 82.59dB, 360Hz는 84.07dB, 480Hz는 80.62dB, 600Hz는 75.05dB, 720Hz는 72.56dB로각각최대치를나타내었다. (c) 측정위치-3 (d) 측정위치-4 그림 11 120Hz 제어전의측정파형 Fg. 11 Measurement Waveforms before Control of 120Hz 1774
Trans. KIEE. Vol. 62, No. 12, DEC, 2013 (a) 측정위치-1 (b) 측정위치-2 (c) 측정위치-3 (d) 측정위치-4 그림 12 120Hz 제어 후의 측정 파형 Fg. 12 Measurement Waveforms after Control of 120Hz (a) 측정위치-1 (b) 측정위치-2 (c) 측정위치-3 (d) 측정위치-4 그림 14 240Hz 제어 후의 측정 파형 Fg. 14 Measurement Waveforms after Control of 240Hz 표 3 현장실험 조건에서의 측정결과 Table 3 Measurement Results under the Feld Test Control Condtons 120Hz 240Hz (a) 측정위치-1 (b) 측정위치-2 Controls before after decrement before after decrement Measurement Pont / Nose[dB] 1 2 3 4 average 89.0 89.9 94.1 90.7 81.4 78.9 76.9 84.5 82.0 72.2 10.1 13.0 9.6 8.7 9.2 77.7 76.8 72.1 80.1 81.9 61.2 55.9 47.0 67.0 74.9 16.5 20.9 25.1 13.1 7.0 상호 간섭에 의한 영향으로 분석된다. 소음 제어 전과 후 그리고 감쇠량을 표 3에 나타내었다. 4. 결 (c) 측정위치-3 (d) 측정위치-4 그림 13 240Hz 제어 전의 측정 파형 Fg. 13 Measurement Waveforms before Control of 240Hz 현장실험 결과로 그림 11은 120Hz의 소음을 제어 전 각 위치별로 나타낸 그림이며, 그림 12는 이 소음을 제어한 후 의 그림을 나타내었다. 각 에어 마이크로폰의 위치별로 9.2dB에서 13.0dB로 감쇠되었다. 또한 그림 13은 240Hz의 소음을 제어 전 각 위치별로 나타낸 것이며, 그림 14는 이 소음을 제어한 후의 그림을 나타내었다. 각 에러마이크로폰 의 위치별로 7.0dB에서 25.1dB로 감쇠되었다. 이와 같이 에 러마이크로폰의 위치에 따라 소음 감쇠 현상이 다른 것은 전력용변압기의 구조진동해석 및 능동소음제어 론 본 논문에서는 Moblty 측정을 통해 단상 전력용 변압기 의 구조진동을 분석하였고 FXLAMS 알고리즘을 적용한 능 동소음제어시스템을 이용한 운전 중 변압기 소음저감에 관 한 모의실험 및 현장실험을 수행하였다. 변압기에 공진시험 결과 외함 공진은 변압기의 구조 해석 및 동적 응답 특성을 해석으로 고유모드 해석한 결과 120Hz, 240Hz 부근에 존재하는 고유주파수가 검출되었으며, 이 주파수가 진동을 유발할 가능성이 있다고 판단하였다. 아울러 개발한 ANC시스템을 이용하여 제어주파수 120Hz, 240Hz의 단일 음에 대한 현장변압기 데이터를 측정한 결과 변압기의 소음을 적게는 7.0dB에서 9.2dB 정도로, 많게는 13.0dB에서 25.1dB 정도 감쇠하는 효과를 확인하였다. 이러한 결과에서 에러마이크로폰의 위치별로 상호 간섭이 발생 것을 해결한다면 보다 만족되는 소음 제어를 할 수 있을 것이다. 차 후 이에 대한 연구가 추가로 진행될 것이다. 1775
전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 이와같은결론을이용하여운전중인전력용변압기에적용할경우, 변전소인근주민으로부터발생되는민원을해소할수있을뿐만아니라, 변전소나발전소에서근무하는작업자들의직업병을해소하며, 또한작업능률향상에크게기여할것으로기대된다. References [1] G. B. Chapln, Method and apparatus for cancelng vbraton. U. S. Patent, No. 4, pp. 441-489, 1984. [2] L. J. Erksson, M. C. Alle, and C. D Bremgan," Actve nose control usng adaptve dgtal sgnal processng," n Proc. ICASSP(New York), pp. 2594-2597, 1988. [3] G. E. Warnaka, L. Poole, and J. Tchy, Actve attenuator. US Patent 4 473. 906, Sept. 25. 1984. [4] C. F. Ross, "An algorthm for desgnng a broadband actve sound control system", J. Sound and vbraton, Vol. 80, No. 3, pp. 373-380, 1982. [5] D. R. Morgan, and J. C. Th, "A delay less sub band adaptve flter archtecture", IEEE Trans. on Sgnal Proc., Vol. 43, No. 8, pp. 1819-1830, 1995. [6] M. O. Tokh, and R. R. Letch, Actve Nose Control. Clarendon Press Oxford, 1992. [7] A. J. Efron, and L. C. Han, "Wde-area adaptve actve nose cancellaton", IEEE Trans. on Crcuts and System-II: Analog and Dgtal Proc., Vol. 41, No. 6, pp. 405-409, 1994. [8] D. Graupe, A. J. Efron, "A Output-Whtenng Approach to Adaptve Actve Nose Cancellaton", IEEE Trans. on Crcut and Systems, Vol. 38, No.11, pp. 1306-1313, 1991. [9] A. V. Oppenhem, K. C. Zang, and D. Gaupe, "Sngle-Sensor Actve Nose Cancellaton", IEEE transactons on speech and processng, Vol. 2, No. 2, pp. 285-290, 1994 저자소개 정윤미 ( 鄭潤美 ) 1986년 8월 9일생 2009년한밭대학교전기공학과졸업 ( 공학사 ), 2011년동대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ) Tel : 042-821-1089 E-mal : jym0809@hanbat.ac.kr 최은지 ( 崔恩智 ) 1987년 9월 20일생 2010년한밭대학교전기공학과졸업 ( 공학사 ), 2012년건축대학교대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ) Tel : 042-870-5054 E-mal : wzxwzx@naver.com 김영달 ( 金榮達 ) 1957년 11월 5일생 1986년대전공업대학전기공학과졸업 ( 공학사 ), 1990년충북대학교대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ), 1999년명지대학교대학원전기공학과졸업 ( 공학박사 ), 현재한밭대학교전기공학과교수 Tel : 042-821-1753 E-mal : zeromoon@hanbat.ac.kr 1776