3.3 기존의 동기발전기 기준전압 제어방식
3.3.3 가변속 동기발전기의 자동 기준전압제어
직류배전시스템이 적용된 전기추진선박은 연료소모량 감소 및 최적효율로 운 전할 수 있도록 가변속엔진 동기발전기를 적용하여 부하변동에 따라 발전기의 회전속도를 가변하며, 가변된 속도에 따라 기준전압을 조정한다. 기존 가변속엔 진 동기발전기는 기준전압 제어를 위해 발전기 속도변화에 따라 각각의 속도별 로 짝지어진 기준전압을 출력하는 룩업테이블을 사전에 구성하고, 전력관리장 치 내 제어부에서는 룩업테이블을 통해 요청된 기준전압을 출력하기 위한 자동 전압조정장치의 외부입력 목표저항값을 비례적분제어기를 통해 출력한다. 구해 진 목표저항값을 실제로 출력하기 위해 가변저항 전위차계를 설치하였으며, 전 위차계의 입력전류 범위는 4-20[mA], 출력 저항범위는 0-100[㏀]이다.
제어부의 비례적분제어기를 통해 목표저항값을 출력하기 위한 전위차계의 입 력전류를 계산한 다음 전위차계에 입력하고, 출력된 가변저항값을 자동전압조 정장치의 외부저항단자에 입력하여 속도에 따라 조정된 기준전압을 출력한다.
Fig. 3.16은 기존 가변속엔진 동기발전기의 자동 기준전압제어를 위한 전체시스 템을 나타낸다.
Fig. 3.16 Reference voltage control system of conventional variable speed engine synchronous generator
Fig. 3.17은 기존의 가변속엔진 동기발전기의 기준전압제어 방식을 나타내는 흐름도이다.
Fig. 3.17 Flow chart of Reference voltage control system for conventional variable speed engine synchronous generator
① 속도-전압 룩업테이블과 자동전압조정장치의 목표저항값 출력
기존 가변속엔진 동기발전기는 속도변화에 따라 기준전압을 조정하기 위해 특 정속도에 대한 속도-전압 룩업테이블을 구성하여 속도별 기준전압의 목표값을 설정하고, 전력관리장치 내 제어부에서는 룩업테이블을 통해 설정된 기준전압 을 출력하기 위한 자동전압조정장치 외부저항단자의 목표저항값을 비례적분제 어기를 통해 출력한다. 이러한 룩업테이블을 적용함으로써 미리 설정된 특정속 도에 대한 한정적인 범위 내에서 결과를 출력하므로, 소형선박과 같이 속도가 빈번하고 급격하게 변화하는 경우에는 각 속도에 알맞은 기준전압 제어에 어려 움이 발생한다.
② 전위차계의 목표저항 출력회로
가변속엔진 동기발전기는 속도변화에 따라 자동전압조정장치의 기준전압 설정 을 위해 별도의 가변저항 전위차계를 사용하며, 이것은 자동전압조정장치의 전 압입력회로의 입력부에 설치된다. Fig. 3.18은 전위차계의 내부 구성회로를 나 타낸다. 설치된 전위차계는 DC 24[V]를 입력받아 내부회로와 서보모터에 전원 을 공급하며, 전류입력회로는 외부에서 입력된 4-20[mA]의 전류를 앞단에 설치 된 250[Ω]의 저항을 거쳐 전압신호로 변환하고, 서보모터 구동회로의 비교기에 전압신호를 전달한다. 서보모터 구동회로는 입력된 전압신호의 크기에 비례하 여 서보모터의 회전각을 조절하며, 서보모터의 구동축에 가변저항 전위차계가 직결되어 있으므로 4-20[mA]의 전류신호를 이용하여 가변저항의 분압비를 조절 함으로써 출력저항의 값을 조정한다.
Fig. 3.18 Internal circuit of potentiometer
③ 자동전압조정장치의 기준전압제어 설정
자동전압조정장치는 발전기 여자장치에 공급되는 여자전류를 제어함으로써 기 준전압을 일정하게 유지하는 장치이며, 내부회로는 발전기의 출력전압 검출을 위한 전압입력회로, 차동증폭기회로 및 여자전류 출력을 위한 반도체스위치회 로 등으로 구성된다. 전압입력회로는 계기용 변압기를 통하여 발전기 출력전압 을 입력받아 다이오드정류기와 평활회로를 이용하여 직류전압으로 변환하며, 차동증폭기회로는 비반전 입력부에 내부 기준전압을 공급하고 반전입력부에는
전압입력회로에서 직류전압으로 변환한 발전기 출력전압을 입력하여 비교기를 통해 차동증폭한 다음 그 값을 반도체스위치로 출력한다. 이 때 반도체스위치 로는 IGBT와 MOSFET 등이 주로 사용된다.
차동증폭기회로의 출력은 발전기 출력전압이 내부 기준전압보다 낮을 경우 (+) 전압을 출력하여 반도체스위치가 턴온되어 여자전류를 공급하고, 반대로 발 전기 출력전압이 내부 기준전압보다 높을 경우 (-)전압을 출력하여 반도체스위 치를 턴오프하여 여자전류의 공급을 차단한다. 차동증폭기회로의 출력과 반도 체스위치 회로사이에는 스위치 불감대 형성을 위한 제너다이오드가 직렬로 연 결되어 스위치회로의 과도한 동작을 방지한다.
가변속엔진 동기발전기의 자동전압조정장치 기준전압 조정을 위한 회로는 Fig. 3.19와 같다. 전압입력회로의 출력부에 있으며, 차동증폭기회로의 반전입력 부에 입력되는 직류로 변환된 발전기 출력전압의 크기를 조절하는 분압기로 동 작한다. 전위차계의 가변저항값을 조정하여 분압된 전압을 낮추게 되면 차동증 폭기회로는 발전기 출력전압이 기준전압보다 낮다고 판단하여 (+)전압을 출력 하여 여자전류를 증가시켜 결과적으로 발전기의 출력전압이 상승하게 되며, 반 대로 전위차계 가변저항을 조절하여 분압전압을 증가시키면 차동증폭기회로는 (-)전압을 출력하여 여자전류가 감소하므로 발전기 출력전압은 낮아진다.
Fig. 3.19 Reference voltage control circuit of automatic voltage regulator
기존 가변속엔진 동기발전기의 기준전압 제어방식은 속도변화에 따른 속도-전 압 룩업테이블을 구성하여 특정속도에 대한 기준전압을 미리 설정하고, 룩업테 이블에서 매칭된 기준전압을 목표값으로 설정한다. 설정된 기준전압을 출력하 기 위해서 자동전압조정장치의 전압입력회로 내 외부저항단자에 알맞은 가변저 항값을 입력해야하고, 이 저항값은 자동전압조정장치의 전단에 설치된 전위차 계를 통해 출력된다. 전력관리장치의 제어부에서는 비례적분제어기를 통해 기 준전압에 맞는 저항값을 출력하기 위한 가변저항 전위차계의 입력전류가 구해 진다. 이와 같은 과정을 거쳐 가변저항 전위차계를 통해 출력된 목표저항값을 자동전압조정장치의 외부단자에 입력하여 속도 변화에 따라 룩업테이블에서 설 정된 기준전압이 출력된다.
하지만 기존 가변속엔진 동기발전기 기준전압 제어방식의 경우에는 룩업테이 블에서 미리 짝지어진 특정속도에 대한 한정된 속도영역과 그에 따른 기준전압 의 설정으로 부하변동이 급격하고 빈번한 소형전기추진선박에서 적용 시 부하 변동에 따라 발전기의 속도가 룩업테이블에 설정되지 않은 범위로 변동할 경우 각 속도에 알맞은 기준전압의 추종성능에 한계가 발생한다. 따라서 본 논문에 서는 발전기 회전속도와 가변저항 전위차계 입력전류값을 각각 입·출력 성분 으로 하는 다층 신경회로망 제어기를 이용하여 사전에 학습되지 않은 다양한 속도 변화 조건에서도 가변속엔진 동기발전기의 속도 가변에 따른 발전기의 기 준전압을 정확하게 조정하기 위해 전위차계에 공급되는 입력전류의 크기를 제 어하는 신경회로망 제어기를 설계하여 적용하였다.
제 4 장 신경회로망의 개요
4.1 신경회로망의 생물학적 구조
신경회로망은 인간이나 동물들이 가지고 있는 생체신경망의 신호전달체계를 모델화하여 인공적으로 지능을 만드는 것이다. 일반적으로 생체신경망은 망 (Network) 형태의 복잡한 연결구조로 구성되어 있으며, 망을 구성하는 기본적 인 물질은 뉴런(Neuron)과 뉴런을 연결해주는 시냅스(Synapse)로 이루어져 있 고, 여러 개의 뉴런들이 모여서 한 개의 층(Layer)으로 구성하게 된다. 즉, 인간 의 뇌에 존재하는 생물학적 신경세포와 이들의 연결 관계를 단순화시켜 수학적 으로 모델링함으로써 인간의 두뇌가 나타내는 지능적 형태를 구하는 것이다.
따라서 신경회로망은 구조적으로 인간의 생체신경망의 요소를 그대로 가지고 있으며, 신경회로망의 구조를 알기 위해서는 반드시 인간의 두뇌가 어떻게 이 루어졌는지 알아야한다. 인간의 두뇌는 뉴런이라고 불리는 매우 복잡하게 연결 된 요소들이 모여서 구성되며, 이러한 뉴런들은 세포핵(Nucleus)을 둘러싸고 있 는 세포체(Soma, Cell body), 수상돌기(Dendrite), 축색돌기(Axon)의 세 가지 주 요 구성요소를 가지고 있다.
Fig. 4.1은 뉴런의 구성을 나타내며, 수상돌기는 전기적인 신호를 세포로 전달 하는 신경섬유의 나무와 같은 회로망이며, 축색돌기는 하나의 긴 섬유로써 세 포로부터 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 역할을 한다. 마지막으로 시냅스는 세포 하나의 축색돌기와 다른 세포의 수상돌기가 만나는 연결고리이다. 신경회 로망의 기능을 만들어 내는 것은 복잡한 화학과정에 의해 결정되는 뉴런들의 배열과 개별 시냅스의 연결가중치이다. 뉴런은 다른 뉴런으로부터의 신호를 받 아들이고, 그것에 구해진 연결가중치를 곱한 값을 더하고, 그 결과 발화하느냐, 하지 않느냐를 결정한다. 이것을 기본으로 뉴런의 수학적 모델을 구성할 수 있 으며, 이 때 고려해야할 중요한 첫 번째 부분은 선형시스템 특성에서 가산성인 뉴런은 다른 뉴런으로부터의 신호에 가중치를 곱하고 더해야하며, 두 번째는 비선형 임계치 특성으로 합계가 임계치를 넘지 않으면 아무 반응도 일어나지