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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.