4.1 Simulation with Resistance Loads

그림3의 알고리즘에 대하여 저항시 아크 검출 시뮬레이션을 진행하기 위해 그림 4과 같이 회로를 구성하여 아크를 발생시켰을 때와 부하를 변동시켰을 때의 실제 전류 파형 데이터를 추출하여 이용하였다. 그림 5는 그림 4에서 저항의 크기를 100[Ω]으로 하고 아크 제너레이터를 이용하여 아크를 발생시켰을 때의 전류 파형 데이터를 시뮬레이션 한 파형이다.

그림. 4. 저항 부하시 아크 전류 측정 회로도

Fig. 4. Arc Current Measurement Circuit Diagram at Resistance Load

그림. 5. 저항 부하시 아크 검출 시뮬레이션 파형

Fig. 5. Simulation of Arc Detection at Resistance Load Waveform

(a)는 전류 파형으로 아크가 방생함에 따라 전류가 0이 되는 구간을 가진다. 전류의 미분치의 절대값 (b)는 아크가 발생하기 전은 약 0~1,500의 값을 가지다가 아크가 발생하면 최대 22,709정도의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 전류의 실효치 (c)는 아크가 발생하기 전은 약 2.03~2.039의 값을 가지고, 아크가 발생하면 약 1.8 이하의 값을 가지게 된다. (d)는 120Hz 부터 480Hz까지의 짝수 고조파의 크기를 나타내는 파형이다. 아크가 발생하기 이전에는 짝수 고조파들의 크기가 약 0.03 정도의 이고, 아크가 발생한 후 짝수 고조파의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전류의 미분치, 실효치가 모두 변동하여 (e)의 Point_detect_flag가 1이 되며 Point_detect_flag가 1이 되기 이전의 짝수 고조파의 크기와 Point_detect_flag가 1이 된 이후의 짝수 고조파의 크기를 비교하게 된다. 한 주기에 짝수 고조파의 크기가 아크가 발생하기 전보다 아크가 발생하고 난 후 커졌다면 (f)의 D_a를 1 증가시켜 준다. 이러한 동작을 총 8주기 반복하여 D_a가 5이상이 되면 (e)의 shutdown 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

그림 6은 그림 4에서 아크 제너레이터를 단락시키고 저항의 크기를 100[Ω]에서 120[Ω]으로 변동했을 때 전류 파형 데이터를 동일한 알고리즘으로 시뮬레이션 한 파형이다.

그림. 6. 저항 부하 변동시 아크 검출 시뮬레이션 파형

Fig. 6. Simulation of Arc Detection when Resistance Load Fluctuations Waveform

(a)의 전류 파형에서 아크가 발생했을 때와 달리 전류가 0인 구간이 존재하지 않는다. 따라서 (b)의 전류 미분의 절대값 아크가 발생했을 때와 같이 증가하는 구간이 없다. 저항의 크기가 증가 되었기 때문에 (c)의 전류의 실효치는 약 2.092에서 1.739로 감소한 것을 확인할 수 있다. (d)의 짝수 고조파의 크기를 보면 전류 변동이 생긴 직후 한 주기에서 전류 파형의 불균형이 일어나 짝수 고조파가 증가하였지만 이후 짝수 고조파가 다시 감소하게 된다. 앞에서 설명한 바와 같이 전류의 미분치의 절대값은 아크가 발생하였을 때와 같이 증가한 구간이 없고, 전류의 실효치는 감소하였기 때문에 (e)의 Point_detect_flag가 1이 되지 않고 짝수 고조파 비교에 대한 동작을 하지 않아 (e)의 shutdown 신호가 발생하지 않게 된다.

4.2 Simulation with SMPS Loads

SMPS 부하 시 아크 검출 시뮬레이션을 진행하기 위해 그림 7과 같이 회로를 구성하여 아크를 발생시켰을 때와 부하를 변동시켰을 때의 실제 전류 파형 데이터를 추출하여 이용하였다. 그림 8은 그림 7에서 저항의 크기를 100[Ω]으로 하고 아크 제너레이터를 이용하여 아크를 발생시켰을 때의 전류 파형 데이터를 시뮬레이션 한 파형이다.

그림. 7. SMPS 부하 시 아크 전류 측정 회로도

Fig. 7. Arc Current Measurement Circuit Diagram at SMPS Load

그림. 8. SMPS 부하 시 아크 검출 시뮬레이션 파형

Fig. 8. Simulation of Arc Detection at SMPS Load Waveform

(a)의 전류 파형을 보면 아크가 발생하고 전극 사이의 공극이 멀어짐에 따라 개방상태가 되었다가 다시 공극이 줄어듦에 따라 아크가 다시 발생하였다. (b)에서 아크가 발생하기 전 컨버터의 정류 동작 때문에 전류의 미분값의 절대값이 저항 부하에 대한 값보다 비교적 큰 값인 약 10,460 정도의 값을 가지다 아크가 발생한 이후 최대 149,601가량으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. (c)의 전류의 실효치 값은 아크가 발생하기 전 약 1.633 정도의 값을 가지다 아크가 발생함에 따라 전류 파형에 따라 변동되는 것을 확인할 수 있다. (d)의 짝수 고조파들의 크기는 아크가 발생하기 전 약 0.03~0.04의 값을 가지다 아크가 발생함에 따라 증가하며, 2 고조파의 경우에는 약 2.897까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. (e)에서 미분치와 실효치의 변동에 따라 (e)의 Point_detect_flag가 동작하는 것을 확인 할 수 있으며, 처음 flag가 1이 되었을 때 아크가 잠시 발생하고 개방상태가 되기 때문에 (f)의 D_a가 1밖에 올라가지 않아서 아크라고 판단하지 않고 다시 flag가 0이 된다. 이후 다시 아크가 발생하였을 때는 충분하게 아크가 발생함에 따라 D_a가 5 이상이 되었고 (e)에서 shutdown 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 9. SMPS 부하 변동 시 아크 검출 시뮬레이션 파형

Fig. 9. Simulation of Arc Detection when SMPS Load Fluctuations Waveform

그림 9는 그림 7에서 아크 제너레이터를 단락시키고 컨버터 출력단의 저항을 100[Ω]에서 120[Ω]으로 변동했을 때 전류 파형 데이터를 동일한 알고리즘으로 시뮬레이션 한 파형이다. (a)의 전류 파형은 부하 변동이 일어난 후 전류의 피크 값이 약 6.948에서 6.067가량으로 감소한 것을 확인할 수 있다. (b)전류 미분치의 절대값은 앞에서 설명한 바와 동일하게 정류회로에 의해 나오는 전류 파형을 따라 미분값이 최대 23,492인 것을 확인할 수 있다. (c)전류의 실효치는 저항값이 증가함에 따라 전류의 피크치가 감소하고. 이에 따라 실효치가 감소하는 것을 확인할 수 있다. (d)에서 짝수 고조파의 크기는 전류의 실효치가 감소함에 따라 오히려 부하 변동 이후 감소하는 것을 확인할 수 있다. (e)의 Point_detect_flag는 미분치와 실효치의 변동에 따라 1이 되고 8주기 동안 짝수 고조파에 대한 비교를 시작한다. 하지만 짝수 고조파의 크기가 저항 변동 이후에 더 작아졌기 때문에 (f)의 D_a가 올라가지 않고 (e)에서 확인할 수 있듯이 shutdown 신호가 발생하지 않게 된다.

5.1 Experimental Components

표 1은 실험에 사용된 실험에 사용된 전압 및 부하에 대한 파라미터이다.

그림. 10. 아크 제너레이터

Fig. 10. Arc generator

그림. 11. 저항 부하 및 SMPS 부하 (a) 저항 부하 (b) SMPS 부하

Fig. 11. Resistance Load and SMPS Load (a) Resistance Load (b) SMPS Load

그림 10은 본 실험에서 사용한 아크 제너레이터다. 전원 공급단에 전원을 연결하고 로드에 부하를 연결하여 사용하였다. 고정전극은 구리로 만들어진 구리봉이고, 이동 전극은 탄소로 만들어진 탄소봉이다. 슬라이딩 블록을 움직임으로써 이동 전극인 탄소봉의 위치를 조정할 수 있고, 두 전극 사이의 공극을 조정함에 따라 아크를 발생시킬 수 있다. 그림 11은 본 실험에서 사용된 부하들이다. (a)는 1[kW], 100[Ω] 저항 1개와 1[kW], 10[Ω] 저항 2개로 이루어져 있다.

5.2 Experimental Results of Resistance Load

그림 12는 저항 부하사용 시 아크를 발생시켰을 때의 아크 검출과 저항 부하 변동 시 아크 검출 실험에 대한 회로 구성이다. 아크를 발생시켰을 때의 아크 검출 실험에서는 R1 저항만을 사용하고, 아크 제너레이터를 이용하여 아크를 발생시켰다. 저항 부하 변동 시 아크 검출 실험에서는 아크를 발생시키지 않고 R1 저항을 통해 정상 운영 중 R2 저항을 연결하는 방식으로 실험을 진행하였다.

그림. 12. 저항 부하 시 실험 회로도

Fig. 12. Experimental Circuit with Resistance load

그림 13의 (a)는 저항 부하를 사용 시 아크를 발생시켰을 때의 실험결과 파형이다. 아크가 발생하고 CH2의 Point Detect Flag가 1이 되는 것을 확인할 수 있다. 이후 Point Detect Flag가 0이었을 때의 짝수 고조파와 Point Detect Flag가 1이 되고 난 후의 짝수 고조파의 크기를 8주기 동안 비교하여 Point Detect Flag가 1이 되고 난 후의 짝수 고조파의 크기가 더 크다면 CH3의 Da가 1씩 증가 되는 것을 확인할 수 있다. 8주기 후 Da의 값이 기준값 5를 넘었기 때문에 CH4 Shut Down 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 13. 저항 부하 시 실험결과 파형 (a) 아크 발생 시 (b) 부하 변동 시

Fig. 13. Experimental Results Waveform with Resistance Load (a) In case of an arc occurs (b) In case of load fluctuation

그림 13의 (b)는 저항 부하를 사용 시 부하 저항값을 100[Ω]에서 120[Ω]으로 변동시켰을 때의 실험결과 파형이다. 시뮬레이션과 동일하게 CH1의 전류의 피크치가 부하가 변동함에 따라 감소하였지만 숄더 구간이 발생하지 않았기 때문에 미분값의 변화가 크지 않아 CH2의 Point Detect Flag의 변화가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 아크 검출에 대한 동작 진행하지 않기 때문에 CH3의 Da와 CH4의 Shut Down 신호 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

5.3 Experimental Results of SMPS Load

그림 14는 SMPS 부하사용 시 아크를 발생시켰을 때의 아크 검출과 저항 부하 변동 시 아크 검출 실험에 대한 회로 구성이다. 실험 방식은 저항 부하를 사용할 때와 동일한 방식으로 실험을 진행하였다.

그림. 14. SMPS 부하 시 실험 회로도

Fig. 14. Experimental Circuit with SMPS Load

그림 15의 (a)는 SMPS 부하를 사용 시 아크를 발생시켰을 때의 실험결과 파형이다. SMPS 부하사용 시에도 저항 부하사용 시와 동일하게 아크가 발생하고 CH2의 Point Detect Flag가 1이 되고, 짝수 고조파 비교를 통해 8주기 후 CH3의 Da가 기준값인 5를 넘는 7이 되었고, 그에 따라 CH4 Shut Down 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 15. SMPS 부하 시 실험결과 파형 (a) 아크 발생 시 (b) 부하 변동 시

Fig. 15. Experimental Results Waveform with SMPS Load (a) In case of an arc occurs (b) In case of load fluctuation

그림 15의 (b)는 SMPS 부하를 사용 시 컨버터 출력단의 부하 저항을 100[Ω]에서 120[Ω]으로 변동시켰을 때의 실험결과 파형이다. 시뮬레이션과 동일하게 CH1의 전류의 피크치가 부하가 변동함에 따라 감소하였고, 전류의 미분값의 변화가 크기 때문에 CH2의 Point Detect Flag가 1이 되는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 짝수 고조파의 크기가 변화가 전류 피크치의 감소에 따라 오히려 감소했기 때문에 CH3의 Da가 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 아크라고 판단하지 않고 CH4의 Shut Down 신호 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.