고속철도차량용 견인 인버터 커패시터의 수명추정에 관한 연구 = A Study on the Life Estimation of the Capacitor on Traction Inverter for a High Speed Train
저자
발행사항
서울 : 서울과학기술대학교 철도전문대학원, 2014
학위논문사항
학위논문(박사)-- 서울과학기술대학교 철도전문대학원 : 철도차량시스템공학과 2014. 8
발행연도
2014
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
106 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 맹희영
소장기관
The high-speed railroad in Korea was run from April 1st up to now.
In the rail system, high speed technology is highly demanded for a reliability and safety reasons to a passenger and train. From these reasons, the increasing cost of system maintenance is issued as a new problem. Especially, the high-speed train that is complex structured by electric, electronic and mechanic components has to estimate life cycle of important components and cost reduction of maintenance in this system is needed.
In this study, the aim of this study is to develop a technique for the accelerated life test of the capacitor in a propulsion control device of a traction inverter using for high-speed train. Using this technique, the accelerated life test can possibly estimate life cycle of capacitor under observing various temperature conditions and irregularly applied voltage.
The propulsion control device for high-speed train is the key part for a controlling rotation rate of motor, acceleration/deceleration and regeneration of a train. In the high-speed train, there are motive power unit and motorized trailer on a front side and back side, respectively. Each motive power unit and motorized trailer have two sets and one set of the propulsion control device, respectively. So, the one train has 6 sets of the propulsion control device.
The accelerated life test is conducted for the capacitor of the traction inverter.
The common proceedings of this test are selection of failure mechanism, determination of accelerated stress, range determination of accelerated stress, determination of test condition and distribution and determination of sample.
Prior to the design of accelerated life test, selecting the failure mechanism is introduced. The traction inverter works for preventing surge voltage at high-speed ON/OFF switching. Thus, long-term use of inverter could bring malfunction of capacitor.
Long-term use of capacitor may cause heat deterioration and leakage of electrolyte in capacitor. So temperature is determined as the selection of failure mechanism.
In order to determine the range determination of accelerated stress, which can be determined by a property of material. -20~+85℃ and –25~+105℃ which are regular workable temperature and maximum workable temperature are applied as a range.
In the next step, -25℃, +85℃ and +105℃ are introduced for the accelerated life test. To shorten the test process, +125℃ was also applied. An applied voltage of 2,100V was applied continuously. The judgment of failure could be used by LCR meter at 1KHz mode in the capacitor (0.25μF±10%). At this part, actual condition of capacitor is used to under 50℃, Applying continuous voltage can make more harsh condition than actual that used to high-speed ON/OFF switching. So, life-shortening acceleration effect could be found by this experiment.
For acceleration life test, more than 5 samples were needed for acquiring reliable data. If the acceleration factors are defined, a failure time of actual time can obtain by multiplication between a failure time and the acceleration factor.
The first accelerated life test was conducted at –25℃ and +85℃ for observing progress of capacity in the capacitor at 1000 hours. Using this result, At +85℃ and applied 2,100 voltage, the life-time of the capacitor was changed 90,000 hours (described on specification sheets) to approximately 13,626 hours. Thus, acceleration factor can be determined to 6.6(=90,000/13,626). Using this factor, estimating life-time of capacitor at 105℃ is possibly calculated by 1,500 hours (from the sheets) to 227.1 hours. However, actual experimental result was 1,445 hours. The continuous applied voltage cannot be effective, because the acceleration factor is 1.04(=1,500/1,445).
From this result, the continuous applied voltage was not considered for the acceleration factors anymore. So, the final result of acceleration factor 9.4(=13,626/1,445) was observed. At 50℃, the estimated life-time of the capacitor was approximately 128,000 hours and 154 hours at 125℃.
At 125℃ condition, the capacitor was failed at 164 hours (106% matched). This value was reasonable compared to estimated result as described above.
Furthermore, the life-shortening acceleration effect for irregular applied voltage condition can be applied to various situations.
Every 10 years, the traction inverter has to replace from the guideline regardless of failure or not. In this study, I have calculated the life of the capacitor. And it can be utilized enhance the efficiency of maintenance and field usability.
우리나라의 고속철도는 2004년 4월 1일부터 영업운행이 시작되어 2014년에 운행 10년을 맞이하게 된다. 철도시스템에 있어 시스템의 고속화는 승객과 열차의 신뢰성과 안전성에 대한 절대적인 향상을 요구하며, 이에 따른 시스템 유지보수 비용의 증가는 또 다른 문제점으로 대두되고 있다.
특히 고속철도 차량은 전기-전자-기계적으로 결합된 매우 복잡한 구조를 가진 대형복합시스템으로 기존 철도차량 시스템과는 달리 고속주행에 따른 안정성 확보와 이를 유지할 수 있는 유지보수에 필요한 비용이 총 수명주기비용(Life Cycle Cost, LCC)의 60% 정도를 차지할 정도로 유지보수비가 전체 운영비에 미치는 영향이 크기 때문에 각 부품들의 정확한 수명을 규명하여 유지보수 비용을 절감하는 일이 무엇보다 중요하다.
본 연구에서는 고속철도차량용 추진제어장치 견인인버터의 주요부품인 커패시터의 가속수명시험 설계를 통해 온도에 의한 스트레스를 받고 일정 전압이 불규칙적으로 사용되는 제품의 가속수명시험 기법을 개발하고자 한다.
고속철도차량용 추진제어장치는 모터의 회전수와 가/감속을 조절하여 열차가 알맞은 속도로 운행하도록 하는 핵심장치이다. 우리나라에서 운행되고 있는 고속철도차량의 1편성에는 전후부에 각각 동력차와 동력객차가 있으며, 하나의 동력차에는 2sets의 추진제어장치가 있고 동력객차에도 1set의 추진제어장치가 있어 고속철도차량 1편성에는 총 6Sets의 추진제어장치가 있다.
추진제어장치에는 5종의 큐브류가 있으며 이중 유지보수비가 가장 높은 견인인버터(Traction Inverter)의 커패시터에 대한 가속수명시험을 실시하였다. 가속수명시험을 설계하는 일반적인 절차는 ‘고장메커니즘의 선정→가속 스트레스 결정→가속 스트레스의 범위 결정→시험조건 결정→시료 수 결정 및 배분’ 순서로 이루어진다.
가속수명시험의 설계에서 가장 먼저 수행되는 것은 가속시킬 고장메커니즘의 선정이다. 견인인버터는 고속철도 차량의 역행과 회생시 동작되며, 이때 커패시터는 고속으로 스위칭 하는 소자의 ON/OFF 시 발생하는 써지 전압을 억제하기 위해 지속적으로 충방전을 하며 장기적인 사용으로 커패시터 내부의 절연유가 외부로 흘러나오는 현상이 나타난다.
2013년 견인인버터 수선수량 중 커패시터의 불량수량을 조사한 결과 87대중 12대가 커패시터불량으로 나타났으며 열화에 의한 전해액 분출 현상이 불량의 원인으로 나타났다.
이러한 전해 커패시터는 사용시간의 증가에 따라 열화가 진행되어 전해액의 분출 및 온도 상승 등으로 인하여 많은 사고를 유발하게 된다. 따라서 본 연구에서는 커패시터의 고장메커니즘으로 온도를 선정하였다.
가속 스트레스의 범위는 재료의 물성에 의해 결정되며, 통상 동작한계와 일치한다. 또한 가속 스트레스의 범위 안에서 스트레스 수준을 가능한 한 높게 설정하는 것이 시험을 단축시킬 수 있기 때문에 커패시터의 사용조건 및 사양을 분석하여 사용온도 조건인 -20~+85℃, 최대사용온도 -25~+105를 가속 스트레스의 범위로 결정하였다.
가속수명시험은 스트레스(온도)조건을 최고, 최저의 사용온도로(-25, +85, +105℃)와 시험시간 단축을 고려한 최대온도 125℃하고 사용전압인 2,100V를 지속적으로 인가하여 가속수명시험을 시행하게 되는데, 고장의 판단은 정상조건에서의 정격용량(0.25μF±10%)을 LCR 메터 주파수 1KHz 모드로 측정하여 확인한다.
이때 실제 철도차량에서 추진제어장치의 견인인버터 커패시터는 50℃ 이하에서 역행 및 회생시에만 2,100V 전압이 인가되므로 시험조건이 사용조건 보다 가혹하게 되며 이를 통해서 온도 및 인가전압에 의한 수명단축 가속효과(Acceleration effect : AE)를 확인할 수 있다.
가속수명시험에 필요한 시료의 수는 일반적으로 데이터 분석을 위하여 필요한 5개 이상의 시료를 각 시험 조건에 배치하는 것이 바람직하다.
가속수명시험은 정상적인 사용조건보다 더 열악한 조건에서 시험하여 고장이 빨리 발생하도록 유도하고, 가속조건에서 얻어진 고장데이터를 이용하여 정상 사용조건에서의 신뢰성을 평가하는 방법이다.
따라서 가속수명시험은 가속조건과 정상 사용조건 사이의 가속효과를 나타내는 가속계수(Acceleration factor: AF)를 안다면 가속조건에서의 고장시간에 가속계수를 곱하여 정상 사용조전에서의 고장시간을 구할 수 있다.
물리적 선형 모델 산정은 스트레스가 온도인 경우 널리 사용되는 아레니우스 모형을 적용하였다.
1차 가속수명시험은 커패시터의 용량변화 추이를 확인하기 위해서 85℃ 및 -25℃에서 약 1000시간 목표로 실시하였다. 1차 가속수명시험의 커패시터 용량변화 추이를 가지고 시료별 수명을 추정한 결과 85℃, 2,100V인가 조건에서 커패시터의 수명은 기존 사양서에 제시된 90,000h에서 약 13,626h으로 단축되고 이때 인가전압에 의한 가속계수는 6.6(=90,000/13,626)으로 수명이 약 1/6.6 수준으로 단축됨을 추정하였다.
1차 가속수명시험에서 추정된 인가전압의 가속계수를 6.6으로 가정하여, 105℃에서 2,100V 인가 조건에서의 수명은 기존 사양서에 제시된 1,500h의 1/6.6 수준인 227.1h으
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