해양 주파수 변환기용 MKSU 아키텍처

현대 해양 전기 추진 시스템을 위한 마이크로컨트롤러 기반 제어 시스템의 아키텍처 및 구현

현대 조선 산업은 전통적인 디젤 및 터빈 추진 시스템에서 효율적인 전기 추진 시스템으로 적극적으로 전환하고 있습니다. 이러한 진화의 핵심에는 첨단 주파수 변환기(FC)와 그 마이크로컨트롤러 기반 제어 시스템(MCCS)에 결정적으로 의존하는 고기술 해양 전기 추진 시스템(MEPS)이 있습니다. 본 기사에서는 선박의 높은 기동성, 효율성 및 신뢰성을 보장하는 이러한 시스템의 주요 아키텍처 접근 방식과 설계 특징을 살펴봅니다.

해양 전기 추진 시스템의 진화와 구성 요소

지난 수십 년간 해양 전기 추진 시스템(MEPS)의 발전은 전통적인 기계식 설비에 비해 상당한 이점 덕분입니다. MEPS는 향상된 기동성, 연료 효율성 개선, 소음 감소를 제공하며, 이는 쇄빙선, 예인선, 비상 구조선과 같은 특수 선박에 특히 중요합니다. MEPS가 널리 채택된 주요 요인은 트랜지스터 기반 전력 변환 기술의 발전으로, 추진 전동기(PEM)와 스러스터를 제어하는 강력한 주파수 변환기(FC)를 만들 수 있게 되었습니다. 이는 또한 AC MEPS로의 전환과 추진 시스템을 선박의 전체 전력 시스템과 통합하는 것을 용이하게 했습니다.

일반적인 현대 MEPS 구조는 다음과 같습니다:

주로 비동기식인 추진 전동기(PEM).
제어 시스템(FC CS)을 포함한 반도체 주파수 변환기(FC).
전력 변압기(선택 사항).
전기 개폐 장치.

MEPS의 핵심을 이루는 FC는 전압 정류기(제어형 또는 비제어형)와 자율 전압 인버터(AVI)를 기반으로 구축됩니다. 능동 전면부(AFE) 정류기와 AVI는 일반적으로 IGBT 트랜지스터를 사용하여 구현되며, 비제어형 정류기(UCR)는 다이오드를 사용합니다. AFE 정류기는 원하는 역률을 유지하고, 선박의 전력망 왜곡을 최소화하며, 제동 시 에너지 회수를 지원하여 전체 시스템 효율성을 높이는 능력 때문에 우수성을 입증합니다. FC 제어 시스템(FC CS)은 PEM 속도 및 토크 조절부터 시동, 안정화, 전력 제한, 제동 및 역회전 보장에 이르기까지 광범위한 작업을 수행합니다. 또한 다양한 로컬 운전자 패널(LOP)의 명령을 처리하고, 진단 정보를 선박 제어 시스템(SCS)으로 수집 및 전송하며, 작동 모드 간 전환을 관리하고, 비상 상황에서 FC 보호 기능을 제공합니다. FC CS용 소프트웨어 개발에는 비동기 모터 제어를 위한 특수 알고리즘 적용이 필요합니다. 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 센서 신호 처리, 액추에이터 제어, 다른 시스템과의 통신 인터페이스 구현과 같은 보조 기능을 수행하기 위해 종종 통합됩니다.

주파수 변환기 제어 시스템의 아키텍처 접근 방식

FC CS용 마이크로프로세서 기술 분야에서는 통합 증가, 기능 향상, 크기 및 무게 감소라는 명확한 추세가 있습니다. 이는 여러 보드가 단일 인클로저 내에 최소한의 간격과 플러그인 연결로 수용되는 소형 제어 장치 개발로 이어지며, 전자기 호환성(EMC) 및 신뢰성 향상을 위해 종종 금속 케이스에 담깁니다. 보드가 상당한 거리(25cm 이상)에 떨어져 있고 전선으로 연결된 분산 시스템은 전력 전자 장치의 강한 전자기장 특성상 EMC 및 신뢰성이 낮아 덜 선호됩니다.

현대 FC CS는 가장 일반적으로 분산-중앙 집중식 구조를 채택하며, 다음을 포함합니다:

로컬 제어 시스템(LCS): AFE 정류기 또는 AVI와 같은 개별 트랜지스터 컨버터(TC)의 제어, 모니터링 및 보호를 담당합니다. LCS의 수는 FC 내 TC 수와 일치합니다(최소 두 개).
중앙 제어 시스템(CCS): LCS의 작동을 조정하고, 로컬 운전자 패널(LOP) 및 선박 제어 시스템(SCS)과의 정보 교환을 용이하게 하며, 전반적인 MEPS 관리를 제공합니다.
프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC): 입출력 및 인터페이스와 관련하여 CCS의 기능을 확장하는 선택적 구성 요소입니다. 고성능 구성에서는 PLC가 CCS의 기능을 맡아 전체 제어 시스템 구조를 크게 단순화할 수 있습니다.

FC용 고집적 제어 장치(HICU) 개념은 이 모든 구성 요소(LCS, CCS, PLC)를 단일 인클로저에 결합하는 것을 포함합니다. HICU의 장점으로는 향상된 EMC, 감소된 크기, 낮은 비용이 있습니다. 그러나 이러한 통합은 높은 개발 복잡성, 통합 LCS 수의 제한, 소프트웨어 개발 및 테스트의 어려움 증가를 수반합니다. 이는 개발자에게 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 측면 모두에 대한 깊은 이해와 엄격한 작동 요구 사항 하에서 신뢰성을 보장하는 방법에 대한 지식을 요구합니다.

마이크로컨트롤러 기반 제어 장치를 위한 설계 솔루션

구조적으로 마이크로컨트롤러 기반 FC 제어 시스템은 단일 보드 및 다중 보드 솔루션으로 나뉘며, 각각 고유한 적용 분야와 장점을 가집니다.

단일 보드 제어 장치는 모든 전자 부품과 시스템 기능이 단일 인쇄 회로 기판에 구현된 시스템입니다. 기능을 확장하거나 특수화하기 위해 이러한 시스템은 종종 메인 보드에 병렬로 연결(위에 쌓이는 방식)되는 추가 보드인 메자닌 카드(mezzanine card)를 활용하여 마이크로컨트롤러, 메모리 모듈 또는 LED 표시기와 같은 특정 작업을 수행합니다. 메자닌 카드는 메인 보드의 상단과 하단 양쪽에 배치될 수 있어 레이아웃 및 부품 밀도에 유연성을 제공합니다.

다중 보드 제어 장치는 대조적으로 여러 개의 인쇄 회로 기판으로 구성되며, 각 보드는 특정 기능 세트를 수행합니다. 다중 보드 제어 장치의 몇 가지 주요 유형은 다음과 같습니다:

메인(마더 또는 시스템) 보드를 갖춘 제어 장치: 메인 보드는 중앙 정보 처리, 제어 및 모니터링 기능을 수행하며, 기능 보드(예: 이산, 아날로그 입출력 또는 디지털 인터페이스용)는 메인 보드에 수직으로 연결됩니다. 이 접근 방식은 모듈성을 보장하고 주변 기능의 쉬운 교체 또는 업그레이드를 가능하게 합니다.
백플레인(또는 크로스 보드)을 갖춘 제어 장치: 백플레인은 다양한 기능 모듈(예: 전원 공급 모듈, 마이크로컨트롤러 모듈, I/O 모듈)을 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 이 모듈들은 백플레인에 수직으로 삽입되고 종종 전면 패널을 갖춥니다. 이 아키텍처는 높은 수준의 맞춤화 및 유지 보수성을 가진 시스템을 만드는 데 편리합니다.
여러 기능 보드를 갖춘 제어 장치: 이 경우 보드(예: 전원, 디지털, 아날로그, 인터페이스)는 중앙 메인 보드나 백플레인을 사용하지 않고 커넥터를 통해 서로 직접 연결됩니다. 이 옵션은 크기 최소화 또는 특정 토폴로지가 필요한 특수 시스템에 종종 적용됩니다.

다중 보드 제어 장치에서도 메자닌 카드는 추가 기능 확장 또는 개별 기능 보드의 부품 밀도를 높이는 데 사용될 수 있습니다. 특정 설계 솔루션의 선택은 신뢰성, 전자기 호환성, 비용, 크기 및 무게 특성, 소프트웨어 복잡성, 그리고 해양 환경에서의 예상 작동 조건에 대한 요구 사항에 따라 결정됩니다.

주요 요점

전기 추진으로의 전환: 현대 조선 산업은 효율성, 기동성, 그리고 선박의 통합 전기 전력 시스템으로의 통합 가능성 때문에 전기 추진 시스템으로 적극적으로 전환하고 있습니다.
FC 및 FC CS의 역할: 주파수 변환기는 MEPS의 핵심 구성 요소이며, 마이크로컨트롤러 기반 제어 시스템(FC CS)은 정밀한 조절, 보호 및 선박 시스템과의 상호 작용을 제공합니다.
아키텍처 솔루션: FC CS는 신뢰성과 소형화를 향상시키기 위해 로컬 및 중앙 제어 시스템을 갖춘 분산-중앙 집중식 아키텍처와 고집적 장치(HIU)를 사용합니다.
설계 접근 방식: MCCS 개발은 단일 보드 솔루션(메자닌 포함)과 다중 보드 시스템(메인 보드, 백플레인 또는 기능 보드의 직접 연결 포함)을 모두 포함하며, 선택은 확장성 요구 사항 및 작동 조건에 따라 달라집니다.
개발 복잡성: 해양 환경의 혹독한 조건을 고려할 때, 해양 FC를 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 마이크로컨트롤러 기반 제어 시스템을 개발하려면 전력 전자, 디지털 신호 처리 및 임베디드 소프트웨어 분야의 깊은 엔지니어링 전문 지식이 필요합니다.

— Editorial Team