KR100296446B1 - Linear Induction Motor for Railway Vehicles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도차량용 선형유도 전동장치에 있어서, 선형유도 전동기를 사용하여 철도선로(線路)상에 이동자계를 직접 형성시켜 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 제공하는 것으로서, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는 차량에 탑재되는 치와 슬롯을 가진 막대형태의 철심, 공급되는 전류에 의해 유기되는 자력과, 철도선로를 이용하여 이동자계가 형성되도록 상기 철심에 권취되는 코일을 포함하여 구성되는 선형유도 전동기와, 상기 선형유도 전동기에 전원을 인가하는 전원인가수단: 철도차량의 제동 또는 추진동작시, 철도차량의 이동속도 및 방향에 근거하여 상기 인가되는 전원의 주파수를 가변 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되어, 철도차량의 제동력은 물론 추진력을 제공하고 특히 제동동작시 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생하여 상기 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 한편, 상기 에너지를 회생하여 철도선로 온도가 상승되는 것을 방지함으로써, 보다 신속, 안전한 철도차량 운행이 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.The present invention provides a linear induction transmission device for a railway vehicle, by using a linear induction motor to directly form a moving magnetic field on the railway line to provide auxiliary propulsion and braking force of the railway vehicle, the linear for railway vehicle according to the present invention The induction electric motor includes a rod-shaped iron core having teeth and slots mounted on a vehicle, a magnetic force induced by a supplied current, and a coil wound around the iron core to form a moving magnetic field using a railroad line. Power supply means for supplying power to the induction motor and the linear induction motor: a control means for variably controlling the frequency of the applied power on the basis of the moving speed and direction of the railway vehicle during braking or propulsion operation of the railway vehicle It provides the braking force as well as the propulsion force of the railway vehicle, and in particular, the energy generated during the braking operation By preventing the recovery Jiro to a railroad track that minimizes the temperature rise by the electric power consumed while the regeneration energy to the railway vehicle runs, it will be very useful inventors to ensure a more rapid, safe railway vehicle operation performed.
Description
본 발명은 철도차량용 선형유도 전동장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 선형유도 전동기를 사용하여 철도선로상에 이동자계를 직접 형성시켜, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력을 제공하며, 또한 철도차량의 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생함으로써, 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화함은 물론, 상기 에너지에 의해 철도선로의 온도가 상승되는 것을 억제하여 보다 신속, 안전한 철도차량의 운행이 이루어지도록 하는 철도차량용 선형유도 전동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a linear induction transmission device for a railway vehicle, and more particularly, to form a moving magnetic field directly on a railroad track using a linear induction motor, to provide auxiliary braking force and propulsion force of the railway vehicle, and also to brake the railway vehicle. In operation, by regenerating the energy generated by the electric energy, minimizing the power consumed in the operation of the railway vehicle, as well as suppressing the temperature rise of the railway line by the energy to make the operation of the railway vehicle faster and safer The present invention relates to a linear induction transmission device for rolling stock.
일반적으로 철도차량용 제동 및 추진장치는, 운행시간의 단축을 위하여 보다 고출력의 가속력과 감속력이 요구되고 있으나, 이때 필요한 추진력과 제동력은 철도차량의 추진장치와 제동장치의 용량에 따라 크게 좌우되며, 상기 추진력과 제동력은, 통상적으로 철도차량의 바퀴(Wheel)를 통해 전달된다.In general, braking and propulsion systems for railway vehicles require higher output acceleration and deceleration forces in order to shorten the running time, but the necessary propulsion and braking force depends on the capacity of the propulsion system and braking system of the railway vehicle. The driving force and the braking force are typically transmitted through the wheel of the railway vehicle.
따라서 상기 추진력과 제동력은, 철도차량의 바퀴와 레일(Rail)간의 점착계수에 따라 달라지는데, 상기 점착계수는 바퀴와 레일의 조건 또는 기상상태에 따라 가변되기 때문에, 상기와 같이 고출력의 추진력 또는 제동력을 바퀴에 인가하면, 슬림(Slip)현상이 발생하여 바퀴 및 레일이 급격히 마모됨은 물론, 정확한 추진 및 제동이 이루어지지 못하여 안정된 철도차량의 운행이 불가능하게 된다.Therefore, the propulsion force and the braking force vary depending on the coefficient of adhesion between the wheel and the rail of the railroad car, and the coefficient of adhesion varies depending on the condition of the wheel and the rail or the weather, and thus the driving force or the braking force of the high output as described above. When applied to the wheels, a slip phenomenon occurs and the wheels and rails are rapidly worn, as well as accurate propulsion and braking are not achieved, so that stable railway vehicles cannot be operated.
이에 따라, 상기 철도차량의 바퀴로 동력을 인가하지 않고, 상기 추진력과 제동력을 직접 철도차량에 제공하기 위한 방법이 제안되었다.Accordingly, a method for directly providing the propulsion force and the braking force to the railway vehicle without applying power to the wheels of the railway vehicle has been proposed.
그러나, 제안된 종래의 방법인 고속전철용 선형와전류 제동장치의 경우, 상기 고속전철에 보조 제동력만을 제공할 수 있는 고속전철용 보조 제동장치로서 현재 독일에서 개발 중에 있다.However, the proposed conventional method, a linear eddy current braking device for a high speed train, is currently being developed in Germany as an auxiliary braking device for a high speed train that can provide auxiliary braking force to the high speed train.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 추진력과 제동력을 발생시키는 일반적인 전동기의 동작설명과 아울러 상기 고속전철용 선형와전류 제동장치에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the linear eddy current braking device for a high-speed train as well as the operation of the general electric motor for generating the propulsion and braking force.
도 1은 일반적인 회전자계를 형성하는 3상 교류 전동기를 도시한 것으로서, 우선, 3상 교류 전동기는, 3상 권선(S1, S2, S3)이 120각도로 취부된 고정자(M)와, 상기 고정자 내측에 일정간격의 공극을 유지한 상태로 삽입되는 이동자(R)를 포함하여 구성되는데, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 상기 고정자(M)에 취부된 3상 권선(S1, S2, S3)에 도 1의 (b)와 같은, 3상 교류(i1, i2, i3)를 공급하면, 회전자계(回轉磁界)가 발생하여 도 1의 (c) 내지 (f)와 같이, 상기 고정자 내측에 삽입된 이동자(R)가 회전력(F)을 얻어 회전하게 되는 것이다.1 shows a three-phase AC motor forming a general rotor field. First, a three-phase AC motor includes a stator M having three phase windings S1, S2, and S3 mounted at an angle of 120 degrees, and the stator. It comprises a mover (R) which is inserted in the state maintaining a gap of a certain interval inside, as shown in Figure 1 (a), three-phase windings (S1, S2) mounted to the stator (M) When S3) is supplied with three-phase alternating currents i 1 , i 2 , and i 3 , as shown in FIG. 1B, a rotor magnetic field is generated, and thus, FIG. 1C and FIG. Likewise, the mover R inserted into the stator is rotated by obtaining the rotation force F.
상기 회전자(R)의 속도는 일반적으로 회전자계의 회전수에 비례하는데 상기 회전자계의 회전수(속도)는 권선에 흐르는 전류의 주파수와, 권선의 자극(磁極)수간에 관계식으로 산출되며, 상기 산출식은 다음과 같다.The speed of the rotor (R) is generally proportional to the number of revolutions of the rotor field, the number of revolutions (speed) of the rotor field is calculated as a relation between the frequency of the current flowing through the winding and the number of poles of the winding, The calculation formula is as follows.
회전자계의 회전수(속도) = 120 x f/p -------------- 식(1)Rotational speed of rotor field (speed) = 120 x f / p -------------- Equation (1)
f : 공급전압의 주파수f: frequency of supply voltage
p : 자극의 수p: number of stimuli
따라서, 통상적으로 회전자계의 회전수를 가변하기 위하여 전자적으로 용이하게 가변할 수 있는 공급전압의 주파수(f)를 임의의 값으로 가변하여 적절한 회전자계의 회전수 즉, 회전력을 발생시키고 있다.Therefore, the frequency f of the supply voltage, which can be easily changed electronically, is varied to an arbitrary value in order to vary the rotational speed of the rotor field, thereby generating an appropriate rotational speed, that is, a rotational force.
한편, 도 2는 종래의 고속전철용 와전류 제동장치의 일부구성도를 도시한 것으로서, 종래의 고속전철용 와전류 제동장치는, 고속전철(미도시) 일측부에 부착된 철심(Iron)(1)과 상기 철심에 취부되어 코일(Coil)이 권취된 권선(捲線)(2)을 포함하여 구성되는 선형와전류 전자석을 사용하는 한편, 도 2에 도시한 레일(Rail)(3)과 전자석의 철심(Iron)(1)으로 자로(磁路)를 형성한다.2 shows a partial configuration of a conventional eddy current braking apparatus for a high speed train, and a conventional eddy current braking apparatus for a high speed train includes an iron core 1 attached to one side of a high speed train (not shown). And a linear eddy current electromagnet comprising a winding 2 mounted on the iron core and wound with a coil, while the rail 3 and the iron core of the electromagnet (shown in FIG. 2) are used. A magnetic path is formed by iron (1).
따라서, 상기 고속전철용 와전류 제동장치는 기 설치된 레일(3)을 선형와전류 전자석으로 이용하기 때문에, 별도의 도체 플레이트(Plate)를 필요로 하지 않는다.Therefore, the high speed train eddy current braking device uses the pre-installed rail 3 as a linear eddy current electromagnet, and thus does not require a separate conductor plate.
그러나, 상기 고속전철용 와전류 제동장치는, 권선을 사용하여 고정자극(磁極) 즉, 고정된 N극, S극에 의해 차량이 이동할 때 레일(Rail)에서 와전류가 생성되어 제동력을 발생시키고, 발생된 상기 와전류에 레일의 온도가 급격히 상승하게 된다.However, the eddy current braking device for high-speed trains, when the vehicle moves by a fixed magnetic pole, that is, a fixed N pole, S pole using a winding, an eddy current is generated on the rail to generate a braking force, The temperature of the rail rapidly rises to the eddy current.
참고로, 상기 와전류에 대하여 간략히 설명하면, 상기 와전류(Eddy Current)는, 도체내에서 자속이 변화함에 따라 발생하는 기전력에 의해 생성되는 소용돌이 모양의 전류로서, 상기 와전류에 의해 발생하는 전류손실을 와전류손(渦電流損)이라고 하며, 상기 와전류손에 의해 상기 도체의 온도가 상승하게 되는 문제점이 있다.For reference, the eddy current will be briefly described. The eddy current is an eddy current generated by electromotive force generated as a magnetic flux changes in a conductor, and the current loss generated by the eddy current is eddy current. It is called a hand, and there exists a problem that the temperature of the said conductor rises by the said eddy current loss.
따라서, 상기 와전류손에 의해 레일(Rail)의 온도가 상승되는 고속전철용 와전류제동장치는, 차량운행에 악영향을 미칠 수 있음은 물론, 상기 와전류손(渦電流損)에 의해 전력소모가 크게 발생하는 문제점이 있었다.Therefore, in the high speed train eddy current braking device in which the temperature of the rail rises due to the eddy current loss, not only may adversely affect the driving of the vehicle, but also large power consumption occurs due to the eddy current loss. There was a problem.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 바퀴(Wheel)에 전달하지 않고, 상기 철도차량에 직접 제공함은 물론, 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생(回生)함으로써, 차량운행에 악영향을 주는 레일(Rail)의 온도상승을 억제함과 아울러 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 철도차량용 선형유도 전동장치를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.Therefore, the present invention was created to solve the above problems, without providing auxiliary thrust and braking force of a railway vehicle to a wheel, and directly providing the railway vehicle to energy, during braking operation. The purpose of the present invention is to provide a linear induction transmission device for railway vehicles, which minimizes the power consumed in the operation of the railway vehicle, while suppressing the temperature rise of the rail that adversely affects the operation of the vehicle by regenerating with electrical energy. It is.
제 1도는 일반적인 회전자계를 형성하는 3상 교류 전동기를 도시한 것이고,1 shows a three-phase AC motor forming a general rotor field,
제 2도는 종래의 고속전철용 와전류 제동장치의 일부구성도이고,2 is a partial configuration diagram of a conventional eddy current braking device for a high-speed train,
제 3도는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 측면도이고,3 is a side view of a linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention,
제 4도는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 일부사시도이고,4 is a partial perspective view of the linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention,
제 5도는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 회로구성도이고,5 is a circuit diagram of a linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention,
제 6도는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 동작설명도이다.6 is an operation explanatory diagram of a linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
31 : 변압기(Transformer) 32 : 컨버터(Converter)31: Transformer 32: Converter
34, 36 : 인버터(Inverter) 35 : 견인용 전동기34, 36: Inverter 35: traction motor
37 : 선형유도 전동기(Linear Induction Motor)37: Linear Induction Motor
38 : 마이컴(Micom) 39 : 게이트(Gate)제어기38: Micom 39: Gate Controller
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치, 차량에 탑재되는 치와 슬롯을 가진 막대형태의 철심, 및 공급되는 전류에 의해 유기되는 자력과, 철도선로를 이용하여 이동자계가 형성되도록, 상기 철심에 권취되는 코일을 포함하여 구성됨을 특징으로 하며, 또한 본 발명에 따른 또다른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 철도선로에 이동자계를 형성하는 선형유도 전동기에 전원을 인가하는 전원인가수단, 및 철도차량의 제동 또는 추진동작시, 철도차량의 이동속도 및 방향에 근거하여 상기 인가되는 전원의 주파수를 가변 제어하는 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 것이다.Linear induction transmission device for a railway vehicle according to the present invention for achieving the above object, a rod-shaped iron core having teeth and slots mounted on the vehicle, and magnetic force induced by the supplied current, and moving by using a railway line Characterized in that it comprises a coil wound on the iron core so that a magnetic field is formed, and another linear vehicle induction transmission apparatus according to the present invention, power is applied to the linear induction motor for forming a moving magnetic field on the railway line And a control means for variably controlling the frequency of the applied power source on the basis of the moving speed and the direction of the railway car during braking or propulsion operation of the railway vehicle.
상기와 같이 구성되는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 치와 슬롯을 가진 막대형태(一字)의 철심(Iron)과 상기 철심에 권취된 다수개의 권선(捲線)을 포함하여 구성된 선형유도 전동기를 상기 철도차량의 일측부에 부착하고, 도체인 레일(Rail)을 선형유도 전동기의 2차측으로 이용하여, 상기 막대형태의 철심(Iron)과 레일(Rail)간에 형성되는 자계(磁界)를 임의의 방향 및 속도로 이동시킴으로써, 추진력 및 제동력을 철도차량에 직접 제공하고, 또한 제동동작시, 발생되는 에너지를 상기 선형유도 전동기가 흡수, 전기에너지로 회생시킴으로써, 차량 운행에 악영향을 주는 레일(Rail)이 온도상승을 억제할 수 있게 되는 것이다.The linear induction transmission device for a railway vehicle according to the present invention, which is configured as described above, comprises a rod-shaped iron core having a tooth slot and a plurality of windings wound on the iron core. A linear induction motor is attached to one side of the railway vehicle, and a magnetic field is formed between the iron-shaped iron and the rail using a rail as a secondary side of the linear induction motor. ) By providing the propulsion force and the braking force directly to the railway vehicle by moving the vehicle in any direction and speed, and in the braking operation, the generated energy is absorbed by the linear induction motor and regenerated into electrical energy, which adversely affects vehicle operation. The rail will be able to suppress the temperature rise.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 측면도로서, 철도 차량의 대차(Bogie)(11)와, 상기 대차(Bogie)의 일측부에 부착된 지지대(12)와, 상기 지지대(supporter)에 부착되는 막대(一字)형태의 선형유도 전동기(LIM: Linear Induction Motor)(13)와, 상기 선형유동전동기의 2차측으로 이용되는 레일(14)과, 상기 레일과 접촉되어 철도차량의 대차에 메인(Main) 추진력 및 제동력을 전달하는 바퀴(15)를 도시하고 있으며, 또한 도 4는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 일부사시도로서, 특히 상기 막대(一字)형태의 선형유도 전동기(LIM)(13)에 코일(Coil)을 권취한 다수개의 권선을 슬롯(slot)(21)이 형성되어 있음을 도시하고 있다.3 is a side view of a linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention, a bogie 11 of a railroad vehicle, a support 12 attached to one side of the bogie, and the support ( A linear induction motor (LIM) 13 in the form of a rod attached to a supporter, a rail 14 used as a secondary side of the linear flow motor, and a railroad vehicle in contact with the rail The wheel 15 for transmitting the main propulsion force and the braking force to the bogie of Figure 4 is also a perspective view of a linear induction transmission device for a railway vehicle according to the invention, in particular the rod form A slot 21 is formed in a plurality of windings in which a coil is wound on a linear induction motor LIM 13 of FIG.
상기 선형유도 전동기(13)는, 도 1을 참조로 전술한 바 있는 3상 교류전동기의 원형(圓形)고정자를 막대형태로 펼쳐 놓은 것으로서, 상기 다수의 권선(21)에 교류전압을 인가함에 따라, 약 10mm의 공극을 유지하고 있는 상기 레일(14)과 선형유도 전동기(13)사이에 자계(磁界)를 형성하는 데, 상기 형성되는 자계는, 종래의 3상 교류전동기에서 발생하는 회전자계(回轉磁界)와는 달리, 이동속도 및 방향을 갖는 이동자계(移動磁界)이다.The linear induction motor 13 is a rod-shaped stator of the three-phase AC motor described above with reference to FIG. 1 in the form of a rod, and applies an alternating voltage to the plurality of windings 21. Accordingly, a magnetic field is formed between the rail 14 and the linear induction motor 13, which maintains a gap of about 10 mm, and the magnetic field is a rotating magnetic field generated by a conventional three-phase AC motor. Unlike (iii), it is a moving magnetic field having a moving speed and a direction.
상기 이동자계의 발생에 대하여 이하 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.Generation of the moving magnetic field will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 회로구성도를 도시한 것으로서, 전철차량의 주 전원(Vcc)인 수십 kV(kilo Voltage)의 교류전압을 수 kV의 교류전압으로 강하하는 변압기(Transformet)(31)와, 상기 강하된 수 kV의 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 컨버터(Converter)(32)와, 상기 변환된 수 kV의 직류전압을 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환출력하는 제1 인버터(Inverter)(34)와, 상기 변환출력되는 3상 가변주파수의 교류전압에 의해 철도차량을 견인하는 견인전동기(35)와, 상기 컨버터에 의해 변환된 수 kV의 직류전압을 수백 V의 교류전압으로 전압강하하는 동시에 3상 가변주파수의 전압으로 변환출력하는 제2 인버터(36)와 상기 직류전압을 출력하는 컨버터(32)와 3상가변주파수의 교류전압을 출력하는 제1, 제2 인버터(34, 36)를 연결(Link)하는 직류연결단(33)과 상기 제2 인버터(36)로부터 변환출력되는 3상 가변주파수의 교류전압에 의해 철도차량의 보조추진 및 제동력을 제공하는 선형유도 전동기(37)와, 상기 철도차량의 주행방향 및 속도에 근거하여 제어신호를 출력하는 마이컴(38)과, 상기 제어신호에 따라 인버터(36)에 구비된 게이트(Gate)의 동작을 제어하는 게이트 제어기(39)를 포함하여 구성된다.5 is a circuit diagram of a linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention, in which an AC voltage of several tens of kV (kilo voltage), which is a main power supply (Vcc) of a train vehicle, is dropped to an AC voltage of several kV. A transformer 31, a converter 32 for rectifying the dropped AC voltage of several kV and converting it into a DC voltage, and an AC voltage having a three-phase variable frequency for converting the converted DC voltage of several kV. A first inverter (34) for converting and outputting the power converter, a traction motor (35) for towing a railroad car by the AC voltage of the three-phase variable frequency to be converted and output, and a direct current of several kV converted by the converter. A second inverter 36 for converting and outputting a voltage to a voltage of three-phase variable frequency, a converter 32 for outputting the DC voltage, and an AC voltage for three-phase variable frequency while dropping the voltage to an AC voltage of several hundred V Connecting the first and second inverters 34 and 36 A linear induction motor 37 providing auxiliary propulsion and braking force of a railroad car by an AC voltage of a three-phase variable frequency converted from the DC connection terminal 33 and the second inverter 36, and the railroad car And a gate controller 39 for outputting a control signal based on the driving direction and speed of the gate, and a gate controller 39 for controlling the operation of a gate provided in the inverter 36 according to the control signal. .
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 우선, 철도차량의 주 전원(Vcc) 즉, 60Hz의 주파수를 갖는 수십 kV(Kilo Voltage)의 교류전압이 변압기(Transformer)(31)에 인가되면, 상기 변압기(31)는 인가되는 수십 kV(Kilo Voltage)의 교류전압을 수 kV의 교류전압으로 전압 강하하여 컨버터(Converter)(32)로 출력하고, 상기 컨버터(32)는, 입력되는 수 kV의 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환하고, 직류전압과 교류전압을 링크(Link)하는 콘덴서(Capacitor) 즉, 직류연결단(33)을 통하여 상기 변환된 수 kV의 직류전압을 제1, 제2 인버터(34, 36)에 각각 출현한다.In the linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention configured as described above, first, the AC power of a tens of kV (kilo voltage) having a frequency of 60 Hz is a transformer (31). ), The transformer 31 drops the AC voltage of several tens of kilovolts (Kilo Voltage) to an alternating voltage of several kV and outputs it to the converter 32, and the converter 32, A voltage of several kV input is rectified and converted into a DC voltage, and a capacitor that links the DC voltage and the AC voltage, that is, the DC voltage of the converted kV through the DC connection terminal 33 is converted. Appears in the first and second inverters 34 and 36, respectively.
상기 제1 인버터(34)는, 직류연결단(33)으로부터 입력되는 수 kV의 직류전압을 임의의 주파수와 크기를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환하여, 철도차량을 견인하기 위한 견인전동기(35)에 인가함으로써, 철도차량의 주 제동력 및 추진력이 발생되도록 하며, 또한, 제2 인버터(36)는, 상기 지류연결단(33)으로부터 입력되는 직류전압을 선형유도 전동기(37)의 구동전원으로 공급하기 위하여 임의의 주파수를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환하여, 선형유도 전동기(37)에 인가함으로써, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력이 발생되도록 한다.The first inverter 34 converts a DC voltage of several kV input from the DC connection terminal 33 into an AC voltage having a three-phase variable frequency having an arbitrary frequency and magnitude, thereby towing a railway vehicle. The main braking force and the driving force of the railway vehicle are generated by applying to the 35, and the second inverter 36 drives the linear induction motor 37 by applying the DC voltage input from the branch connection terminal 33. In order to supply to the power source by converting into an AC voltage of a three-phase variable frequency having an arbitrary frequency, and applied to the linear induction motor 37, the auxiliary braking force and driving force of the railway vehicle is generated.
한편, 마이컴(38)은, 상기 철도차량의 주행 또는 정지상태에 따라 제2 인버터의 변환동작을 제어하는 데, 상기 마이컴(38)의 제어동작 및 그에 따른 철도차량의 보조 제동력 및 추진력 발생과정에 대하여 첨부된 도 6을 참조로 상세히 설명하면 다음과 같다.On the other hand, the microcomputer 38 controls the conversion operation of the second inverter in accordance with the running or stopped state of the railway vehicle, the control operation of the microcomputer 38 and the auxiliary braking force and driving force generation process of the railway vehicle according to the control operation With reference to the accompanying Figure 6 with reference to in detail as follows.
도 6은 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 동작 설명도로서, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력 발생과정을 설명하기 위하여 선형유도 전동기(37)와 레일(14)을 도시하고 있다.FIG. 6 is an explanatory view of the operation of the linear induction transmission apparatus for a railway vehicle according to the present invention. The linear induction motor 37 and the rail 14 are illustrated in order to explain a process of generating auxiliary braking force and propulsion force of a railway vehicle.
우선, 도 6의 (a)는 상기 선형유도 전동기(37)에 의해 보조 추진력이 발생되는 과정을 도시한 것으로, 철도차량(미도시)이 90m/s의 속도(Vt)로 우측에서 좌측방향으로 주행하는 경우, 상기 레일(Rail)(14)의 이동방향은 철도차량의 역 주행 방향이 되는 한편, 상기 레일(14)의 이동속도(Vr)는, 상기 철도차량의 주행속도와 동일한 90m/s가 되는데, 이때 보조 추진력을 발생시키기 위해서는 선형유도 전동기(37)에 발생하는 이동자계(移動磁界)를 상기 레일의 이동속도(Vr)보다 빠른 속도, 예로 100m/s의 이동속도(Vl ＞ Vr)로 상기 레일의 이동방향과 동일한 방향으로 이동시켜야 한다.First, (a) of FIG. 6 illustrates a process in which the auxiliary propulsion force is generated by the linear induction motor 37, and the railway vehicle (not shown) moves from right to left at a speed Vt of 90 m / s. When traveling, the moving direction of the rail 14 becomes the reverse traveling direction of the railway vehicle, while the moving speed Vr of the rail 14 is equal to the traveling speed of the railway vehicle 90 m / s. In this case, in order to generate the auxiliary propulsion force, the moving magnetic field generated in the linear induction motor 37 is faster than the moving speed Vr of the rail, for example, a moving speed of 100 m / s (Vl > Vr). It should be moved in the same direction as the moving direction of the rail.
상기 이동자계의 속도(Vl)는, 인가되는 3상 교류전압의 주파수와 자성체의 자극(磁極)간격에 관계되는 것으로, 산출식은 다음과 같다.The speed Vl of the moving magnetic field is related to the frequency of the applied three-phase AC voltage and the magnetic pole spacing of the magnetic body, and the calculation formula is as follows.
Vl = 2τf ----------------------------------------- 식(2)Vl = 2τf ----------------------------------------- Formula (2)
Vl : 이동자계의 속도Vl: speed of moving field
τ : 자극(磁極)의 간격τ: interval of stimulus
f : 교류전압의 주파수f: frequency of AC voltage
따라서, 상기 마이컴(38)은, 철도차량에 보조 추진력을 제공하기 위하여 상기 철도차량의 주행속도(Vt) 및 방향을 검출하고, 상기 검출결과에 따라 선형유도전동기(37)에 인가되는 3상 가변주파수의 교류전압을 변환하기 위하여 제어신호를 상기 게이트 제어기(39)로 출력하고, 이에 따라 상기 게이트 제어기(39)는 제2 인버터(36)에 게이팅 동작을 제어하는 데, 상기 제2 인버터(36)는 직류연결단(33)으로부터 출력되는 수 kV의 직류전압을 입력받아 수백 V의 교류전압으로 전압강하하는 한편, 상기 전압강하된 수백 V의 교류전압을 상기 게이트 제어기(39)의 제어에 따라 가변적으로 게이트를 스위칭 즉, 게이팅하여 출력함으로써 임의의 주파수(f) 및 크기를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압을 상기 선형유도 전동기(37)에 인가한다.Accordingly, the microcomputer 38 detects the traveling speed Vt and the direction of the railway vehicle to provide auxiliary propulsion force to the railway vehicle, and applies a three-phase variable to the linear induction motor 37 according to the detection result. A control signal is output to the gate controller 39 in order to convert the AC voltage of the frequency, so that the gate controller 39 controls the gating operation of the second inverter 36. The second inverter 36 ) Receives a DC voltage of several kV output from the DC connection terminal 33 and drops the voltage to an AC voltage of several hundred volts, while the AC voltage of the several hundreds of volts is dropped under the control of the gate controller 39. By switching, ie, gating and outputting the gate variably, an AC voltage of a three-phase variable frequency having an arbitrary frequency f and magnitude is applied to the linear induction motor 37.
한편, 고정자로서 동작하는 선형유도 전동기(37)의 이동자계의 속도(Vl)와, 이동자로서 동작하는 레일(14)의 이동속도(Vr)간의 속도 차((Vl-Vr)/Vl)에 의해 발생되는 추진력 및 제동력 즉, 슬립(Slip)값의 산출식은 다음과 같다.On the other hand, the speed difference ((Vl-Vr) / Vl) between the speed Vl of the moving magnetic field of the linear induction motor 37 operating as the stator and the moving speed Vr of the rail 14 operating as the stator The calculated propulsion force and braking force, that is, the slip value is calculated as follows.
S = (Vl - Vr) / Vl ----------------------------식(3)S = (Vl-Vr) / Vl ---------------------------- Equation (3)
S : 슬립(Slip)S: Slip
Vl : 자계(磁界) 이동속도Vl: Magnetic field moving speed
Vr : 이동자의 이동속도Vr: Movement speed of the mover
따라서, 도 6의 (a)인 경우, 슬립값(S=(100-90)/100)이 +0.1 이 되어, 상기 철도차량에 보조 추진력이 제공되는 것이다.Therefore, in the case of FIG. 6A, the slip value S = (100-90) / 100 becomes +0.1, thereby providing auxiliary propulsion force to the railway vehicle.
한편, 도 6의 (b)에서는 상기 선형유도 전동기(37)가 전동기가 아닌 발전기(發電機)로 사용되는 경우를 도시한 것으로, 상기 철도차량(미도시)이 110m/s의 속도(Vt)로 우측에서 좌측방향으로 주행하는 경우 상기 레일(Rail)(14)의 이동방향은, 철도차량의 역주행방향이 되고, 상기 레일(14)의 이동속도(Vr)는 상기 철도차량의 주행속도와 동일한 110m/s가 되는 한편, 상기 선형유도 전동기(37)에 의해 발생하는 이동자계(移動磁界)가 상기 레일의 이동속도(Vr)보다 느린 속도, 예로 100m/s의 이동속도(Vl ＜ Vr)로 이동하는 경우, 상기 식(3)에 의해 산출되는 슬립값(S=(100-110)/100)은 -0.1이 된다. 이때, 상기 선형유도 전동기(37)는, 전동기로의 기능을 상실하는 대신 제동력을 발생시키면서 발전기로 동작되는 데, 이때 발생되는 에너지는 제2 인버터(36)에 의해 직류전압으로 회생된 후, 상기 직류연결단(33)을 거쳐 컨버터(32)로 출력된다.6B illustrates a case where the linear induction motor 37 is used as a generator instead of an electric motor, and the railroad vehicle (not shown) has a speed Vt of 110 m / s. When traveling from the right side to the left side of the road, the moving direction of the rail 14 becomes the reverse traveling direction of the railway vehicle, and the moving speed Vr of the rail 14 is the same as the traveling speed of the railway vehicle. While 110 m / s, the moving magnetic field generated by the linear induction motor 37 is slower than the moving speed Vr of the rail, for example, at a moving speed Vl <Vr of 100 m / s. In the case of moving, the slip value S = (100-110) / 100 calculated by Equation (3) becomes -0.1. In this case, the linear induction motor 37 is operated as a generator while generating a braking force instead of losing the function of the electric motor, and the generated energy is regenerated by the second inverter 36 to a DC voltage, and then It is output to the converter 32 via the DC connection terminal 33.
상기 컨버터(32)는,입력되는 직류전압을 교류전압으로 변환함과 아울러 철도차량의 주 전원(Vcc)에 상응하는 특정주파수 즉, 60Hz의 교류전압으로 변환, 출력함으로서, 상기 이동속도차(Vl ＜ Vr)에 의해 발생되는 에너지를 철도차량 운행에 필요한 전력으로 회생(回生)되는 것이다. 한편, 선형유도 전동기(37)가 발전기로 동작되는 동안, 철도차량에 보조 제동력이 제공되는 효과가 발생한다.The converter 32 converts the input DC voltage into an AC voltage and converts the DC voltage into a specific frequency corresponding to the main power supply Vcc of the railroad vehicle, that is, an AC voltage of 60 Hz, thereby outputting the movement speed difference Vl. The energy generated by <Vr) is regenerated to the electric power required for railroad car operation. On the other hand, while the linear induction motor 37 is operated as a generator, there is an effect that the auxiliary braking force is provided to the railway vehicle.
이와 같이, 철도차량의 주행방향과 주행속도에 따라 상기 선형유도 전동기(37)에 인가되는 3상 가변주파수의 교류전압을 가변 제어함으로써, 상기 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 발생시킬 수 있음은 물론, 속도 차(Vl ＜ Vr)로 인해 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생(回生)할 수 있게 되는 것이다.In this way, by varying the AC voltage of the three-phase variable frequency applied to the linear induction motor 37 according to the driving direction and the traveling speed of the railway vehicle, it is possible to generate the auxiliary propulsion and braking force of the railway vehicle, of course. The energy generated by the speed difference (Vl <Vr) can be regenerated into electrical energy.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 철도차량의 제동력은 물론 추진력을 제공하고, 특히 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생하여 전철차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 한편, 와전류 전자석에 의해 제동시, 철도선로의 온도가 상승됨을 방지하여 안전한 철도차량 운행이 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.The linear induction transmission device for a railway vehicle according to the present invention made as described above provides a braking force as well as a propulsion force of a railway vehicle, and in particular, during braking operation, regenerates energy generated by electric energy to minimize power consumed in operating a train vehicle. On the other hand, when braking by the eddy current electromagnet, it is a very useful invention to prevent the rise of the temperature of the railway line to ensure safe rail vehicle operation.
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