KR100317560B1 - 철도차량 모의관성부하장치의 인버터 재점착 시험용 클러치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모의관성부하장치에 적용되는 인버터 재점착 시험용 클러치에 관한 것으로,

본 발명의 목적은 철도차량 인버터의 슬립(slip)과 스키드(skid)시험을 통해 데이터를 획득하기 위해 모의관성부하장치에 클러치를 추가설치하여, 전동차의 공전과 활주를 방지할 수 있도록 인버터 재점착제어 알고리즘에 대한 시험을 수행할 수 있도록함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

도시철도차량용 인버터의 재점착 알고리즘 및 인버터 성능시험을 위해

솔레노이드밸브에 의한 공기압조절로서 등가의 점착력 변화를 취득하는 클러치를 모의관성부하장치에 포함시키므로서 달성된다.

Description

철도차량 모의관성부하장치의 인버터 재점착 시험용 클러치{The clutch by re-adhesion test equipment}

본 발명은 모의관성부하장치에 적용되는 인버터 재점착 시험용 클러치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터의 성능을 시험하기 위한 모의관성부하장치에 철도차량의 슬립(slip),스키드(skid)시험을 부가적으로 수행할 수 있도록 설치되는 모의관성부하장치의 인버터 재점착 시험용 클러치에 관한 것이다.

일반적으로 전동차의 안전성에 있어, 가장 중요한 장치인 추진제어장치의 성능을 현차시험이전에 차량의 가상 운행환경을 설정하여 시험하는 설비로 모의관성부하설비가 사용되고 있는바,

이는 전동차의 핵심부품인 인버터 및 견인전동기를 시험하기 위해 필요한 것으로써, 크게 전원설비, 피시험체, 관성부하설비로 구성된다.

이때, 철도차량 추진제어장치의 조합시험을 위해 사용하고 있는 관성부하설비는 차량무게에 해당하는 관성을 플라이휠(Flywheel)로 연결하여 가속 및 감속시험을 하는 것인데,

이는 견인전동기를 제어하는 인버터 성능특성 확인과 전동차의 기동부터 정지상태까지 발생되는 모든 기계적 또는 전기적인 데이터값을 구하기 위한 것이었다.

하지만, 종래 관성부하설비는 견인전동기-커플링(Coupling)-기어(Gear)-플라이휠(Flywheel)의 순서로 기계적인 연결관계를 갖으며, 차량무게에 해당하는 관성을 플라이휠에 연결하는 구조를 갖는 것으로서, 그 유지보수 및 시험시 과다한 비용이 소모되는 문제점을 갖는 것이며, 자체제작비가 몇 십 억원에 이를 정도로 막대한 비용투자를 요하게 됨에 따라 이러한 설비를 실제로 제작하는데는 큰 어려움이 따르는 것이었다.

특히, 가속 및 감속시험이외에 실제노선에서 전동차의 공전과 활주현상에 대한 시험, 즉 공전(slip)과 활주(skid)시험을 할 수 있는 별도의 설비가 없어, 실제 철도차량의 동륜축에 작용하고 있는 하중에 차륜과 레일간의 마찰상태에 관한 시험 및 인버터의 재점착 제어에 대한 구체적인 데이터를 얻을 수 없는 문제점을 갖는 것이었다.

여기서, 상기한 공전과 활주현상에 대하여 부연설명하면;

철도차량에 있어서 주행하고 있는 차륜에 속도변화를 위한 토오크가 가해지면차륜의 슬립(차량과 차륜의 속도차)이 증가함에 따라 점착력은 증가하고, 어떤 슬립에서 포화한다. 그 후는 점착력이 감소하여 가감속을 하기 위한 차륜의 토오크는 슬립이 급격히 커지는 상태의 영역으로 이행하여 구동시에는 공전(slip), 브레이크시에는 활주(skid)라고 하는 상태로 된다.

차량의 속도를 가감속하도록 전달되는 점착력을 차륜의 중량으로 나누어 접선력계수(tractive coefficient)라 일커르며, 그의 최대치를 점착계수(coefficient of adhesion)로 일컫는 바,

실제에 있어서 대차의 구조는 좌우차륜이 직결되어 있으므로 양차륜에 작용하는 점착력의 합을 차륜의 중량으로 나눈 것을 사용하기도 한다.

차륜과 레일의 접촉면은 차륜과 레일의 형상, 재질이나 차륜의 중량에 의해 변화하고 회전하면서 접촉하는 접촉면내에서 전달되는 힘은 두가지의 영역에 의해서 전달된다. 두 영역은 슬립영역과 고착영역으로 불리우며 미소한 슬립의 범위에서는 슬립의 증가에 대하여 점착력이 커진다. 더욱 슬립이 증가하여 고착영역이 없어지면 완전한 슬립상태로 되어 차륜은 공전 활주의 상태가 된다.

또한, 인버터의 재점착 제어에 대한 연구는 도시철도차량의 재점착성능을 향상시키고자 한 것으로, 이는 열차의 정시성과 시격단축을 위해 매우 중요한 요소인 것인데, 유도전동기를 견인전동기로 실용화하면서 유지보수면에서 큰 장점을 갖고 있고 슬립주파수가 감소하면 토오크가 감소하는 특성은 높은 재점착특성을 가질 것이라고 기대하였으나, 공전이 발생하면 토오크가 저하하는 특성만으로는 높은 점착을 기대할 수 없었고 그 후의 연구로 개량이 진전되었다.

이에, 차륜과 레일사이의 점착시스템에 대하여는 이미 이론이 확립되어 있으며, 재점착의 기회를 부여하는 제어방법도 일반화되어 있다.

재점착특성은 공전속도에 비례하는 토오크의 저하를 1차 지연필터에 의하여 견인전동기의 토오크를 제어함으로써 얻어지는 것으로 알려져 있다.

그러나 일반적으로 재점착제어는 차륜과 레일의 상대속도(슬립속도) 및 슬립의 가속도 등으로 공전을 검지하여 전동기의 토오크를 정해진 패턴으로 제어하는 방법이 실용화되고 있으며, 공전을 검지한 후에 재점착제어의 기능을 분리하여 사용하고 있다.

한편, 근래에 들어서는 토오크제어가 가능한 차량에 있어서 공전속도의 검출이 가능하면 재점착성을 부가하는 것이 가능하다는 것이 제안되었다. 이를 응용하여 크리프(creep)영역에서 연속적인 속도검지와 토오크를 제어하는 방법도 제안되는 추세에 있다.

따라서, 본 발명은 인버터의 재점착 제어를 위한 정확한 데이터 취득 및 이에 따른 재점착성능을 향상을 구현하기 위해 창안된 것이며, 특히 전술한 종래 철도차량의 모의관성시험설비를 이용하여 재점착성능시험을 행할 수 있도록하기 위해 창안된 것으로,

본 발명의 목적은 철도차량 인버터의 슬립(slip)과 스키드(skid)시험을 통해 데이터를 획득하기 위해, 모의관성부하장치로 클러치를 추가설치하여, 전동차의 공전과 활주를 방지할 수 있도록 인버터 재점착제어 알고리즘에 대한 시험을 수행할수 있도록함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

도시철도차량용 인버터의 재점착 알고리즘 및 인버터 성능시험을 위해

솔레노이드밸브에 의한 공기압조절로서 등가의 점착력 변화를 취득하는 클러치를 모의관성부하장치에 포함시키므로서 달성된다.

도 1은 본 발명의 클러치가 적용된 철도차량 모의관성부하장치를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명의 철도차량 인버터 재점착 시험용 클러치를 도시한 부분절개 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 클러치의 신호감지를 위한 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 클러치가 적용된 철도차량 모의관성부하장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 철도차량 인버터 재점착 시험용 클러치를 도시한 부분절개 정면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 클러치의 신호감지를 위한 구성도로서, 그 구성상태를 살펴보면;

구동모터((21)Motor)와,커플링((31,31',31')coupling)과,토크메터((4)Torque meter)와 플라이휠((7)Flywheel)과 브레이크((6)Break) 순서로 프레임상에 연결되는 모의관성부하장치(M)에 있어, 상기 토크메타(4)와 플라이휠(7)의 사이로 본 발명의 클러치(1)를 커플링에 의해 연결하므로서 구성된다.

여기서, 상기 모의관성부하장치(M)는 본원에서 출원된 모의관성부하장치가 적용되는 것으로, 이를 간략하게 설명하면,

진동 및 소음에 대응하기 위한 구성으로 구동모터가 설치고정되는 프레임부(2)와, 싱글 디스크 플랙스로 양체결용 볼트에 의해 탄성체를 삽입하여 진동 및 편심에 대응하도록 각 부위별로 3개 형태의 커플링(31,31',31')이 적용되는 커플링부와, 축의 회전수(rpm) 및 토크(torque)를 실시간으로 디지털 처리하는 토크메타((4)Torque meter)와, 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 축소설계한 플라이휠(7)과, 상기 플라이휠((7)Flywheel)의 기본하중 및 최대동하중을 만족하도록 설계된 베어링(5)과, 상기 플라이휠((7)Flywheel)을 정지시키는 역할을 하는 에어 브레이크((6)Break Part)로 이루어지는 것으로, 이러한 모의관성부하장치(M)의 관성체로서 적용설치되는 플라이휠(7)은 전동차의 관성을 전동축으로 환산한 등가관성을 산출하여 축소제작되는 것으로, 이에따라 모의관성부하장치(M)의 크기를 축소한 것이다.

이에, 상기와 같은 모의관성부하장치(M)에 있어, 상기 토크메타(4)와 플라이휠(7)사이로 본 발명에 따른 클러치(1)가 설치되는 것인데,

이는 도 1에 도시된 바와같이 모의관성부하장치(M)로 적용되는 커플링(31',31')에 의해 토크메타(4) 및 플라이휠(7)의 축과 결합이 이루어지는 것이다.

이에, 본 발명의 클러치(1)는 솔레노이드밸브에 의하여 공기압이 조절되며, 이로부터 등가의 점착력변화를 얻도록 한 것으로,

우선, 추진장치 전원설비를 통하여 피시험체에 전압 DC 1500V를 공급하면, 공급된 전원을 공급받아 인버터는 모의관성부하장치(M)를 부하로 사용하여 인버터를 구동시험하게 되고, 구동시험 중 관성부하인 플라이휠(7)과 구동모터((21)견인전동기) 사이에 있는 클러치(1)를 사용하여 점착을 발생시키게 되고, 이에 점착이 발생하면 인버터는 플라이휠(7)의 속도를 검지하여 토크저감제어를 하게 되는 것이다.

여기서, 구동모터(21)의 토오크는 PWM인버터에 의하여 제어되며 전형적인 슬립제어방식에 의하여 토오크를 제어토록 하였으며, 이러한 제어방법을 적용함은 구동모터와 플라이휠((7)관성체)사이의 상대속도(미끄러짐 속도)에 대하여 비례하는 토오크의 감소량을 간단하게 얻을 수 있기 때문이다.

또한, 회전속도는 도 3에서와 같이 구동모터(21)에 내장되어 있는 엔코더로 회전속도를 감지하고 플라이휠((7)관성체)에 부착된 엔코더에 의해 플라이휠((7)관성체)의 회전속도를 계측할 수 있도록 한 것이고, 부하장치에서 신호들은 엔코터의 출력펄스와 토크메타(4)의 아날로그신호들로서 솔레노이드밸브의 구동등, 장치를 구성하고 있는 이들 회로들을 결합하기 위하여 바람직하게 인텔사의 i8097BH 프로세서를 사용하였으며, 장치내 동작상태를 알 수 있도록 기록계기와 퍼스날컴퓨터에 의하여 데이터를 기록하거나 분석할 수 있도록 구성되는 것이다.

여기서, 슬립제어기에 의하여 구동되는 구동모터(21)의 발생토오크가 슬립에 비례하므로 구동모터(21)의 슬립제어는 직접적인 회전축의 토오크를 제어하는 특성을 갖게 되는데, 도 3에서 클러치(1) 양축의 미끄러짐의 정도에 따라 구동모터(21)의 토오크를 제어하여 재점착의 특성을 얻는 것이며, 도 3에서 클러치(1)의 양쪽 축의 미끄러짐은 구동모터(21)의 엔코더와 플라이휠의 엔코더에 의하여 측정된 속도의 차로 검출할 수 있으며 검출된 토크는 점착력에 대응되는 것이다.

이때, 재점착의 능력을 첨가하기 위하여 구동모터(21)의 토오크 제어가 가능해야하므로 실험에 사용한 구동모터(21)-플라이휠(7)은 도 3과 같이 차륜에 해당하는 관성이 전동기의 회전자 관성뿐이므로 토오크가 낮은 범위에서 실험이 행하여진 것이며, 구동모터(21)는 단자전압의 조절에 의하여 토크의 변화가 전압의 제곱에 비례하는 특성을 얻을 수 있으므로 인버터에 가해지는 전압을 단계적으로 변화시켜 실험을 행하였다.

부가적으로 실험은 인버터의 입력 직류전압을 실험실에서 가능한 전압인 300[V]와 600[V]에서 행하기로 하고 직류전압 750[V]에서 구동할 수 있는 인버터를 제작하였다.

또한, 시험을 통해 얻어지는 신호의 처리는 도 3에서와 같이 신호처리블럭에서 전동기와 관성체의 회전속도를 측정하여, 이들속도의 차를 계산, 출력토록 하였다.

한편, 토크메타(4)로부터 입력되는 아날로그신호의 A/D 변환과 상태를 측정하거나 기록계로의 출력을 하기 위해 D/A 변환의 기능이 부가되어야 하므로, 최종적으로 퍼스날컴퓨터와의 통신에 의하여 전송된 실험장치의 상태에 대한 데이터를 퍼스날컴퓨터에서 해독할 수 있도록 하였으며, 도 3에 사용한 신호처리회로의 기능은 다음과 같다.

1) 펄스의 정보를 해독하기 위한 입력기능

2) 8 채널의 A/D 변환입력

3) 4 채널의 D/A 변환출력

4) 데이터전송을 위한 직렬통신의 기능

5) 프로그램의 수정이 가능한 메모리(ROM)를 사용

신호처리의 프로그램을 통신에 의하여 다운로딩이 되도록 하고, 엔코터의 출력과 토오크메타의 아날로그신호 및 솔레노이드밸브의 구동을 인텔사의 i8097BH 프로세서를 사용하여 신호들의 입력과 출력을 하도록 하였다. 또한 RS232에 의하여 퍼스날컴퓨터에 전송하여 데이터를 기록하거나 분석할 수 있도록 하였고 신호처리 프로그램의 다운로딩을 하였다.

이와같은 재점착시험은 클러치(1)를 연결하여 플라이휠(7)을 가속하는 동안에 클러치(1)의 압력을 조작하여 그 응답을 계측하고 시스템의 특성을 고찰하였으며, 본 발명에 의한 시험에서는 관성체의 속도를 1000[rpm] 이하에서 실험하였는데, 클러치(1)의 압력을 크게 하여 재점착하는 경우와 재점착을 하지 않고 슬립속도가 수렴하는 두 경우를 관찰하였다.

따라서, 본 발명에 의해 클러치(1)가 추가설치된 모의관성부하장치(M)는 도 3에서와 같이 클러치(1)에 가해지는 공기압을 솔레노이드밸브에 의하여 조절하여 차량에서 발생하는 슬립(slip) 및 스키드(skid)현상을 발생시키므로서, 인버터를 시험할 수 있도록 한 것으로,

이와같은 시험을 구현함에 따라 구동모터(21)의 구동기술에 벡터제어의 응용으로 구동토오크의 정밀성을 확보하고 점착제어 등의 기술개발과 함께 큰 가속력을 갖게 하는 기술을 확보하는 계기를 마련하였으며, 특히 점착시험에 있어서 공전상태에 대한 계측을 확실히 함으로써 그 현상에 대한 분석이 가능케 하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 모의관성부하장치에 클러치를 추가설치하여 철도차량 인버터 재점착 시험을 통해 철도차량 인버터의 슬립(slip)과 스키드(skid)시험데이터를 획득할 수 있으므로서, 실제 각 노선에서 전동차의 공전과 활주 현상에 대한 인버터 제어 알고리즘을 시험할 수 있음은 물론 이로써 인버터 재점착제어에 대한 연구개발과 시험에 대해 보다 심도있게 할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (1)

1. 솔레노이드밸브에 의한 공기압조절로서 등가의 점착력 변화를 취득하도록 모의관성부하장치에 포함되어 철도차량 인버터의 재점착 알고리즘과 인버터 성능시험이 이루어지도록함을 특징으로 하는 철도차량 모의관성부하장치의 인버터 재점착 시험용 클러치.