KR100458178B1 - 철도차량의 가변 전원 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차량의 가변전원 변환장치에 관한 것으로, 그 목적은 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에 있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 따라 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 철도차량의 가변전원 변환장치를 제공함에 있는 것이며, 또 다른 목적으로는, 철도차량의 장거리 운행중 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등) 설비특성에 따라 입력되는 DC 750[V], DC 1500[V], DC 3000[V]등의 가변전원을 직,병렬 변환회로에 의해 탄력적으로 수전, 회생되도록 하여 원할한 전원공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 하고, 또한, 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 하여 스위칭소자의 손실을 방지되도록 함은 물론 그에 따른 비용절감효과를 갖도록 한 철도차량의 가변전원 변환장치를 제공함에 있는 것이다.

따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

가변전원 공급선과 연결되는 직,병렬 변환회로와, 상기, 직.병렬 회로변환회로로 부터 전달되는 전원신호(입력신호와 출력신호)의 극성을 반전시켜 전력을 변환토록 하는 4대의 인버터를 직렬구조로 전원연결하여, 다수개의 전동기에 철도차량 운행에 필요한 전류를 공급되게 하므로서 달성된다.

Description

철도차량의 가변 전원 변환 장치{VARIABLE DRIVE CONTROL SYSTEM SERIAL,PARALLEL CONVERTIBLE CIRCUIT}

본 발명은 철도차량의 가변 전원 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장거리 철도운행중 지역 설비특성에 따라 입력되는 DC 750[V], DC 1500[V], DC 3000[V]등의 가변전원을 기계적 스위치로 구성된 가변전원 변환장치에 의해 원할히 수전, 회생되도록 함과 동시에, 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 하여 스위칭소자의 손실을 방지 및 비용절감효과를 갖도록 한 철도차량의 가변전원 변환장치에 관한 것이다.

일반적으로 철도는 자동차, 비행기, 선박등과 더불어 사람들의 생활을 편리하게 하는 중요한 교통수단의 일분야로서, 이러한 철도는 복잡한 산업사회에 있어 지역과 지역간을 연결하는 대규모 운송수단으로서 매우 유용하게 이용되고 있는 실정이다.

이에, 상기와 같은 철도는 산업사회의 발전과 함께 그 기술력 또한 점진적으로 고속화, 첨단화, 세계화 되고 있는 실정인바, 근래에는 한정된 국가(영토)내에서 지역과 지역을 연결하는 단거리 노선의 범위를 벗어나, 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단 연결하는 국제화된 장거리 철도차량 노선이 구축되고 있는 현실이다.

하지만, 상기 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 운행하는 장거리용 철도차량은 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 적절히 대응하지 못하는 것으로, 철도차량이 국경지역을 통과할 경우, 그 통과하는 국가의 철도시스템 설비 및 급전방식에 따라 그에 적합한 철도차량으로 교체해야 하는 등의 문제점을 갖게 하는 것이었다.

따라서, 근래에는 상기와 같은 장거리 철도운행시 가변적으로 입력되는 전원에 대해 원할히 대처할수 있는 국내 철도차량 추진제어 시스템 개발에 지속적인 노력을 기울이고 있으나, 현재 유럽 및 아시아 철도망에 대한 구체적인 시스템 기술개발은 아직까지 시행되고 있지 못한 상태이며, 단지 국내의 기술수준은 직류(DC) 1500V /교류(AC)25kV 를 변환시켜주는 시스템으로서, 일부 개선된 기술을 외국으로부터 이전하여 운행중에 있는 실정이다.

하지만, 상기 외국으로 부터 이전된 기술 또한 매우 한정적인 기술로서, 그 외의 다른 주파수와 전압하에서는 원할히 대응하지 못하는 것으로, 이에 철도차량의 고속운행을 가능하게 하는 추진시스템의 기술수준은 현재 국,내외실정으로 보아 거의 전무하다고 할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명는 종래 철도차량 추진제어 시스템의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;

본 발명의 목적은 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에 있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 따라 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

한편, 본 발명의 또 다른 목적으로는, 철도차량의 장거리 운행중 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등) 설비특성에 따라 입력되는 DC 750[V], DC 1500[V], DC 3000[V]등의 가변전원을 직,병렬 변환회로에 의해 탄력적으로 수전, 회생되도록 하여 원할한 전원공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 하고, 또한, 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 하여 스위칭소자의 손실을 방지되도록 함은 물론 그에 따른 비용절감효과를 갖도록 한 철도차량의 가변전원 변환장치를 제공함에 있는 것이다.

이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;공급되는 가변전원(DC750V,1500V,3000V)에 따라 복수의 인버터를 직/병렬시켜 공급되는 가변전원에 대응하게 가변전원을 변환하도록 한 철도차량의 가변전원 추진제어 시스템에 있어서,

상기 복수의 인버터와 가변전원 공급선 사이에 가변전원을 선택 전환하기 위한 수단으로 복수의 기계적 스위치를 두어 이 스위치의 연동조작으로 공급되는 가변전원에 대응하게 인버터를 단개에서 적어도 4개를 직/병렬 연결되도록 하므로서 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량의 가변 전원 변환 장치의 개략 구성도

도 2는 본 발명에 따른 철도차량의 가변 전원 변환 장치의 회로도

도 3은 본 발명에 있어, 직류(DC)3000V의 입력전원이 공급될 경우의 전류흐름도

도 4는 본 발명에 있어, 직류(DC)1500V의 입력전원이 공급될 경우의 전류흐름도

도 5는 본 발명에 있어, 직류(DC)750V의 입력전원이 공급될 경우의 전류흐름도

도 6은 본 발명에 있어, 직류(DC)3000V의 입력전원과 연결되어있을 경우에 회생동작 전류흐름도

도 7은 본 발명에 있어, 직류(DC)1500V의 입력전원과 연결되어있을 경우에 회생동작 전류흐름도

도 8은 본 발명에 있어, 직류(DC)750V의 입력전원과 연결되어있을 경우에 회생동작 전류흐름도

도 9는 본 발명 장치와 인버터의 시뮬레이션 회로도

도 10은 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)3000V에서 직류(DC)1500V로 가변시 직류(DC)링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도를 나타낸 그래프

도 11은 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)1500V에서 직류(DC) 3000V로 가변시 직류(DC)링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도를 나타낸 그래프

도 12는 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)3000V에서 직류(DC)750V로 가변시 각각 인버터의 직류(DC) 링크 전압파형

도 13은 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)1500V에서 직류(DC) 750V로 가변시 직류(DC)링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도를 나타낸 그래프

도 14도는 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)750V에서 직류(DC)3000V로 가변시 각각 인버터의 직류(DC) 링크 전압파형

도 15는 본 발명에 있어, 입력전원이 직류(DC)750V에서 직류(DC)1500V로 가변시 직류(DC) 링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도를 나타낸 그래프

이하, 본 발명에 따른 철도차량의 가변전원 변환장치의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량의 가변전원 변환장치의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량의 가변전원 변환장치의 회로도로서, 그 구성을 살펴보면;

가변전원 공급선(DC750V,1500V,3000V)의 양 선로에 직병렬 변환회로를 연결하고, 이 직병렬 변환회로의 출력측에 복수의 인버터를 연결 구성한다.상기에서 직병렬 변환회로는 도 9에 도시된 바와 같이, 9개의 기계적 스위치로 구성되어 공급되는 가변전원(DC750V,1500V,3000V)에 따라 인버터를 통해 전동기에 필요한 전원을 공급하도록 급전로를 직,병렬로 전환할 수 있도록 연결구성되어 있다.

또한, 상기 복수의 인버터(Inverter)는 도 9에 도시된 바와 같이, 각각 서로 다른 직류전압을 인가받는 주회로시스템을 가진 철도차량을 운행하기 위해 변형된 2분할 2상쵸퍼회로가 구비되어 직류(DC) 750V에서 3000V로 또는 3000V에서 750V로 변환제어하여 공급가변전원에 따라 대응하게 전원을 공급 및 회생할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같은 인버터를 본 발명에 적용함에 있어서는 도 2로 도시된 바와 같이 복수개의 인버터를 다수개의 기계적 스위치에 의해 상호 접속되도록 하여 선택에 따라 직렬 또는 병렬로 연결되도록 함이 바람직하다.따라서, 상기와 같은 회로적 연결구성을 갖는 철도차량의 가변전원 변환장치의 상호작용 관계를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 3000V의 공급선으로 부터 전원을 공급받을 경우, 직.병렬 변환회로는 도 3으로 도시된 바와같이 직류(DC)링크단의 정격전압이 750V인 4개의 인버터를 직렬로 접속되도록 동작하는 것이며, 이에, 이와같은 상태하에서의 전류는 도 3의 점선표시와 같이 흐름되는 것이다.

또한, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 3000V의 공급선과 연결된 경우로서 철도차량의 회생시 전동기(M)로 부터 전원측으로 흐르는 전류 루프는 도 6으로 도시된 바와같이 나타나는 것이다.

한편, 또 다르게 운행중인 철도차량이 직류(DC) 1500V의 공급선으로 부터 전원을 공급받을 경우, 직.병렬 변환회로는 도 4로 도시된 바와같이 직류(DC)링크단의 정격전압이 750V인 4개의 인버터를 각각 2직렬 2병렬 상태로 접속되게 동작되는 것이며, 이때의 전류는 도 4로 도시된 바와같이 2개의 점선표시와 같이 흐름되는 것이다.

또한, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 1500V의 공급선과 연결된 경우로서 철도차량의 회생시 전동기(M)로 부터 전원측으로 흐르는 전류 루프는 도 7로 도시된 바와같이 나타나는 것이다.

한편, 또 다르게 운행중인 철도차량이 직류(DC) 750V의 공급선으로 부터 전원을 공급받을 경우, 직.병렬 변환회로는 도 5로 도시된 바와같이 직류(DC)링크단의 정격전압이 750V인 4개의 인버터를 병렬로 접속되게 동작하는 것이며, 이때의 전류는 도 5로 도시된 바와같이 4개의 점선표시와 같이 흐름되는 것이다.

또한, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 750V의 공급선과 연결된 경우로서 철도차량의 회생시 전동기(M)로 부터 전원측으로 흐르는 전류루프는 도 8로 도시된 바와같이 나타나는 것이다.

이에, 도 9는 전술한 일련의 작용관계를 검증하기 위해 본 발명 장치와 인버터의 시뮬레이션 회로도로 나타낸 것으로서, 이는 전체적으로 직.병렬 변환회로와, 4대의 인버터, 전동기(M), 그리고 제어부로 구성되는 것으며, 이때 상기 전동기(M)는 시뮬레이션 처리속도를 향상시키기 위하여 하나의 인버터에 아나의 전동기(M)를 부하로 설정. 사용한 것이다.

또한, 도 10은 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 3000V에서 직류(DC) 1500V로 가변될 경우에 있어, 4대의 인버터에 공급되는 전원 및 그 외의 동작상황들을 시뮬레이션한 결과로서;

이에, 출력파형중 도 10의 (a)는 철도차량의 공급전원이 직류(DC)3000V 에서 직류(DC)1500V 로 가변되는 것을 보여주는 것이며, 도 10의 (b)(c)(d)는 이때의 각각 인버터에 공급되는 전원을 나타내고 있는 것인바, 이는 입력전원이 바뀌어도 각각 인버터의 정격전원은 직류(DC)750V로 안정적으로 나타냄을 알수 있는 것이다.

또한, 도 11은 상기와 같이 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 1500V에서 직류(DC) 3000V로 가변될 경우에 있어, 인버터의 직류(DC) 링크단 전압과 이때의 전동기(M) 속도를 나타내고 있는 것으로, 이러한 공급전원의 가변에도 안정적으로 일정 속도를 유지하고 있음을 알수 있는 것이다.

또한, 도 12는 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 3000V에서 직류(DC) 750V로 가변될 경우에 있어, 4대의 인버터에 2직렬 2병렬로 공급되는 전원 및 그 외의 동작상황들을 시뮬레이션한 결과로서;

이에, 출력파형중 도 12의 (a)는 철도차량의 공급전원이 직류(DC)3000V 에서 직류(DC)750V 로 가변되는 것을 보여주는 것이며, 도 12의 (b)(c)(d)는 이때의 각각 인버터에 공급되는 전원을 나타내고 있는 것인바, 이는 입력전원이 바뀌어도 각각 인버터의 정격전원은 직류(DC)750V로 안정적으로 나타냄을 알수 있는 것이다.

한편, 도 13은 상기와 같이 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 1500V에서 직류(DC) 750V로 가변될 경우에 있어, 인버터의 직류(DC) 링크단 전압과 이때의 전동기(M) 속도를 나타내고 있는 것으로, 이러한 공급전원의 가변에도 안정적으로 일정 속도를 유지하고 있음을 알수 있는 것이다.

또한, 도 14는 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 750V에서 직류(DC) 3000V로 가변될 경우에 있어, 4대의 인버터에 직렬로 공급되는 전원 및 그 외의 동작상황들을 시뮬레이션한 결과로서;

이에, 출력파형중 도 14의 (a)는 철도차량의 공급전원이 직류(DC)750V 에서 직류(DC)3000V 로 가변되는 것을 보여주는 것이며, 도 14의 (b)(c)(d)는 이때의 각각 인버터에 공급되는 전원을 나타내고 있는 것인바, 이는 입력전원이 바뀌어도 각각 인버터의 정격전원은 직류(DC)750V로 안정적으로 나타냄을 알수 있는 것이다.

한편, 도 15는 상기와 같이 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 750V에서 직류(DC) 1500V로 가변될 경우에 있어, 인버터의 직류(DC) 링크단 전압과 이때의 전동기(M) 속도를 나타내고 있는 것으로, 이러한 공급전원의 가변에도 안정적으로 일정 속도를 유지하고 있음을 알수 있다.

이상, 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템은, 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등)에 따라 가변적으로 입력되는 전원(직류3000V/직류1500V /직류750V 등)을 탄력적으로 수전, 회생되도록 하고, 또한 이를 기계적 스위치에 의해 절환가능하도록 하여 원할한 전원의 공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 한 것으로, 이는 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에 있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 구애받음 없이 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 것으로, 매우 유용한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (7)

1. 공급되는 가변전원(DC750V,1500V,3000V)에 따라 복수의 인버터를 직/병렬시켜 공급되는 가변전원에 대응하게 가변전원을 변환하도록 한 철도차량의 가변전원 추진제어 시스템에 있어서,

   상기 복수의 인버터와 가변전원 공급선 사이에 가변전원을 선택 전환하기 위한 수단으로 복수의 기계적 스위치를 두어 이 스위치의 연동조작으로 공급되는 가변전원에 대응하게 인버터를 단개에서 적어도 4개를 직/병렬 연결되도록 이루어짐을 특징으로 하는 철도차량의 가변전원 변환장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제