KR100473273B1

KR100473273B1 - 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템

Info

Publication number: KR100473273B1
Application number: KR10-2001-0077098A
Authority: KR
Inventors: 한영재; 박현준; 김길동; 장동욱; 조정민
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2005-03-08
Also published as: KR20030046830A

Abstract

본 발명은 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템에 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 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있고;

또한, 철도차량 운행시 선간공급전압 변화에 따른 전력손실을 예방되도록 하여 철도차량의 추진장치 인버터에 항상 일정한 전압을 인가되도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있는 것이며;

또 다른 목적으로는, 철도차량 운전중 원할한 전원공급 및 순시 전압의 제어를 가능하도록 하고, 또한 회생시 교류(AC) 및 직류(DC)전원에 관계없이 원할한 회생을 가능하도록 하여 전력변환회로의 스위칭소자 손실을 감소되도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

가변전원을 공급받는 탭변압기와;

상기. 탭변압기로 부터 전달되는 전력을 철도차량 추진제어 시스템에 적합한 전력으로 변환하는 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터와;

상기, 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터로 부터 전송되는 입력신호를 철도차량 추진제어 시스템에 필요한 상태로 변환하는 직병렬 회로변환기와;

상기, 직병렬 회로변환기로 부터 전달되는 신호(입력신호와 출력신호)의 극성을 반전시켜 전력을 변환토록 하는 직렬연결구조의 인버터와;

상기, 인버터로 부터 철도차량 운행에 필요한 구동전력을 전달받는 다수개의 전동기를 구비토록 하므로서 달성된다.

Description

철도차량용 가변전원 추진제어 시스템{variable power drive control system by train}

본 발명은 교류(AC)전원 및 직류(DC)전원을 고 효율로 수전 및 회생토록 하여 탄력적인 운행관계를 갖도록 한 철도차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탭변압기와, 피더블류엠(PWM)컨버터, 그리고 직-병렬 회로변환기를 이용하여 교류(AC) 25kV, 교류(AC) 5kV, 직류(DC) 3kV 등과 같이 가변적으로 입력되는 전원을 원할하게 수전 및 회생되도록 함과 동시에, 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템에 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 및 급전방식에 따라 그에 적합한 철도차량으로 교체해야 하는 등의 문제점을 갖게 하는 것이었다.

한편, 근래에는 상기와 같은 철도차량 교체의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 교류(AC)전력을 다이오드 전파정류기를 통하여 추진용인버터에 공급토록 하는 시스템이 이용되고 있기는 하나, 이러한 시스템은 입력전압 정류시 발생되는 고조파 성분으로 인하여 입력전압에 왜곡을 일으켜 전체적인 역률을 저감되게 하는 문제점을 주는 것이었을 뿐만 아니라, 추진장치가속시 발생되는 전류외란에 의해 철도차량의 송전계통에 악영향을 줄수 있는 상당한 문제점을 갖게 하는 것이었다.

또 다르게, 전술한 종래 시스템은, 추진장치에서 회생시 발생되는 전력을 저항을 통하여 소비되게 하는 것으로서, 이와같은 방식은 철도차량에 많은 열을 발생시켜 주변기기에 부정적인 영향을 미치게 함은 물론, 상기 저항의 무게로 인한 철도차량의 하중상승으로 철도차량의 에너지효율을 저감시키게 되는 상당한 시스템상의 문제점을 상존되게하는 것이었다.

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.

또한, 본 발명의 목적은 철도차량 운행시 선간공급전압 변화에 따른 전력손실을 예방되도록 하여 철도차량의 추진장치 인버터에 항상 일정한 전압을 인가되도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

한편, 본 발명의 또 다른 목적으로는, 철도차량 운전중 원할한 전원공급 및 순시 전압의 제어를 가능하도록 하고, 또한 회생시 교류(AC) 및 직류(DC)전원에 관계없이 원할한 회생을 가능하도록 하여 전력변환회로의 스위칭소자 손실을 감소되도록 한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;공급되는 가변전원(AC 25kV, AC 15kV, DC 3kV)에 따라 교류 및 직류의 급전로를 전환하기 위한 절환스위치와;상기 절환스위치를 통해 공급되는 교류성 가변전원에 대응하는 전압으로 변환하기 위한 탭(TAP)변압기와;상기 탭(TAP)변압기로 부터 선택되어 공급되는 전력을 철도차량 추진제어 시스템에 적합한 직류전압으로 변환하기 위한 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터와;상기 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터로 부터 전송되는 입력신호를 철도차량 추진제어 시스템에 필요한 상태로 변환하는 직병렬 회로변환기와;상기 직병렬 회로변환기로 부터 전달되는 신호(입력신호와 출력신호)의 극성을 반전시켜 전력을 변환토록 하는 직렬연결구조의 인버터와;

상기 인버터로 부터 철도차량 운행에 필요한 구동전력을 전달받는 다수개의 전동기를 구비토록 하므로서 달성된다.

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이하, 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 회로도로서, 그 구성을 살펴보면;

일련의 회로적 구성요소로서, 구간별 공급되는 가변전원은 탭(TAP)변압기(10)와, 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터(20)와, 직병렬 회로변환기(30)와, 인버터(40)와, 전동기(50)가 구비되어 공급구조로 형성되는 것이다.상기에서 공급되는 가변전원은 교류 25 kV, 15 kV 및 직류 3 kV로서, 이는 각국의 철도시스템의 급전방식을 본원발명의 이해를 돕고자 일례로서 예시한 것으로서, 공급되는 가변전원(AC 25kV, AC 15kV, DC 3kV)에 따라 절환스위치(SW)를 통해 급전류를 절환하도록 구성하되,

상기 절환스위치(SW)를 통해 입력되는 전압이 교류일 경우에는 탭 변압기(10)를 통해 공급되도록 구성하고, 직류일 경우에는 직병렬 회로변환기(30)를 통해 공급되도록 연결구성한다.이때, 상기 탭 변압기는 입력되는 가변전압의 수에 따라 전압조정 탭(TAP)의 수가 결정되어 출력전압을 일정하게 유지되게 하는 일반적 방식의 변압기기를 의미하는 것으로, 이와같은 탭 변압기는 세분화된 탭 위치에 따라 전압조정이 가능하게 되는 것이다.

또한, 상기 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터(20)는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이, 전술한 탭(TAP)변압기(10)로 부터 전력을 전달받아 이를 철도차량 추진제어 시스템에 필요한 전력으로 변환되게 하는 구성으로서, 이와같은 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터(20)는 통상 전원 고조파 전류를 발생측에서 억제토록하는 방식이며, 이는 일반적인 범용 인버터(40)의 입출력을 반대로 하여 교류전원측에 리액터를 접속하고 다이오드 정류기를 제거한 구성으로서, 이러한 방식은 통상 저차의 고조파를 대폭 저감시키는 기능을 행하게되는 것이다.

또한, 상기 직병렬 회로변환기(30)는 전술한 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)로 부터 전송되는 전력변환된 입력신호에 따라 철도차량 추진제어 시스템에서 필요로 하는 제어 상태로 변환되게 하는 구성으로서, 이는 직렬 또는 병렬로 들어온 요소를 병렬 또는 직렬로 변환해 주는 기능을 행하게 되는 것이다.

또한, 상기 인버터(40)는 직병렬 회로변환기(30)로 부터 전달되는 신호(입력신호와 출력신호)의 극성을 반전시켜 전력을 변환토록 하는 구성으로서, 이와같은 인버터(40)를 본 발명에 적용함에 있어서는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이 2대의 인버터(40)를 직렬로 연결하고, 이와같은 경우의 회생을 위해 상기 인버터(40)의 사이리스터를 다이오드와 역병렬 구조로 접속되게 함이 바람직하다.

또한, 상기 전동기(50)는 철도차량에 구동력을 전달하는 수단으로서, 이와같은 전동기(50)는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이 다수개의 구성으로서 전술한 인버터(40)로 부터 철도차량 구동(운행)에 필요한 전력신호를 전달받는 구조로 형성함이 바람직하다.

따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 철도차량용 가변전원 추진제어시스템은

교류(AC) 25kV, 교류(AC) 15kV, 직류(DC) 3kV와 같이 가변적으로 입력되는 전원에 대해 탄력적으로 수전 및 회생되도록 하는 작용을 행하는 것이다.

이에, 먼저 전술한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 전원공급선으로 부터 도 3으로 도시된 바와같이 교류(AC) 25kV의 전원이 공급될 경우, 탭(TAP)변압기(10)는 그 공급되는 전원의 변압비를 교류(AC) 25kV/교류(AC) 840V가 되도록 회로상의 주절환 스위치(SW/0)를 도 3으로 도시된 바와같이 탭 절환하여 승압형 피더블유엠 (PWM) 컨버터(20)에 전원을 공급하게 된다.

이때, 상기 탭(TAP)변압기(10)로 부터 전원을 공급받은 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)는 직렬 리액터를 이용하여 공급된 교류(AC)840V를 직류(DC) 1.5kV로 변환시키 며, 입력전류파형을 정현적으로 제어되게 하는 것이다.

또한, 상기 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)와 접속된 직,병렬 회로변환기(30)는 부하(V/F) 인버터(40)를 병렬접속시키도록 구성된 것으로서, 이에, 이와같은 직,병렬 회로변환기(30)는 전술한 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)로 부터 직류(DC) 1.5kV전원을 공급받아 인버터(40)를 통해 도 3의 점선표시와 같이 철도차량 운행에 필요한 전류를 공급하게 되는 것이다.

또한, 부연설명으로, 도 6은 철도차량이 교류(AC) 25kV의 공급선에 연결된 경우로서, 철도차량의 회생시 전동기(50)로 부터 전원측으로 흐르는 전류 루프를 나타내고 있는 것이다.

즉, 상기의 회로구성은 탭(TAP)변압기(10)와, 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20), 그리고 직류(DC) 링크단 전압이 1.5kV인 인버터(40)가 병렬로 2대 접속되어 있는 것으로, 이에 회생된 전력은 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)의 커패시터(콘덴서)에 에너지를 충전시키고, 이와함께 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)는 전원 위상과 동기시켜 회생전류를 교류(AC) 25kV 전원단에 공급하게 되므로서 회생에 따른 에너지를 효과적으로 관리하게되는 것이다.

한편, 또 다르게 전술한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 전원공급선으로 부터 도 4로 도시된 바와같이 교류(AC) 15kV의 전원이 공급될 경우, 탭(TAP)변압기(10)는 그 공급되는 전원의 변압비를 교류(AC) 15kV/교류(AC) 840V가 되도록 회로상의 주절환 스위치(SW/0)를 도 4로 도시된 바와같이 탭 절환하여 승압형 피더블유엠 (PWM) 컨버터(20)에 전원을 공급하게 되는 것으로, 이때의 전류 루프는 도 4의 점선과 같이 나타남을 알수 있다.

또한, 도 7은 철도차량이 상기 교류(AC) 15kV의 공급선에 연결된 경우로서, 철도차량 회생시 전동기(50)로 부터 전원측으로 흐는 전류 루프를 나타내고 있는 것으로, 이의 회로 구성은 직류(DC) 링크단 전압이 1.5kV 인버터(40)에서 회생된 전력은 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)와 탭(TAP)변압기(10)를 통해 교류(AC) 15kV의 전원단에 회생될수 있도록 제어되는 것이며, 이때의 전류 루프는 도 7의 점선과 같이 표시되어 지는 것이다.

한편, 또 다르게 전술한 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 전원공급선으로 부터 도 5로 도시된 바와같이 직류(DC) 3kV의 전원이 공급될 경우에 있어서는, 직류(DC)링크단이 직류(DC) 1.5kV가 정격인 인버터(40)를 직렬형태로 접속하도록 직.병렬 회로변환기(30)를 동작되게 하는 것으로, 이때의 전류루프는 도 5로 도시된 바와같인 1개의 점선으로 나타내어 진다.

이에, 도 8은 철도차량이 직류(DC) 3kV의 공급선에 연결된 경우로서, 철도차량의 회생시 전원측으로 흐르는 전류 루프를 나타내고 있는 것인바, 이러한 회로구성은 직류(DC) 링크단 전압이 1.5kV인 인버터(40)를 2대 직렬로 접속하고 있는 것으로서 전원쪽의 회생을 가능하게 하는 것이다.

이상, 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템은, 탭변압기와 피더블류엠(PWM)컨버터, 그리고 직-병렬 회로변환기를 이용하여 교류(AC) 25kV, 교류(AC) 15kV, 직류(DC) 3kV의 가변적인 전원공급 상태에서 제어시스템의 정지없이 연속적이고, 안정적으로 철도차량을 운영되게 하는 것으로;

이는, 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 것일뿐만 아니라, 철도차량 운전중 원할한 전원공급 및 순시 전압의 제어를 가능하도록 하고, 또한 회생시 교류(AC) 및 직류(DC)전원에 관계없이 원할한 회생을 가능하도록 하여 전력변환회로의 스위칭소자 손실을 감소되도록 한 것으로, 장거리 철도차량 운행에 매우 유용한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 개략 구성도

도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 회로도

도 3은 본 발명에 교류(AC) 25kV의 입력전원이 공급될 경우의 전류흐름도

도 4는 본 발명에 교류(AC) 15kV의 입력전원이 공급될 경우에 전류흐름도

도 5는 본 발명에 직류(DC) 3kV의 입력전원이 공급될 경우에 전류흐름도

도 6은 본 발명에 있어, 교류(AC) 25kV의 입력전원과 연결되어있을 경우의

회생동작 전류흐름도

도 7은 본 발명에 있어, 교류(AC) 15kV의 입력전원과 연결되어있을 경우의

회생동작 전류흐름도

도 8은 본 발명에 있어, 직류(DC) 3kV의 입력전원과 연결되어있을 경우의

회생동작 전류흐름도

< 도면주요 부위에 대한 부호의 설명 >

10 : 탭(TAP)변압기 20 : 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터

30 : 직병렬 회로변환기 40 : 인버터 50 : 전동기

Claims

공급되는 가변전원(AC 25kV, AC 15kV, DC 3kV)에 따라 교류 및 직류의 급전로를 전환하기 위한 절환스위치와;

상기 절환스위치를 통해 공급되는 교류성 가변전원에 대응하는 전압으로 변환하기 위한 탭(TAP)변압기(10)와;

상기 탭(TAP)변압기(10)로 부터 선택되어 공급되는 전력을 철도차량 추진제어 시스템에 적합한 직류전압으로 변환하기 위한 승압형 피더블유엠(PWM : 펄스폭 변조) 컨버터(20)와;

상기 승압형 피더블유엠(PWM) 컨버터(20)로 부터 전송되는 입력신호를 철도차량 추진제어 시스템에 필요한 상태로 변환하는 직병렬 회로변환기(30)와;

상기 직병렬 회로변환기(30)로 부터 전달되는 신호(입력신호와 출력신호)의 극성을 반전시켜 전력을 변환토록 하는 직렬연결구조의 인버터(40)와;

상기 인버터(40)로 부터 철도차량 운행에 필요한 구동전력을 전달받는 다수개의 전동기(50)를 구비토록 하여 형성함을 특징으로 하는 철도차량용 가변전원 추진제어시스템.
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