KR100483807B1 - 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차직류전원 공급 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템에 관한 것으로;
그 목적은 전동차량의 운전중 발생되는 잉여분의 직류전력을 교류모선으로 회생토록 함과 동시에 고조파를 저감시키고, 또한, 상기 회생되는 전력을 고효율로 제어할 수 있도록 한 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차 직류(DC)전원 공급 시스템을 제공함에 있는 것이며, 다른 목적으로는 회생용 3레벨 컨버터에 의한 안정적인 전압 공급작용으로서, 전동차량간의 이격거리를 줄이고, 전동차량 운행에 따른 안전성을 상승되도록 함과 동시에, 회생시 남는 전력은 전원으로 환원 되도록 하여 유용한 에너지 활용기능을 행할 수 있도록 한 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차 직류(DC)전원 공급 시스템을 제공함에 있는 것이다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;
전원공급수단인 3상 교류전원과, 전압조절 수단인 변압기와, 교류전력에서 직류전력을 얻기 위한 정류기와, 전기회로의 개폐수단인 차단기와, 전동차량에 전력을 공급하는 급전선으로 이루어진 전동차량 직류전원 공급 시스템에 있어서;
상기, 정류기를 고역율의 순변환과 역변환 기능을 갖는 3레벨 피더블유엠 (PWM : 펄스폭 변조) 컨버터로 구성하여, 전동차량의 전원으로 공급되는 교류전력을 직류전력으로 공급, 회생 되도록 함으로서 달성된다.
Description
본 발명은 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회생용 3레벨 컨버터(converter)에 의한 안정적인 전압 공급작용으로서, 전동차량간의 이격거리를 줄이고, 전동차량 운행에 따른 안전성을 상승되도록 함과 동시에, 회생시 남는 전력은 전원으로 환원 되도록 하여 유용한 에너지 활용기능을 행할 수 있도록 한 회생용 3레벨 전력변환기를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 널리 이용되고 있는 종래의 전동차량 직류(DC)전원 공급시스템(초퍼장치를 이용한 방식 또는 인버터 방식등)은 급전계통인 삼상 교류전원을 직류전력으로 정류하고, 이와같이 정류된 직류전력을 급전선을 통해 전동차량에 공급토록하므로서 이루어지게 되는 것인바;
이에, 전동차량이 회생 제동중이거나 정차역에 도착할 때, 또는 하향 경사로를 주행하는 경우에 있어서는, 회생된 에너지에 의해 직류모선의 전압을 상승시키게 되는 것이다.
하지만, 상기 회생된 에너지는 전동차량의 급전계통에 제한된 전압만 상승시키고 남는 에너지는 회생시키지 못하게 되는 것으로서, 이에 에너지를 다른 전동차에 의해 소모하지 않을 경우, 직류모선의 전압은 계속 높아지며 전동차량 시스템의 각종 기기에 악영향을 미치게 되는 것이었다.
또한, 상기 직류 모선의 전압이 DC1,500[V]인 국내 지하철의 경우, 회생에너지가 급전계통으로 회생되지 않음에 따라 회생에너지에 의해 직류모선의 전압을 상승시키게 되고, 또한, 직류모선의 전압이 운전상한 전압인 직류 1,800[V]를 초과하게 되면 각 전동차에서 회생된 에너지를 저항을 통하여 방출되게 하여 막대한 에너지를 소모되게 하는 것이었던 바;
이에, 회생 전동차량 도입에 따른 급전 시스템으로서 회생에너지를 유효하게 이용하고, 회생 실효를 저감시키기 위한 시스템 구성의 개발을 절실한 해결과제로 남게 하는 것이었다
한편. 또 다르게 전동차량 급전시스템의 일반적인 정류방식은. 도 1로 도시된 바와 같이 3상전원, 변압기, 정류기, 차단기, 급전선의 구성을 채택한 방식으로서, 이는 전동차량의 전원으로 공급되는 교류(AC) 전력을 변압기와 3상 브릿지 정류회로에 의해 직류(DC) 전력으로 변환되게 하여, 이를 전동차량의 급전선에 공급하게 되는 것으로;
이때, 교류를 직류로 변환함에 있어서는, 상기 정류회로를 최초에 6펄스 정류기, 그 이후에는 12펄스 정류기 방식을 채용토록 하여 이루어지게 하는 것이었 다.
하지만, 상기 전동차량의 급전용으로 이용되는 종래의 6펄스 정류기 방식은, 통상 직류(DC)전력에 리플을 많이 포함하고 있는 것으로. 이는 운행되는 전동차량과 전동차량 사이의 이격거리가 가까울 경우 전압변동을 크게 하여 전동차량의 보호장치를 동작되게 하고, 이와 같은 전동차량 보호장치의 동작으로서 운전중인 전동차량을 순간 정지시키게 하는 문제점을 주는 것이었으며;
또 다르게, 상기 전동차량의 급전용으로 이용되는 종래의 12펄스 정류기 방식은 전술한 6펄스 정류기 방식에 비해 어느 정도 리플을 줄 일수 있지만 운전중인 차량의 시격이 가까울 경우, 여전히 전압변동을 크게하여 전동차량의 신뢰성을 저하시키고, 전압회생 또한 불가하게 되는 상당한 차량운전상의 문제점을 갖게하는 것이었다.
한편, 상기 전동차량으로 전력을 공급함에 있어 발생되는 종래 정류방식의 문제점을 보완한 것으로서, 근래에는 실리콘 제어 정류기(SCR: silicon controlled rectifier)를 이용한 급전방식 또한 일부 이용되고 있는 실정이다.
그러나, 상기 실리콘 제어 정류기를 이용한 급전방식은, 전력반도체 소자의 한계성으로 인해, 정전압제어와 완벽한 회생제어를 수행하지 못하고, 상당한 고조파를 발생되게 하는 것으로서, 이는 전자기기의 신뢰성에 악영향을 미치게 되는 등 전동차량 운전에 있어, 매우 비효율적인 문제점을 그대로 상존되게 하는 것이었다.
따라서, 본 발명은 전동차량으로 전력을 공급함에 있어 발생되는 종래 정류방식의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;
본 발명의 목적은 전동차량의 운전중 발생되는 잉여분의 직류전력을 교류모선으로 회생토록 함과 동시에 고조파를 저감시키고, 또한, 상기 회생되는 전력을 고효율로 제어할수 있도록 한 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차 직류(DC)전원 공급 시스템을 제공함에 있는 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 목적으로는 회생용 3레벨 컨버터에 의한 안정적인 전압 공급작용으로서, 전동차량간의 이격거리를 줄이고, 전동차량 운행에 따른 안전성을 상승되도록 함과 동시에, 회생시 남는 전력은 전원으로 환원 되도록 하여 유용한 에너지 활용기능을 행할 수 있도록 한 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차 직류(DC)전원 공급 시스템을 제공함에 있는 것이다.
이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는; 전원공급수단인 3상 교류전원과, 전압조절 수단인 변압기와, 교류전력에서 직류전력을 얻기 위한 정류기와, 전기회로의 개폐수단인 차단기와, 전동차량에 전력을 공급하는 급전선과, 상기, 정류기를 고역율의 순변환과 역변환 기능을 갖는 3레벨 피더블유엠 (PWM : 펄스폭 변조) 컨버터로 구성하여, 전동차량의 전원으로 공급되는 교류(AC)전력을 직류(DC)전력으로 공급, 회생 되도록 이루어진 전동차량 직류전원 공급 시스템에 있어서;상기 3레벨 피더블유엠 컨버터는 절연게이트 양극성 트랜지스터 소자에 복수개의 구성으로 하여 3상 교류 전원으로 부터 공급되는 교류전력을 소정의 직류 전압으로 선택적 변환한 다음, 전동차량에 공급하도록 구성된다.
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이하, 본 발명에 따른 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래 전동차 직류전원 공급시스템과 본 발명에 따른 직류전원 공급시스템의 비교 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템의 회로구성도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 등가회로도이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 벡터도로서 그 구성을 살펴보면;
전원공급수단인 3상 교류전원과, 전압조절 수단인 변압기와, 교류전력에서 직류전력을 얻기 위한 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터와, 전기회로의 개폐수단인 차단기와, 전동차량에 전력을 공급하는 급전선을 상호 연계토록 함으로서 구성되는 것이다.
이때, 상기 3상 교류전원은 전동차량을 운전하기 위한 통상의 에너지 공급원으로서, 이와 같은 3상 교류전원은 발전기의 구동에 의해 전기에너지를 발생되도록 하여, 이를 전동차량에 송전되게 하는 일반적 구성을 취하는 것이다.
또한, 상기 변압기는 전술한 3상 교류전원으로 부터 교류 전력을 받아 전자 유도작용에 의해 다른 회로에 전력을 공급토록 하는 통상의 정지 기기로서, 이와 같은 변압기를 본 발명에 적용함에 있어서는 도 2로 도시된 바와 같이 전력공급용 변압기와 컨버터용 변압기로 구비되게 함이 바람직하다.
또한, 상기 3레벨 피더블유엠 (PWM) 컨버터는 사용전력을 고역율로 순변환 및 역변환되게하여 전력을 공급토록 하는 제어방식으로서, 이와 같은 3레벨 피더블유엠 (PWM) 컨버터는 도 2로 도시된 바와 같이 리액터를 사이에 두고 교류전원과 결합하는 구조를 취하도록 함이 바람직하다.
이때, 상기와 같은 구조를 갖는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터는 입력전류를 정형적으로 제어할수 있는 기능으로서 입력전류의 저차 고조파 성분을 감소시키고, 입력전압과 동상으로 입력전류를 제어하여 역률을 좋게 함은 물론. 직류(DC) 전압을 승압 시킬 수 있고 , 또한 부하의 변동에 대해 일정하게 유지 할 수 있으 며, 상기 부하 측의 잉여전력을 직류(DC )전압의 변동 없이 교류 전원측으로 회생시킬 수 있는 작용을 행하게 되는 것이다.
또한, 상기 차단기는 전동차량 운전을 위해 공급되는 전력을 필요에 따라 제어하는 수단으로서, 이와 같은 차단기는 전기회로의 개폐나 접속상태를 변경토록 하는 통상의 구성을 취하는 것이다.
또한, 상기 급전선은 철도차량 운전에 필요한 전력을 공급하는 수단으로서, 이와 같은, 급전선은 통상 변전소로부터 전력을 공급하기 위해 도 1로 도시된 바와 같이 전차선과 평행하게 설치되는 전선(궤전선)구조로 형성하는 것이다.
따라서, 상기 3상 교류전원과, 변압기와, 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터와, 차단기와, 급전선등 일련의 회로적 연결관계로 이루어지는 본 발명에 따른 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템은;
최초 3상 교류전원을 통해 교류전원을 공급하게 되면, 변압기를 통해 상기 공급되는 교류전원을 전자기유도작용에 의해 본 발명의 시스템에 적합한 교류전압으로 변환하게 되고, 이와 같이 변환된 교류전압은 본 발명의 요지 구성인 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터에 의해 직류전압으로 변환되어, 차단기에 의한 회로 단속관계로서 급전선을 통해 전동차량 운전에 필요한 소정의 직류(DC) 전압 중 어느 하나(예 : 1500V 또는 750V)의 전력을 선택적으로 공급하게 되는 것이다.
이때, 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터는 상기 3상 교류전원에 설치되어 있는 변압기의 설비용량에 유효하게 사용할 수 있는 조건으로 운전되는 것으로, 이에 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠 (PWM) 컨버터는 3상 교류전원의 전압과 전류를 동위상으로 유지하는 역률 1의 운전 상태를 유지되도록 함이 바람직하다
또한 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터는 자체적으로 변환용량에 대하여 각 소자에 흐르는 전류값을 가장 적은 상태로 유지되게 하므로 전력용 반도체 소자를 가장 유효하게 사용하는 이상적인 운전방법을 제공하게 되는 것이다.
즉, 이를 구체적으로 살펴보면;
전원측은 유도성이기 때문에 스위치의 역병렬 다이오드를 통해 전류는 순간적으로 환류하며 도통하던 스위치를 소호시키고. 또한 스위칭 소자는 피더블유엠 (PWM) 변조방식으로 전류의 크기와 위상을 제어하고, 전원전류를 정현파에 가깝게 하여 고조파성분을 제거하여 고역률 운전이 되도록 하며, 부하측 전압 Vdc가 일정하게 유지되도록 전원전류 is를 제어하게 되는 것으로, 이에 도 3은 전원전압es, 3레벨 컨버터의 교류측 입력전압을Vc 라고 했을 때의 전원과 3레벨 컨버터의 등가회로를 나타내는 것이고, 도 4는 3레벨 컨버터로 흐르는 전류 is를 전원전압 es와 동상으로 유지할 경우의 전원전압과 전류벡터를 나타내는 것이다.
또한, 도 4는 정상상태시 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 구동운전과 회생운전시의 전압 및 전류 벡터도로서, 전원과 변환기사이에 있는 교류리액터의 전압강하를 전원과 90도의 위상차를 유지하고 있다.
교류측 입력전압Vc는 전원전압es에 대하여 a만큼의 위상차를 가지며 이 a각을 제어함으로서 교류측 입력전압Vc와 리액터 전압VL을 제어할 수 있다.
따라서, 전원전압es와 전원전류is는 동상이 되어 고역률운전이 이루어진다. 만약 교류측 입력전압 Vc가 전원전압 es보다 지상이면 전원측에서 3레벨 컨버터로 전력이 전달되어 순변환특성(구동운전)을 갖게되며,또 다르게 교류측 입력전압 Vc가 es보다 진상이면 반대로 3레벨 컨버터에서 전원으로 전력이 공급되는 회생운전이 이루어지게 되는 것이다.
그러므로, 3레벨 컨버터의 교류측 입력전압Vc는 전원전압es 에서 리액터 전압을 뺀 전압 벡터를 유지하여야 한다. 즉 도 4의 벡터도를 항상 직각 3각형으로 유지하도록 하여야 하는 것이다.
또한, 교류전류는 리액터와 리액터 양단전압에 의하여 결정되며 리액터전압은 전원전압과 3레벨 컨버터의 교류측 입력전압의 차가되므로,이에 교류전류는 컨버터의 피더블유엠(PWM) 변조율과 변조파의 위상 및 직류전압에 의하여 제어 가능하게 되는 것이다.
또한 도3의 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터 등가회로도와 도 4의 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 벡터도로 부터
이므로
가 되는 것으로. 이때, α는 전원전압es 와 입력전압 Vc의 위상차이고, 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 변환전력은 교류측에서의 입력전력이므로
이 되는 것이다.
또한, 상기 식(1-3)와 식(1-4)을 정리하면 다음식(1-5)가 성립되는 것으로
이에, 상기 식(1-5)는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 변환전력을 나타낸 식으로서, 이를 식(1-3)와 식(1-4)을 함께 고려하면 변환용량은 교류리액터의 인덕턴스의 크기와 위상각 α에 의하여 결정됨을 알 수 있는 것이다.
한편, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 회로 구성도로서, 이와같은 또 다른 실시예로서의 본 발명은 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 구성된 2대의 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 구조로 이루어지게 되는 것이다.
이에, 또 다른 실시예로서의 본 발명은, 입력변압기에 2대의 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터가 연결되어 3레벨 인버터가 출력할수 있는 19개 출력전압벡테는 0, ±Vdc/6, ±Vdc/3, ±Vdc/2로서 총 7개의 준위를 갖게되며, 스위칭 상태가 변화하였을 때의 스위칭함수(Vsn)의 변화율, dVsn/dt는 ±Vdc/6로 기존 3레벨 인버터의 경우에 비하여 1/2이되는 것이다. 그러므로 전압분담이 적어 장치의 신뢰성이 향상되고, 정현파 전류제어가 가능하므로 고조파 저감을 할 수 있게 되는 것이다.
이상, 본 발명에 따른 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템은 전동차량의 운전중 발생되는 잉여분의 직류전력을 교류모선으로 회생토록 함과 동시에 고조파를 저감시키고, 또한, 상기 회생되는 전력을 고효율로 제어할수 있도록 한 것이며;
또 다르게 레벨 컨버터에 의한 안정적인 전압 공급작용으로서, 전동차량간의 이격거리를 줄이고, 전동차량 운행에 따른 안전성을 상승되도록 함과 동시에, 회생시 남는 전력은 전원으로 환원 되도록 하여 유용한 에너지 활용기능을 행할수 있도록 한 것으로, 국가적인 차원에 있어 매우 유용한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.
도 1은 종래 전동차 직류전원 공급시스템과 본 발명에 따른 직류전원 공급시스템의 비교 구성도
도 2는 본 발명에 따른 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템의 회로구성도
도 3은 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 등가회로도
도 4는 본 발명에 적용되는 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터의 벡터도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 회로 구성도
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예 구성을 이용한 운전 회로도
도 7은 본 발명에 의한 동작상황을 시뮬레이션 결과도
Claims (3)
- 전원공급수단인 3상 교류전원과, 전압조절 수단인 변압기와, 교류전력에서 직류전력을 얻기 위한 정류기와, 전기회로의 개폐수단인 차단기와, 전동차량에 전력을 공급하는 급전선과, 상기, 정류기를 고역율의 순변환과 역변환 기능을 갖는 3레벨 피더블유엠 (PWM : 펄스폭 변조) 컨버터로 구성하여, 전동차량의 전원으로 공급되는 교류(AC)전력을 직류(DC)전력으로 공급, 회생 되도록 이루어진 전동차량 직류전원 공급 시스템에 있어서;상기 3레벨 피더블유엠 컨버터는 절연게이트 양극성 트랜지스터 소자에 복수개의 구성으로 하여 3상 교류 전원으로 부터 공급되는 교류전력을 소정의 직류 전압으로 선택적 변환한 다음, 전동차량에 공급하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 회생용 3레벨 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용한 전동차 직류전원 공급 시스템.
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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|---|---|
| KR20030087340A KR20030087340A (ko) | 2003-11-14 |
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| KR10-2002-0025360A KR100483807B1 (ko) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | 회생용 3레벨 피더블유엠 컨버터를 이용한 전동차직류전원 공급 시스템 |
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Citations (4)
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| JPH0698402A (ja) * | 1992-09-16 | 1994-04-08 | Central Japan Railway Co | Ｐｗｍコンバータ制御装置 |
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| JPH11355909A (ja) * | 1998-06-05 | 1999-12-24 | Toshiba Corp | 電力変換装置 |
| JP2000004503A (ja) * | 1998-06-15 | 2000-01-07 | Toshiba Corp | 電気車制御装置 |
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2002
- 2002-05-08 KR KR10-2002-0025360A patent/KR100483807B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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