KR100603993B1 - 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적 저주파수의 인버터를 직류급전선로에 서로 병렬로 연결하고 송전 선로에 고압 변압기를 연결하여 인버터의 스위칭 로스에 따른 전력소모를 크게 하지 않고서도 실제 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 보다 정현파에 가까운 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 그 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치를 제공한다.

이는 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 스위칭 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력하기 위한 제1, 제2 인버터; 상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스를 구비함에 의해 달성될 수 있다.

전동차, 전력회생, 인버터, APF(능동형 전력 필터)

Description

능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치{A ELECTRIC POWER REGENERATION APPARATUS THAT EQUIPPED A ACTIVE POWER FILTER IN ELECTRIC TRAIN}

도 1은 전동차시스템의 일반적인 전원공급 계통도.

도 2는 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치의 구성도.

도 3a 내지 도 3e는 도 2의 각부의 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20 : 인버터 30,40 : 필터

T1,T2 : 계통연계트랜스

본 발명은 전동차시스템의 전력회생장치에 관한 것으로, 특히 전동차의 직류 급전선로로 회생되는 DC전력을 인버터를 이용하여 깨끗한 AC전력으로 변환하여 AC전력라인으로 제공할 수 있도록 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동차에는 도 1에 도시한 바와 같이, 직류급전선로를 통해 DC 1,500V가 공급되며, 전동차가 내리막길이나 감속 운행시에는 관성 에너지가 직류급전선로로 회생되어 직류급전선로의 전압을 DC 1,800V로 상승시키게 된다.

전압 상승을 억제하기 위해 저항을 통해 에너지를 강제로 소모시키며, 저항에서 소모되는 에너지만큼의 전력손실이 따르게 된다. 또한 저항을 통하여 에너지를 회생시키지 못하는 상황에서는 전동차에서 기계 브레이크의 사용률을 높여 차량의 유지보수비용을 증가시키게 된다.

이에 따라 회생용 인버터를 사용하여 직류급전선로로 복귀되는 DC전원을 AC파형으로 만들어 AC전력라인으로 제공하도록 하고 있으며, 이는 통상 인버터에서 스위칭 펄스 형태로 변환하고 인버터 후단의 트랜스에서 정현파 형태의 파형으로 출력토록 하여 에너지를 전원계통으로 회생할 수 있도록 하고 있다.

통상 인버터의 제어성능을 향상시키기 위해 인버터의 스위칭 주파수를 상승시키게 되는데, 인버터의 스위칭 주파수를 상승시키게 되면 대용량 인버터의 경우 인버터의 스위칭 로스에 따른 전력소모가 커지게 되는 단점이 발생하게 된다.

따라서 400Hz 정도의 스위칭 주파수를 갖는 인버터를 다수 개 사용하는 경우가 있으나, 이 역시 다수개의 인버터가 사용됨에 따라 인버터 자체의 전력소모가 증가하는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명은 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 이용한 인버터를 이중화하고 이에 고압 변압기를 결선하여 스위칭 주파수를 상승시킴으로써 인버터에 의한 전력소모를 크게 하지 않고서도 고압 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 정현파에 가까운 깨끗한 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 그 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치는, 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 스위칭 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력하기 위한 제1 및 제2 인버터와; 상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스를 구비함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치의 구성도를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 180도의 위상차를 갖는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력하기 위한 2개의 인버터(10),(20)가 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되고, 이 인버터(10),(20)의 입력단에 각각 리플 제거용 콘텐서(C1),(C2)가 접속되어 있다.

여기서, 상기 인버터(10),(20)는 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 이용한다.

상기 인버터(10),(20)의 출력단에는 각각 코일(L11),(L12)과 콘덴서(C11),(C12) 및 저항(R11),(R12)으로 이루어져 인버터(10),(20)의 출력성분중의 고주파 성분을 필터링하기 위한 필터(30),(40)가 각각 접속되어 있으며, 필터(30),(40)는 선택적으로 사용 가능하다.

또한, 상기 필터(30),(40)에는 상기 필터(30),(40)를 통해 고주파 성분이 제거된 인버터(10),(20)의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 보내기 위한 계통연계트랜스(T1),(T2)가 각각 접속되어 있다.

이러한 본 발명은 전력회생과 더불어 도 1에 도시한 바와 같은 전동차시스템의 일반적인 전원공급 계통도에서의 정류기 부하 등의 DC전압을 사용하는 곳에서 발생할 수 있는 고조파와 무효전력을 보상할 수 있는 액티브 파워 필터(Active Power Filter : 이하, APF라 칭함)의 기능을 갖는다.

이는 전동차가 운전 중에는 인버터(10),(20)가 APF기능을 수행하고, 전동차가 내리막길을 운행중이거나 급제동시에는 에너지를 회생하는 회생모드로 동작하도록 하는 것으로, 도시하지 않은 제어부에서 직류급전선로로부터 인가되는 DC전력 의 DC전압을 검출하여 제어부내에 기 설정된 기준전압보다 높을 때는 회생모드로, 기준전압과 동일하거나 낮을 때는 APF로 동작되도록 본 발명의 시스템을 제어하게 된다.

즉, 제어부는 직류급전선로로부터 인가되는 DC전력의 DC전압을 검출하여 제어부에 기 설정된 기준전압과 비교하여 기준전압보다 높으면 AC전력으로의 회생을 위해 회생모드로 동작하도록 시스템을 제어하고, 검출되는 DC전압이 기준전압과 동일하거나 낮으면 다시 말해, 전동차가 운전중인 경우는 전동차의 전원 공급을 위한 정류기의 사용으로 인한 무효전력 및 고조파를 제거하기 위한 APF모드로 동작하도록 시스템을 제어하게 되는 것이다.

본 발명에서 APF모드로 동작시 인버터(10),(20)가 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 사용하여 대용량 인버터의 단점인 스위칭 주파수를 상승시켜(스위칭 주파수의 상승에 대한 설명은 후술함) 직류급전선로로부터 회생되는 DC전력이 고효율로 제어될 수 있도록 할뿐만 아니라, 도 1의 전원 계통측의 무효전력 보상 및 고조파 제거에 큰 역할을 수행하게 된다. 이때 무효전력보상이나 고조파 제거는 APF의 일반적인 기능에 해당되므로 그 상세한 설명은 약한다.

한편, 본 발명이 회생모드로 동작시 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원이 콘덴서(C1),(C2)를 거치면서 리플성분이 제거된 후, 인버터(10),(20)로 입력되어 인버터(10),(20) 자체의 주파수보다 높은 주파수로 스위칭됨으로써 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력되게 된다.

여기서, 상기 인버터(10),(20)는 직류급전선로에 서로 병렬로 연결됨에 따라 인버터(10),(20) 자체의 스위칭 주파수보다 그 출력 주파수를 높일 수 있게 되며, 이에 따라 비교적 저주파수의 스위칭 주파수를 갖는 인버터를 사용하여도 되므로 스위칭 로스 및 전력소모를 줄일 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 인버터(10),(20)의 출력은 필터(30),(40)를 통해 고주파 성분이 제거되며, 이후 계통연계트랜스(T1),(T2)를 통해 합산됨으로써 높은 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태를 가지고, 필요에 따라 승압된 후, AC전력라인으로 보내지게 된다.

한편, 도 3a와 도 3c는 상기 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결된 인버터(10),(20)의 U상 레퍼런스(ref) 및 캐리어에 대한 파형을 나타낸 것으로, 인버터(10),(20)의 캐리어는 서로 180도의 위상차를 가지면서 동일한 레퍼런스(ref)와 비교하는 방식을 이용하며, 도 3 전체에 걸쳐 x축은 시간을, y축은 전압을 나타낸다.

그리고 도 3b와 도 3d는 인버터(10),(20)의 스위칭 펄스로 각각 인버터(10),(20)의 게이트 신호 파형을 나타낸 것이다.

상기 인버터(10),(20)의 스위칭 주파수의 변화를 확실히 보기 위해 필터(30),(40)를 제거할 경우, 인버터(10),(20)의 출력은 계통연계트랜스(T1),(T2)를 거치면서 합산되어 계통연계트랜스(T1),(T2)의 시뮬레이션 파형(출력 R상 상전압)인 도 3e와 같이 됨을 알 수 있다.

뿐만 아니라, 도 3e의 파형을 보면 전체적으로는 도 3a 및 도 3c에 도시한 레퍼런스(ref)를 추종하면서 인버터(10)의 출력인 도 3b 및 인버터(20)의 출력인 도 3d에 비해 보다 잘게 쪼개진 파형이 됨에 따라 인버터(10),(20)에 비해 높은 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력됨을 알 수 있다.
이러한 본 발명은 대용량 인버터의 스위칭 주파수의 상승 한계를 넘기 위하여 상기 인버터(10),(20)를 비교적 저주파수의 인버터를 사용하더라도 이들을 직류급전선로에 서로 병렬로 배치함과 더불어 이들 인버터(10),(20)의 캐리어가 서로 180도의 위상차를 갖도록 하고 계통연계트랜스(T1),(T2)를 거치면서 합해져 최종 출력은 상기 인버터(10),(20)의 스위칭 주파수에 비해 높은 주파수를 얻을 수 있도록 한 것이다.

삭제

본 발명은 상기에 기술된 실시 예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 비교적 저주파수의 인버터 2개를 직류급전선로에 서로 병렬로 배치하여 그 출력 주파수를 상승시킴으로써 고압 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 정현파에 가까운 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 스위칭 주파수 상승에 따른 제어성능을 향상시킬 수 있도록 함은 물론, 고효율의 시스템 구현과 더불어 고조파 제거 및 이에 따른 무효전력 보상, 에너지 회생 등의 다양한 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력하기 위한 제1, 제2 인버터와;

   상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스;를 구비함을 특징으로 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2 인버터는 절연게이트 양극성 트랜지스터를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 사용함을 특징으로 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치.
3. 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수의 AC성분을 갖는 스위칭 펄스 형태로 출력하기 위한 제1, 제2 인버터와;

   상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스와;

   상기 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원의 전압을 검출하여 기 설정된 기준전압과 비교하여 검출된 DC전압이 기준전압보다 높을 경우 시스템이 회생모드로 동작되도록 하고 기준전압과 동일하거나 낮은 때는 능동형 전력 필터(APF)로 동작되도록 하는 제어부;를 구비함을 특징으로 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1, 제2 인버터는 절연게이트 양극성 트랜지스터를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 사용함을 특징으로 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치.

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