KR100803327B1 - 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치 - Google Patents

지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회생인버터 커패시터에 직류모선 및 교류모선 양측에 프리차지(Pre-charge)회로를 구성하여 직류모선이 유지보수 중일 때 교류모선 측에서 프리차지전원을 공급할 수 있도록 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터의 충전장치에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 직류모선에서 회생된 에너지를 교류로 변환하는 전력변환부의 직류입력측 양단 사이에는 직류-커패시터가 구비되고, 상기 전력변환부의 3상 교류출력단과 3상 교류모선 사이에는 리액터가 각각 연결되어 이루어진 회생인버터를 구비하고 있는 회생인버터의 커패시터 충전장치에 있어서, 상기 직류-커패시터와 직류모선 사이에는 직류 메인스위치가 연결되고, 상기 직류 메인스위치에는 직렬로 연결되어 있는 직류 보조스위치와 저항기가 병렬로 연결되는 한편, 상기 리액터중에서 2개의 리액터에는 각각 저항기가 병렬로 연결되고, 상기 각 리액터에는 각각의 교류 메인스위치가 직렬로 연결됨과 아울러 상기 각 저항기에는 각각의 교류 보조스위치가 직렬로 연결되어, 상기 직류 메인스위치, 직류 보조스위치, 교류 메인스위치, 및 교류 보조스위치의 접속상태에 따라 상기 직류 커패시터에는 직류모선 또는 교류모선으로부터 공급되는 전원이 충전되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
회생인버터, 링크전압, 커패시터 충전

Description

지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치{DEVICE FOR CHARGING CAPACITOR OF REGENERATIVE INVERTER FOR DC TRACTION SYSTEM}
도 1은 종래 직류모선과 회생인버터간의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 회생인버터 커패시터의 충전회로,
도 3은 본 발명에 따른 회생인버터 커패시터의 충전을 위한 제어기의 개략적 구성도를 나타낸 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 -- 전력변환부, 14 -- 직류-커패시터,
16,18 -- 직류모선, 20,30 -- 직류 메인스위치,
22,32 -- 직류 보조스위치, 24,34,40 -- 저항기,
26 -- 리액터, 36 -- 교류 메인스위치,
38 -- 교류 보조스위치, 30X,32X,36X,38X -- 제어코일,
30C,32C,36C,38C -- 콘트롤 접점,
42 -- 제어기, 44 -- 프리차지 선택스위치.
본 발명은 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터의 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회생인버터 커패시터에 직류모선 및 교류모선 양측에 프리차지(Pre-charge)회로를 구성하여 직류모선이 유지보수 중일 때 교류모선 측에서 프리차지전원을 공급할 수 있도록 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터의 충전장치에 관한 것이다.
일반적으로 전동차에는 직류급전선로(직류모선)를 통해 DC 1,500V가 공급되며, 전동차가 제동중이거나 하강 경사로를 주행할 때 관성 에너지가 직류모선으로 전력을 회생하여 직류모선 전압을 상승시키게 된다.
직류모선으로 회생된 에너지는 같은 모선에 접속되어 있는 다른 전동차에서 소모된다. 그러나 동일 직류모선에 접속 되어서 주행 중인 전동차가 없거나, 회생된 에너지가 접속된 주행중인 전동차에서 소비되는 양보다 많으면 직류모선의 전압은 점점 상승하고 일정전압 이상이 되면 차량의 제동저항기가 동작하여 회생된 잉여 전기에너지가 열에너지로 소모된다.
회생인버터는 가선전압이 상승되거나 에너지가 열로 낭비되는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것으로, 회생되는 전압으로 인해 직류모선 전압이 예컨대 1850V 이상인 경우 인버터로 작동하여 직류모선의 잉여전력을 3상 교류모선으로 공급하여 전철변전소의 고압배전단에서 소비되어진다.
회생제동하는 전동차가 없거나, 회생되어진 에너지가 주행 중인 전동차에서 전부 사용되는 경우는 회생인버터 동작은 필요 없게 된다. 현재 회생인버터의 기능은 직류측의 전압이 정상이어서 직류측의 에너지를 3상 교류 전력으로 변환할 필요가 없는 경우는 접속되어진 교류측의 전력 품질을 향상시키는 목적으로 사용된다. 즉, AHF(능동형 고조파 필터 및무효전력보상기)로 동작하여 항상 회생인버터를 사용하게 된다.
회생인버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 이용하여 교류 3상 전원을 만들어내는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate bipolar Transistor)로 구성된 전력변환부와 안정적인 직류전압을 공급하기 위한 직류-커패시터로 이루어진다. 또한 회생인버터는 상기 직류-커패시터에 직접 전원측을 연결하게 되면 과도한 충전전류로 인하여 계통전압이 강하 등의 문제점이 발생하므로 충전전류를 조정하여 서서히 직류-커패시터에 충전시키는 프리차지회로, 출력파형을 정형화 하기 위한 리액터 및 필터를 구비한다.
도 1은 종래 직류모선과 회생인버터간의 구성도를 나타내는 도면이다.
첨부도면에 도시된 바와 같이, 직류모선에서 회생된 에너지를 교류로 변환하는 전력변환부(12)의 입력측에는 직류-커패시터(14)가 구비되며, 상기 직류-커패시터(14)와 직류모선(16,18) 사이에는 직류 메인스위치(20)가 연결된다. 그리고 상기 직류 메인스위치(20)에는 직렬로 연결되어 있는 직류 보조스위치(22)와 저항기(24)가 병렬로 연결된다. 전력변환부(12)의 교류측 출력단에는 출력파형을 정형화하고 고주파성분을 차단하기 위한 리액터(26)가 연결되어 있다.
이의 작용을 살펴보면, 회생인버터를 운전시키면 직류 보조스위치(22)가 처음으로 동작하여 저항기(24)를 통해 직류-커패시터(14)에 충전되며, 이때는 저항기(24)를 통하여 전류를 제한해서 충전시키기 때문에 직류전원계통에 영향을 주지 않고 서서히 충전이 이루어진다. 직류-커패시터(14) 양단에 걸리는 전압이 전원 즉 직류전압에 70~90% 정도 되면 직류 메인스위치(20)가 온상태로 접속되어 직류전원측과 직류-커패시터(14)가 회로 쪽으로 완전히 연결되며 전력변환부(12)를 구성하는 IGBT가 PWM 동작을 하여 직류모선(16,18)측의 직류전원을 교류 3상 출력으로 변환하여 교류모선 측으로 전력을 공급하도록 하고 있다.
이와 같이 종래 회생인버터에서는 직류측에만 직류-커패시터(14)에 프리차지회로가 구성되어 있으며, 직류모선에 전압이 없는 경우 프리차지가 되지 않기 때문에 회생인버터의 운전자체가 불가능하여 접속된 교류측의 전력품질 향상을 위하여 AHF(능동형 고조파 필터)나 무효전력보상설비로서의 동작을 할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 직류모선 및 교류모선 양측에서 회생인버터 내부의 직류-캐패서터에 충전이 가능하게 회로를 구성하여, 직류모선의 유지보수와 관계없이 교류모선측 전압으로 프리차지가 가능하도록 함으로 써, 교류모선측의 고주파 제거 및 무효전력보상설비가 가능하여 설비의 운전효율을 향상시킬 수 있도록 된 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터의 충전장치를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 직류모선에서 회생된 에너지를 교류로 변환하는 전력변환부의 직류입력측 양단 사이에는 직류-커패시터가 구비되고, 상기 전력변환부의 3상 교류출력단과 3상 교류모선 사이에는 리액터가 각각 연결되어 이루어진 회생인버터를 구비하고 있는 회생인버터의 커패시터 충전장치에 있어서, 상기 직류-커패시터와 직류모선 사이에는 직류 메인스위치가 연결되고, 상기 직류 메인스위치에는 직렬로 연결되어 있는 직류 보조스위치와 저항기가 병렬로 연결되는 한편, 상기 리액터중에서 2개의 리액터에는 각각 저항기가 병렬로 연결되고, 상기 각 리액터에는 각각의 교류 메인스위치가 직렬로 연결됨과 아울러 상기 각 저항기에는 각각의 교류 보조스위치가 직렬로 연결되어, 상기 직류 메인스위치, 직류 보조스위치, 교류 메인스위치, 및 교류 보조스위치의 접속상태에 따라 상기 직류 커패시터에는 직류모선 또는 교류모선으로부터 공급되는 전원이 충전되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 직류 메인스위치, 직류 보조스위치, 교류 메인스위치, 및 교류 보조스위치는 각각 제어코일의 여자에 따라 구동되도록 이루어지고, 상기 제어코일은 제어기에 의해 구동되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 제어기에는 직류모선 또는 교류모선으로부터 상기 직류 커패시터에 전원을 선택적으로 공급하도록 하는 선택스위치가 추가로 구비된 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 3상 교류모선의 각 리액터중 2개 리액터에만 교류 메인스위치가 연결된 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 제어기는 직류모선의 전원을 직류-커패시터에 충전시키는 경우에는 직류 보조스위치를 온상태로 접속시켜 서서히 충전시키다가 일정전압 충전후 직류 보조스위치를 오프시키면서 직류 메인스위치를 온상태로 접속시켜 직류모선의 접속을 완료한 다음 교류 메인스위치를 온상태로 접속시키는 한편, 교류모선의 전원을 직류-커패시터에 충전시키는 경우에는 각 교류 보조스위치를 온상태로 접속시켜 충전시키다가 일정전압 충전후 교류 보조스위치를 오프시키면서 교류 메인스위치를 온상태로 접속시켜, 전력변환부와 함께 전력변환부의 입출력단에 연결된 직류 커패시터, 리액터 저항기가 교류모선의 능동형 고조파 필터와 무효전력보상기로서 동작되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하 예시도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 회생인버터 커패시터의 충전회로를 도시한 것이다. 첨부도면에 있어서 도 1에 도시된 종래 충전장치의 구성요소와 동일기능을 하는 구성요소에는 동일 참조부호를 부여하여 설명한다.
첨부도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 IGBT로 구성되어 PWM방식으로 3상 전력을 발생시키는 전력변환부(12)의 입력측에는 직류 커패시터(14)가 연결되는 한편 출력측에는 출력파형을 정형화하고 고주파성분을 차단하기 위한 리액터(26)가 연결되어 있다.
상기 직류-커패시터(14)와 직류모선(16,18) 사이에는 직류 메인스위치(30)가 연결되고, 상기 직류 메인스위치(30)에는 직렬로 연결된 직류 보조스위치(32)와 저항기(34)가 병렬로 연결되어 있다.
또한, 상기 리액터(26)에는 3상 교류모선(R상 라인, S상 라인, T상 라인)과의 사이에 교류 메인스위치(36)가 각각 직렬로 연결되고, 상기 3상 교류모선중 2개의 교류모선(예컨대 R상 라인, S상 라인)에서는 리액터(26)와 교류 메인스위치(36)에 대하여 서로 직렬로 연결되어 있는 교류 보조스위치(38)와 저항기(40)가 각각 병렬로 연결되어 있다.
상기 저항기(34,40)는 직류모선(16,18)의 전류를 제한해서 직류-커패시터(14)에 충전시키도록 하여 전원계통에 영향을 주지 않기 위해 프리차지용으로 사용되는 것이다.
상기 직류 메인스위치(30), 직류 보조스위치(32), 교류 메인스위치(36), 및 교류 보조스위치(38)는 각각의 제어코일(30X, 32X, 36X, 38X)의 여자에 따라 구동되도록 이루어진 것이며, 동일 목적으로 사용되는 스위치들은 연동스위치로 구성됨이 바람직하다. 상기 제어코일(30X, 32X, 36X, 38X)은 도 3에 도시된 제어기(42)에 의해 구동되도록 이루어진 것이다.
도 3은 회생인버터 커패시터의 충전을 위한 제어기의 개략적 구성도를 나타낸 것이다.
첨부도면에 도시된 바와 같이, 제어기(42)의 입력측에는 직류-커패시터(14) 에 직류모선으로부터의 직류를 이용하여 충전할 것인지 또는 교류모선으로부터의 교류를 이용하여 충전할 것인지를 선택하기 위한 프리차지 선택스위치(44)가 연결되어 있다.
또한 제어기(42)의 출력측에는 앞서 설명된 제어코일(30X, 32X, 36X, 38X)이 연결되어 있으며, 각 제어코일(30X, 32X, 36X, 38X)들은 제어기(42) 내부에서 그에 대응되는 콘트롤 접점(30C, 32C, 36C, 38C)에 각각 연결되어 있으며, 각 콘트롤 접점(30C, 32C, 36C, 38C)들은 사전에 설정된 프로그램에 따라 그 일부 혹은 전부가 순차적으로 온 또는 오프 상태로 접속상태가 전환된다.
이와 같이 본 발명은 프리차지 선택스위치(44)를 사용하여 직류측과 교류측 프리차지를 선택할 수 있다. 먼저 직류 프리차지로 선택한 경우의 작용에 대하여 설명한다. 프리차지 선택스위치(44)를 직류 프리차지로 선택하게 되면, 이 경우 제어기(42)의 콘트롤 접점(32C)이 온상태로 접속되어 직류 보조스위치(32)의 제어코일(32X)을 여자시켜 직류전류가 저항기(34)를 통해 회생인버터의 직류-커패시터(14)를 서서히 충전시키게 된다. 그 이후 제어기(42)의 콘트롤 접점(30C)이 온상태로 접속되어 직류 메인스위치(30)의 제어코일(30X)을 여자시켜 직류 메인스위치(30)가 온상태로 접속되어 직류모선(16,18)의 접속이 완료되며 그 즉시 제어기(42)의 콘트롤 접점(32C)은 오프되어 직류 보조 스위치(32)는 오프된다. 그 이후 제어기(42)의 콘트롤 접점(36C)이 온상태로 접속되어 교류 메인스위치(36)의 제어코일(36X)을 여자시켜 교류 직류스위치(36)가 온상태로 접속되어 교류모선의 접속이 완료됨으로써 동작 준비완료 상태로 된다.
다음에는 교류 프리차지로 선택한 경우의 작용에 대하여 설명한다. 프리차지 선택스위치(44)를 교류 프리차지로 선택하게 되면 제어기(42)의 콘트롤 접점(38C)이 우선 온상태로 접속된다. 그에 따라 교류 보조스위치(38)의 제어코일(38X)을 여자시켜 교류 보조스위치(38)와 저항기(40)를 통하여 R상 S상이 전력변환부(12) 내측의 IGBT와 접속된다. 이때 제어기(42)는 IGBT를 온상태로 동작시켜 직류-커패시터(14)를 충전시킨다. 이후 제어기(42)의 콘트롤 접점(36C)이 온상태로 접속되어 교류 메인스위치(36)의 제어코일(36X)을 여자시켜 교류 메인스위치(36)가 온상태로 접속되고 제어기(42)의 콘트롤 접점(38C)이 오프되면 교류 보조스위치(38)를 오프시킨다. 그리하여 상기와 같이 교류 메인스위치(36)가 온상태로 접속됨으로써 전력변환부(12)와 함께 직류 커패시터(14)와 리액터(26)가 교류모선(R상,S상,T상 라인)의 전력 품질 개선을 위한 능동형 고조파 필터와 무효전력보상장치로서의 동작 준비를 완료하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명은 직류모선측과 교류모선측 양측에서 회생인버터 동작의 필수적인 프리차지회로를 구성하게 되면, 유지보수 기간 및 전동차 운행시간 이후와 같이 직류모선측의 전원이 없는 경우에도 회생인버터의 동작이 가능하여 교류모선 측의 전력품질 향상 설비로 사용이 가능한 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 직류모선에서 회생된 에너지를 교류로 변환하는 전력변환부의 직류입력측 양단 사이에는 직류-커패시터가 구비되고, 상기 전력변환부의 3상 교류출력단과 3상 교류모선 사이에는 리액터가 각각 연결되어 이루어진 회생인버터를 구비하고 있는 회생인버터의 커패시터 충전장치에 있어서,
    상기 직류-커패시터와 직류모선 사이에는 직류 메인스위치가 연결되고, 상기 직류 메인스위치에는 직렬로 연결되어 있는 직류 보조스위치와 저항기가 병렬로 연결되는 한편, 상기 리액터중에서 2개의 리액터에는 각각 저항기가 병렬로 연결되고, 상기 각 리액터에는 각각의 교류 메인스위치가 직렬로 연결됨과 아울러 상기 각 저항기에는 각각의 교류 보조스위치가 직렬로 연결되어, 상기 직류 메인스위치, 직류 보조스위치, 교류 메인스위치, 및 교류 보조스위치의 접속상태에 따라 상기 직류 커패시터에는 직류모선 또는 교류모선으로부터 공급되는 전원이 충전되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직류 메인스위치, 직류 보조스위치, 교류 메인스위치, 및 교류 보조스위치는 각각 제어코일의 여자에 따라 구동되도록 이루어지고, 상기 제어코일은 제어기에 의해 제어되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어기에는 직류모선 또는 교류모선으로부터 상기 직류 커패시터에 전원을 선택적으로 공급하도록 하는 선택스위치가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서, 상기 제어기는 직류모선의 전원을 직류-커패시터에 충전시키는 경우에는 직류 보조스위치를 온상태로 접속시켜 서서히 충전시키다가 일정전압 충전후 직류 보조스위치를 오프시키면서 직류 메인스위치를 온상태로 접속시켜 직류모선의 접속을 완료한 다음 교류 메인스위치를 온상태로 접속시키는 한편, 교류모선의 전원을 직류-커패시터에 충전시키는 경우에는 각 교류 보조스위치를 온상태로 접속시켜 충전시키다가 일정전압 충전후 교류 보조스위치를 오프시키면서 교류 메인스위치를 온상태로 접속시켜, 회생인버터로 작동하던 전력변환부와 상기 전력변환부의 입출력단에 연결된 직류 커패시터와 리액터가 교류모선의 능동형 고조파 필터와 무효전력보상기로서 동작되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 지하철 변전소의 회생인버터 커패시터 충전장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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