이와 같은 본 발명은 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템에 관한 것으로; 열차속도 정보를 제공하는 열차속도정보 제공수단과, 상기 열차속도정보 제공수단으로부터 입력된 열차속도 정보와 기설정된 드로퍼 간격 정보를 이용하여 인가전압을 연산하여 출력하는 제어수단과, 상기 제어수단에서 제어 출력되는 인가전압에 의해 인장력이 작용하는 압전체가 부착되어 가선으로부터 전력을 공급받는 팬터그래프 헤드를 엑티브 제어하는 압전체 부착 판스프링으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열차속도정보 제공수단은 속도감지센서 또는 열차의 속도를 제어하는 차상제어장치 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어수단은, 상기 열차속도정보 제공수단으로부터 열차속도 정보를 입력받아 기설정된 제어 스케쥴에 따라 판스프링에 부착된 압전체의 인가전압을 조절하는 압전체 인가전압 제어부와, 상기 압전체의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어전원 공급부와, 상기 압전체 인가전압 제어부의 제어신호에 따라 상기 제어전원 공급부의 인가전압을 조정하는 인가전압조정부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 압전체 부착 판스프링은 팬터그래프 헤드를 지지하는 판스프링의 표면에 상기 제어수단으로부터 인가전압이 투입되면 상기 판스프링의 인장력을 변화시키기 위한 압전체가 부착된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 방법에 관한 것으로; 열차 집전장치의 추종특성을 제어하는 제어수단이 열차속도정보 제공수단으로부터 열차속도 정보를 수신받는 단계, 상기 열차속도(V) 정보를 수신받은 제어수단이 기설정된 드로퍼 간격(D)정보를 이용하여 집전장치의 팬터그래프 헤드에 구비되는 압전체 부착 판스프링에 가해야하는 인가전압을 산출하는 단계, 및 상기 인가전압(volt)이 상기 압전체에 인가되면 상기 판스프링에 인장력이 작용하여 상기 판스프링의 고유 진동수가 변화됨에 따라 상기 집전장치의 추종특성이 조절되는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열차속도정보 제공수단은 속도감지센서 또는 열차의 속도를 제어하는 차상제어장치 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템 및 그 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 1은 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 압전체 부착 판스프링의 단면을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 열차 집전장치의 열차속도 대비 인가전압 제어 스케쥴에 따른 추종 특성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 흐름도이다.
먼저, 본 발명은 판스프링에 부착된 압전체에 전압을 인가하면 판스프링에 인장력이 작용하여 판스프링의 고유진동수가 올라가서 추종진폭의 피크가 발생하는 주파수를 상향 조정할 수 있는 원리를 이용한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템은 운전되는 열차속도와, 전차선로에서 전력을 공급하기 위한 가선(10)을 지지하되 일정 간격을 유지하며 설치되어 행거 역할을 하는 드로퍼(12)의 설치간격을 이용하여 집전장치의 추종특성을 액티브 제어하는 시스템으로, 팬터그래프 헤드(100)의 판스프링(112)에 부착된 압전체(114)에 전압을 인가하면 판스프 링(112)에 인장력이 작용하여 판스프링(112)의 고유진동수가 올라가서 추종진폭의 피크가 발생하는 주파수를 상향 조정할 수 있는 원리를 이용한다.
좀 더 상세하게는 전차선로에서 전력을 공급하기 위한 가선(10)을 지지하는 드로퍼(12)의 설치간격이 일정하므로, 열차속도를 알면 드로퍼(12)를 통과하는 경우 발생되는 드로퍼 통과 가진 주파수를 구할 수 있게 된다.
따라서, 열차속도에 따라서 변화되는 드로퍼 통과 가진 주파수에서 집전장치의 추종곡선이 피크(peak)치를 갖도록 열차속도에 따라 압전체(114)에 투입되는 인가전압(volt)을 조절할 수 있게 되는데, 이는 미리 제어 스케쥴을 정할 수 있게 된다.
한편, 열차속도 정보가 입력되면 열차속도 대 압전체 인가전압 제어 스케쥴에 따라서 판스프링(112)에 부착된 압전체(114)에 전압을 인가하여 양호한 집전장치의 추종특성을 확보할 수 있게 된다.
이와 같이 열차속도별로 집전장치의 추종특성을 최고로 하기 위한 압전체(114)의 인가전압(voltage)을 아래의 식들을 이용하여 열차속도 대 압전체 인가전압(voltage) 제어 스케쥴을 작성한다.
먼저, 팬터그래프 헤드(100)의 서스팬션을 패시브(passive) 제어할 열차속도와, 액티브(active) 제어할 최고 열차속도를 정한다. 이때, 상기 집전장치는 도 3에 도시한 바와 같이 추종진폭이 주파수별로 변화되며, 그 드로퍼 통과 가진 주파 수에서 추종 특성곡선의 피크가 발생하도록 하기 위한 팬터그래프 헤드 스프링상수는 다음과 같은 식(1)에 의해 계산된다.
여기에서 k1은 팬터그래프 헤드(100)의 스프링상수(N/m)이고, m1은 팬터그래프 헤드(100)의 집전판의 질량(kg)이고, m2는 집전판 하부의 질량(kg)이고, V는 운행되는 열차속도(m/s)이며, L은 드로퍼의 설치 간격(m)이다.
이와 같은 식(1)은 다음과 같은 식(2)로 정리하여 팬터그래프 헤드(100)의 스프링상수(k1)를 구할 수 있게 된다.
--------------------- (2)
한편, 상기 식(2)를 통해 얻어진 팬터그래프 헤드(100)의 스프링 상수(k1)값을 이용하면, 원하는 강성을 얻기 위하여 판스프링(112)에 가해야 하는 인장력을 다음의 식(3)을 통해 계산할 수 있게 된다.
----------------------(3)
여기서, k
1은 펜터그래프 헤드(100)의 스프링상수(N/m)이고, P는 판스프링(112)의 인장력(N)이고, EI는 판스프링(112)의 굽힘강성(N/m
2)이고, h는 판스프링(112)의 길이(m)이며, 상기 C
1 내지 C
4는 치환된 변수로서,
이고,
이고,
이고,
이다.
상기 식(3)을 통해 판스프링(112)에 가해야 하는 인장력(P)을 구하면, 판스프링(112)의 표면에 부착된 압전체(114)에 인가해야 할 인가전압은 다음과 같은 식(4)을 사용하여 계산할 수 있다.
여기서, P는 판스프링(112)의 인장력(N)이고, d는 압전체 인장 관련 물성이며, E는 압전체(114)에 인가되는 인가전압(volt)이다.
이상과 같이 상기 식(2) 내지 식(4)를 이용하면 열차가 운행할 전 범위의 열차속도(V)별 압전체 인가 전압(E)의 관계를 얻을 수 있고, 이와 같이 계산된 열차속도(V) 대 압전체 인가전압(E)의 제어 스케쥴을 기초로 제어입력인 열차속도에 따라서 압전체 전압을 인가하여 추종특성을 개선할 수 있게 된다.
이와 같은 열차속도(V) 대 압전체 인가전압(E)의 제어 스케쥴에 따른 추종특성은 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 열차속도에 따라 압전체(114) 인가전압은 비례하여 증가하게 되고, 압전체(114) 인가전압의 증가에 따라 좌측에서 우측으로 피크 주파수가 증가함을 알 수 있다.
이와 같은 제어 스케쥴을 이용하여 집전장치의 추종특성을 개선하기 위해서는 도 1에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템을 이용하게 된다.
이에 의하면 본 발명에 따른 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 시스템은 열차속도 정보를 제공하는 열차속도정보 제공수단(120)과, 그 열차속도정보 제공수단(120)으로부터 입력된 열차속도 정보와 기설정된 드로퍼 간격 정보를 이용하여 연산된 제어 스케쥴에 따라 전압을 출력하는 제어수단(130)과, 상기 제어수단(130)에서 제어 출력되는 인가전압에 의해 인장력이 작용하는 압전체(114)가 부착되어 가선(10)으로부터 전력을 공급받는 팬터그래프 헤드(100)를 엑티브 제어하는 압전체 부착 판스프링(110)으로 이루어진다.
상기 제어수단(130)은 열차속도정보 제공수단(120)을 통해 열차속도 정보를 입력받아 기설정된 제어 스케쥴에 따라 판스프링(112)에 부착된 압전체(114)의 인가전압을 조절하는 압전체 인가전압 제어부(132)와, 상기 압전체(114)의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어전원 공급부(134)와, 상기 압전체 인가전압 제어부(132)의 제어신호에 따라 상기 제어전원 공급부(134)의 인가전압을 조정하는 인가전압조정부(136)로 이루어진다.
이때, 상기 압전체 인가전압 제어부(132)는 제어 스케쥴이 저장되는 메모리(미도시됨)를 가지고 있어 열차속도정보 제공수단(120)으로부터 실시간으로 열차속 도 정보가 입력되면 비교연산과정을 거쳐 압전체 인가전압을 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.
한편, 상기 압전체 부착 판스프링(110)은 도 3을 참고하면 열차가 운행되는 경우 드로퍼 통과 가진 주파수의 변화에 맞추어 팬터그래프 헤드(100)를 지지하는 판스프링(112)의 인장력을 변화시켜서 집전장치인 팬터그래프가 열차 주행 중 항시 양호한 추종 특성을 갖도록 하기 위해 판스프링(112)의 표면(表面)에 압전체(114)를 부착하여서 이루어진다.
그리고, 상기 열차속도정보 제공수단(120)은 일반적으로 열차에 설치되는 속도감지센서 또는 그 속도감지센서에 의해 계측된 열차속도 정보를 가지고 열차의 견인력 및 제동력을 제어하는 차상제어장치 중에 어느 하나로 이루어져, 그와 같은 속도감지센서 또는 차상제어장치의 정보를 제어수단(130)에 전송해주어 제어 스케쥴에 따라 압전체(114)의 인가전압(volt)을 조정하여 판스프링(112)의 인장력을 조정할 수 있도록 한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참고로 본 발명에 따른 열차 집전장치의 액티브 제어 과정을 설명한다.
본 발명에 의한 열차 집전장치의 추종특성 액티브 제어 방법은, 열차 집전장치의 추종특성을 제어하는 제어수단(130)이 열차속도정보 제공수(120)단으로부터 열차속도 정보를 수신받는 단계, 상기 열차속도(V) 정보를 수신받은 제어수단130)이 기설정된 드로퍼 간격(D)정보를 이용하여 집전장치의 팬터그래프 헤드(100)에 구비되는 압전체 부착 판스프링(110)에 가해야하는 인가전압을 산출하는 단계, 및 상기 인가전압(volt)이 상기 압전체에 인가되면 상기 판스프링(110)에 인장력이 작용하여 상기 판스프링(110)의 고유 진동수가 변화됨에 따라 상기 집전장치의 추종특성이 조절되는 단계로 이루어지는 데 열차 집전장치의 액티브 제어 과정을 구체적으로 설명하면,
먼저, 차량의 속도별 인가전압 제어 스케쥴을 작성하여 제어수단(130)의 메모리에 기저장하게 된다. 즉, 차량의 속도정보와 드로퍼(12) 간격정보 및 이들 정보를 이용하여 팬터그래프 헤드(100)의 스프링 상수(k1)값을 연산하고, 그 값들을 이용하여 판스프링(112)에 가해야 하는 인장력을 계산하고, 그 인장력을 이용하여 압전체(114)에 가해야 하는 인가전압을 계산하는 일련의 제어 스케쥴을 미리 메모리에 확보하게 된다.(S200)
상기 단계(S200)를 통해 제어 스케쥴이 설정된 상태에서 상기 제어수단(130)은 열차속도정보 제공수단(120)으로부터 열차속도 정보를 수신받게 된다. 이때, 상기 열차속도정보 제공수단(120)인 속도감지센서 또는 차상제어장치로부터 열차속도 정보를 실시간으로 전송받게 된다.(S210)
상기 단계(S210)를 통해 열차속도(V) 정보를 전송받은 제어수단(130)은 압전체 인가전압 제어부(132)의 메모리에 기저장된 드로퍼 간격(D)정보를 이용하여 제어 스케쥴에 따라 압전체(114)에 인가하기 위한 인가전압(volt)을 산출하게 된다.(S220)
상기 단계(S220)를 통해 인가전압(volt)을 산출한 제어수단(130)의 압전체 인가전압 제어부(132)는 그에 따른 제어신호를 인가전압조정부(136)에 투입하여 압 전체(114)의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어전원 공급부(134)에서 출력되는 인가전압을 제어하여 압전체(114)에 가하게 된다. 이와 같은 압전체 인가전압에 따라 압전체 부착 판스프링(110)은 그 인장력이 변화되면서 집전장치인 팬터그래프가 열차 주행 중 항시 양호한 추종 특성을 갖게 된다.(S230)
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.