KR100972581B1 - 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템 - Google Patents

고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템 Download PDF

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고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템이 개시된다. 본 발명의 전동차의 전기제동 시스템은, 견인전동기; 견인전동기의 구동을 제어하는 인버터; 견인전동기와 인버터 사이에 접속되는 적어도 하나의 저항; 견인전동기와 인버터 사이에 접속되고, 적어도 하나의 저항을 단락시키는 적어도 하나의 단락접촉기; 및 전동차의 전기제동시, 견인전동기의 일정 토크 운전영역을 확대하도록, 적어도 하나의 단락접촉기의 구동을 제어하는 전기제동 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 인버터의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있다.
전동차, 전기제동, 공기제동, 회생전력, 일정 토크 운전영역, 고속영역

Description

고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템{ELECTRIC BRAKING SYSTEM SECURING ELECTRIC BRAKING FORCE AT HIGH SPEED FOR ELECTRIC RAIL CAR}
본 발명은, 전동차의 전기제동 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일정 토크 운전영역을 확대하여 고속영역에서 충분한 전기제동력 확보가 가능한 전동차의 전기제동 시스템에 관한 것이다.
최근에 철도차량, 특히 지하철이 대중교통의 중요한 수단으로 발전하게 됨에 따라 승객의 편의 증진과 안전을 위해 전동차의 운전의 신뢰성이 높게 요구되는 한편, 전동차의 성능향상을 통한 보다 안정적이고 경제적인 전동차의 운영이 요구되고 있다.
일반적으로, 전동차의 구동을 제어하는 방식에는, 저항 제어, 초퍼 제어 및 인버터 제어 방식 등이 있다. 여기서, 저항 제어와 초퍼 제어는 직류전동기를 견인전동기로 사용하는 반면, 인버터 제어는 교류전동기를 견인전동기로 사용한다.
교류전동기는 직류전동기에 비해 상대적으로 제어하기 어렵지만, 최근 전기전자전기제동 제어기술 및 반도체기술의 발전에 힘입어 정밀한 제어가 가능해져 전 동차의 견인전동기로 도입되었으며, 직류전동기와 달리 기계적인 마찰이 발생하는 정류자와 브러시가 없어 유지보수 측면 등에서 유리한 점이 있다. 이에 따라, 최근 생산되는 전동차는 대부분은 교류전동기를 견인전동기로 사용하는 인버터 제어 방식을 채용하고 있다.
한편, 전동차의 제동 방식은 크게 전기제동과 공기제동으로 구분되는데, 전기제동은 견인전동기를 발전기를 작동시켜 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 제동력을 얻는 방식이고, 공기제동은 공기압력에 의한 디스크의 마찰을 이용하여 제동력을 얻는 방식을 말한다.
또한, 전기제동은, 제동시 발생하는 전력을 제동저항기를 통해 열에너지로 변환하여 외부로 발산함으로써 제동력을 얻는 발전제동과, 제동시 발생하는 전력을 가선으로 보내어 주위에 주행 중인 다른 전동차에 인가하거나 전기에너지 저장장치에 충전함으로써 제동력을 얻는 회생제동으로 구분된다.
통상적으로, 전동차는 감속할 때, 전기제동과 공기제동을 병행하고 사용하고 있는데, 공기제동은 제동부품의 마모 및 이로 인한 소음 및 분진을 발생시켜 궁극적으로 유지보수비용의 증가와 전동차의 성능 저하를 초래하므로, 가능하다면 전동차의 제동에 있어서 공기제동의 사용의 기회를 줄이는 것이 바람직하다.
한편, 종래의 인버터 제어 방식의 전동차는 고속영역에서 감속할 때 전기제동력의 부족부분을 공기제동으로 보충하는 방법을 사용하고 있는데, 이는 인버터의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서는 견인전동기의 단자전압이 인버터의 최대출력전압에 의해 제한되어 일정 토크 운전영역을 벗어나기 때문이다. 이처럼 일정 토크 운전영역을 벗어나면 자속 제어(약계자 제어)를 하여야 하는데, 이러한 자속 제어에서는 견인전동기의 유기기전력에 상응하는 충분한 전기제동력이 확보되지 않는다.
결국, 종래의 인버터 제어 방식의 전동차는 고속영역에서 감속할 때 전기제동과 함께 공기제동을 반드시 사용하여야 하므로, 앞에서 언급한 바와 같이 공기제동의 사용에 의한 문제점을 야기한다. 이때, 고속영역에서 공기제동시 발생하는 제동부품의 마모 및 이로 인한 소음 및 분진은 저속영역보다 훨씬 크기 때문에 그 문제점은 더욱 심각해진다.
아울러, 고속영역에 대한 제동에너지는 저속영역에 비하여 매우 크기 때문에 전기제동의 사용에 있어서 고속영역으로 확대할 수 있다면 회생에너지의 활용효과 극대화할 수 있는바, 고속영역에서 충분한 전기제동력을 확보할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은, 인버터의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있는 전동차의 전기제동 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 견인전동기; 상기 견인전동기의 구동을 제어하는 인버터; 상기 견인전동기와 상기 인버터 사이에 접속되는 적어도 하나의 저 항; 상기 견인전동기와 상기 인버터 사이에 접속되고, 상기 적어도 하나의 저항을 단락시키는 적어도 하나의 단락접촉기; 및 상기 전동차의 전기제동시, 상기 견인전동기의 일정 토크 운전영역을 확대하도록, 상기 적어도 하나의 단락접촉기의 구동을 제어하는 전기제동 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 전기제동 제어기는, 전기제동 지령이 입력되면, 상기 견인전동기의 단자전압이 상승하도록, 상기 적어도 하나의 단락접촉기를 개방시킬 수 있다.
상기 전기제동 제어기는, 전기제동 지령이 입력되고 상기 인버터의 출력전압이 최대출력전압인 경우에 한하여, 상기 적어도 하나의 단락접촉기를 개방시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 저항은 상호 직렬 접속되는 상기 복수개의 저항이고, 상기 적어도 하나의 단락접촉기는 상기 복수개의 저항을 단락시키는 복수개의 단락접촉기이며, 상기 전기제동 제어기는, 전기제동 지령이 입력되면, 상기 복수개의 단락접촉기를 모두 개방시킨 이후에, 상기 개방된 복수개의 단락접촉기를 순차적으로 단락시킬 수 있다.
상기 견인전동기의 회전속도를 검출하는 속도검출기를 더 포함하고, 상기 전기제동 제어기는, 상기 속도검출기에 의해 검출되는 회전속도에 기초하여 상기 개방된 복수개의 단락접촉기를 순차적으로 단락시킬 수 있다.
상기 복수개의 저항은, 제1 저항; 상기 제1 저항과 제1 연결단에 의해 접속되는 제2 저항; 및 상기 제2 저항과 제2 연결단에 의해 접속되는 제3 저항을 포함 하고, 상기 복수개의 단락접촉기는, 상기 인버터의 출력단과 상기 제1 연결단 사이에 접속되는 제1 단락접촉기; 상기 인버터의 출력단과 상기 제2 연결단 사이에 접속되는 제2 단락접촉기; 및 상기 인버터의 출력단과 상기 견인전동기의 입력단 사이에 접속되는 제3 단락접촉기를 포함할 수 있다.
상기 견인전동기는, 영구자석형 견인전동기일 수 있고, 상기 전기제동은, 회생제동일 수 있으며, 상기 인버터는, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터일 수 있다.
본 발명은, 전동차의 전기제동시 견인전동기와 인버터 사이에 저항을 전기적으로 연결함으로써, 인버터의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있으므로 공기제동을 생략할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 전동차의 전기제동 시스템에서 일정 토크 운전영역의 확대를 설명하기 위한 벡터도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(100)은, 견인전동기(110)와, 견인전동기(110)의 구동을 제어하는 인버터(120)와, 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 접속되는 저항(R)과, 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 접속되고 저항(R)을 단락시키기 위한 단락접촉기(S)와, 전동차의 전기제동시 단락접촉기(S)의 구동을 제어하는 전기제동 제어기(130)를 구비한다.
도 1을 참조하면, 견인전동기(110)는, 전동차에 구동력을 제공하는 수단으로, 전동차의 동륜을 구동하여 전동차를 주행시킨다. 본 실시예에서는 견인전동기(110)로 최근 전동차에서 많이 채용되고 있는 영구자석동기전동기(PMSM)가 사용된다.
영구자석동기전동기는 교류전동기 중 하나로, 3상 권선으로 권선수가 정현파 형태로 구성되는 고정자(전기자)와, 영구자석으로 N-S 자속을 발생시키는 회전자를 구비하는데, 다른 교류전동기와 마찬가지로 직류전동기에서 요구되는 정류자와 브러시가 생략되어 유지보수비용이 저렴하고 직류전동기 대비 크기에 비해 출력이 크다는 이점을 갖는 동시에, 회전자가 영구자석이므로 회전자의 부피와 무게가 상대적으로 작아 관성이 감소하므로 속도응답성이 우수하다는 이점을 갖는다.
다만, 본 발명에서 견인전동기(110)는 영구자석동기전동기에 한정되지 아니하며, 유도전동기, 동기전동기 등의 다른 교류전동기가 견인전동기(110)로 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 전동차의 전기제동시, 견인전동기(110)는 발전기로 변환되어 전력을 발생시킨다. 여기서, 전기제동이란, 견인전동기(110)로의 전력 공급을 멈추어 통상의 구동을 정지해 통상의 차륜의 회전을 반대로 견인전동기(110)에 입력하는 형태로 전달하는 것으로, 견인전동기(110)를 발전기로 작동시켜 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 제동력을 얻는 제동 방식이다.
이러한 전기제동은, 제동시 발생하는 전력을 제동저항기를 통해 열에너지로 변환하여 외부로 발산함으로써 제동력을 얻는 발전제동과, 제동시 발생하는 전력을 가선으로 보내어 주위에 주행 중인 다른 전동차에 인가하거나 전기에너지 저장장치에 충전함으로써 제동력을 얻는 회생제동으로 구분된다.
종래에 많이 사용되던 발전제동은 제동시 발생하는 전력을 제동저항기를 통해 열에너지로 발산하기 때문에 지하터널의 온도상승을 유발시키고 에너지의 효율적인 사용을 기대하기 어렵다는 단점이 있으므로, 최근 전동차에서는 에너지의 효율적인 사용을 기대할 수 있는 회생제동 방식을 많이 채용하고 있다.
본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(100)은, 고속영역에 대해서도 충분한 전기제동력을 확보하기 위한 것으로, 회생제동 방식을 채용하고 있는데, 이는 고속영역에서 전기제동시 발생하는 전력은 저속영역에 비해 상대적으로 매우 크므로 회생제동 방식을 채용할 때 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(100)의 효용성이 더욱 증가하기 때문이다. 다만, 본 발명은 회생제동 방식의 전기제동 시스템에 한정되지 아니하며, 발전제동 방식의 전기제동 시스템에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 인버터(120)는, 직류전력을 교류전력으로 변환하는 장치로, 견인전동기(110)의 구동을 제어한다. 본 실시예에 사용되는 인버터(120)는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터로, 전동차의 상단부에 마련된 판토그래프(pantograph, 집전기)를 통해 입력되는 직류전력을 요구되는 전압과 주파수를 갖는 교류전력으로 변환하여 이를 견인전동기(110)에 인가함으로써 견인전동기(110)의 구동을 제어한다. 이때, 견인전동기(110)의 속도 및 토크는 인버터(120)에 의해 결정되는 전압과 주파수에 의해 제어된다. 한편, 판토그래프를 통해 교류전력이 입력되는 경우에는 교류전력이 컨버터(미도시)에 의해 직류전력으로 변환된 후 인버터(120)에 입력된다.
한편, 인버터(120)는, 전동차의 전기제동시 인버터(120)의 최대출력전압 내에서 견인전동기(110)가 일정 토크 운전영역 내에서 운전되도록 견인전동기(110)의 구동을 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 일정 토크 운전영역을 벗어나는 운전영역에서는 자속 제어(약계자 제어)를 하여야 하는데, 이러한 자속 제어에서는 충분한 전기제동력이 확보되지 않기 때문이다. 이때, 부족한 전기제동력은 공기제동력으로 보충해야하는데, 이에 따라 공기제동의 사용에 의한 문제점이 야기된다.
여기서, 견인전동기(110)의 일정 토크 운전영역이란, 자속이 일정하여 토크가 일정하게 발생하는 운전영역을 말하는데, 일정 토크 운전영역에서는 견인전동기(110)의 속도가 증가함에 따라 전압 및 전력이 증가하는 특성을 갖는다. 이에 따라, 인버터(120)는 견인전동기(110)에 인가되는 전압의 크기를 제어함으로써, 견인전동기(110)의 속도를 제어할 수 있다.
도 1을 참조하면, 저항(R)은, 전동차의 전기제동시 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 전기적으로 연결되어 견인전동기(110)의 단자전압을 상승시키는데, 이는 전동차의 전기제동 상태에서는 저항(R)에 의해 전압강하가 이루어지므로 견인전동기(110)의 단자전압은 인버터(120)의 출력전압에 저항(R)에 의한 강하전압이 더해지기 때문이다. 이에 따라, 전동차의 전기제동시 견인전동기(110)의 단자전압은 인버터(120)의 최대출력전압에 제한되지 않으며, 인버터(120)의 최대출력전압을 초과할 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 단락접촉기(S)는, 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 직렬 접속되는 저항(R)을 단락시키기 위한 수단으로, 일종의 스위칭소자이다. 단락접촉기(S)는 전기제동 제어기(130)의 제어신호에 응답하여 구동(단락 또는 개방)되는데, 단락접촉기(S)의 단락시 저항(R)은 단락되어 전기적으로 제거되고, 단락접촉기(S)의 개방시 저항(R)은 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 전기적으로 연결된다.
전동차의 기동시에는 단락접촉기(S)가 단락 상태를 유지하는데, 이는 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이의 저항(R)은, 전동차의 전기제동시 일정 토크 운전영역을 확대하여 고속영역에서 충분한 전기제동력을 확보하는 기능을 수행하지만, 전동차의 기동시에는 저항(R)에서 전력이 소비되므로 전체 시스템의 에너지 효율을 떨어뜨리기 때문이다.
도 1을 참조하면, 전기제동 제어기(130)는, 전동차의 전기제동시 단락접촉기(S)의 구동을 제어하는 수단으로, 마이크로 프로세서(micro-processor) 등으로 구현된다. 구체적으로, 전기제동 제어기(130)는 전기제동 지령이 입력되면 단락접촉기(S)를 개방시켜 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 저항(R)을 전기적으로 연결함으로써, 견인전동기(110)의 단자전압을 상승시켜 일정 토크 운전영역을 확대한다.
이때, 전기제동 제어기(130)는 인버터(120)의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 전동차의 전기제동시에 한하여, 즉 인버터(120)의 출력전압이 최대출력전압인 경우(인버터(120)의 출력전압이 포화된 경우)에 한하여 단락접촉기(S)를 개방시켜 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 저항(R)을 전기적으로 연결하는 것이 바람직하다. 이는 인버터(120)의 최대출력전압을 넘지 않는 속도영역에서는 굳이 저항(R)을 전기적으로 연결하지 않아도 일정 토크 운전영역의 전기제동력이 확보되기 때문이다.
이하, 전동차의 전기제동시 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 전기적으로 연결되는 저항(R)에 의해 일정 토크 운전영역이 고속영역으로 확대되는 원리를 도 2를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 2에 도시된 기호에 대한 설명을 다음과 같다.
Vmax : 인버터의 최대출력전압
iq : q축 전류
id : d축 전류
R0 : 견인전동기의 전기자 자체저항
: 견인전동기의 각속도
EMF : 견인전동기의 유기기전력
도 2를 참조하면, 운전점 A는 전동차의 전기제동시 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 전기적으로 연결되는 저항(R)에 의해 확대된 일정 토크 운전영역의 최대 운전점이다. 구체적으로, 운전점 A는 견인전동기(110)의 유기기전력(EMF)이 인버터(120)의 최대출력전압(Vmax)을 넘어서는 고속영역에 해당하는 운전점으로, 종래의 전기제동 시스템에서는 견인전동기(110)의 단자전압이 인버터(120)의 최대출력전압(Vmax)에 제한되므로 일정 토크 운전영역을 벗어나는 운전점이지만, 본 실시예에 따른 전기제동 시스템에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기제동시 저항(R)에 의한 전압강하로 인해 d축 전류가 '0'이고 q축 전류가 동일한 운전점 B로 이동하게 되므로, 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있는 운전점이 된다.
다시 말해서, 본 실시예에 따른 전기제동 시스템은, 운전점 A가 견인전동기(110)의 유기기전력(EMF)이 인버터(120)의 최대출력전압(Vmax)을 벗어나는 고속영역에 해당하는 운전점임에도 불구하고, 전기제동시 저항(R)에 의한 전압강하로 인해 견인전동기(110)의 단자전압이 상승하기 때문에, 일정 토크 운전영역이 고속영역으로 확대되어 인버터(120)의 최대출력전압 내에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있다. 이때, 견인전동기(110)의 단자전압은 견인전동 기(110)의 유기기전력(EMF)에서 견인전동기(110)의 전기자 자체저항(R0)에 의한 전압강하를 뺀 값을 갖는다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(100)은, 전동차의 전기제동시 견인전동기(110)와 인버터(120) 사이에 저항(R)을 전기적으로 연결함으로써, 인버터(120)의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보할 수 있으므로 공기제동을 생략할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(100)은, 고속영역에서 전기제동만으로도 충분한 제동력을 발휘하기 때문에, 공기제동을 병행하지 않음으로써 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전기제동 시스템은, 고속영역에서 기계적인 마찰을 이용하는 공기제동을 사용하지 않음으로써, 공기제동시 발생하는 제동부품의 마모와 이로 인한 소음 및 분진을 억제할 수 있으므로, 궁극적으로 전동차의 성능향상과 환경적인 측면에 기여할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3의 전동차의 전기제동 시스템에서 일정 토크 운전영역의 확대 및 저항의 순차적인 단락 방법을 설명하기 위한 벡터도이다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템을 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)은, 견인전동기(210)와, 견인전동기(210)의 구동을 제어하는 인버터(220)와, 견인전동 기(210)와 인버터(220) 사이에 접속되는 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)과, 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 접속되고 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)을 단락시키기 위한 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)와, 전동차의 전기제동시 견인전동기(210)의 회전속도를 검출하기 위한 속도검출기(240)와, 전동차의 전기제동시 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)의 구동을 제어하는 전기제동 제어기(230)를 구비한다.
한편, 본 실시예는 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)과 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)를 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 저항 및 단락접촉기의 개수는 본 발명이 적용되는 전동차의 시스템 특성에 따라 적절하게 선택 변경될 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)은, 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에서 상호 직렬 접속되는 제1 저항(Ra), 제2 저항(Rb) 및 제3 저항(Rc)으로 구성되는데, 전술한 실시예와 마찬가지로, 인버터(220)의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 전동차의 전기제동시 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 전기적으로 연결되어 견인전동기(210)의 단자전압을 상승시켜 일정 토크 운전영역을 확대하는 기능을 담당한다.
도 3을 참조하면, 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)는, 인버터(220)의 출력단과 제1 연결단 사이에 접속되는 제1 단락접촉기(Sa)와, 인버터(220)의 출력단과 제2 연결단 사이에 접속되는 제2 단락접촉기(Sb)와, 인버터(220)의 출력단과 견인전동기(210)의 입력단 사이에 접속되는 제3 단락접촉기(Sc)로 구성된다. 여기서, 제1 연결단은 제1 저항(Ra)과 제2 저항(Rb) 사이의 연결단을 의미하고, 제2 연결단은 제2 저항(Rb)과 제3 저항(Rc) 사이의 연결단을 의미한다.
위와 같은 회로 구성에 의해, 제1 단락접촉기(Sa)는 제1 저항(Ra)을, 제2 단락접촉기(Sb)는 제1 저항(Ra) 및 제2 저항(Rb)을, 제3 단락접촉기(Sc)는 모든 저항들(제1 저항(Ra), 제2 저항(Rb) 및 제3 저항(Rc))을 단락시키는 기능을 수행한다.
한편, 전동차의 기동시에는, 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc) 모두 단락되어 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이의 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)이 모두 전기적으로 제거된 상태(단락 상태)를 유지한다.
도 3을 참조하면, 속도검출기(240)는, 통상적으로 견인전동기(210)의 회전축에 마련되는 엔코더(미도시)나 별도의 속도센서 등으로 구현될 수 있으며, 전동차의 전기제동시 견인전동기(210)의 회전속도를 미리 정해진 시간 간격으로 검출하여 전기제동 제어기(230)에 입력한다.
도 3을 참조하면, 전기제동 제어기(230)는, 전동차의 전기제동시 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)의 구동을 제어하는 수단으로, 전기제동 지령이 입력되면 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)를 모두 개방시킨 이후에 개방된 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)를 순차적으로(제1 단락접촉기(Sa), 제2 단락접촉기(Sb) 및 제3 단락접촉기(Sc) 순서로) 단락시킨다.
한편, 전기제동 제어기(230)는, 전기제동 지령이 입력되어 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)를 모두 개방시킨 이후에 개방된 3개의 단락접촉기(Sa,Sb,Sc)를 순차적으로 단락시키는 시점을 결정하는데 있어서, 견인전동기(210)의 회전속도에 기초한다. 구체적으로, 전기제동 제어기(230)는 속도검출기(240)에 의해 검출되는 견인 전동기(210)의 회전속도를 입력받고 이를 기초하여 미리 정해진 속도간격에 인버터(220)의 DC입력전압을 보상함으로써 3개의 접촉자의 순차적인 단락 시기를 계산한다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)은, 전동차의 전기제동시 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)을 전기적으로 연결한 후에 견인전동기(210)의 회전속도에 기초하여 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)을 순차적으로 단락시킨다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)은, 인버터(220)의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역에서 일정 토크 운전영역의 충분한 전기제동력을 확보하면서도, 저항에서 불필요하게 소비되는 전력을 최소화하여 전체 시스템의 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)은, 전기제동이 진행됨에 따라 감소하는 견인전동기(210)의 회전속도를 반영하여 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 해당 회전속도에 상응하는 저항만이 전기적으로 연결될 수 있도록 하여 불필요하게 저항에서 소비되는 전력을 최소화할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)에서, 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)의 순차적인 단락에 의해 얻어지는 효과를 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 한편, 본 실시예에서 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)에서 일정 토크 운전영역이 고속영역으로 확대되는 원리는 전술한 실시예와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다. 먼저, 도 4에 도시된 기호에 대한 설명을 다음 과 같다.
Vmax : 인버터의 최대출력전압
iq : q축 전류
id : d축 전류
Rabc : Ra + Rb + Rc
Rbc : Rb + Rc
b : 운전점 B에서 견인전동기의 각속도
c : 운전점 C에서 견인전동기의 각속도
e1 : 운전점 B에서 견인전동기의 유기기전력
e2 : 운전점 C에서 견인전동기의 유기기전력
V1 : 운전점 B에서 인버터의 출력전압
V2 : 운전점 C에서 인버터의 출력전압
V3 : 운전점 D에서 인버터의 출력전압
도 4를 참조하면, 운전점 B와 운전점 C는 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 전기적으로 연결된 저항(Rabc)이 동일하면서 견인전동기(210)의 회전속도가 다른 운전점인데, 운전점 B와 운전점 C는 견인전동기(210)의 토크가 동일한 운전점이 므로 운전점 B에서 운전하고 있는 견인전동기(210)를 일정 토크 제동으로 감속하면 운전점 C에서 운전할 수 있다. 이때, 견인전동기(210)의 유기기전력은 e1에서 e2로 감소하고 인버터(220)의 출력전압은 V1에서 V2로 감소한다. 참고로, 도 4는 견인전동기(210)의 전기자 자체저항에 의한 전압강하를 무시한 벡터 관계를 도시하고 있다.
그리고, 운전점 C에서 운전 중일 때 제1 단락접촉기(Sa)를 단락시키면 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 전기적으로 연결되는 저항이 Rabc에서 Rbc로 감소하여 저항에 의한 전압강하가 감소하므로 운전점 D에서 운전할 수 있다. 이때, 인버터(220)의 출력전압은 V2에서 V3로 증가하여 인버터(220)의 최대출력전압값에 도달한다.
그 다음, 전동차의 전기제동이 진행됨에 따라 견인전동기(210)의 회전속도가 감소하여 견인전동기(210)의 유기기전력이 점차적으로 감소하면, 제2 단락접촉기(Sb) 및 제3 단락접촉기(Sc)를 순차적으로 단락시켜 최종적으로 견인전동기(210)와 인버터(220) 사이에 모든 저항을 전기적으로 제거한다.
도 4에 도시된 운전점 B, C 및 D에서의 벡터 관계를 통해 알 수 있듯이, 본 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템(200)은, 인버터(220)의 최대출력전압을 넘어서는 고속영역으로 일정 토크 운전영역을 확대하여 충분한 전기제동력을 확보할 수 있는 한편, 3개의 저항(Ra,Rb,Rc)을 견인전동기(210)의 회전속도에 기초하여 순차적으로 단락시킴으로써 전술한 바와 같이 저항에서 불필요하게 소비되는 전력 을 최소화함은 물론, 견인전동기(210)가 항상 인버터(220)의 최대출력전압 범위에서 운전될 수 있으므로 전기제동시 발생하는 회생전력을 증대시켜 회생전력의 활용효과를 극대화할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 전동차의 전기제동 시스템에서 일정 토크 운전영역의 확대를 설명하기 위한 벡터도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동차의 전기제동 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 전동차의 전기제동 시스템에서 일정 토크 운전영역의 확대 및 저항의 순차적인 단락 방법을 설명하기 위한 벡터도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100,200 : 전동차의 전기제동 시스템
110,210 : 견인전동기
120.220 : 인버터
130,230 : 전기제동 제어기
240 : 속도검출기

Claims (9)

  1. 견인전동기;
    상기 견인전동기의 구동을 제어하는 인버터;
    상기 견인전동기와 상기 인버터 사이에 접속되는 적어도 하나의 저항;
    상기 견인전동기와 상기 인버터 사이에 접속되고, 상기 적어도 하나의 저항을 단락시키는 적어도 하나의 단락접촉기; 및
    전동차의 전기제동시, 상기 견인전동기의 일정 토크 운전영역을 확대하도록, 상기 적어도 하나의 단락접촉기의 구동을 제어하는 전기제동 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기제동 제어기는,
    전기제동 지령이 입력되면, 상기 견인전동기의 단자전압이 상승하도록, 상기 적어도 하나의 단락접촉기를 개방시키는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기제동 제어기는,
    전기제동 지령이 입력되고 상기 인버터의 출력전압이 최대출력전압인 경우에 한하여, 상기 적어도 하나의 단락접촉기를 개방시키는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항은 상호 직렬 접속되는 복수개의 저항이고,
    상기 적어도 하나의 단락접촉기는 상기 복수개의 저항을 단락시키는 복수개의 단락접촉기이며,
    상기 전기제동 제어기는,
    전기제동 지령이 입력되면, 상기 복수개의 단락접촉기를 모두 개방시킨 이후에, 상기 개방된 복수개의 단락접촉기를 순차적으로 단락시키는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 견인전동기의 회전속도를 검출하는 속도검출기를 더 포함하고,
    상기 전기제동 제어기는,
    상기 속도검출기에 의해 검출되는 회전속도에 기초하여 상기 개방된 복수개의 단락접촉기를 순차적으로 단락시키는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 저항은,
    제1 저항;
    상기 제1 저항과 제1 연결단에 의해 접속되는 제2 저항; 및
    상기 제2 저항과 제2 연결단에 의해 접속되는 제3 저항을 포함하고,
    상기 복수개의 단락접촉기는,
    상기 인버터의 출력단과 상기 제1 연결단 사이에 접속되는 제1 단락접촉기;
    상기 인버터의 출력단과 상기 제2 연결단 사이에 접속되는 제2 단락접촉기; 및
    상기 인버터의 출력단과 상기 견인전동기의 입력단 사이에 접속되는 제3 단락접촉기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 견인전동기는, 영구자석형 견인전동기인 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기제동은, 회생제동인 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터인 것을 특징으로 하는 고속 영역에서 전기제동력을 확보하기 위한 전동차의 전기제동 시스템.
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