KR101169342B1

KR101169342B1 - 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템

Info

Publication number: KR101169342B1
Application number: KR1020090085746A
Authority: KR
Inventors: 김길동; 이한민; 오세찬; 정의진
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2012-07-30
Also published as: KR20110027927A

Abstract

본 발명은 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템에 관한 것으로; 전동차에 탑재되되 팬토그라프를 통해 공급되는 가선 AC전원을 직류전원으로 변환하는 변압기 및 PWM컨버터와, 상기 PWM컨버터를 거쳐 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부와, 상기 필터부를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장하는 저장부와, 상기 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 충전모드 또는 전력모드로 개폐 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터와, 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 저장부 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 DC/DC 필터와, 상기 필터부의 인가전압을 검출하는 전압검출부와, 상기 전압검출부에서 검출된 인가전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 개폐를 제어하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 전동차의 회생제동시에 발생하는 회생전력을 적절한 크기의 DC전압으로 변환하여 전기적인 에너지 자체로 저장하고 전동차로 공급되는 전원이 기준전압 이하로 내려가는 경우 저장된 전기에너지를 제공하는 구성을 통해 순간적으로 발생하는 회생에너지에 대하여 신속한 대응이 가능하여 전동차의 여타 시스템이 불안정해지는 것을 방지하는 효과가 있으며, 특히 운행구간이 짧아 가선전압의 변동이 상대적으로 큰 도시철도 구간에서 전체 도시철도 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 증가시키는 효과가 있다.

전동차, 회생전력, 커패시터, DC/DC 컨버터

Description

교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템 { Restoration-electric power storage system of AC electric railway car }

본 발명은 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 설명하면, 가선을 통해 교류전원을 공급받는 전동차에 탑재되어 전동차를 제동하기 위해 회생 제동을 하는 경우 발생하는 회생전력을 직접 공급받아 저장하고 필요에 따라 이를 다시 전동차 인버터에 직접 공급하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템에 관한 것이다.

최근 선로를 따라 이동하는 전동차를 제동시키기 위한 제동방식으로 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속을 하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다.

이와 같은 회생제동방식은 철도 시스템 전체의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점이 있어 그 채용범위가 점차 확대되고 있는 추세이다.

그런데, 이와 같은 회생제동방식은 가속된 전동차가 주행 중 정차를 하기 위하여 회생제동 방식으로 감속을 하는 경우 전동기는 발전기로 동작하여 발전제동을 수행하므로 순간적으로 큰 회생전력이 발생하게 된다. 이러한 회생전력은 가선(架線)에 순간적으로 큰 전압을 인가시킴으로써 가선전압을 변동시켜 시스템을 불안정하게 할 뿐 아니라, 후행(後行)하는 전동차가 그 전압을 수용하지 못하는 경우 가선 전압의 변동요인으로만 작용하여 후행 전동차의 고장 원인이 되기도 한다.

한편, 일반적으로 전동차의 전압공급방식은 정류기를 통하여 AC전압을 DC전압으로 변환한 후 공급하는 방식이며, 상기 정류기는 순방향 다이오드 방식으로 회로가 연결되어 있어 전동차의 회생전력은 전원 측으로 반환되지 않는다.

따라서 가선 상에서 소비되지 않는 잉여 회생전력은 열에너지로 전환되어 소비되거나, 가선의 전압을 상승시켜 진입하는 전동차의 과전압으로 자동차단되거나 또는 가선이 전압을 수용하지 못해 자기저항에서 회생전력을 소비하여 회생실효 상태가 발생하기도 한다.

물론, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 DC정류기에 회생용 인버터(inverter)를 설치하여 가선의 전압을 교류로 전환하여 전원측으로 반환하거나 가선으로부터 회생전력을 받아 저장하는 별도의 저장장치를 설치하기도 하였으나, 여러 대의 전동차에 의해 발생하는 회생전력이 인버터를 통해 그대로 여과없이 전원측으로 반환되는 경우 상기 회생전력에는 고조파를 포함하고 있어 수용가에 예기치 못한 피해를 줄 우려가 있다.

또한, 별도의 저장장치를 이용하는 예로서는 본 출원인이 선출원하여 등록된 대한민국 등록특허 제0659366호, 도시철도의 회생전력 저장시스템을 제시한 바 있다.

이는 전동차의 전기 공급경로임과 동시에 상기 전동차의 감속시 회생제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 경로인 가선; 상기 가선에 전기적으로 연결되고 전원 입출력이 단속가능한 게이트; 상기 게이트에 연결되어 전원이 공급되면 공급된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 저장하고, 제어신호에 의해 저장된 운동에너지를 전기에너지로 다시 변환하여 출력가능한 에너지 저장장치; 상기 가선에 전기적으로 연결되어 가선 전압을 검출하는 전압검출부; 상기 전압검출부에서 검출된 정보에 따른 제어신호에 의해 상기 게이트를 구동시키는 게이트구동회로; 및 상기 전압검출부의 검출 전압을 판단하여 게이트구동회로에 제어신호를 출력하고 에너지 저장장치의 작동을 제어하여 전기에너지와 운동에너지간의 변환 및 전원입출력을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하여 구성된다.

그러나, 상기 에너지 저장장치는; 프라이휠(Fly-wheel)을 이용하는 기계적 방식으로 구성되어 동작시 소음이 크고, 에너지 저장장치 자체의 부피가 크며, 전기에너지를 운동에너지로 변환되는 과정이 포함되어 있어 순간적인 전기에너지를 받아 저장하는데 비효율적인 면이 있는 등의 개선의 여지가 있었다.

또한 상기 시스템은 지상에 설치되어 가선의 전력 상태를 감지하는 구성으로 인해 시스템상에 문제가 발생하게 되어 오작동 또는 작동 불능이 되는 경우 운행중인 모든 전동차에 영향을 줄 수 있는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가선을 통해 교류전원을 공급받는 전동차에 탑재하여 전동차를 제동시에 발생되는 회생전력을 적절한 크기의 DC전압으로 변환하여 전기적인 에너지로 저장하고 필요시에 다시 저정된 전기에너지를 전동차에 제공하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 기존 플라이휠 방식 및 변전소에 설치하는 에너지 저장 방식에 비해 저장 효율이 높아 순간적인 회생전압에 빠르게 대응하고, 회생전압을 급속 충전 및 방전이 가능하며 반영구적으로 사용할 수 있는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

전동차에 탑재되되 팬토그라프를 통해 공급되는 가선 AC전원을 직류전원으로 변환하는 변압기 및 PWM컨버터와, 상기 PWM컨버터를 거친 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부와, 상기 필터부를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장하는 저장부와, 상기 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 충전모드 또는 전력모드로 개폐 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터와, 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 저장부 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 DC/DC 필터와, 상기 필터부의 인가전압을 검출하는 전압검출부와, 상기 전압검출부에서 검출된 인가전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 개폐를 제어하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템을 제공한다.

이때, 상기 필터부는 인덕터와 커패시터로 이루어지며, 상기 필터부의 커패시터가 과충전되는 것을 방지하는 충전부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필터부로 유입되는 전류량을 검출하여 상기 제어부로 출력하는 전류검출부가 더 포함되고, 상기 충전부는 팬토그라프와 충전부의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치가 더 포함되어, 상기 전류검출부로부터 과전류가 검출되면 상기 제어부는 상기 차단스위치를 개방시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 충전부는 회로의 임피던스 매칭을 하기 위한 임피던스와, 상기 충전부로 투입되는 전원을 차단하기 위한 차단스위치와, 상기 필터부의 커패시터의 충전을 온/오프하기 위한 충전스위치로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 저장부는 커패시터로 이루어지며 상기 커패시터의 충전전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 커패시터 모니터링부가 더 구비되어, 충전모드로 동작중 상기 저장부가 완충되면 상기 제어부는 제1트랜지스터를 오프시키고, 전력공급모드로 동작중 상기 충전전압이 기준전압 이하이면 상기 제어부는 상기 제2트랜지스터를 오프시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 DC/DC 필터는 고주파 노이즈를 제거하는 인덕터로 구성되는 것 을 특징으로 한다.

또한, 상기 저장부는 슈퍼커패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 저장부는 상기 커패시터의 충전 전원을 방전하도록 하기 위한 방전스위치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 가선을 통해 교류(AC)전원을 공급받는 전동차의 회생제동시에 발생하는 회생전력을 적절한 크기의 직류(DC)전원으로 변환하여 전기적인 에너지 자체로 저장하고 전동차로 공급되는 전원이 기준전압 이하로 내려가는 경우 저장된 전기에너지를 제공하는 구성을 통해 순간적으로 발생하는 회생에너지에 대하여 신속한 대응이 가능하여 전동차의 여타 시스템이 불안정해지는 것을 방지하는 효과가 있으며 특히 운행구간이 짧아 가선전압의 변동이 상대적으로 큰 도시철도 구간에서 전체 도시철도 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 증가시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기계적 방식인 기존 플라이휠 방식의 저장장치에 비하여 순간적인 회생전압에 신속하게 대응하여 전기적 에너지를 저장하고 다시 가선 등을 통하여 전기에너지를 신속하게 공급함에 있어서도 에너지 자체의 성질을 변환하지 않은 상태에서 전력을 공급하는 효과도 있다.

아울러, 본 발명은 저장부를 커패시터를 이용하여 화학적 배터리나 기계적 특성을 이용한 저장장치에 비하여 무게나 부피를 줄일 수 있으며, 필요에 따라 다 양한 용량으로 설치할 수 있는 효과도 있다.

이하, 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 그 특징들을 상세히 설명한다

이때, 도 1은 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템의 상세 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템(1)은 전동차에 탑재되어, 전동차의 회생제동시 발생하는 전기에너지를 저장하고 있다가 필요시에 전동차의 부대전력으로 이용 가능하게 구성된다.

이때, 전동차는 팬토그라프(2)를 통해 가선(3)의 전원을 공급받는 것으로, 팬토그라프(2) 및 변압기(6)를 거친 교류전원은 PWM컨버터(7)를 거쳐 PWM 반송파를 사용하는 DC전원으로 변환되어 모터를 제어하기 위해 직류 전원을 교류전원으로 변환하는 인버터(4)를 거쳐 모터(5)를 구동 제어하게 된다.

이때, PWM컨버터(7)와 인버터(4) 사이에는 회생제동을 하는 경우 발생되는 전력을 효율적으로 처리하기 위한 회생전력 저장 시스템이 구비된다.

이와 같은 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템은 전동차에 탑재되는 것으로, 교류전원을 공급하는 경로인 가선(3)으로부터 팬토그라 프(2), 변압기(6) 및 PWM컨버터(7)를 통해 공급받는 인가전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부(10)와, 전기적 에너지를 저장하는 커패시터로 이루어지는 저장부(20)와, 상기 필터부(10)와 저장부(20)의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 제1트랜지스터(32)와 제2트랜지스터(33)를 개폐함으로써 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터(30)와, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)와 상기 저장부(20) 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 DC/DC 필터(40)와, 상기 필터부(10)의 인가전압을 검출하는 전압검출부(50)와, 상기 전압검출부(50)에서 검출된 인가전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 제1 및 제2트랜지스터(32,33)의 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부(60)로 구성된다.

이때, 상기 제1 및 제2트랜지스터(32,33)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 사용한다.

한편, 상기 팬토그라프(2)와 필터부(10) 사이에는 상기 필터부(10)를 구성하는 커패시터(12)의 충전시 과전류를 방지하는 충전부(70)가 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 필터부(10)로 유입되는 전류량를 검출하여 상기 제어부(60)로 출력하는 전류검출부(80)가 더 포함되고, 상기 충전부(70)는 충전부(70)와 팬토그라프(2)의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치(72)가 더 구비된다. 이와 같은 구성에 의해 상기 제어부(60)는 상기 전류검출부(80)로부터 과전류가 검출되는 경우 상기 차단스위치(72)를 개방시킨다.

한편, 상기 저장부(20)의 전압, 전력을 측정하여 상기 제어부(60)로 출력하는 커패시터 모니터링부(90)가 더 구비되어, 상기 제어부(60)는 충전모드에서 상기 저장부(20)가 완충되는 경우 상기 제1트랜지스터(32)를 오프(Off) 상태로 제어하도록 제어신호를 출력하고, 전력공급모드에서 상기 커패시터 모니터링부(90)로부터 입력된 전압이 기준전압 이하가 되는 경우 상기 제2트랜지스터(33)를 오프(Off) 상태로 제어하는 신호를 출력한다.

이하, 본 발명을 구성하는 각부의 구성을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 가선(3)은 전동차에 교류전원을 공급하는 경로로서, 가선(3)으로부터 공급되는 교류전원은 일 예로 AC 25000V이다.

이와 같은 가선(3)의 교류전원은 전동차의 팬토그라프(2)를 통해 변압기(6)와 PWM컨버터(7)를 거쳐 양방향 DC-DC 컨버터(30)로 공급된다.

이때, 상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 기본적으로 내부에서 수십㎑ ~ 수백㎑로 발진시켜 승압 및 강압을 시키는 장치이므로 내부에서 트랜지스터나 FET 등과 같은 스위칭소자의 스위칭 동작에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 입력 및 출력 단을 통해 나가는 것을 막기 위하여 필터가 필요하다.

이를 위해 상기 팬토그라프(2)와 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 사이에는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 필터부(10)가 구비된다.

이와 같은 필터부(10)는 직렬 연결된 인덕터(11)와 병렬로 연결된 커패시터(12)로 이루어져 고주파 노이즈를 제거하지만, 고주파 노이즈를 제거하기 위한 것으로서 다른 등가 회로 등으로 치환이 가능하다.

이때, 상기 필터부(10)를 구성하는 커패시터(12)의 용량이 작은 경우에는 커 패시터(12)가 충전하는 데까지 걸리는 시간이 짧기 때문에 큰 문제가 되지 않으나, 커패시터(12)가 대용량인 경우에는 충전이 어느 정도 진행되어 전류량이 감소하기 전까지는 단락되어 있는 상태와 마찬가지가 되므로 과전류의 위험이 존재한다.

특히, 상기 필터부(10)의 과전류는 주변 시스템에 큰 문제를 일으킬 수 있으므로 보호회로가 구비되어야 하며, 이는 상기 팬토그라프(2)와 필터부(10) 사이에 충전부(70)를 구비하여서 이루어진다.

이와 같은 충전부(70)는 회로의 임피던스 매칭을 하기 위한 임피던스(74)와, 충전부(70)내로 투입되는 전원을 차단하기 위한 차단스위치(72)와, 필터부(10)의 커패시터(12)의 충전을 온오프하기 위한 충전스위치(76)로 구성된다.

상기 구성에 의한 충전부(70)는 상기 충전스위치(76)가 오프(Off) 상태가 되면 충전부(70)의 저항(78)에 의하여 과전류가 흐르는 것을 방지하게 되며, 필터부(10)의 커패시터(12)가 충분히 충전되고 난 뒤에 충전스위치(76)를 온(On) 상태로 하게 된다.

한편, 상기 임피던스(74)는 회로의 임피던스 매칭을 하기 위한 것으로 필요에 따라 선택적으로 적용할 수 있으며, 상기 차단스위치(72)는 독립적으로 전력을 차단하기 위해 구비된다.

그리고, 상기 양방향 DC/DC컨버터(30)는 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 턴온(Turn On) 또는 턴오프(Turn Off)되는 제1 및 제2트랜지스터(32,33)로 구성되어 제1 및 제2트랜지스터(32,33)가 스위칭되면서 양방향으로 DC 전압을 특정 DC전압으로 변환시킨다.

이때, 상기 제1 및 제2트랜지스터(32,33)의 제어신호는 제어부(60)로부터 인가되며, 상기 제어부(60)의 제어신호에 의하여 제2트랜지스터(33)가 오프(Off)되고 제1트랜지스터(32)가 온(On) 상태로 스위칭하면 Buck Converter로서 작동하게 된다.

한편 제1트랜지스터(32)가 오프(Off)되고 제2트랜지스터(33)가 온(On) 상태로 스위칭 되면 Boost Converter로서 작동하게 되지만, 양방향 전력흐름을 제어하기 위해서는 제1트랜지스터(32)와 제2트랜지스터(33)를 180° 위상차를 두어 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우 주된 스위칭 역할은 제2트랜지스터(33)가 하게 된다.

또한, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)와 상기 저장부(20) 사이에 구비되는 DC/DC 필터(40)는 상기 필터부(10)와 동일하게 고주파 노이즈가 주위의 장치들로 흘러들어가 여러 가지 문제를 일으키는 것을 방지하기 위해 인덕터(41)로 구성되며, 이는 다른 등가 회로 등으로 치환이 가능하며, 이는 모두 동일한 기술적 범주에 속하는 것이다.

다음으로 상기 저장부(20)는 슈퍼커패시터(22)로 구성되어 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 전달받은 회생전력을 저장하게 된다. 이때 슈퍼커패시터(22)의 용량에 따라 저장 시간이 결정된다. 한편, 상기 저장부(20)는 상기 슈퍼커패시 터(22)의 충전 전원을 인위적으로 방전하도록 하기 위한 방전스위치(24)와 저항(26)이 구비된다.

또한, 상기 전류검출부(80)는 필터부(10)로 유입되는 전류를 측정하여 상기 제어부(60)로 출력하며, 상기 전압검출부(50)는 필터부(10)의 커패시터(12) 양단의 전압을 검출하여 제어부(60)로 출력하며, 상기 커패시터 모니터링부(90)는 저장부(20)의 커패시터(22)의 전압 및 충전량 등을 측정하여 제어부(60)로 출력하게 된다.

그리고, 상기 제어부(60)는 마이크로프로세서 또는 일반 컴퓨터시스템으로 구성할 수 있다. 일반적으로 우리나라의 도시철도에 있어서 차량에 제공되는 교류전원은 AC 25000V인 경우가 대부분이다. 이를 변압기(6) 및 PWM컨버터(7)을 거치면서 DC 750V 또는 1500V의 기준전압으로 변환한다.

이때, 회생전력을 저장하는 기준전압은 인가전압보다 크게 설정되며, 회생전력을 다시 공급하는 기준전압은 상기 인가전압보다 작게 설정된다.

예를 들어, 인가전압이 DC 750V이고, 회생전력 저장 기준전압은 상기 인가전압보다 큰 DC 1000V 그리고 회생전력 공급 기준전압은 상기 인가전압보다 작은 DC 500V로 설정한 경우, 제어부(60)는 상기 전압검출부(50)로부터 검출되는 인가전압이 DC 1000V 이상이 되는 경우 충전모드로 전환하기 위하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 제1트랜지스터(32)를 온(On) 상태로 스위칭시키기 위한 제어신호를 출 력하여 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 Buck Converter로 작동시키게 된다.

그리고, 상기 인가전압이 500V 이하로 떨어지는 경우에는 제어부(60)는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 제1트랜지스터(32)를 오프(Off) 상태로, 제2트랜지스터(33)를 온(On) 상태로 제어하는 신호를 출력하여 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 Boost Converter로 작동시키게 된다. 이 경우 상기 제어부(60)는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 제1 및 제2트랜지스터(32,33)를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어신호를 출력하게 되는데, 상기 PWM 제어에 관하여는 공지의 방법이므로 상세한 설명을 생략한다.

한편, 상기 제어부(60)는 상기 커패시터 모니터링부(90)가 저장부(20)의 커패시터(22)가 완충상태임을 출력한 경우 인가전압이 750V(저장 기준 전압) 이상이 되더라도 충전모드로 전환하지 않으며 커패시터 모니터링부(90)에 의하여 측정된 저장부(20)의 전압이 500V(공급 기준 전압) 이하일 경우에는 전력공급모드로 전환하지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템의 동작 예를 상세히 설명한다.

도시철도의 전동차는 선로를 따라 정차역 사이를 주행 및 정차를 반복하며 운행하게 된다.

이때, 전동차는 팬토그라프(2)를 통해 가선(3)의 교류(AC)전압을 공급받아 변압기(6)와 PWM컨버터(7) 및 인버터(4)를 거쳐 전동기(모터)(5)를 구동함으로써 가속을 하게 되고, 일정한 속도로 가속된 후에는 관성을 이용하여 관성운행을 하게 되며, 감속시에는 전동기가 발전기 기능을 하면서 전동차의 관성 운동에너지를 이용하여 발전을 함으로써 회생전력을 발생시키게 되며, 상기 회생전력을 저장하거나 저장된 회생전력을 공급하기 위해 작동초기모드, 일반감시모드, 충전모드, 전력공급모드로 구분되어 구동된다.

즉, 작동초기모드는 필터부(10)의 커패시터(12)를 충전하기 위한 모드로서, 충전부(70)는 충전스위치(76)의 작동에 의해 변압기(6)와 PWM컨버터(7)를 거쳐 유입되는 과전류를 방지하며 필터부(10)의 커패시터(12)를 충전시킨다.

이때, 상기 충전부(70)의 충전스위치(76)가 온(On) 상태로 전환되는 시기는 필터부(10)의 커패시터(12)가 약 70% 정도 충전되는 시기로서, 충전이 완료되면 필터부(10)의 커패시터(12) 양단에는 전압이 인가된다.

이와 같이 전압이 인가되면 전압검출부(50)가 인가전압을 측정하고 이는 제어부(60)로 입력되어 일반감시모드로 동작하게 된다.

상기 일반감시모드는 저장부(20)의 커패시터(22)의 충전 또는 방전 동작이 없이 인가전압을 측정하여 제어부(60) 내에 설정된 기준전압과 비교하는 모드이다.

즉, 전압검출부(50)가 인가전압을 측정하여 그 측정치를 제어부(60)로 출력하면, 제어부(60)는 기준전압과 비교하여 충전모드로 전환할 것인지 전력공급모드로 전환할 것인지를 판단하고 그 판단에 따라 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 제1 및 제2트랜지스터(32,33)를 온/오프(On/Off) 제어함으로써 충전모드 또는 전력공급모드로 동작시키게 된다.

즉, 제어부(60)에 설정된 회생전력 저장 기준전압이 1000V이고 회생전력 공급 기준전압이 500V인 경우, 인가전압이 회생전력 저장 기준전압인 1000V 이상이면 저장부(20)가 완충상태가 아닌 경우 충전모드로 전환하여 Buck Converter로서 작동하며, 인가전압이 회생전력 공급 기준전압인 500V 이하로 떨어지고 저장부(20)의 커패시터(22) 양단의 전압이 기준치 이하가 아닌 경우 전력공급모드로 전환하여 Boost Converter로서 작동하게 된다. 이 경우 상기 회생전력 저장 및 공급 기준전압은 전동차의 주변 장치 및 시스템의 상황에 따라 선택가능하다.

이때, 충전모드로 전환되면 양방향 DC/DC 컨버터(30)는 제1트랜지스터(32)가 온(On) 상태로 스위칭되고 제2트랜지스터(33)가 오프(Off) 상태로 스위칭되어 Buck converter로서 동작하므로 인가전압은 저장부(20)의 커패시터(22)의 정격전압 내의 전압으로 전환되어 커패시터(22)에 저장된다.

한편, 커패시터 모니터링부(90)에 의하여 커패시터(22)가 완충된 것으로 측정되면 제어부(60)는 제1트랜지스터(32)를 오프(Off)시키는 제어신호를 출력하고 충전모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.

그리고, 전력공급모드로 전환되면 양방향 DC/DC 컨버터(30)는 Boost Converter로 작동하므로 커패시터(22)에 저장되어 있던 전력이 적당한 전압으로 전환되어 되돌려진다.

이때, 상기 커패시터(22)의 전압이 일정 이하로 떨어지게 되면 제어부(60)는 제1트랜지스터(32) 및/또는 제2트랜지스터(33)를 오프(Off) 시키는 제어신호를 출 력하여 전력공급모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 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.

도 1은 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템의 상세 구성도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

2: 팬토그라프 3: 가선

4: 인버터 5: 모터

6: 변압기 7: PWM컨버터

10: 필터부 20: 저장부

30: 양방향 DC/DC 컨버터 40: DC/DC필터

50: 전압검출부 60: 제어부

70: 충전부 80: 전류검출부

90: 커패시터 모니터링부

Claims

가선을 통해 전원을 공급받는 팬토그라프와 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터의 사이에 설치되어 전동차에 탑재되되,

팬토그라프를 통해 공급되는 가선 AC전원을 직류전원으로 변환하는 변압기 및 PWM컨버터와;

인덕터와 커패시터로 이루어져 상기 PWM컨버터를 통해 직류로 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부와;

상기 필터부를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장함과 동시에 양방향 DC/DC 컨버터를 통하여 전달받은 회생전력을 저장하는 슈퍼 커패시터로 구성된 저장부와;

상기 팬토그라프와 필터부의 사이에 전기적으로 연결 설치되어 필터부의 커패시터가 과충전되는 것을 방지하는 충전부와;

상기 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 IGBT로 이루어진 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 개폐함으로써 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터와;

상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 저장부 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 DC/DC 필터와;

상기 필터부의 인가전압을 검출하는 전압검출부와;

상기 전압검출부에서 검출된 인가전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 제1 및 제2트랜지스터 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부와;

상기 필터부로 유입되는 전류량을 검출하여 상기 제어부로 출력하는 전류검출부;를 포함하여 구성되고,

상기 충전부는 팬토그라프와 충전부의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치가 더 포함되어, 상기 전류검출부로부터 과전류가 검출되면 상기 제어부는 상기 차단스위치를 개방시키는 것을 특징으로 하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템.
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제 1항에 있어서,

상기 저장부는 슈퍼 커패시터의 충전전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 커패시터 모니터링부를 더 구비하여, 충전모드로 동작중 상기 저장부가 완충되면 상기 제어부는 제1트랜지스터를 오프시키고, 전력공급모드로 동작중 상기 충전전압이 기준전압 이하이면 상기 제어부는 상기 제2트랜지스터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템.
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제 1항에 있어서,

상기 저장부는 슈퍼 커패시터의 충전 전원을 방전하도록 하기 위한 방전스위치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 교류 전동차 탑재용 회생전력 저장 시스템.