KR101216819B1 - 철도 차량의 발전 시스템 - Google Patents

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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 제공한다. 엔진의 출력을 제어하는 엔진 제어 장치는, 엔진에 부착된 회전 검출기의 정보에 기초하여, 속도 연산부에서 산출한 엔진 회전 속도 신호를 인식하고, 엔진 회전 속도 신호에 따라서 엔진 출력을 제어한다. 또한, 발전기의 발전 전력을 제어하는 발전기 제어 장치는, 발전기에 구비된 회전 검출기의 정보에 기초하여 속도 연산부에서 산출한 발전기 회전 속도 신호를 인식하고, 발전기 회전 속도 신호에 따라서 발전 전력을 제어한다. 이 때문에, 엔진과 발전기 제어간에서 정보를 주고 받지 않고 엔진 발전 제어를 실현할 수 있다.

Description

철도 차량의 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM OF RAILWAY VEHICLE}
본 발명은, 철도 차량의 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 실현하는 기술에 관한 것이다.
철도 차량은, 철의 차륜이 레일면 상을 굴러감으로써 주행하기 때문에, 주행 저항이 자동차에 비해 작은 것이 특징이다. 특히, 최근의 전기 철도 차량에서는, 제동 시에 주전동기를 발전기로서 작용시킴으로써 제동력을 얻음과 동시에, 제동 시에 주전동기에서 발생하는 전기적 에너지를 가선으로 되돌려보내 타차량의 역행 에너지로서 재이용하는 회생 브레이크 제어를 행하고 있다. 이 회생 브레이크를 구비하는 전기 철도 차량은, 회생 브레이크를 구비하고 있지 않은 전기 철도 차량에 비해, 약 절반의 에너지 소비로 주행하는 것이 가능하게 되어, 주행 저항이 작은 철도 차량의 특징을 살린 에너지 절약 방법이라고 할 수 있다.
한편, 수송 밀도가 작은 지방 노선 등은, 가선, 변전소 등의 인프라가 필요없는 기동차(디젤카)에 의해, 세심한 승객 서비스를 저코스트로 실현하고 있다. 그러나, 기동차는, 가선 등 타차량에 에너지를 전달하는 수단이 없기 때문에, 전기 철도 차량과 같은 회생 에너지의 재이용은 행해지고 있지 않았다. 이 때문에, 기동차에서 에너지 절약을 실현하기 위해서는, 저연비 엔진의 개발에 의지하지 않으면 안된다고 생각되었다.
이와 같은 기동차에 대해서도 에너지 절약을 추진하는 하나의 방법으로서, 엔진과 축전 장치를 조합한 하이브리드 기동차가 고안되었다. 하이브리드 기동차는 축전 장치를 설치함으로써, 제동 시에 발생하는 회생 에너지를 축전 장치에서 일단 흡수하는 것이 가능하게 되고, 이 흡수한 회생 에너지를 역행 시에 필요한 에너지의 일부로서 재이용함으로써 에너지 절약을 실현할 수 있다. 하이브리드 기동차에 대해서는, 예를 들면 특허 문헌 1의 철도 차량의 구동 장치에서 설명되어 있다.
도 6에 특허 문헌 1의 도 2에 도시되어 있는 철도 차량의 구동 장치의 기기 구성도를 도시한다.
엔진(51)은, 엔진 제어기(69)의 연료 분사량 명령 F_eng에 기초하여 축 토크를 출력한다. 발전기(52)는, 엔진(51)의 축 토크를 입력으로 하고, 이것을 삼상 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 컨버터 장치(53)는, 발전기(52)로부터 출력되는 삼상 교류 전력을 입력으로 하여 이것을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 여기서, 컨버터 장치(53)는, 시스템 통괄 제어부(59)로부터의 명령 Sc에 기초한 직류 전압으로 되도록, PWM 제어기(벡터 제어 연산기)(70)가 출력하는 게이트 신호 Vp를 통하여 전압 제어한다.
시스템 통괄 제어부(59)는, 축전 장치(58)의 내부 상태 신호 Sp1을 입력으로 하여, 엔진 제어기(69)에 운전 명령 Se, 정전력 제어기(전류 명령 발생기)(71)에 운전 명령 Sc, 도시하지 않은 인버터 장치에 운전 명령 Si, 도시하지 않은 차단기(62a, 62b, 62c, 62d)에 동작 명령 Sb, 축전 장치(58) 내에 배치하는 충방전 제어 장치에의 동작 명령 Sp2를 출력하고, 축전 장치(58)의 축전량을 일정 범위 내로 하도록 이들 기기의 종합적인 동작 상태를 제어한다.
속도 센서(63a)는 발전기(52)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산기(64a)에서 발전기 로터 주파수 Fr_cnv로 변환한다. 필터 컨덴서(65)는, 컨버터 장치(53)에서 변환된 직류 전력에 대하여, 특히 고주파수에서 변동하는 전압 성분을 평활화하여, 직류부의 전압을 안정시킨다. 전류 센서(66)는, 컨버터 장치(53)로부터 필터 컨덴서(65)를 통하여 직류부에 유입, 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 검출한다. 저항기(67)는, 직류부에 유입, 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 분류하고, 전압 센서(68)는, 저항기(67)의 양단 전압은 저항기(67)를 흐르는 전류값에 비례하는 원리에 의해, 직류부의 전위차를 검출한다.
엔진 제어기(69)는, 시스템 통괄 제어부(59)로부터의 동작 명령 Se와, 속도 연산부(64b)로부터의 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력하고, 엔진(51)의 출력을 조정하는 연료 분사량 명령 F_eng를 출력한다.
정전력 제어기(71)는, 시스템 통괄 제어부(59)로부터의 동작 명령 Sc와, 속도 연산부(64a)로부터의 회전 속도 신호 F_cnv와, 전류 센서(66)로부터의 직류부 전류 검출값 Icnv, 전압 센서(68)로부터의 직류부 전압 검출값 Vcnv를 입력으로 하고, 후술하는 PWM 제어기(70)의 전압 제어량을 결정하는 전압 명령 Vc_cnv를 출력한다.
PWM 제어기(70)는, 정전압 제어기(71)로부터의 전압 명령 Vc_cnv와, 속도 연산부(64b)로부터의 Fr_cnv를 입력으로 하고, 컨버터 장치(53)를 구성하는 도시하지 않은 스위칭 소자의 온/오프에 의해 PWM 제어를 구동하기 위한 스위칭 소자 게이트 신호 Vp를 출력한다.
[특허 문헌 1] 일본 특개 2008-54408호 공보
특허 문헌 1의 철도 차량의 구동 장치는, 시스템 통괄 제어부에서, 발전기의 회전 속도와, 전동기의 회전 속도와, 축전 장치로부터 얻어지는 내부 상태 신호에 기초하여, 엔진의 발전 전력의 필요 여부를 판정하여, 엔진에의 운전 명령, 컨버터 장치에의 운전 명령에 의해 발전 상태를 제어하고, 또한 엔진의 발전 전력이 불필요한 경우에는, 엔진 정지의 가부를 판정하여, 엔진에의 운전 명령에 의해 엔진을 정지시키는 명령을 부여한다.
즉, 엔진의 동작과 컨버터 장치의 동작은 모두 시스템 통괄 제어부에 의해 제어된다. 특허 문헌 1의 철도 차량의 구동 장치는, 시리즈 하이브리드 방식에 의한 하이브리드 기동차를 대상으로 하고 있고, 특히 차량의 주행 성능에 가능한 한 영향을 주지 않고 아이들 스톱 제어를 실현하는 것이다. 즉, 엔진의 기동/정지에 의해, 인버터 구동 장치 및 전동기가 발생하는 구동력이 제한을 받지 않도록, 시스템 통괄 제어부에서 제어 타이밍을 엄밀하게 관리하고 있다. 이 때문에, 시스템 통괄 제어부에 의한 엔진의 동작과 컨버터 장치의 동작의 제어가 필요로 되고 있다. 시스템 통괄 제어부에 의한 엔진의 동작과 컨버터 장치의 동작의 제어에는, 시스템 통괄 제어부와 엔진간, 시스템 통괄 제어부와 컨버터 장치간의 제어 정보의 주고받음이 필요하여, 각각 아날로그선(하드와이어)이나 제어 정보 전송 장치 등의 통신 수단을 설치할 필요가 있다.
시스템 통괄 제어부와 엔진간의 통신 수단에 대해서는, 엔진 제어 장치의 인터페이스, 통신 수단이 메이커마다 상이한 경우가 많고, 또한, 인터페이스, 통신 수단이 동일하다고 해도, 정보 전송 수순이나, 정보 전송 서식이 상이한 경우가 대부분이기 때문에, 대응 안건마다 시스템 통괄 제어부와 엔진간의 통신 수단을 설계하게 되어 작업 부담이 크다.
본 발명은, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
엔진의 출력을 제어하는 엔진 제어 장치는, 엔진에 부착된 회전 검출기의 정보에 기초하여, 속도 연산부에서 산출한 엔진 회전 속도 신호를 인식하고, 엔진 회전 속도 신호에 따라서 엔진 출력을 제어한다. 또한, 발전기의 발전 전력을 제어하는 발전기 제어 장치는, 발전기에 구비된 회전 검출기의 정보에 기초하여 속도 연산부에서 산출한 발전기 회전 속도 신호를 인식하고, 발전기 회전 속도 신호에 따라서 발전 전력을 제어한다. 여기서, 엔진과 발전기는, 구동축을 통하여 결합되어 있기 때문에, 엔진 회전 속도와 발전기 회전 속도 신호는, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력의 제어에 필요한 신호 정밀도의 범위에서는 동일하게 간주할 수 있다. 이 때문에, 엔진 제어 장치, 발전기 제어 장치가 각각 속도를 인식하고, 엔진 회전 속도에 대한 엔진 출력 특성과, 발전기 회전 속도에 대한 발전 부하 특성을, 소정의 회전 속도에서 밸런스하도록 설정함으로써, 엔진과 발전기 제어간에서 정보를 주고 받지 않고 엔진 발전 제어를 실현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않는 간이한 구성에서도, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어할 수 있는 철도 차량의 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 철도 차량 엔진 제어 시스템에서의 일 실시 형태의 기기 구성을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 발전 제어의 방식을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 제어 장치와 발전기 제어 장치의 상세를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 정지 판정부의 상세를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 정지 제어의 동작 타임 차트를 도시하는 도면.
도 6은 종래의 철도 차량 엔진 제어 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 1은 본 발명의 철도 차량 엔진 제어 시스템에서의 일 실시 형태의 기기 구성을 도시하는 도면이다.
엔진(1)은, 엔진 제어 장치(4)의 연료 분사량 명령 F_eng에 기초하여 축 토크를 출력한다. 발전기(2)는, 엔진(1)과 구동축을 통하여 결합되어 있고, 엔진(1)의 축 토크를 입력으로 하고, 이것을 삼상 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
컨버터 주회로(3)는, 발전기(2)로부터 출력되는 삼상 교류 전력을 입력으로 하고, 이것을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 컨버터 주회로(3)의 직류측 전압은, 도시하지 않은 축전 장치나 발전 시스템 등의 직류 전압원에 의해, 일정한 범위의 전압값으로 조정된다.
벡터 제어 연산기(6)는, 교류 전류 검출기(11a, 11b, 11c)에서 검출한 삼상 교류 전류 Iu, Iv,　Iw와, 속도 연산부(10b)로부터의 회전 속도 신호 Fr_gen과, 직류 전류 검출기(12)로부터의 직류부 전류 검출값 I_cnv와, 전압 검출기(13)로부터의 직류부 전압 검출값 V_cnv와, 발전기 제어 장치(7)에 의해 생성된 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv를 입력으로 하여, 컨버터 주회로(3)의 전압 제어량을 결정하는 전압 명령을 연산하고, 이것에 따라서 컨버터 주회로(3)를 구성하는 도시하지 않은 스위칭 소자를 온/오프시켜 PWM 제어하기 위한 스위칭 소자 게이트 신호 Vp를 출력한다.
필터 컨덴서(8)는, 컨버터 주회로(3)에서 변환된 직류 전력에 대하여, 특히 고주파수에서 변동하는 전압 성분을 평활화하여, 직류부의 전압을 안정시킨다.
회전 속도 검출기(9a)는 엔진(1)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산부(10a)에서 발전기 회전 속도 신호 Fr_eng로 변환한다.
회전 속도 검출기(9b)는 발전기(2)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산부(10b)에서 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen으로 변환한다.
직류 전류 검출기(12)는, 컨버터 주회로(3)로부터 필터 컨덴서(8)를 통하여 직류부에 유입, 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 검출한다.
전압 검출기용 저항기(14)는, 직류부에 유입 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 분류한다. 전압 검출기(13)는, 저항기(14)의 양단 전압이 저항기(14)를 흐르는 전류값에 비례하는 원리를 이용하여 직류부의 전압을 검출한다.
엔진 제어 장치(4)는, 운전 명령 장치(5)로부터의 동작 명령 Cmd_eng와, 속도 연산부(10a)로부터의 회전 속도 신호 Fr_eng를 입력하고, 엔진(1)의 출력을 조정하는 연료 분사량 명령 F_eng를 출력한다.
전류 명령 발생기(7)는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 컨버터 주회로(3)에 의해 발전기(2)의 발전 부하를 조정하기 위해서 벡터 제어 연산기(6)에 공급하는 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv를 출력한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
엔진(1)의 출력을 제어하는 엔진 제어 장치(4)는, 회전 검출기(9a)의 정보에 기초하여 속도 연산부(10a)에서 산출한 회전 속도 신호 Fr_eng를 인식하고, 엔진 출력(구동 토크)을 제어한다. 또한, 발전기(2)의 발전 전력을 제어하는 전류 명령 발생기(7)는, 회전 검출기(9b)의 정보에 기초하여 속도 연산부(10b)에서 산출한 회전 속도 신호 Fr_gen을 인식하고, 발전 전력의 발전 부하 토크를 제어한다. 여기서, 엔진(1)과 발전기(2)는, 구동축을 통하여 결합되어 있기 때문에 양자의 회전 속도는 동일하다(Fr_eng=Fr_gen).
이 구성에 의하면, 엔진의 출력(구동 토크)과, 발전기의 발전 부하 토크와의 밸런스를, 엔진과 발전기가 구동축에 의해 결합함으로써 실현하고 있다. 또한, 엔진 출력을 엔진 회전 속도에 따라서, 또한 발전기의 발전 부하를 발전기의 회전 속도에 따라서 각각 결정하는 제어 방식으로 하고 있다. 엔진 회전 속도와 발전기 회전 속도는 동일하기 때문에, 엔진 제어 장치, 발전기 제어 장치가 각각 속도를 인식하면, 엔진 발전 제어에서 엔진과 발전기 제어간에서 정보의 주고받음은 불필요하다.
즉, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 실현할 수 있다. 즉, 엔진 제어계와 발전 제어계가 각각 독립하여 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 발전 제어의 방식을 도시하는 도면이다.
엔진(1)은, 엔진 제어 장치(4)의 연료 분사량 명령 F_eng에 기초하여 축 토크를 출력한다. 발전기(2)는, 엔진(1)과 구동축을 통하여 결합되어 있고, 엔진(1)의 축 토크를 입력으로 하고, 이것을 삼상 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
컨버터 주회로(3)는, 발전기(2)로부터 출력되는 삼상 교류 전력을 입력으로 하고, 이것을 직류 전력으로 변환하여 출력한다.
벡터 제어 연산기(6)는, 교류 전류 검출기(11a, 11b, 11c)에서 검출한 삼상 교류 전류 Iu,　Iv,　Iw와, 속도 연산부(10b)로부터의 회전 속도 신호 Fr_gen과, 도시하지 않은 직류부 전류 검출값 I_cnv, 직류부 전압 검출값 V_cnv, 또한, 전류 명령 발생기(7)에 의해 생성된 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv를 입력으로 하여, 컨버터 주회로(3)의 전압 제어량을 결정하는 전압 명령을 연산하고, 이것에 따라서 컨버터 주회로(3)를 구성하는 도시하지 않은 스위칭 소자를 온/오프시켜 PWM 제어하기 위한 스위칭 소자 게이트 신호 Vp를 출력한다.
회전 속도 검출기(9a)는 엔진(1)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산부(10a)에서 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng로 변환한다.
회전 속도 검출기(9b)는 발전기(2)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산부(10b)에서 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen으로 변환한다.
엔진 제어 장치(4)는, 운전 명령 장치(5)로부터의 동작 명령 Cmd_eng와, 속도 연산부(10a)로부터의 회전 속도 신호 Fr_eng를 입력하고, 엔진(1)의 출력을 조정하는 연료 분사량 명령 F_eng를 출력한다.
여기서, 엔진(1)의 출력으로 발전기(2)를 구동하여 전력을 발생시키기 위해서, 엔진 제어 장치(4), 및 전류 명령 발생기(7)에서 행하는 제어 방식의 일례를 설명한다.
엔진 출력 테이블(28)은, 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng를 입력으로 하여, 엔진 출력 요구 P_eng를 출력한다. 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng와, 엔진 출력 요구 P_eng의 관계는, 특정한 회전 속도 Ff0e에서 특정한 엔진 출력 요구 P0을 출력하는 특성으로 한다. 또한, 엔진 출력 요구 P_eng는, 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng가 증가함에 따라서 감소하는 특성, 혹은, 임의의 엔진 출력 요구 P_eng를, 상기 엔진 회전 속도 Ff0e에서 출력하는 특성(정회전수 제어 특성)으로 한다. 엔진 출력 제어부는, 엔진 출력 요구 P_eng를 입력으로 하여, 출력 요구를 만족시키는 엔진의 연료 분사량을 결정하고, 연료 분사량 명령 F_eng를 출력한다.
전류 명령 발생기(7)는, 발전기 로터 주파수 Fr_gen을 입력으로 하여, 컨버터 주회로(3)에 의해 발전기(2)의 발전 부하를 조정하기 위해서 벡터 제어 연산기(6)에 공급하는 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv를 출력한다.
발전기 부하 테이블은, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 발전기 부하 요구 P_gen을 출력한다. 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen과, 발전기 부하 요구 P_gen의 관계는, 특정한 회전 속도 Ff0g에서 특정한 발전기 부하 요구 P0을 출력하는 특성으로 한다. 또한, 발전기 부하 요구 P_gen은, 발전기 회전 속도 신호 Fr_eng가 증가함에 따라서 증가하는 특성, 혹은, 임의의 발전기 회전 속도 Ff0gP_gen에서, 상기 발전기 부하 요구 P0을 출력하는 특성(정(定)발전기 부하 특성)으로 한다. 전류 명령 연산부는, 발전기 부하 요구 P_gen과, 도시하지 않은 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 벡터 제어하기 위한 여자 전류 명령 Idp0_cnv, Idq0_cnv로 변환한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
엔진(1)의 출력을 제어하는 엔진 제어 장치(4)는, 회전 검출기(9a)의 정보에 기초하여 속도 연산부(10a)에서 산출한 회전 속도 신호 Fr_eng를 인식하고, 엔진 출력을 제어한다. 또한, 발전기(2)의 발전 전력을 제어하는 전류 명령 발생기(7)는, 회전 검출기(9b)의 정보에 기초하여 속도 연산부(10b)에서 산출한 회전 속도 신호 Fr_gen을 인식하고, 발전 전력을 제어한다. 여기서, 엔진(1)과 발전기(2)는, 구동축을 통하여 결합되어 있기 때문에 양자의 회전 속도는 동일하다(Fr_eng=Fr_gen). 또한, 엔진 출력 테이블에서는, 엔진 출력 요구 P_eng는, 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng가 증가함에 따라서 감소하는 특성, 혹은, 임의의 엔진 출력 요구 P_eng를, 상기 엔진 회전 속도 Ff0e에서 출력하는 특성(정회전수 제어 특성)으로 하고 있는 것에 대하여, 발전기 부하 테이블에서는, 발전기 부하 요구 P_gen은, 발전기 회전 속도 신호 Fr_eng가 증가하는 것에 따라서 증가하는 특성, 혹은, 임의의 발전기 회전 속도 Ff0gP_gen에서, 상기 발전기 부하 요구 P0을 출력하는 특성(정발전기 부하 특성)으로 하고 있다. 이 때문에, 엔진 출력과 발전기 부하는, 특정한 회전 속도 P0(엔진, 발전기 공통)에서, 특정한 엔진 출력 P0, 특정한 발전기 부하 P0이 밸런스하여, 안정된 발전 제어를 계속할 수 있다.
이 구성에 의하면, 엔진의 출력과, 발전기의 발전 부하와의 밸런스를, 엔진과 발전기가 구동축에 의해 결합함으로써 실현하고 있다. 또한, 엔진 출력을 엔진 회전 속도에 따라서, 또한 발전기의 발전 부하를 발전기의 회전 속도에 따라서 각각 결정하는 제어 방식으로 하고 있다. 엔진 회전 속도와 발전기 회전 속도는 동일하기 때문에, 엔진 제어 장치, 발전기 제어 장치가 각각 속도를 인식하면, 엔진 발전 제어에서 엔진과 발전기 제어간에서 정보의 주고받음은 불필요하다.
즉, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 실현할 수 있다.
엔진 제어 장치, 발전기 제어 장치가 각각 속도를 인식하고, 엔진 회전 속도에 대한 엔진 출력 특성과, 발전기 회전 속도에 대한 발전 부하 특성을 설정하고, 각각의 회전 속도에 따라서 제어함으로써, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않는 간이한 구성에서도, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어할 수 있는 철도 차량의 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 제어 장치와 발전기 제어 장치의 상세를 도시하는 도면이다.
엔진 제어 장치(4)는, 엔진 동작 명령 CMD_eng와, 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng를 입력으로 하여, 연료 분사량 F_eng를 출력한다. 연료 분사량 F_eng는, 엔진(1)에 입력되어, 엔진의 출력을 제어한다.
엔진 출력 테이블(15a, 15b)은, 엔진 회전 속도 신호 Fr_gen에 대한 엔진 출력 명령값(0) P_eng_0, 엔진 출력 명령값(1) P_eng_1의 관계를 정의하고 있다.
엔진 출력 테이블(15a)은, 엔진 회전 속도 신호 Fr_gen에 대하여, 엔진 출력 명령값(0) P_eng_0이 항상 제로로 되는 관계를 정의하고 있다. 즉, 엔진 출력 테이블(15a)이 선택되어 있을 때, 엔진(1)이 정지 상태에 있을 때는 그대로 정지를 유지하고, 동작 상태에 있을 때는 회전이 서서히 저하되어 정지 상태로 이행한다.
한편, 엔진 출력 테이블(15b)은, 엔진 회전 속도 신호 Fr_gen에 대하여, 엔진 출력 명령값(1) P_eng_1이 변화하는(제로는 아님) 관계를 정의하고 있다. 여기서는, 엔진 회전 속도 신호 Fr_gen이 증가함에 따라서, 엔진 출력 명령값(1) P_eng_1이 저하되는 관계를 나타내고 있다. 이에 대하여, 발전기 제어는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen이 증가함에 따라서, 발전기 발전 전력을 일정, 혹은 증가시키는 제어로 하면, 엔진 출력과 발전기 발전 전력이 구동축을 통하여 밸런스하여, 안정된 발전 제어를 실현할 수 있다.
엔진 출력 선택기(16)는, 엔진 출력 명령값(0) P_eng_0과, 엔진 출력 명령 값(1) P_eng_1을 엔진 동작 명령 CMD_eng에 따라서 절환함으로써, 엔진 출력 명령 값 P_eng를 출력한다. 여기서는, CMD_eng=0일 때 엔진 출력 명령값 P_eng=P_eng_0, CMD_eng=1일 때 엔진 출력 명령값 P_eng=P_eng_0이다.
엔진 출력 제어부(17)는, 엔진 출력 명령값 P_eng를 입력으로 하여, 소정의 엔진 출력을 얻기 위한 연료 분사량 F_eng를 산출한다.
전류 명령 발생기(7)는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 토크 전류 명령 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령 Idp0_cnv를 출력한다. 토크 전류 명령Iqp0_cnv, 여자 전류 명령 Idp0_cnv는 벡터 제어 연산기(6)에 입력되어, 발전기의 발전 전력을 제어한다.
엔진 정지 판정부(18)는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 발전기의 발전 부하로 엔진 정지를 재촉하는 엔진 정지 제어의 동작을 명령하는 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp를 산출한다. 토크 전류 특성 테이블(19)은, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen에 대하여, 발전기의 발전 부하로 엔진 정지를 재촉하기 위한 토크 전류 명령 패턴 Iqp0_cnv_1을 정의한다. 여기서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen이 제로 근방의 소정값 Fr0을 기준으로 하여, Fr_gen>Fr0일 때는 발전기 회전 속도 Fr_gen에 의하지 않고 Iqp0_cnv_1=Iqp0 일정, Fr_gen≤Fr0일 때는 Fr_gen=0에서 Iqp0-cnv_1=0, Fr_gen=Fr0에서 Iqp0_cnv_1=Iqp0으로 되도록 변화하는 특성을 나타내고 있다. 여자 전류 출력 테이블(20)은, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen에 대하여, 발전기의 발전 부하로 엔진 정지를 재촉하기 위한 여자 전류 명령 패턴 Idp0_cnv_1을 정의한다. 여기서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen에 의하지 않고, 토크 전류 명령 패턴 Idp0_cnv_1=Idp0 일정인 특성을 나타내고 있다.
토크 전류 선택기(21)는, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp에 따라서, 토크 전류 명령(0) Iqp_cnv_0=0과 토크 전류 명령(1) Iqp_cnv_1을 선택하여, 토크 전류 명령값 Iqp1_cnv를 출력한다. 여기서는, CMD_engstp=0일 때 토크 전류 명령값 Iqp1_cnv=Iqp0_cnv_0(=0), CMD_engStp=1일 때 토크 전류 명령값 Iqp1_cnv=Iqp0_cnv1이다. 변화율 리미터(23a)는, 토크 전류 명령값 Iqp1_cnv를 입력으로 하여, Iqp1_cnv의 변화율을 소정값으로 제한함으로써, 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv를 출력한다.
여자 전류 선택기(22)는, 지연(delayed) 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp_td에 따라서, 여자 전류 명령(0) Idp_cnv_0=0과 여자 전류 명령(1) Idp_cnv_1을 선택하여, 여자 전류 명령값 Idp1_cnv를 출력한다. 여기서는, CMD_engstp=0일 때 여자 전류 명령값 Idp1_cnv=Idp0_cnv_0(=0), CMD_engstp=1일 때 여자 전류 명령값 Idp1_cnv=Idp0_cnv1이다. 변화율 리미터(23b)는, 여자 전류 명령값 Idp1_cnv를 입력으로 하여, Idp1_cnv의 변화율을 소정값으로 제한함으로써, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv를 출력한다.
신호 하강 지연 카운터(27)는, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp를 입력으로 하여, CMD_engstp=1로부터 CMD_engstp=0으로 이행하는 시간을 TD만큼 지연함으로써, 지연 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp_td를 출력한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
엔진 제어 장치(4)는, 엔진 동작 명령 CMD_eng와, 엔진 회전 속도 신호 Fr_eng를 입력으로 하여, 엔진(1)에 대하여 연료 분사량 F_eng를 산출한다. 또한, 전류 명령 발생기(7)는, 발전기 회전 속도 Fr_gen를 입력으로 하여, 벡터 제어 연산기에 대하여 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv, 여자 전류 명령값 Idp_cnv를 산출한다.
이 구성에 의하면, 엔진 출력을 엔진 회전 속도에 따라서, 또한 발전기의 발전 부하를 발전기의 회전 속도에 따라서 각각 결정하는 제어 방식으로 하고 있다. 엔진 회전 속도와 발전기 회전 속도는 동일하기 때문에, 엔진 제어 장치, 발전기 제어 장치가 각각 속도를 인식하면, 엔진 발전 제어에서 엔진과 발전기 제어간에서 정보의 주고받음은 불필요하다.
즉, 엔진 제어계와 발전 제어계의 사이에서 전기적인 제어 정보를 주고 받지 않고, 엔진 발전기의 동작, 혹은 발전 전력을 제어하는 철도 차량의 발전 시스템을 실현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 정지 판정부의 상세를 도시하는 도면이다.
엔진 정지 판정부는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력으로 하여, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp를 산출한다.
엔진 동작 판정기(24)는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen이 Fr1a를 초과하고, 그 후 Fr0a를 하회하지 않는 상태에서는, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=1을 출력한다. 또한, 발전기 회전 속도 Fr_gen이 Fr0a를 하회하고, 그 후 Fr1a를 초과하지 않는 상태에서는, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=0을 출력한다. 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=1일 때는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen과 동일한 엔진 회전 속도가 Fr1a를 초과하고, 그 후 Fr0a를 하회하지 않는 범위를 유지하고 있기 때문에, 엔진은 동작 중이라고 판단할 수 있고, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=0일 때는, 발전기 회전 Fr_gen과 동일한 엔진 회전 속도가 Fr0a를 하회하고, 그 후 Fr0a를 초과하지 않는 범위를 유지하고 있기 때문에, 엔진은 정지 중이라고 판단할 수 있다.
엔진 정지 제어 속도 영역 판정기(25)는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen이, Fr0b 이상, 또한 Fr1b 이하의 범위에 있을 때, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel_1을 출력한다. 또한, 발전기 회전 속도 Fr_gen이, Fr0b 미만, 또는 Fr1b보다도 큰 범위에 있을 때, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel=0을 출력한다. 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel=1일 때는, 발전기 회전 Fr_gen과 동일한 엔진 회전 속도가, 엔진 정지 제어를 동작시키는 속도 영역인 Fr0b 이상 또한 Fr1b 이하의 범위이기 때문에, 발전기(2)의 발전기 부하에 의해 엔진의 정지를 재촉하는 제어가 필요하다고 판정한다. 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel=0일 때는, 발전기 회전 Fr_gen과 동일한 엔진 회전 속도가, 엔진 정지 제어를 동작시키는 속도 영역인 Fr0b 이상 또한 Fr1b 이하의 범위에 없기 때문에, 발전기(2)는 발전 부하에 의해 엔진의 정지를 재촉하는 제어는 불필요하다고 판정한다.
논리곱 연산기(26)는, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engstpvel과, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel의 논리곱을 구하고, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp를 출력한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에서의 엔진 정지 제어의 동작 타임 차트를 도시하는 도면이다.
시간 t0에서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen은 Fr2(>Fr1a)이고, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=1이다.
시간 t1에서는, 엔진의 출력이 정지되고, 엔진 회전 속도와 동일한 발전기 회전 속도 Fr_gen은 Fr2로부터 감소를 시작한다.
시간 t2에서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen은 Fr1b를 하회하고, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel=1로 된다. 이때, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel과, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel의 논리곱인, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp도 CMD_engstp=1로 된다. 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp=1로 됨으로써, 엔진 정지 제어가 개시되고, 컨버터 주회로(3)가 게이트 스타트함과 함께, 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv와, 여자 전류 명령값 Idp0_cnv가 소정의 변화율로 각각 Iqp0,　Idp0까지 상승한다. 이에 의해, 발전기(2)의 발전 부하가 발생하여, 엔진의 정지를 재촉하는 엔진 정지 제어가 행해진다.
시간 t3에서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen은 Fr0b를 하회하고, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel=0으로 된다. 이때, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel과, 엔진 정지 제어 속도 영역 플래그 FLG_engstpvel의 논리곱인, 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp도 CMD_engstp=0으로 된다. 엔진 정지 제어 명령 CMD_engstp=0으로 됨으로써, 토크 전류 명령값 Iqp0_cnv가 소정의 변화율로 0으로 하강한다. 이에 의해, 발전기(2)의 발전 부하가 제로로 하강하고, 또한, 토크 전류 명령값 Idp0_cnv는, 지연 시간 TD가 경과한 후, 소정의 변화율로 0으로 하강함과 함께, 컨버터 주회로(3)가 게이트 스톱하여 엔진의 정지를 재촉하는 엔진 정지 제어가 종료된다.
시간 t4에서는, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen은 Fr0a를 하회하고, 엔진 동작 중 플래그 FLG_engoprvel=0으로 되고, 발전기 회전 속도 신호 Fr_gen=0으로 되어 엔진이 완전히 정지한다.
1, 51 : 엔진
2 : 발전기
3 : 컨버터 주회로
4 : 엔진 제어 장치
5 : 운전 명령 장치
6 : 벡터 제어 연산기
7 : 전류 명령 발생기
8, 65 : 필터 컨덴서
9, 64 : 속도 검출기
10 : 속도 연산부
11 : 교류 전류 검출기
12 : 직류 전류 검출기
13 : 전압 검출기
14 : 전압 검출기용 저항기
15, 28 : 엔진 출력 테이블
16 : 엔진 출력 선택기
17 : 엔진 출력 제어부
18 : 엔진 정지 판정부
19 : 토크 전류 특성 테이블
20 : 여자 전류 출력 테이블
21 : 토크 전류 선택기
22 : 여자 전류 선택기
23 : 변화율 리미터
24 : 엔진 동작 판정기
25 : 엔진 정지 제어 속도 영역 판정기
26 : 논리곱 연산기
27 : 신호 하강 지연 카운터
29 : 발전기 부하 테이블
30 : 전류 명령 연산부
52 : 유도 발전기
53 : 컨버터 장치
58 : 축전 장치
59 : 시스템 통괄 제어부
63 : 속도 센서
66 : 전류 센서
67 : 저항기
68 : 전압 센서
69 : 엔진 제어기
70 : PWM 제어기
71 : 정전력 제어기
72 : 전류 검출기

Claims (8)

  1. 엔진에 의해 구동되는 발전 수단이 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 직류 전력 발생 수단과, 상기 엔진의 회전 속도를 검출하는 수단과, 상기 발전 수단의 회전 속도를 검출하는 수단과, 상기 엔진의 구동 출력을 상기 엔진의 회전 속도에 따라서 조정하는 제1 제어 수단과, 상기 발전 수단의 발전 부하 출력을 상기 발전 수단의 회전 속도에 따라서 조정하는 제2 제어 수단을 구비하고,
    상기 제1 제어 수단은 상기 엔진의 회전 속도에 기초하여, 상기 제2 제어 수단은 상기 발전 수단의 회전 속도에 기초하여, 각각 독립하여 제어 가능한 것을 특징으로 하는 철도 차량의 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은, 상기 발전 수단의 회전 속도가 소정의 범위에 있을 때, 상기 발전 수단에 발전 부하를 발생시켜 상기 발전 수단의 회전을 저하시키는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 발전 시스템.
  5. 엔진에 의해 구동되는 발전 수단이 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 직류 전력 발생 수단과, 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 수단과, 상기 인버터 수단에 의해 구동되는 전동기와, 상기 엔진의 회전 속도를 검출하는 수단과, 상기 발전 수단의 회전 속도를 검출하는 수단과, 상기 엔진의 구동 토크를 상기 엔진의 회전 속도에 따라서 조정하는 제1 제어 수단과, 상기 발전 수단의 발전 부하 토크를 상기 발전 수단의 회전 속도에 따라서 조정하는 제2 제어 수단을 갖고,
    상기 제1 제어 수단은 상기 엔진의 회전 속도에 기초하여, 상기 제2 제어 수단은 상기 발전 수단의 회전 속도에 기초하여, 각각 개별로 동작 가능한 것을 특징으로 하는 철도 차량의 발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은, 상기 발전 수단의 회전 속도가 소정의 범위에 있을 때, 상기 발전 수단에 발전 부하를 발생시켜 상기 발전 수단의 회전을 저하시키는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 발전 시스템.
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