KR101487194B1 - 전기철도의 고차고조파 해석시스템 - Google Patents

전기철도의 고차고조파 해석시스템 Download PDF

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Abstract

50차이상의 고조파를 계측 및 해석이 가능한 본 발명은 배전반, 입력변환부, 파형해석부 및 저장부로 이루어지는 전기철도의 고차고조파 해석시스템(100)에 있어서,
16bit A/D 변환기능을 더 구비하는 입력변환부(120)와, 파형해석에 필요한 샘플링주기를 설정하는 샘플링주기 발생부(140)와, 파형을 해석하는 파형해석부(133)를 포함하고 설정된 샘플링주기에 따라 하나 이상의 다른 파형분석이 가능한 제어해석부(130) 및 터치기능과 터치기능을 통해 샘플링주기 발생부(140) 또는 제어해석부(130)를 제어할 수 있는 제어프로그램이 구비된 표시부(160)를 더 포함하여 구성되는 특징이 있다.

Description

전기철도의 고차고조파 해석시스템{Advanced Analytical Method System for Higher Harmonics of Railway Applications}
본 발명은 전기철도용 급전회로에 발생하는 고조파의 차수가 높아지는 현상을 계측하고 해석하기 위한 전기철도의 고차고조파 해석시스템에 관한 것이다.
보다 상세하게는 전기철도용 전력변환장치가 고성능이 요구됨에 따라 주회로에 IGBT소자나 3Level 전력변환장치가 도입되어 이로 인해 급전회로에 유입되는 고조파의 차수가 높아지는 현상을 계측하고 해석하기 위한 전기철도의 고차고조파 해석시스템에 관한것이다.
최근 제어기술의 발달로 전기철도용 전력변환장치에 주회로의 성능향상을 도모하기 위해 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)소자의 도입이나 3Level 전력변환장치가 채용되고 있다. 이에 따라 컨버터의 반송파 주파수가 높아졌기 때문에 급전회로에 함유되는 고조파는 그 절대량은 줄지만 그 차수가 높아지고 있다.
특히 KTX-산천의 경우는 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터가 3Level로 된 점, 또 소자에 GTO(Gate Turn-off Thyristor)가 아닌 IGBT를 채용하여 반송파 주파수가 1500Hz로 높아진 점에 의해 고조파의 발생차수가 높아졌다. 즉 PWM 제어에 의한 차량은 기존 제어방식에 의한 차량보다 저차의 고조파는 감소하지만 고차의 고조파는 증가하는 것이다.
그리고 이러한 고차고조파의 발생은 급전회로의 효율을 떨어뜨리게 되므로 이를 줄이기 위해서는 먼저 제대로 된 데이터의 계측이 필요하다. 참고로 도 2는 차종별 주회로 기본구성에 따른 고조파의 차수변화를 도시하고 있다.
하지만 이 데이터는 순간데이터이기 때문에 정량적으로 평가하기 위해서는 일정시간의 평균으로 평가할 필요가 있기 때문에 고차고조파를 연속적으로 해석할 수 있는 장치가 필요하게 되었다. 그리고 종래의 고조파 해석장치는 도 3에 도시된 바와 같이 측정하는 개념을 가지고 있다. 그리고 도 4는 한국형 고속전철에서 고조파측정시스템을 도시하고 있다.
그리고 보통의 고조파 해석장치는 순시데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 해석해서 평가하지만 전기철도에서는 부하의 변동이 크기 때문에 고조파 계측Unit으로 1ms간의 파형을 평균하고 FFT 해석을 하여 1차에서 49차 고조파의 실효값과 위상각을 구해 기록하였다. 그리고 기록한 데이터의 15분간의 평균값을 구해서 평가하고 있다.
이와 같이 종래의 고조파 해석장치는 50차 미만의 고조파에 대해서는 해석이 가능하였지만 현재의 전기철도차량에서 발생하는 50차 이상의 고조파에 대해서는 계측이 불가능하고 이를 해석할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기철도차량에서 발생하는 50차이상의 고차고조파를 계측하고 해석할 수 있는 전기철도의 고차고조파 해석시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 배전반, 입력변환부, 파형해석부 및 저장부로 이루어지는 전기철도의 고차고조파 해석시스템에 있어서,
16bit A/D 변환기능이 더 구비된 입력변환부와, 파형해석에 필요한 샘플링주기를 설정하는 샘플링주기 발생부와, 파형을 해석하는 파형해석부를 포함하고, 설정된 샘플링주기에 따라 하나 이상의 다른 파형분석이 가능한 제어해석부 및 터치기능과 터치기능을 통해 샘플링주기 발생부 또는 제어해석부를 제어할 수 있는 제어프로그램이 구비된 표시부를 더 포함하여 구성되는 특징이 있다.
본 발명의 전기철도의 고차고조파 해석시스템에 따르면, 50차이상의 고차고조파를 계측하고 해석함으로써 이에 맞는 필터를 설계하여 급전회로의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 50차이상의 고차고조파의 영향을 계측함으로써 이에 맞게 설비를 설계할 수 있도록 도와주는 효과가 있으며, 이로 인해 철도운행의 안정성을 높이는 효과 또한 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 전기철도 고차고조파 해석시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 전기철도 차종별 주회로 기본구성과 이에 따른 고조파차수변화를 도시한 도면.
도 3는 종래 고조파 측정장치의 개략적인 구성도.
도 4는 종래 한국형 고속전철의 고조파 측정시스템의 개략적인 구성도.
도 5는 고조파 발생원인을 간략하게 회로와 파형을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 전기철도의 고차고조파 해석시스템의 구성예를 개략적으로 도시한 것으로서, 여기서는 본 발명의 요소적 특징만을 나타내고 있다.
50차이상의 고조파를 계측 및 해석이 가능한 본 발명은 배전반(110), 입력변환부(120), 파형해석부(133) 및 저장부(134)로 이루어지는 전기철도의 고차고조파 해석시스템(100)에 있어서,
16bit A/D 변환기능을 더 구비하는 입력변환부(120)와, 파형해석에 필요한 샘플링주기를 설정하는 샘플링주기 발생부(140)와, 파형을 해석하는 파형해석부(133)를 포함하고 설정된 샘플링주기에 따라 하나 이상의 다른 파형분석이 가능한 제어해석부(130) 및 터치기능과 터치기능을 통해 샘플링주기 발생부(140) 또는 제어해석부(130)를 제어할 수 있는 제어프로그램이 구비된 표시부(160)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 입력변환부(120)는 보다 높은 차수의 고차고조파 해석을 하도록 32bit A/D 변환기능을 구비하는 것도 바람직한 실시예가 될 수 있다.
그리고 샘플링주기 발생부(140)는 입력신호에 관계없이 샘플링주기를 고정시키고 샘플링신호를 발생시켜 제어해석부(130)로 전달할 수 있다. 이 때의 샘플링주기는 5㎲이상 10㎲이하로 설정할 수 있으며, 높은 고조파가 발생함에 따라 그 값을 변경하는 것이 바람직하며, 10㎲로 설정하는 것은 50차이상의 고차고조파 해석에 적절한 실시예가 될 수 있다.
또한 샘플링주기 발생부(140)는 실전압신호를 기준주파수로 선정하여 샘플링주기를 1파 512 샘플링주기가 되도록 샘플링신호를 발생시켜 제어해석부(130)로 전달할 수도 있다.
그리고 샘플링주기 발생부(140)는 기준주파수를 60Hz로 선정하여 샘플링 주기를 1파 512 샘플링주기가 되도록 샘플링신호를 발생시켜 제어해석부(130)로 전달할 수도 있다.
한편 제어해석부(130)는 설정된 샘플링주기에 맞추어 입력되는 신호를 샘플링하는 A/D 샘플링부(131), 샘플링된 데이터를 실시간으로 저장하는 RAW데이터저장부(132), 저장된 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 고차고조파를 해석하는 파형해석부(133) 및 해석된 결과를 저장하는 저장부(134)로 구성될 수 있다.
그리고 RAW데이터저장부(133)는 샘플링된 데이터를 실시간으로 저장하되 1초간격으로 구분하여 저장하는 것이 바람직하다.
또한 RAW데이터저장부(133)는 실시간으로 데이터를 저장하기 위해 외부기억장치 또는 자체메모리를 구비하는 것이 바람직하며, 외부와 데이터를 송수신하기 위한 인터페이스를 구비할 수도 있다.
그리고 제어해석부(130)는 1초간의 전파(全波)를 FFT해석하고 평균화하는 방법, 1초간의 전파(全波)를 평균화하고 FFT해석하는 방법 및 1초간의 대표1파를 FFT해석하는 방법들을 사용하여 파형해석할 수 있다.
또한 제어해석부(130)는 FFT해석한 결과를 역FFT변환하여 해석된 고차고조파의 검증기능을 구비할 수 있다.
그리고 저장부(134)는 해석완료된 데이터를 일정기간 저장할 수 있으며, 이를 통해 기간별 또는 지정데이터와 비교할 수도 있다. 또한 저장부(134)는 외부의 데이터를 입력받아 저장한 데이터와 비교할 수도 있다.
한편 표시부(150)는 전기철도의 고차고조파 해석시스템(100)운용에 필요한 다양한 프로그램과 화면을 제공할 수 있다. 예컨대 표시부(140)는 전기철도의 고차고조파 해석시스템(100)의 시작화면, 사용자의 기능운용에 필요한 화면을 출력할 수 있다.
또한 표시부(150)는 터치기능을 제공하는 것이 바람직하며, 제어해석부(130)의 제어과 샘플링주기 발생부(140)의 제어를 할 수 있는 터치화면과 어플리케이션을 제공할 수 있다.
그리고 표시부(150)는 저장부(134)에 저장된 결과를 다시 불러오기하여 이전에 저장된 데이타와 비교할 수 있는 기능도 제공할 수도 있다.
원래 고조파(Harmonics)는 공급계통의 기본주파수(정현파 : 60Hz)의 정수배 주파수를 가지는 사인파 전압·전류를 말하는데 왜곡된 파형은 기본파와 고조파의 합으로 분리할 수 있다.
이 고조파가 발생하는 원인은 전력계통의 부하와 기기의 비선형적인 특성에 의하여 대부분은 전력전자소자에 의해 발생한다. 전기철도의 경우에서 보자면 컨버터, 무정전 전원장치, 정류기, 가변전압, 가변주파수 등이 그 예가 될 수 있다. 도 5는 고조파발생원인을 알 수 있는 간략한 회로와 그 파형을 도시하였다.
특히 고조파 전류는 전원계통의 전압왜곡을 일으키며, 발생원의 내부임피던스와 전기설비의 임피던스가 공진조건을 만족하면 고조파전류는 증폭되어 전자유도장애를 일으켜 전기철도의 사고위험성을 높이는 원인이 되기도 한다.
본 발명의 전기철도의 고차고조파 해석시스템은 50차이상의 고조파를 분석함으로써 고조파 발생량의 저감과 전원측의 고조파 내량증대를 위한 임피던스의 변경하도록 할 수 있으며 적절한 고조파필터를 접속시킬 수 있다. 즉 고조파 장애원측과 고조파로부터 보호하려는 측에 병렬로 고조파필터를 접속하고 이것으로 고조파 전류를 흡수하여 대지에 방전시키는 것이다.
또한 고조파로부터 보호하려고 하는 용량성 부하측에 사용하는 방법으로 주로 용량성 부하와 직렬로 접속한다. 직렬리액터가 없는 콘덴서는 고조파에 대하여 저 임피던스가 되고 고조파전류가 흐르기 쉽게 되지만 직렬리액터는 고조파에 대하여 유도성 고 리액턴스로 작용함으로 고조파에 의한 과열을 방지할 수 있다.
원칙적으로는 고조파문제의 해결은 기기자체의 고조파발생량을 억제시키는 것이 바람직하다. 그러나 기기자체의 고조파전류를 억제시키는 대책만으로 한계가 있으며 본 발명의 분석된 결과를 이용하여 전기사업자도 이를 참조한다면 고조파에 의한 장애는 감소할 수 있다고 판단된다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전기철도의 고차고조파 해석시스템
110 : 배전반 120 : 입력변환부
130 : 제어해석부 131 : A/D 샘플링부
132 : RAW데이터저장부 133 : 파형해석부
134 : 저장부 140 : 샘플링주기 발생부
150 : 표시부

Claims (10)

  1. 배전반, 입력변환부, 파형해석부 및 저장부로 이루어지는 전기철도의 고차고조파 해석시스템에 있어서,
    상기 입력변환부는 16bit A/D 변환기능을 더 구비하고,
    파형해석에 필요한 샘플링주기를 설정하는 샘플링주기 발생부와;
    파형을 해석하는 파형해석부를 포함하고, 설정된 샘플링주기에 따라 하나 이상의 다른 파형분석이 가능한 제어해석부 및
    터치기능과 터치기능을 통해 샘플링주기 발생부 또는 제어해석부를 제어할 수 있는 제어프로그램이 구비된 표시부;를 더 포함하여 고차고조파를 계측 또는 분석가능한 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    샘플링주기 발생부는 입력신호에 관계없이 샘플링주기를 고정하여 샘플링신호를 발생시키는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    샘플링주기는 5㎲이상 10㎲ 이하로 설정되는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    샘플링주기 발생부는 실전압신호를 기준주파수로 선정하여 샘플링주기를 1파 512 샘플링주기가 되도록 하여 샘플링신호를 발생시키는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    샘플링주기 발생부는 기준주파수를 60Hz로 선정하여 샘플링 주기를 1파 512 샘플링주기가 되도록 하여 샘플링신호를 발생시키는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    제어해석부는 설정된 샘플링주기에 맞추어 입력되는 신호를 샘플링하는 A/D 샘플링부, 샘플링된 데이터를 실시간으로 저장하는 RAW데이터저장부, 저장된 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 고차고조파를 해석하는 파형해석부 및 해석된 결과를 저장하는 저장부 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    RAW데이터저장부는 샘플링된 데이터를 실시간으로 저장하되 1초간격으로 구분하여 저장하는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    RAW데이터저장부는 외부기억장치 또는 자체메모리를 구비하여 데이터를 저장하는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    제어해석부는 1초간의 전파를 FFT해석하고 평균화하는 방법, 1초간의 전파를 평균화하고 FFT해석하는 방법 및 1초간의 대표1파를 FFT해석하는 방법 중 어느 하나 이상을 이용하여 파형해석하는 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    제어해석부는 FFT해석한 결과를 역FFT변환하여 해석된 고차고조파의 검증기능이 더 구비된 전기철도의 고차고조파 해석시스템.
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