KR101540018B1 - 비상용 보조 부하들을 파워링하는 방법, 보조 컨버터 및 그방법에 의한 철도 차량 - Google Patents

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Abstract

철도 차량의 상기 비상 보조 부하들(22)을 파워링하기 위한 방법에 있어서, 전자부가 위치한 팔에서 상기 전류 흐름을 스위칭하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 파워 스위칭 전자부는 충전기의 각 스위치에 제공되며, 노멀 모드에서 제어부는, 노멀 모드에서 상기 제어부(130)는 상기 3상 전압을 정류하기 위하여 자유롭게 특정된 타임에 상기 통과 상태로부터 상기 비통과 상태로 및 그 역의 상태로 상기 제어가능한 전자부들의 스위칭을 제어하며(210), 트랜지스터들의 스위칭 주파수는 상기 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배 더 높으며, 비상 모드에서 상기 제어부는 상기 비상 보조 부하들을 위한 보조 3상 전압을 생성하기 위하여 상기 전자부들의 스위칭을 제어하는 단계들을 포함한다.
철도 차량, 노멀 모드, 비상 모드, 3상 전압, 보조 부하, 현수선(catenary)

Description

비상용 보조 부하들을 파워링하는 방법, 보조 컨버터 및 그 방법에 의한 철도 차량{METHOD FOR POWERING EMERGENCY AUXILIARY LOADS, AUXILIARY CONVERTER AND RAILWAY VEHICLE FOR THIS METHOD}
본 발명은 비상용 보조 부하를 파워링하는 방법, 보조 컨버터 및 그 방법을 이용한 철도 차량에 관한 것이다.
철도 차량에서 이 차량에 부착된 재충전가능한 전기 에너지 저장 장치로부터 비상용 보조 부하를 파워링하는 방법들이 있다. 비상 모드(emergency mode)에서, 이 에너지 저장 장치는 이 에너지 전원 하나로부터 30분 정도 이상 동안에, 대표적으로 30분과 1 시간 사이 동안에 비상 보조 부하의 동작을 위해 충분할 정도로 많은 에너지를 저장할 수 있다.
종래의 방법들은 배터리 충전기가 저 전압 보조 부하에 전원을 공급하고(power) 전기 에너지 저장 장치를 재충전하는 노멀 모드(normal mode)를 포함하며, 이 충전기는 3상 전원(3-phase supply)으로부터 전기 에너지 저장 장치를 재충전할 수 있는 직류 전압을 생성할 수 있다.
제안된 발명은,
· 직류 전압을 전송하는 현수선(catenary) 또는 교류 전압을 전송하는 현수선인 경우 FSSPB(Forced Switching Single-Phase Bridge)로부터의 직류 제공을 위한 보조 컨버터로서,
· 대표적으로 50Hz 또는 60Hz의 저 주파수 출력 변압기를 갖는 일반적인 DPI(Direct PWM Inverter) 토플로지이며,
· 저 주파수 변압기 및 가능한 한 400 Vac 플랫폼 파워 소캣(platform power socket)으로부터 피딩(feeding)되는 배터리 충전기를 갖는, 보조 컨버터의 개선에 관한 것이다.
3상 전압은 DC/AC 컨버터를 통해 또는 교류 전압을 전송하는 현수선의 경우 FSSPB에 의해 피딩되는 중간 직류 버스(intermediate direct current bus)를 통해 현수선으로부터 유도된 직류 전력으로부터 획득된다.
충전기는,
· 각각이 3상 전압의 위상 중 어느 하나에 연결된 3개의 입력 단자,
· 그 중 2개가 전기 에너지 저장 장치에 연결되어, 정류된 직류 전압을 전달하는 적어도 2개, 더 자주는 3개의 출력 단자를 포함한다.
사실, 배터리 충전기는 일반적으로 3개의 출력 단자를 갖는다. 2개는 양극(positive polarity)을 가지며 하나는 음극(negative polarity)을 가지며, 양극 을 갖는 첫 번째 단자는 배터리로 직접 연결된다. 양극을 갖는 두 번째 단자는 비 가역 다이오드(non-return diode)로 제공되고, 직류 전압을 제공받아야 하는 보조 부하에 전원을 제공하며, 기차의 몇 개의 배터리 및 몇 개의 충전기에 의해 파워될 수도 있는 보조 저 전압 시스템을 생성할 수 있다. 이에 따라, 배터리 또는 충전기가 단락되어야 한다면 파워가 버스에 잔존할 것을 보증한다.
충전기는 또한,
· 3개의 팔(arm)이 입력으로 3상 시스템에 연결되며, 직류 출력은 배터리 충전기의 출력 단자에 연결되며, 사이리스터(thyristor) 브리지 및 사이리스터와 다이오드가 혼합된 브리지(mixed thyristor and diode bridge) 중 어느 하나인 3상 AC/DC 컨버터,
· 사이리스터 스위치 및 3상 전압을 변압하는 제어부를 포함한다.
철도 차량에서 보조 부하는 철도 차량의 구동 모터를 제외하고는 전부 철도 차량에 부착된 전기적인 부하이다. 이러한 보조 부하들은 아래와 같이 2가지 유형이 있다.
· 저 전압에 의해 구동되는 3상 AC 부하 및,
· 저 전압에 의해 구동되는 부하.
중간 전압 3상 교류 부하는 구체적으로는, 만약 보조 컨버터가 파괴된다면 보조 컨버터들 사이의 커플링 컨택터(coupling contactor)에 의해 함께 연결될 수 있는 다른 시스템들(일반적으로 2개)을 통해 또는 싱글 네트워크를 통해서, 중복성을 이유로 몇몇 보조 컨버터들에 의해 구동된다. 보조 컨버터들은 서로 동기화될 수 있다. 중간 전압은 350 Vac 및 500 Vac 사이의 3상 전압을 의미한다. 이러한 중간 전압 보조 부하는 일 예로서, 에어컨부들(air conditioning units), 차량 내부를 데우기 위한 라디에이터, 조명장치, 또는 가습기이다.
저 전압 직류에 의해 구동되는 부하는 버퍼 배터리를 구비한 저 전압 네트워크에 의해 파워되며, 표준 배터리 전압은 24, 48, 72, 96, 및 110 Vdc이다. 저 전압 보조 부하는 일 예로서, 기기(equipment), 제어 전자부(control electronics), 승객 정보 서비스, 조명장치의 전부 또는 일부 등일 수 있다.
보조 컨버터는 현수선을 통해 켭쳐된 전력으로부터 보조 부하를 파워링하는 직류 저 전압 및 3상 중간 전압을 생성할 수 있는 전기 기기를 의미한다. 이 기기는 일반적으로 하나의 인클로저(enclosure) 내에 배치된다.
여기서, 용어 "저 전압"은 150 Vdc보다 낮은 직류 전압을 또한 나타낸다.
"현수선"이란 표현은 철도 트랙 상에 매달린 오버헤드 와이어(overhead wire) 뿐만 아니라, 철도 차량에 전력을 공급하기 위한 슈(shoe)와 접촉하여 철도 트랙을 따라 연장된 지상의 세 번째 레일을 나타낸다.
제어가능한 파워 스위칭 전자부의 스위칭 주파수는 단위 시간마다 제어가능한 파워 스위칭 전자부의 스위칭 개수에 상당한 것으로서 정의될 수 있다. 스위칭 주파수는 스위칭 타임이 그러한 방법에 의해 제어되었을 때 대표적으로 펄스 폭 변조(pulse width modulation) 캐리어 주파수와 동일하다. "펄스 폭 변조"는 때때로 축약어 PWM(Pulse Width Modulation)로 더 잘 알려져 있다.
종래의 방법들에 있어서, 제어가능한 스위치들은 사이리스터들을 포함하며 저역통과필터는 정류된 직류 전압을 스무드(smooth)하게 하기 위해 충전기의 출력 단자들 사이에 연결된다. 이 필터는 대표적으로 직렬로 연결된 커패시터와 인덕터를 포함하며, 이러한 유형의 필터는 전압 피크들이 사이리스터에 의해 정류기의 출력으로 인가되기 때문에 필수적이다.
현재, 이러한 L-C 필터들은 부피가 크고 무거우며, 정류 하모닉스(harmonics)의 존재 또한 중간 전압 시스템의 3상 필터에 대한 제한을 가하게 된다.
사이리스터 정류기 대신에 J. Rodriguez 등에 의한 IEEE 논문, "PWM 재생 정류기 : 최첨단"("PWM Regenerative Rectifiers: state of the Art")에서 설명된 유형의 재생 정류기(regenerative rectifier)를 통해, 충전기 필터의 인덕턴스 및 정류로 인한 저 주파수 하모닉스가 제거될 수 있다.
또한, 몇몇 3상 구동된 교류 보조 부하들, 특히 지하철의 비상 환기(ventilation)에 있어서, 배터리로 연결될 수 있는 섬세한 DC/AC 컨버터들이 요청되며, 그 결과 비상 모드에서 파워될 수 있다. 즉, 현수선 전압이 존재하지 않는 경우에도 노멀 모드의 메인 컨버터는 더 이상 파워되지 않는 현수선에 의해 파워될 수 있다.
이것은 부피가 큰 기기의 큰 중량을 나타내며 결과적으로 제조 비용이 더 증가한다.
기술적 문제는 종래의 기기 구성에 의해 이루어지는 하모닉 필터링 성능을 보유하면서, 노멀 모드 및 비상 모드에서 요청되는 기기의 중량 및 부피를 줄이는 것이다.
이러한 목적에 따라 본 발명은 3상 보조 모드의 파워링을 위한 방법에 관한 것으로서,
- 여기서 2개의 제어 가능한 파워 스위칭 전자부는 정류기의 각 팔(arm)로 제공되어 제어되는 방법으로 개폐될 수 있으며, 노멀 모드에서 그들이 배치된 팔에 흐르는 전류를 스위치할 수 있고,
- 노멀 모드에서, 제어부는 3상 전압을 정류하기 위한 특정 타임에 전자부의 스위칭 온 및 스위칭 오프를 제어하고, 그 전자부의 스위칭 주파수는 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배 높으며,
- 비상 모드에서, 즉 어떠한 현수선 전압도 없을 때, 메인 DC/AC 컨버터는 더 이상 제어되지 않고 배터리 충전기는 제어부에 의해 DC/AC 컨버터처럼 제어되며,
상기 제어부는,
- 보조 비상용 부하를 동작하게 할 수 있는 보조 네트워크에서 전기 에너지 저장부에 저장된 에너지로부터 생성된 3상 전압을 생성하기 위해, 특정 타임에 통과 상태(passing state)로부터 비통과 상태(non-passing state)로 및 그 역의 상태로 전자부의 스위칭을 제어하며,
상술한 프로세스에 있어서, 특정 트랜지스터에서 제어가능한 전자부가 이용된다는 사실은 그것들이 온(on)으로 스위치되는 타임 뿐만 아니라 오프(off)로 스 위치되는 타임을 자유롭게 결정할 수 있게 한다. 트랜지스터는 이에 따라 온으로 스위치되는 것만이 제어될 수 있는 사이리스터보다 더 많은 제어 가능성을 제공한다. 이 추가의 가능성은 3상 전압의 주파수보다 훨씬 더 높은 스위칭 주파수로 정류되어야하는 전류를 촙하기(chop) 위해 사용된다. 고 주파수 촙핑은 변압기의 누설 인덕턴스(leakage inductance)의 이용을 가능하게 하며 전류를 스무드(smooth)하게 하여 이에 따라 출력 인덕턴스를 제거하며, 정류기는 전류 전원(source)이 된다. 이러한 방법으로 생성된 전류 하모닉스들은 배터리 충전기의 출력에 배치된 커패시터에 의해 필터링될 수 있다.
이에 더하여, 정류기가 6개의 파워 스위칭 전자부를 포함한다는 사실은 본질적으로 가역적이라는 것을 의미한다. 즉, 현수선 전압이 존재하지 않는 경우(비상 모드)에도 DC/AC 컨버터로서 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 특정 개별 DC/AC 컨버터에 의지하지 않고 교류로 구동되는 특정 보조 부하(비상 환기)를 구동할 수 있다.
이 방법의 실시 예들은 1 이상의 다음 특징들을 포함할 수 있다.
- 전자부의 스위칭 주파수는 생성된 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배는 높으며,
- 노멀 모드에서 3상 변압기는 보조 버스에 연결된 보조 부하를 파워하기 위한 현수선으로부터 캡춰된 에너지로부터 350 Vac 및 500 Vac 사이의 중간 전압을 보조 버스에서 생성하며,
- 현수선은 직류 전압을 인가하며 노멀 모드에서 DC/AC 컨버터는 현수선으로부터 캡춰된 에너지로부터 3상 변압기로 입력으로 3상 전압을 생성하며,
- 현수선은 교류 전압을 인가하며 노멀 모드에서 싱글 위상 정류기 브리지는 3상 변압기에 입력으로 연결된 DC/AC 컨버터로의 입력으로 정류된 직류 전압을 생성하며,
- 노멀 모드에서 제어부는 3개 팔의 제어가능한 스위치들 및 DC/AC 변압기를 동기화 방식으로 제어하며,
- 제어가능한 파워 스위칭 전자부들은 트랜지스터들(바람직하게는 IGBT 유형) 또는 GTO들(Gate Turn-off Thyristors)이며,
- 노멀모드에서,
- 제어부는 3상 전류 및 3상 전압의 측정으로부터 유효전력을 대표하는 파라미터를 확립하며(estabilish),
- 제어부는 그 입력 및 출력 단자들 사이의 충전기에 의해 전송된 유효 전력의 값 및 그 단자들 사이의 유효 전력의 전송 방향을 결정하는 유효 전력 기준 값을 획득하며,
- 제어부는 유효 전력 기준 값 및 유효 전력을 대표하는 확립된 파라미터 사이의 차이에 기초하여 제어가능한 파워 스위칭 전자부에 대한 스위칭 타임을 결정하며,
- 제어부는 3상 전류 및 3상 전압의 측정에 기초하여 무효 전력을 대표하는 파라미터를 확립하며,
- 제어부는 그 입력 및 출력 단자들 사이의 충전기에 의해 전송된 무효 전력의 값 및 그 단자들 사이의 무효 전력의 전송 방향을 결정하는 무효 전력 기준 값으로 프로그래밍되며,
- 제어부는 무효 전력 기준 값 및 무효 전력을 대표하는 확립된 파라미터 사이의 차이에 기초하여 트랜지스터들에 대한 스위칭 타임을 결정하며,
- 노멀 모드에서 무효 전력 기준 값은 0이며,
- 비상 모드에서 제어부는 메모리에서 기록된 값을 기설정(preset)하기 위해 네트워크의 전압 및 주파수를 규제하며(regulate),
- 노멀 모드에서 비상 모드로 이동(tripping)하기 전에 파일럿부는 보조 버스에서 측정된 3상 전압의 위상 및, 충전기의 입력 단자들 사이의, 트랜지스터 스위칭 타임에만 의존적인 3상 전압의 위상 사이의 차이를 제거하기 위한 방법으로 트랜지스터들의 스위칭 타임을 결정한다.
제공 프로세스에 관한 이러한 실시 예들은 또한 다음의 이점을 갖는다.
- 3상 전압을 생성하기 위한 트랜지스터 스위칭 제어는, 에너지 저장 장치를 충전하고, 비상 보조 부하들을 제공하기 위해 동일한 트랜지스터들을 사용하게 하는 것을 가능하게 하며, 그것은 비상 보조 부하들을 제공하기 위해 요청된 기기에 관한 비용 및 부피를 줄이며,
- 보조 버스를 피딩하는 중간 전압을 생성하는 중간 전압 3상 변압기의 사용은, 노멀 모드 및 비상 모드 양쪽 모두에서 비상 보조 부하들을 피딩하기 위한 동일한 보조 버스의 사용을 가능하게 하며,
- 무효 전력 기준 값과 무효 전력을 대표하는 측정된 파라미터 사이의 차이에 관하여 트랜지스터들의 스위칭 타임의 결정은, 입력 단자들을 통해 충전기의 출력 단자들로 통과하는 무효 전력을 규제하는 것을 가능하게 하며,
- 노멀 모드에서 무효 전력을 0으로 설정하는 것은, 에너지 손실을 제한하는 것을 가능하게 하며,
- 보조 버스에서 3상 전압의 위상 및 충전기의 입력 단자들 사이의 전압의 위상 사이의 차이에 관하여 트랜지스터 스위칭 타임의 결정은, 노멀 모드로부터 보조 모드로 통과할 때 보조 버스에서 3상 전압 위상의 연속성(continuity)을 제공하는 것을 가능하게 하며,
- 변압기의 1차 권선(transformer primary)에서 3상 전압의 수동 정류에 의해 메인 DC/AC 컨버터에 입력 전압을 생성하는 특별한 특징을 갖는 보조 모드는,
· DC/AC 컨버터(프리차지 저항을 제거하는)로서 배터리 충전기를 사용하여 배터리로부터 메인 DC/AC 컨버터의 입력 필터 커패시터를 프리 차지하며(pre-charge),
· 만약 현수선이 없다면 열차를 앞쪽으로 이동시키는 에너지 전원으로 사용될 수 있는 현수선 전압을 재생성하는데(recreate), 이것을 이용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 또한 보조 컨버터에 관련되며, 이 컨버터는,
- 현수선으로부터 캡춰된 전력으로부터 3상 전압을 생성하는 것을 가 능하게 하는 3상 DC/AC 컨버터,
- 변압기의 1차 권선을 통하여 DC/AC 변압기의 3상 출력에 연결된 1차, 2차, 3차 권선부들을 갖는 3상 변압기, DC/AC 컨버터/변압기 부는 노멀 모드에서 현수선 전압을 보조 부하들을 제공하기 위한 보조 시스템에서 변압기의 2차 권선으로 전달될 수 있는 350 Vac 및 500 Vac 사이의 3상 중간 전압으로 변압 가능하며,
- 변압기의 3차 권선에 연결되며, 3상 DC/AC 컨버터에 의해 생성된 3상 전압으로부터 정류된 직류 전압을 노멀 모드에서 생성하는 것이 가능한 충전기를 포함한다. 이 충전기는,
· 변압기의 3차 권선에 각각 연결된 3개의 입력 단자들,
· 정류된 직류 전압이 전달된 전기 에너지 저장 장치에 연결된 2개의 출력 단자들,
· 각각의 팔이 중간 지점을 통해 직렬로 연결된 2개의 제어가능한 스위치들을 포함하며, 각각의 중간 지점은 대응하는 입력 단자에 연결되며, 2개의 출력 단자들 사이에 병렬로 연결된 3개의 팔들,
· 3상 전압을 정류하기 위한 스위치들을 스위칭하는 제어부,
- 제어된 방법으로 각각이 비 통과 상태로 개방될 수 있고 통과 상태로 닫힐 수 있는 적어도 하나의 제어가능한 파워 스위칭 전자부를 가지어, 스위치들이 배치된 팔에서 전류 통과를 스위치하는 스위치들,
- 3상 전압을 정류하기 위한 특정한 타임에 통과 상태로부터 비통과 상태로 및 비통과 상태로부터 통과 상태로 충전기의 전자부들의 스위칭을 제어할 수 있는 제어부를 포함하며, 여기서 전자부들의 스위칭 주파수는 3상 전압의 기본 주파수 보다 20배 높다.
이 컨버터에 관한 실시 예들은 1 이상의 다음 특징들을 포함할 수 있다.
- 제어부는 출력 단자들 사이에 존재하는 직류 전압으로부터 입력 단자들 사이의 3상 전압을 생성하기 위해 특정한 타임에 통과 상태로부터 비통과 상태 및 그 역의 상태로 비상 모드에서 전자부들의 스위칭을 제어하는 것이 가능하며,
- 충전기는 3상 변압기를 통해 3상 DC/AC 컨버터로부터 전기적으로 절연된다.
철도 차량과 관련된 본 발명은 또한,
- 3상 보조 시스템,
- 상기 보조 시스템에 연결되며, 비상 모드에서 적어도 30분 정도 동안 파워가 유지되어야만 하는 적어도 하나의 비상 보조 부하,
- 각 비상 보조 부하에 연결될 수 있으며, 이 에너지 전원만으로 10분 이상 동안 비상 모드에서 모든 비상 보조 부하들을 동작시키는데 충분한 에너지 양을 저장하는 것이 가능한 재충전가능한 전기 에너지 저장 장치,
- 보조 시스템을 파워하기 위한 적어도 상술한 보조 컨버터를 포함한다.
본 발명은 순수히 비제한적인 예 및 도면을 참조하여 제공되는 다음 설명의 판독으로부터 더 잘 이해될 것이다.
이러한 도면들에서 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타내는데 사용되어 진다.
당해 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 나머지 설명, 특징 및 기능들은 상세하게 설명되지 않을 것이다.
도 1은 공급 현수선(supply catenary)(6)과 접촉한 팬터그래프(4)(pantograph)를 통해 전기가 공급된 철도 차량(2)을 보여준다. 현수선(6)은 600 Vdc 이상인 정격값(rated value)을 갖는 대표적인 직류 전압인, 고 전압을 전달한다. 예를 들면, 현수선(6)의 공급 전압은 여기서는 1500 Vdc이다.
차량(2)은 일 예로서 비상 환기(emergency ventilation)를 구비한 지하 철도, 기차 또는 트램(tram)이다.
차량(2)은 보조 네트워크(12)로 3상 중간 전압(medium voltage)을 공급하는 보조 컨버터(10)을 포함한다. 버스(12)에서 3상 전압은 400 Vac이다.
보조 네트워크(12)는 3상 컨덕터들(14-16) 및 하나의 중립 컨덕터(18)를 포함한다.
대표적으로, 보조 네트워크(12)는 차량(2)에서 다양한 차량들을 통해 연장들 수 있다.
변형으로서, 차량(2)는 적어도 2개의 보조 컨버터들 및 400 Vac에서 적어도 2개의 버스들을 포함한다.
이 차량(2)에 전달되는 보조 부하들의 집합은 버스(12)에 연결된다. 직류 저 전압 부하들은 여기서는 도시되지 않는다.
보조 부하들은 정상 보조 부하들 및 비상 보조 부하들의 2개의 그룹으로 세분화된다. 정상 보조 부하들은 노멀 모드에서 파워되어야 하며, 비상 모드에서는 파워되지 않아야 하는 것들이다. 노멀 모드는 정상 보조 부하들이 팬터그래프(4)를 통해 캡춰된 에너지에 의해 파워되는 동작 모드로 여기서 정의된다. 비상 보조 부하들은 또한 노멀 모드에서 팬터그래프(4)를 통해 캡춰된 에너지로부터 버스(12)에 의해 공급된다.
비상 모드는 비상 보조 부하들만이 구동되는 동작 모드로서 정의될 수 있다. 비상 모드에서 이러한 부하들은 차량(2) 안의 전기 에너지 저장 장치로부터만 전원을 공급(power)받는다.
대표적으로, 비상 모드는 현수선(6)으로부터 차량(2)으로 파워 공급에 방해를 수반하는 차량(2)의 동작을 위한 모드와 대응한다. 파워 공급에서의 그러한 방해는 우발적이거나 계획적일 수 있다.
도 1을 단순화하기 위해, 오직 하나의 정상 보조 부하(20) 및 하나의 비상 보조 부하(22)가 도시되었다.
부하(20)는 예를 들어 차량의 에어컨(air conditioning)일 수 있다. 부 하(20)는 제어가능한 컨택터(24)를 통해 보조 네트워크(12)로 연결된다. 비상 모드에서 컨택터(24)는 버스(12)로부터 부하(20)를 전기적으로 절연할 수 있다.
부하(22)는 컨택터를 통해 통과하지 않고 네트워크(12)에 연결되며, 그 결과 노멀 모드 및 비상 모드 양쪽에서 파워된다. 부하(22)는 예를 들어 중간 전압에 의해 구동된 차량(2)의 객차들(cars) 중 하나 내의 공기를 순환시키기 위해 사용되는 팬(fan)일 수 있다.
컨버터(10)는 여기서 또한 서로 전기적으로 절연된 2개의 컨덕터들(28, 30)을 포함하는 직류 버스로 저 전압 공급을 제공할 수 있다. 여기서, 저전압은 대표적으로 110 Vdc이다.
재충전가능한 전기 에너지 저장 장치(32)는 컨덕터(28) 및 컨덕터(30) 사이에 전기적으로 연결된다. 재충전가능한 전기 에너지 저장 장치는 2개의 출력 단자들을 포함한다.
장치(32)는 그 자체로 대략 30분 이상 동안 비상 보조 부하들을 공급하기 위한 충분한 에너지를 저장할 수 있다. 여기서, 예를 들면, 장치(32)는 배터리이다.
컨버터(10)는 서로 전기적으로 절연된 컨덕터(36) 및 컨덕터(38)를 통하여 연결된다.
컨버터(10)는 다음 순서로 순차적으로 연결된, 싱글 금속 인클로져(enclosure)에 마련(house)된 다음 소자들을 포함한다.
- 절연 및 프리 차징 회로(40),
- 필터(42),
- DC/AC 컨버터(44),
- 3상 인덕턴스 L1, L2, L3의 집합 및 커패시터 C1, C2, C3의 집합을 포함하는 사인 출력 필터(sinusoidal output filter),
- 변압기(48).
회로(40)는, 컨버터가 스위치(50)가 개방될 때 절연될 수 있으며 스위치(50)가 닫힐 때 대안적으로 파워 서플라이로 컨버터를 재연결할 수 있는 방법으로 컨덕터(36)에 직렬로 연결된 스위치, 또는 컨택터(50)를 포함한다.
교류 현수선의 경우에 변형으로, 컨버터(10)는 변압기를 경유하여 현수선에 의해 구동되는 FSSPB(a Forced Switching Single-Phase Bridge)로 컨덕터들(36-38)을 통해 연결된다.
회로(40)는 또한 프리 차징 저항(54)과 직렬로 연결된 스위치(50)와 병렬로 연결된 제어가능한 스위치, 또는 컨택터(52)를 포함한다. 프리 차징 회로들은 주지이므로 회로(40)는 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.
필터(42)는 컨덕터(36) 및 컨덕터(38) 사이에 연결된 커패시터(Cf)와 컨덕터(36)에 직렬로 연결되는 인덕턴스(L)를 포함하는 LC 필터이다.
DC/AC 컨버터(44)는 필터(42)에 의해 필터링된 직류 전압을 주파수 fT의 3상 전압으로 변압할 수 있다. 대표적으로 주파수 fT는 45 Hz 및 65 Hz 사이이다. 여기 서, 주파수 fT는 50 Hz이다. 생성된 3상 전압에서 위상들 중 각각은 대응 단자(58-60)에 의해 전달된다.
사인 출력 필터는 단자들(58-60)에서 DC/AC 컨버터(44)에 의해 생성된 3상 전압을 필터링하기 위해 사용된다. 예를 들면, 사인 출력 필터는 일 측 끝이 각각 단자들(58-60)에, 타 측 끝이 각각 필터(46)의 출력 단자들(62-64)에 연결되는 3개의 인덕턴스 L1, L2, L3를 포함한다. 실제로, 인덕턴스 L1, L2, L3는 변압기 누출 인덕턴스들의 형태로 집적된다.
단자(62, 63, 64)는 변압기(48)의 3개의 1차 권선(70-72) 중 각각의 일 측 끝에 연결된다. 1차 권선들(70-72)은 삼각형으로 연결되며 1차 권선의 집합(set)을 형성한다.
이러한 1차 권선들(70-72)은 스타 결선(star connection)으로 2차 권선들의 집합을 형성하는 3개의 2차 권선들(74-76)로 전자기적 커플링에 의해 연결된다. 스타 결선의 중간 지점에는 연결되지 않는 권선들(74-76)의 끝들은 3상 중간 전압의 출력 단자들(78 및 80)에 각각 연결된다. 2차 권선에 대한 스타 결선의 중간 지점은 출력 단자(82)에 연결된다.
커패시터들 C1, C2, 및 C3은 단자(78) 및 단자(79) 사이, 단자(79) 및 단자(80) 사이, 단자(78) 및 단자(80) 사이에 각각 연결된다.
1차 권선들 및 2차 권선들 사이의 권선(turn) 수의 비는 단자들(78-80)에서 3상 중간 전압을 전달하기 위한 방법으로 선택될 수 있다. 단자들(78-80 및 82)은 각각 컨덕터들(14-16 및 18)에 연결될 수 있다. 변압기(48)는 중간전압을 보조 네트워크(12)로 공급하기 위해 사용될 수 있다.
변압기(48)는 또한 1차 권선들(70-72) 및 2차 권선들(74-76)에 전자기적으로 연결되며 3차 권선들의 집합을 형성하는 3개의 3차 권선들(84-86)을 포함한다. 3차 권선들의 일 측 끝은 스타 결선을 형성하기 위한 방법으로 중간 지점에 연결된다. 3차 권선들의 타 측 끝은 출력 단자들(88-90)에 각각 연결된다.
컨버터(2)는 또한 배터리 충전기(100)를 포함한다. 이 충전기(100)는 단자들(88-90)에 각각 연결된 3개의 입력 단자들(102, 104)을 포함한다.
충전기(100)는 충전 장치(32)의 단자들과 각각 연결된 2개의 단자들(106, 108)을 포함한다.
변형으로서, 미도시의 보조 부하들은 배터리 충전기의 출력에 병렬로 연결될 수도 있다.
배터리(32)에 대한 충전 전류는 또한 전류 센서를 사용하여 측정될 수 있다.
여기서 충전기(100)는 가역적이다. 즉, 장치(32)를 재충전하기 위하여 입력 단자들(102-104)로부터 출력 단자들(106-108)까지 전기 파워를 전송할 수 있으며, 또한 장치(32)로부터 비상 보조 부하들을 구동시키기 위한 반대 방향으로 전기 파워를 전송할 수 있다는 것을 나타낸다.
이 목적을 위한 충전기(100)는 단자들(106 및 108) 사이에 병렬로 연결된 3개의 팔들(arms)(112-114)을 포함하는 가역 정류기(110)를 포함한다. 각각의 팔은 중간 지점을 통해 직렬로 연결된 2개의 제어가능한 스위치들(IH 및 IB)을 포함한다. 팔들(112-114)의 중간 지점들은 참조 번호(116-118)을 각각 갖는다. 중간 지점들(116-118)은 단자들(102-104)에 각각 연결된다.
스위치들(IH 및 IB)은 닫혔을 때 2 방향으로 전류를 통과시키며 열렸을 때 한 방향으로 전류를 통과시킨다.
각각의 스위치(IB)는,
- 그 콜렉터가 단자(106)에 전기적으로 연결되며, 그 에미터는 중간 지점에 연결되는 파워 트랜지스터(120) 및,
- 콜렉터와 에미터 사이에 병렬로 연결되며, 그 캐소드는 단자(106)에 연결되며 그 애노드는 동일한 중간 지점에 연결되는 다이오드(122)를 포함한다.
각각의 트랜지스터(IH)는,
- 그 콜렉터는 중간 지점에 연결되며, 그 에미터는 단자(108)에 연결되는 파워 트랜지스터(124) 및,
- 트랜지스터(124)의 콜렉터와 에미터 사이에 병렬로 연결되며, 그 캐소드가 동일한 중간 지점에 연결되며 그 애노드는 단자(108)에 연결되는 다이오드(126)를 포함한다.
도 1을 단순화하기 위하여, 참조 부호(120, 122, 124, 126)는 팔(112)에서 스위치들(IH 및 IB)에 대해 단지 한 번 표시된다.
파워 트랜지스터들은 50 A 이상의 전류를 스위칭할 수 있는 트랜지스터들을 의미한다. 예를 들면, 트랜지스터들(120 및 124)은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)이다.
각각의 트랜지스터들(120, 124)은 그리드(grid)에서 수신된 명령에 대응하여 비통과 상태로부터 통과 상태로 스위칭할 수 있으며, 그 역의 상태로도 스위칭할 수 있다.
이 목적을 위하여 이러한 트랜지스터들 각각의 그리드들은 양쪽 화살(132)로 도시된 전기적인 연결을 통해 정류기(110)의 제어부(130)에 연결된다.
제어부, 즉 중앙부(central unit)(130)는 정류기(110) 및 DC/AC 컨버터(44)를 동기적으로 제어할 수 있다. 제어부(130)는 정류기(110)를 노멀 모드에서 정류기 및 대안적으로 비상 모드에서 DC/AC 컨버터로도 동작시키는 것이 가능하다. 이 목적을 위하여 중앙부(130)는 단자들(104-102)를 통해 각각 통과하는 전류들(IR, IS, IT)의 강도(strength)를 측정할 수 있는 전류 센서들(134-136)에 연결될 수 있다. 중앙부(130)는 또한 전압들(VRT 및 VRS)에 관한 2개의 센서들(138, 140) 각각에 연결된다. 전압들(VRT 및 VRS)은 각각 단자들(104 및 102) 사이의 전압 및 단자들(104 및 103) 사이의 전압이다.
중앙부(130)는 도 2에서 보다 상세하게 설명된다.
노멀 모드에서 중앙부(130)는 기준 값들(유효 전력에 대한 Idcsg 및 무효 전 력에 대한 IQCSG)을 포함하는 메모리(142)에 연결된다. 노멀 모드에서 기준 값(Idcsg)은 음(negative)이다. 예를 들면, 동일한 것이 기준 값(Iqcsg)에도 적용된다.
비상 모드에서는 어떠한 유효 및 무효 전력 규제가 없다. 비상 모드에서 부(130)는 메모리(142)에 기록된 값들(일 예 : 250 V 및 35 Hz)을 미리 설정하기 위하여 버스(12)의 전압 및 주파수를 규제한다. 이러한 기준 값들의 역할은 후술할 내용을 참조할 때 더욱 명백해질 수 있을 것이다.
충전기(100)는 단자들(106 및 108) 사이에 연결된 커패시터(150)를 포함한다. 이 커패시터(152)의 커패시티는 50 mF 보다 작다. 보다 상세하게는, 커패시터(150)의 커패시턴스는 커패시터의 단자들에서의 전압 리플이 대략 1 %이도록 선택될 수 있다.
도 2는 중앙부(130)에 대하여 보다 상세하게 보여준다. 중앙부(130)는 센서들(134-136)에서 만들어진 전류들(IR, IS, IT) 및 노멀 모드에서 동작할 때 센서들(138 및 140)에서 만들어진 전압들(VRS 및 VRT)의 측정으로부터 유효 전류(Id)의 강도 및 무효 전류(Iq)의 강도를 확립하기 위한 복조기(160)를 포함한다.
여기서 유효 전력(AP)은 다음의 관계에 의해 정의되는 것을 잊지 말아야 한다.
Figure 112008056079009-pat00001
여기서,
- I는 3상 전류의 실효 값(effective value),
- U는 3상 전압의 실효 값 및,
- φ는 3상 전류 및 전압 사이의 위상 차이 값을 나타낸다.
유사하게 무효 전력(RP)은 다음의 수학식에 의해 정의된다.
Figure 112008056079009-pat00002
유효 전류 Id 및 무효 전류 Iq는 Icosφ 및 Isinφ를 각각 갖는다.
차량(2)에서, 실효 값 U는 실질적으로 상수이며, 전류 강도들(Id, Iq)은 유효 전력 및 무효 전력을 각각 대표하는 것으로 간주될 수 있다.
복조기(160)는 전류 값들(Id, Iq)을 감산기들(162 및 164)의 음의 입력으로 각각 전송한다. 감산기(162)의 양의 입력은 기준 값(Idcsg)을 수신하는 것을 예정되어 있다. 감산기(162)로부터의 출력은 기준 값(Idcsg) 및 측정된 전류(Id)의 강도 사이의 차이를 전송하기 위하여 레귤레이터(166)에 연결된다. 이 레귤레이터(166)는 이 차이를 이용함으로써, 생성되어야 하는 전압 벡터(Uαβｃｓｇ)의 가로 좌표(Vd)를 산출할 수 있다.
감산기(164)의 양의 입력은 메모리(142)에 기록된 기준 값(Iqcsg)을 수신하도 록 예정되어 있다. 감산기(164)의 출력은 기준 값(Iqcsg) 및 측정된 전류의 강도(Iq) 사이의 차이를 레귤레이터(168)로 전송한다. 이러한 차이에 기초하여 레귤레이터(168)는 생성되어야 하는 전압에 관한 벡터(Uαβm)의 세로 좌표(Vq)를 산출할 수 있다.
복조기(160)는 또한 벡터(Uαβｃｓｇ) 및 기준 프레임(αβ)의 축(α) 사이의 각(angle)에 대응하는 각(ρ)을 전송할 수 있다.
중앙부(130)는 가로 좌표(Vd) 및 세로 좌표(Vq)로부터 벡터(Uαβｃｓｇ)의 모듈러스(M) 및 의 각(α)을 산출하기 위한 변환 블럭(170)을 포함한다.
감산기(172)는 각(ρ) 및 펄스 폭 변조기(174)에 의해 전송된 각(γ) 사이의 차이(ε)를 산출하는데 사용될 수 있다.
감산기(172)는 차이(ε)에 각(α)의 값이 더해진 차이(ε)를 위상 루프(PLL(Phase Locked Loop)로 더 잘 알려진)로 전송할 수 있다. 각(α)과 차이(ε)의 합으로부터, 루프(176)는 주파수 기준 값(fs)을 생성할 수 있다.
변조기(174)는 모듈러스(M) 및 주파수(fs)에 기초하여 다양한 트랜지스터들이 스위칭되어야 하는 타임을 결정할 수 있으며, 결정된 타임에서 이러한 트랜지스터들의 스위칭을 제어한다. 이 목적을 위하여, 일 예로서, 변조기(174)는 캐리어 및 변조기 사이의 교차점을 이용한다. 캐리어 주파수는 트랜지스터 스위칭 주파수를 고정한다.
차량(2)의 기능은 도 4의 그래프의 도움과 함께 도 3의 프로세스를 참조하여 보다 상세하게 설명되어 질 수 있다.
본질적으로, 차량(2)은 위상 180에서 정상 모드로 동작하는 것이 가정되어 진다. 위상 180에서 차량(2)은 팬터그래프(4) 및 현수선(6)을 통해 파워된다. 스위치(50)는 통과 상태에 있으나, 입력 필터를 프리 차지하기 위해서만 사용되는 스위치(52)는 필터가 충전되기만 하면 개방되도록 제어된다. 본질적으로, 단계(182)에서 정상 보조 부하들은 정상 보조 부하들이 버스로부터 파워될 수 있는 방법으로 버스(12)에 전기적으로 연결된다.
그 다음, 단계(184)에서, DC/AC 컨버터(44)는 직류 전압 컨덕터들(36 및 38) 사이에 존재하는 직류 전압으로부터 단자들(58-60)에 3상 전압을 생성한다.
단계(186)에서, 변압기(48)는 DC/AC 컨버터(44)에 의해 생성된 3상 전압을 보조 버스(12)로 전송된 3상 중간 전압으로 변압한다.
단계(188)에서, 버스(12)에 연결된 다양한 보조 부하들이 팬터그래프(4)를 통해 캡춰된 에너지에 의해 파워된다. 이에 따라, 부하들(20 및 22)은 파워되며 조작가능하다.
병렬적으로, 단계(190)에서, 변압기(48)는 또한 충전기(100)의 입력 단자들(102-104)로 3상 전압을 전송한다.
단계(192)에서, 충전기(100)는 입력 단자들(102-104) 사이에 존재하는 3상 전압으로부터 장치(32)를 재충전한다. 이 목적을 위하여 충전기(100)는 장치(32)를 재충전하기 위해 사용되는 단자들(106 및 108) 사이의 정류된 직류 전압을 생성하 기 위하여 단자들(102-104)에 존재하는 3상 전압을 정류한다.
보다 상세하게는, 동작(194)에서, 센서들(134-136, 138 및 140)은 전압들(VRS 및 VRT) 및 전류 강도들(IR, IS, IT)을 측정한다.
그리고 나서, 동작(196)에서 노멀 동작 모드에 대응하는 기준 값들(Idcsg, Iqcsg)이 배터리 충전 함수를 따르기 위하여 레귤레이터(130)에 의해 산출된다. 이러한 값들은 음(negative)이며, 입력 단자들(102-104)로부터 출력 단자들(106 및 108)까지의 가역 정류기(110)를 통한 에너지 전송과 동일하다. 여기에 기준 값(Iqcsg)은 무효 전력을 소비하지 않기 위하여 0이다.
동작(198)에서 복조기(160)는 단계(194)에서 만들어진 측정들로부터 기준 프레임(αβ)에서 전압 벡터(Uαβm)의 세로 좌표들(Va 및 Vb)을 결정한다. 콘코디아 변환(Concordia transform)이 이 목적을 위해 사용된다. 좌표들(Va 및 Vb)이 다음의 수학식으로부터 결정될 수 있다.
Figure 112008056079009-pat00003
이 벡터(Uαβm)는 도 4의 기준 프레임(αβ)에서 도시된다. 이 벡터(Uαβm)는 축(α)과 함께 각(ρ)을 만든다.
도 4는 기준 프레임(αβ)로 표현된 측정된 3상 전류에 대응하는 벡터(Iαβm)를 또한 도시한다. 이 벡터(Iαβm)의 좌표는 각각 Ia 및 Ib로 표시된다. 이러한 좌표들은 예를 들면 콘코디아 변환을 사용하여 다시 한 번 산출될 수 있다. 예를 들면, 좌표들(Ia 및 Ib)은 다음의 수학식을 이용하여 표시된다.
Figure 112008056079009-pat00004
예를 들면, 각(ρ)의 값은 좌표들(Va 및 Vb)로부터 확립된다.
그리고 나서, 여전히 동작(198)의 부분으로서, 복조기(160)는 다음의 수학식들을 이용하여 측정된 유효 전류(Id) 및 무효 전류(Iq)를 확립한다.
Figure 112008056079009-pat00005
그리고 나서, 동작(200)에서, 감산기들(162 및 164)은 다음의 수학식들을 이용하여 차이들(ΔId 및 ΔIq)을 산출한다.
Figure 112008056079009-pat00006
Figure 112008056079009-pat00007
차이들(ΔId 및 ΔIq)을 제거하기 위하여 사용되는 전압 참조 벡터(Uαβ csg)의 좌표들(Vd 및 Vq)이 그리고 나서 산출된다. 이 목적을 위하여 레귤레이터(166)는 동작(202)에서 차이(ΔId)로부터 백터(Uαβcsg)의 좌표(Vd)를 산출한다. 레귤레이터(166)는 일 예로서 유효 전력의 규제를 안정화하기 위하여 PI(Propotional Integral) 레귤레이터일 수 있다. 예를 들면, 좌표(Vd)의 값은 다음의 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure 112008056079009-pat00008
여기서,
Kpd 및 Kid는 레귤레이터 PI의 부분(propotional) 및 적분 상수들(integral constants)이다.
동작(204)에서, 레귤레이터(168)는 차이(ΔIq)로부터 좌표(Vq)의 값을 산출 한다. 동작(204)에서, 좌표(Vq)는, 예를 들면, 다음의 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure 112008056079009-pat00009
[수학식 9]에서 상수 Kpq 및 Kiq는 [수학식 8]에서의 값들, Kpd 및 Kid와 같이 반드시 동일한 값들을 가질 필요는 없다.
동작(206)에서, 모듈(170)은 좌표들(Vd 및 Vq)로부터 기준 프레임(αβ)에서 벡터(Uαβ csg)의 각(α) 및 모듈러스(modulus)(M)를 산출한다.
모듈러스(M)는 변조기(174)로 직접 전송되지만, 각(α)은 감산기(172)로 전송된다.
동작(208)에서, 감산기(172)는 다음의 수학식을 이용하여 차이(ε)를 산출한다.
Figure 112008056079009-pat00010
여기서, γ는 기준 프레임(αβ)의 축(α)에 관련하여 변조기(174)에서 결정된 스위칭 타임에 대응하는 3상 전압(Uαβg)의 각도이다.
각(γ)은 변조기(174)에서 처리된 숫자 자료이다.
ε은 3상 전압의 측정된 위상 및 그 순간에 정류기(110)에 의해 처리되거나 소비되는 3상 전압의 위상 사이의 차이를 나타낸다.
정류기(110)가 측정된 3상 전압과 동기화될 수 있기 위하여 이 차이(ε)는 0가 되어야 한다.
감산기(172)는 모듈(170)에 의해 전송된 각(α)의 값을 또한 가산한다. 동작(209)에서 동시에 차이(ε)를 제거할 수 있으며, 부가된 무효 및 유효 전력들에 대하여 기준 값들(Idcsg 및 Iqcsg)을 달성할 수 있는 주파수(fs)를 산출하는 루프(176)로 이 가산의 결과는 전송된다. 예를 들면, 루프(176)는 다음의 수학식을 이용하여 주파수(fs)를 산출한다.
Figure 112008056079009-pat00011
여기서,
Figure 112008056079009-pat00012
,
- KpPLL 및 KiPLL은 루프(176)의 레귤레이터 PI의 부분 및 적분 상수들이다.
그리고 나서, 동작(210)에서 변조기(174)는 주파수(fs)의 실효값이 모듈러스(M)과 동일한 주파수(fs)의 3상 전압을 생성하는 방법으로 트랜지스터들(120 및 124)에 대한 스위칭 타임을 결정한다. 변조기(174)는 결정된 타임에서 트랜지스터들(120 및 124)의 스위칭을 또한 제어한다.
동작(194 및 210)은 연속적으로 반복되며, 그 결과 교류를 정류함에 의해 생성된 직류 전류에 의해 배터리(32)가 재충전된다.
트랜지스터들(120-124)의 집합은 배터리에 전류가 0인지 확인하고 배터리에 병렬로 연결된 모든 보조 부하들을 파워링하는 단계(214)에서 계속해서 스위치한다.
만약, 조작 상의 사고가 따른다면, 현수선(6)은 더 이상 고 전압 파워를 전송하지 않으며, 그 후 컨버터(10)는 노멀 모드에서 동작하는 것을 멈추게 된다. 이 경우, 단계(180)에서 끝나며 비상 모드로 동작하는 단계(216)로 이동한다.
단계(216)는 단계(182)가 단계(218)로 대체되고 단계들(184 및 214)이 생략된 것을 제외하고는 단계(180)와 동일하다. 단계(218)에서 정상 보조 모드들은 보조 버스(12)로부터 끊어진다. 예를 들면, 단계(218)에서 컨택터(24)는 보조 시스템(12)으로부터 부하(20)를 전기적으로 절연하도록 개방된다. 반대로, 비상 보조 부하들의 집합은 버스(12)에 전기적으로 연결되어 남아있다. 단계(218)에서 스위치들(50 및 52)은 또한 개방된다.
도 3을 단순하게 하기 위하여 단계(218) 이 후에 수행되는 단계들(186-192)은 파선(dashed line)으로 표현된다.
단계(192)에서, 단자들(102-104)로부터 단자들(106-108)까지 에너지 전송은 더 이상 발생하지 않지만, 그 역의 방향으로는 발생하므로, 버스(12)는 장치(32)에 저장된 에너지로부터 파워된다. 그러므로, 단계(186)에서, 부하(22)는 만약 차량(2)이 더 이상 현수선(6)에 의해 파워되지 않는다면, 계속해서 동작하기 위한 방 법으로 2차 및 3차 권선들 사이의 전자기적 커플링을 통해 장치(32)로부터 파워된다.
도 5는 충전기(100)로부터의 파워 부분에 관한 모델을 보여준다. 이러한 모델에서, 블럭(R, L)은 직렬로 연결된 저항 및 인덕턴스와 대응된다. 이 인덕턴스 및 이 저항은 변압기(48)의 3차 권선들(84-86)에 포함되며, 이에 따라 도 1에서는 도시되지 않는다.
도 6 내지 도 15는 도 5에서의 모델을 이용하여 획득된 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 시뮬레이션은 다음의 수학 값들을 이용하여 수행된다.
- VRS=45 Vac,
- 교류 시스템의 주파수는 50 Hz,
- 3상 전류의 실효값은 321.68 A,
- 인덕턴스 L은 15 mH,
- 저항 R은 236 mΩ,
- 충전기로부터 출력 C의 커패시턴스는 1.1 mF,
- 단자들(106 및 108) 사이의 직류 전압 VDC는 120 VDC,
- 충전 장치(32)의 직류 전류(IDC)는 208.33 A,
- 단자들(106 및 108) 사이에 전송된 전력은 25 kW,
- 3상 전류와 3상 전압 사이의 위상 차이(φ)는 0.
도 6 내지 도 9는 변조기(174)에서 이용된 펄스 폭 변조 캐리어의 주파수가 1050 Hz였을 때 획득되었다.
도 6은 장치(32)가 재충전될 때 시간의 함수로서 입력 단자들(102-104) 중 하나를 통해 통과하는 전류에 있어서의 변화를 보여준다. 최대 피크 강도는 841 A이다.
도 7은 도 6에서 도시된 커브의 스펙트럼을 보여준다. 위상의 기본 주파수는 50 Hz이다. 기본 주파수에 가장 가까운 하모닉은 1050 Hz(스위칭 주파수)에 직접적으로 인접하여 있다. 이에 추가하여, 기본 진폭은 제1 하모닉의 진폭보다 적어도 4배이다. 여기서 기본 진폭은 454 A이다.
도 8은 장치(32)가 재충전될 때 시간의 함수로서 충전기(100)로부터 출력 전압에 있어서의 변화를 보여준다. 최대 피크 진폭은 37 %보다 적은 변환 비율을 나타내는 43.7 Vdc이다.
도 9는 직류 성분을 포함하는 도 8에 도시된 충전기로부터 출력 전압의 스펙트럼을 보여준다. 50 Hz의 제1의 의미있는 하모닉(the first significant harmonic)은 1050 Hz 이상에서 제거된다. 도 9에서 도시되지 않은 직류 성분의 진폭은 제1 하모닉의 진폭보다 적어도 4배 더 크다.
모든 다른 것들은 동일하며, 도 10 내지 도 13은 펄스 폭 변조 캐리어 주파수가 3450 Hz였을 때 획득되었다.
도 10은 시간의 함수로서 단자들(102-104) 중 하나를 통하여 통과하는 전류의 강도에 있어서의 변화를 보여준다. 최대 피크 강도는 575 A이다.
도 11은 도 10에서 도시된 전류 스펙트럼을 보여준다. 도 11에서 이용된 스케일은 도 7에서 사용된 스케일과 동일하다. 도 11에서 기본 주파수는 50 Hz에 위치한다. 제1 하모닉은 3450 Hz 이상에 배치된다. 기본 주파수의 진폭은 제1 하모닉의 진폭보다 적어도 10배이다.
도 12는 장치(32)가 충전되었을 때 충전기(100)에서 생성된 직류 전압을 보여준다. 여기서 최대 피크 진폭은 10% 보다 적은 변환 비율인 11.9 Vdc이다.
도 13은 미도시의, 0 Hz에 위치하는 직류 성분을 포함하는 도 12에서 정류된 직류 전압의 스펙트럼을 보여준다. 50 Hz의 제1의 의미있는 하모닉(the first significant harmonic)은 기본 주파수로부터 3450 Hz 이상에서 제거된다. 또한, 직류 성분의 진폭은 제1 하모닉의 진폭보다 적어도 5배 크다.
모든 다른 것들은 동일하며, 도 14 및 도 15는 펄스 폭 변조 캐리어에 대해 15150 Hz 주파수를 이용하여 획득되었다. 도 14는 단자들(102-104) 중 하나를 통해 통과하는 전류의 강도를 보여준다. 최대 피크 강도는 484.2 A이다.
도 14에서 위상 전류에 대한 스펙트럼에서, 제1 하모닉은 기본 주파수로부터 15150 Hz 이상에서 제거된다.
도 15는 충전기가 장치(32)를 변화시킴에 따라 충전기(100)에 의해 생성된 정류된 직류 전압의 변형(variation)들에 관한 외부 포락선을 보여준다. 최대 피크 진폭은 3 %보다 적은 변환 레벨과 동일한 2.55 Vdc이다.
정류된 직류 전압에 대한 스펙트럼에서 제1 하모닉은 기본 주파수로부터 15150 Hz 이상에서 제거된다. 보여지는 것처럼, 펄스 폭 변조 캐리어의 주파수가 높으면 높을수록, 즉 스위칭 주파수가 높을수록, 제1 하모닉이 기본 주파수로부터 더 잘 제거될 수 있다. 그러므로, 스위칭 주파수가 더 증가할수록, 변압기의 분산(dispersion) 인덕턴스 값 및 커패시터(152)의 커패시턴스가 더 잘 감소할 수 있으며, 이는 이러한 소자들, 특히 필터(150)의 부피의 감소로 반영된다.
많은 다른 실시 예들이 가능하다.
예를 들면, 충전기(100)는 변압기(48)에 독립적인 3상 변압기를 통하여 컨덕터들(14, 15 및 16)에 연결될 수 있다. 이 경우에서 변압기(48)의 3차 권선들은 생략될 수 있다.
여기서 설명된 배터리 충전기(110)의 제어는 벡터 제어이다. 그러나, 변형으로서, 트랜지스터 스위칭 주파수가 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배 높을 때의 시간부터는 벡터 제어 대신에 스칼라 제어가 이용될 수도 있다.
도 1은 차량(2)에서 하나의 보조 컨버터만이 도시되었다. 그러나, 실제 철도 차량들은 일 예로서, 컨버터(10)과 동일한 적어도 하나의 제2 보조 컨버터를 포함한다.
변형으로서, 비상 보조 부하들은 3상 보조 버스(12)를 통해서가 아닌 단자(32)의 단자들로 연결된 저 전압 직류 버스에 의해 파워된다.
변형으로서, 커패시터들(C1, C2, C3)의 뱅크(bank)는 노멀 동작에서 무효 전력을 제공하는 것이 가능하게 하고, 비상 모드에서 변압기의 전류를 자화하기 위하 여 보상하기 위하여 제거되는 한 부분을 갖는 2 부분으로 세분화될 수도 있다.
변형으로서, 커패시터의 프리차징은 배터리(프리차징 장치(52, 54)의 제거)로부터 수행될 수 있다.
마지막으로, 만약 장치(32)를 충전하기 위하여 사용된 것과 동일한 장치를 통해 비상 보조 부하들을 파워할 예정이라면, 스위칭 주파수가 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배 높을 필요는 없다. 이 경우에 있어서 필터(150)의 부피 및 질량은 반드시 감소될 필요는 없으며, 반면에 보조 부하들 및 장치(32) 사이의 양쪽 방향들에 있어서 전기 에너지를 교환하기 위한 싱글 가역 필터를 갖는 이점은 유지된다.
- 도 1은 배터리 충전기를 갖는 철도 차량의 도면이다.
- 도 2는 도 1의 배터리 충전기의 제어부에 관한 도면이다.
- 도 3은 도 1의 차량에서 비상 보조 부하들의 제공을 위한 프로세스의 흐름도이다.
- 도 4는 도 3의 프로세스에서 이용된 벡터들의 개수를 보여주는 그래프이다.
- 도 5는 도 3의 프로세스를 시뮬레이트하기 위해 사용된 도 1의 철도 차량 배터리 충전기의 일 모델을 나타내는 도면이다.
- 도 6, 10 및 14는 배터리 충전기에 의해 생성되는 3상 전류의 일 위상의 파형을 나타내는 크로노그램(chronogram)이다.
- 도 7 및 11은 도 6및 도 10에서 각각 설명된 전류 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
- 도 8, 12 및 15는 다른 스위칭 주파수에 대하여 배터리 충전기에 의해 정류된 직류 전압의 변화를 보여주는 크로노그램이다.
- 도 9 및 13은 도 8 및 12에서 각각 설명된 전압 스펙트럼의 나타내는 그래프이다.

Claims (17)

  1. 싱글 에너지 전원으로부터 적어도 30분 동안 비상 보조 부하들이 비상 모드에서 동작할 수 있도록 에너지를 저장할 수 있는 철도 차량 내의 재충전가능한 전기 에너지 저장 장치(32)로부터 철도 차량에 비상 보조 부하들(22)을 파워링하는 방법에 있어서, 상기 방법은 충전기(100)가 상기 전기 에너지 저장 장치(32)를 충전하는 노멀 모드를 포함하며, 상기 충전기(100)는 노멀 모드에서 현수선(4)으로부터 캡춰된 전력으로부터 획득된 3상 전압으로부터 상기 전기 에너지 저장 장치(32)가 충전될 수 있는 정류된 직류 전압을 생성할 수 있으며, 상기 충전기는,
    ·3상 전압의 상기 위상들 중 하나에 각각 연결된 3개의 입력 단자들(102-104),
    ·상기 전기 에너지 저장 장치에 연결되어 상기 정류된 직류 전압이 전송되는 2개의 출력 단자들(106, 108),
    ·상기 2개의 출력 단자들 사이에 병렬로 연결되며, 각각의 팔은 중간 지점(116-118)을 통해 직렬로 연결되며 각각의 중간 지점은 대응하는 입력 단자에 연결되는 2개의 제어가능한 스위치들(IH, IB)을 포함하는, 3개의 팔들(112-114),
    ·3상 전압을 정류하기 위하여 스위치들의 스위칭을 제어하는 부(130)를 포함하며,
    상기 방법은,
    - 그것이 위치한 팔에 흐르는 전류를 절환하기 위한 제어 방법에 따라, 비 통과(non-passing) 상태에서 열릴 수 있으며, 통과 상태에서 닫힐 수 있는 제어가능한 파워 스위칭 전자부가 각각의 스위치에 마련되며,
    - 노멀 모드에서 제어부(130)는 상기 3상 전압을 정류하기 위하여 자유롭게 선택된 타임에 상기 통과 상태로부터 상기 비통과 상태로 및 그 역의 상태로 상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들(120, 124)의 스위칭을 제어하며(210), 상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들(120, 124)의 스위칭 주파수는 상기 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배보다 높으며,
    - 비상 모드에서, 교류 구동된 비상 보조 부하들(22)은 3상 중간 전압 보조 네트워크(12)를 통해 상기 충전기의 상기 입력 단자들에 연결되며,
    - 상기 제어부(130)는 상기 비상 보조 부하(22)를 동작시키는 것을 가능하게 하는 상기 보조 네트워크(12)에서 보조 3상 전압을 생성하기 위해 자유롭게 결정된 타임에 상기 통과 상태로부터 상기 비통과 상태로 및 그 역의 상태로 상기 전자부들의 스위칭을 제어하며(210), 상기 보조 3상 전압은 상기 전기 에너지 저장 장치에 저장된 상기 에너지로부터 생성된 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 따른 방법에 있어서,
    비상 모드에서 상기 전자부들에 대한 상기 스위칭 주파수는 생성된 상기 3상 전압의 상기 기본 주파수보다 또한 적어도 20배 더 높은 방법.
  3. 제1항에 따른 방법에 있어서,
    노멀 모드에서 3상 변압기(48)는 상기 보조 네트워크(12)에 연결된 상기 보조 부하들(20, 22)을 구동하기 위한 상기 현수선으로부터 캡춰된 상기 에너지로부터 상기 보조 네트워크(12)에 350 및 500 Vac 사이의 3상 중간 전압을 생성하는 방법.
  4. 제3항에 따른 방법에 있어서,
    상기 현수선(4)은 직류 전압을 전송하며, 노멀 모드에서 DC/AC 컨버터(44)는 상기 현수선으로부터 캡춰된 상기 에너지로부터 상기 3상 변압기(48)에 3상 전압 입력을 생성하는 방법.
  5. 제3항에 따른 방법에 있어서,
    상기 현수선(4)은 교류 전압을 전송하며, 노멀 모드에서 싱글 위상 정류기 브릿지는 상기 3상 변압기(48)에 입력으로 연결된 DC/AC 컨버터(44)로 입력으로 정류된 직류 전압을 생성하는 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 따른 방법에 있어서,
    노멀 모드에서 상기 제어부(130)는 DC/AC 컨버터(44) 및 상기 3개의 팔들(112-114)에서 제어가능한 스위치들을 동기화된 방법으로 제어하는 방법.
  7. 제1항에 따른 방법에 있어서,
    상기 파워 스위칭 전자부들은 IGBT 타입 또는 GTOs인 트랜지스터들인 방법.
  8. 제7항에 따른 방법에 있어서, 노멀 모드에서,
    - 제어부는 입력에서 충전기의 입력에서 만들어진 3상 전류 및 3상 전압의 측정으로부터 유효 전력을 대표하는 파라미터(Id)를 확립하고(198),
    - 상기 제어부는 입력 및 출력 단자들 사이의 상기 충전기에 의해 전송된 상기 유효 전력 값 및 그 단자들 사이의 유효 전력의 전송 방향을 결정하는 유효 전력 기준 값으로 프로그램되며(196),
    - 상기 제어부는 상기 유효 전력 기준 값 및 상기 유효 전력을 대표하는 확립된 파라미터 사이의 차이에 따라 상기 제어가능한 파워 스위칭 전기부들에 대한 스위칭 타임을 결정하는(210) 방법.
  9. 제8항에 따른 방법에 있어서, 노멀 모드에서,
    - 상기 제어부는 상기 3상 전류 및 3상 전압의 측정에 기초하여 무효 전력을 대표하는 파라미터(Iq)를 확립하고(198),
    - 상기 제어부는 입력 및 출력 단자들 사이의 상기 충전기에 의해 전송된 상기 무효 전력의 값 및 그 단자들 사이의 상기 무효 전력의 전송 방향을 결정하는 무효 전력 기준 값을 획득하며(196),
    - 상기 제어부는 상기 무효 전력 기준 값 및 상기 무효 전력을 대표하는 확립된 파라미터 사이의 차이에 관련하여 상기 트랜지스터들에 대한 스위칭 타임을 결정하는(210) 방법.
  10. 제9항에 따른 방법에 있어서,
    노멀 모드에서 상기 무효 전력 기준 값은 0인 방법.
  11. 제1항에 따른 방법에 있어서,
    비상 모드에서 상기 제어부(130)는 메모리(142)에 기록된 값들을 미리 설정하기 위해 상기 보조 네트워크(12)의 주파수 및 상기 전압을 규제하는 방법.
  12. 제1항에 따른 방법에 있어서,
    노멀 모드로부터 비상 모드로 이동하기 이전에 상기 제어부는 상기 보조 네트워크에서 측정된 상기 3상 전압의 위상 및 상기 전자부들의 스위칭 타임에만 의존하는 상기 충전기의 상기 입력 단자들 사이의 상기 3상 전압의 위상 사이의 차이를 제거하기 위한 방법으로 상기 전자부들에 대한 상기 스위칭 타임을 결정하는(209) 방법.
  13. 철도 차량에 이용되는 보조 컨버터에 있어서, 상기 보조 컨버터는,
    - 전압을 전송하기 위한 현수선으로부터 캡춰된 전기 에너지로부터 3상 전압을 생성하기 위한 3상 DC/AC 컨버터(44),
    - 제1 권선들(70-72)의 집합을 통해 상기 컨버터(44)의 3상 출력에 연결된 3개의 제1, 제2, 및 제3의 권선들의 집합을 가지는 3상 변압기(48),
    상기 DC/AC 컨버터(44)에 의해 생성된 상기 3상 전압으로부터 노멀 모드에서 정류된 직류 전압을 생성할 수 있는 상기 변압기의 3차 권선들(84-86)의 집합에 연결된 충전기(100)를 포함하고,
    상기 DC/AC 컨버터(44) 및 상기 3상 변압기(48)는 노멀 모드에서 상기 현수선 전압을 보조 부하들을 파워하기 위한 보조 시스템(12)에서 상기 변압기의 제2 권선들(74-76)로 전송될 수 있는 350 Vac 및 500 Vac 사이의 3상 중간 전압으로 변압 가능하며, 상기 충전기는,
    - 상기 변압기(148)의 3차 권선(84-86)에 각각 연결된 3개의 입력 단자들(102-104),
    - 상기 정류된 직류 전압이 전송되는 전기 에너지 저장 장치에 연결될 수 있는 2개의 출력 단자들(106, 108),
    - 상기 2개의 출력 단자들 사이에 병렬로 연결되며, 각각의 팔은 중간 지점(116-118)을 통해 직렬로 연결되며, 각각의 중간 지점은 하나의 입력 단자 각각에 연결되는 2개의 제어가능한 스위치들(IH, IB)을 포함하는 3개의 팔들(112-114),
    - 상기 3상 전압을 정류하기 위한 스위치들을 스위칭하기 위한 제어부(130)를 포함하며,
    - 상기 스위치들(IH, IB) 각각은, 상기 각각의 팔에 배치되며 통과 상태로부터 비통과 상태로 및 그 역의 상태로 스위칭함에 의해 상기 배치된 팔에 흐르는 전류를 스위치하기 위하여 제어된 방법으로, 비 통과(non-passing) 상태에서 열릴 수 있으며, 통과 상태에서 닫힐 수 있는 적어도 하나의 제어가능한 파워 스위칭 전자부(120, 124)를 가지며,
    - 노멀 모드에서 상기 제어부(130)는 상기 3상 전압을 정류하기 위하여 특정 타임에 상기 통과 상태로부터 상기 비통과 상태로 및 상기 비통과 상태로부터 상기 통과 상태로 상기 충전기의 상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들(120, 124)의 스위칭을 제어하며(210), 상기 전자부들의 스위칭 주파수는 상기 3상 전압의 기본 주파수보다 적어도 20배 더 높으며,
    - 비상 모드에서, 상기 제어부(130)는 출력 단자들(106, 108) 사이에 존재하는 직류 전압으로부터 상기 입력 단자들(102-104) 사이의 3상 전압을 생성하기 위하여 특정 타임에 상기 통과 상태로부터 상기 비통과 상태로 및 그 역의 상태로 상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들(120, 124)의 상기 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 보조 컨버터.
  14. 제13항에 따른 보조 컨버터에 있어서,
    비상 모드에서 상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들(120, 124)의 상기 스위칭 주파수는 생성된 상기 3상 전압의 상기 주파수보다 적어도 20배는 더 높은 보조 컨버터.
  15. 제13항에 따른 보조 컨버터에 있어서,
    상기 충전기는 노멀 모드에서 상기 보조 시스템을 파워하기 위해 사용될 때 상기 3상 변압기(48)의 1차 권선(70-72)을 통해 상기 3상 DC/AC 컨버터(44)로부터 전기적으로 절연되는 보조 컨버터.
  16. 제13항에 따른 보조 컨버터에 있어서,
    상기 제어가능한 파워 스위칭 전자부들은 트랜지스터이며, IGBT 타입 또는 GTOs인 보조 컨버터.
  17. 현수선을 통해 파워된 철도 차량에 있어서, 상기 철도 차량은,
    - 3상 보조 네트워크(12),
    - 비상 모드에서 적어도 30분 동안 파워되어야 하며, 상기 보조 네트워크(12)에 연결되는 적어도 하나의 비상 보조 부하(22),
    - 비상 보조 부하(22) 각각에 연결되며, 싱글 에너지 전원으로부터 적어도 30분 이상 동안 비상 보조 부하들이 비상 모드에서 동작할 수 있도록 에너지를 저장할 수 있는 재충전가능한 전기 에너지 저장 장치(32),
    - 상기 보조 네트워크을 파워하기 위한 적어도 하나의 보조 컨버터를 포함하며,
    상기 보조 컨버터(10)는 청구항들 13 내지 16 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
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