KR101725198B1 - 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법 - Google Patents

전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 정확한 스마트 미터링 장치 및 이를 이용한 경제 운전 패턴 제공 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 가선으로부터의 전원을 변환하여 전기 철도 차량의 추진 제어 장치에 공급하는 제1변압기; 상기 가선으로부터의 전원을 변환하여 상기 전기 철도 차량의 내부 전기 부품에 공급하는 제2변압기; 상기 제2변압기의 전원을 변환하여 상기 가선의 전압을 검출하도록 하고, 스마트 미터링 장치에 전원을 공급하도록 하는 제3변압기; 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 감지하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 가선 전압 센서; 및, 상기 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하고, 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 전원 공급부로 이루어진 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 개시한다.

Description

전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법{Power suply apparatus of smart metering device for electric rail car and method thereof}
본 발명의 일 실시예는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 스마트 미터링 장치는 차량 제어 전원용 축전지(DC 100V) 또는 보조 전원 장치(AC 380/220V)로부터 전원을 공급받고 있다. 일반적으로, 철도 차량의 루프(roof)에 장착되는 스마트 미터링 장치는 1개의 철도 차량 편성에 2 ~ 5개까지 설치되기 때문에 원활한 설치 및 이동이 용이해야 하고, 설치 후 운용 시 안전성 확보가 요구되고 있다.
그런데, 스마트 미터링 장치가 기존 차량의 하부 또는 실내에 장착되는 축전지(DC 100V) 또는 보조 전원 장치(AC 380/220V)로부터 전원을 공급받기 위해서는 실내와 루프간의 전선 통로 및 전선로를 확보해야 하나, 이 경우 상업적으로 운행 중인 차량의 객실내 소음이 증가할 수 있고 더욱이 운행 안전성에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 차량 실내에 장착되는 축전지 또는 보조 전원 장치의 도움 없이, 스마트 미터링을 위한 가선 전압 검출용 전압 센서의 출력 전압을 전원 전압으로 그대로 이용할 수 있는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 해결하고자 하는 과제는 전원 공급 장치에 의한 전원 전압이 차단되거나 또는 전원 전압이 기준 전압보다 낮아졌을 때, 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버 등에 신속하게 전송하여, 후속 처리 작업(데이터 저장 및 전원 전압 이상 기록 등)을 수행하도록 함으로써, 스마트 미터링 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치는 가선으로부터의 전원을 변환하여 전기 철도 차량의 추진 제어 장치에 공급하는 제1변압기; 상기 가선으로부터의 전원을 변환하여 상기 전기 철도 차량의 내부 전기 부품에 공급하는 제2변압기; 상기 제2변압기의 전원을 변환하여 상기 가선의 전압을 검출하도록 하고, 스마트 미터링 장치에 전원을 공급하도록 하는 제3변압기; 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 감지하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 가선 전압 센서; 및, 상기 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하고, 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 전원 공급부를 포함한다.
상기 전원 공급부는 상기 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하는 전원 위상 센서; 상기 전원 위상 센서로부터 감지된 위상에 따라 위상각 제어값을 결정하는 위상각 제어부; 상기 위상각 제어부로부터 결정된 위상각 제어값에 따라 게이트 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되고, 상기 게이트 드라이버의 게이트 신호에 의해 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 위상 제어 정류부를 포함할 수 있다.
상기 제3변압기는 상기 제2변압기에 연결된 입력 권선; 상기 위상 제어 정류부에 연결된 제1출력 권선; 및 상기 가선 전압 센서에 연결된 제2출력 권선을 포함할 수 있다.
상기 입력 권선, 제1출력 권선 및 제2출력 권선의 권선비는 10:10:1일 수 있다.
상기 전원 위상 센서는 상기 가선 전압 센서와 상기 스마트 미터링 장치 사이에 연결될 수 있다.
상기 가선 전압 센서는 상기 제3변압기의 제2출력 권선으로부터의 전기적 노이즈를 필터링하여 출력하는 아날로그 필터; 및 상기 아날로그 필터로부터 얻은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 전원 위상 센서 및 상기 스마트 미터링 장치에 전달하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 위상 제어 정류부의 출력단에는 필터 리액터 및 필터 캐패시터가 더 연결될 수 있다.
상기 제3변압기의 제2출력 권선과 상기 위상 제어 정류부 사이에는 초기 충전과 전압 전류 제한을 위한 초기 충전 및 전압전류제한 회로부가 더 연결될 수 있다.
상기 초기 충전 및 전압전류제한 회로부는 제1캐패시터; 상기 제1캐패시터에 병렬로 연결된 제2캐패시터; 및 상기 제1캐패시터에 직렬로 연결되고, 상기 제2캐패시터에 병렬로 연결된 제1저항을 포함할 수 있다.
상기 제3변압기의 제2출력 권선과 상기 위상 제어 정류부 사이에는 전원 보호용 접점 퓨즈가 더 연결될 수 있다.
상기 전원 보호용 접점 퓨즈가 융단될 경우, 상기 전원 보호용 접점 퓨즈의 융단 신호가 상기 스마트 미터링 장치에 전송되며, 상기 스마트 미터링 장치는 전원 인터럽트 신호를 출력할 수 있다.
상기 위상 제어 정류부의 출력단에는 전원 센서부가 더 연결될 수 있다.
상기 전원 센서부는 상기 위상 제어 정류부의 전원 전압이 기준 전압 이하로 하강될 때 미리 정해진 시간 동안 전원 전압을 유지하는 전원 전압 유지부; 상기 전원 전압 유지부의 전압을 레귤레이팅하는 레귤레이터; 및 상기 전원 전압 유지부의 전압과 상기 레귤레이터의 전압을 비교하여, 상기 전원 전압 유지부의 전압이 레귤레이터의 전압보다 낮으면 전원 이상 신호를 출력하는 전원 전압 센서를 포함할 수 있다.
상기 전원 이상 신호가 상기 스마트 미터링 장치에 전송되며, 상기 스마트 미터링 장치는 전원 인터럽트 신호를 출력할 수 있다.
상기 위상 제어 정류부의 입력 전압 범위는 76V 내지 116V이고, 상기 위상 제어 정류부의 출력 전압은 24V이며, 상기 위상 제어 정류부의 위상각은 69° 내지 77°로 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치는 전기 철도 차량에 전원을 공급하는 가선의 전원을 변환하는 변압기; 및, 상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하고, 상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 스마트 미터링 장치에 공급하는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부는 전기 철도 차량의 루프에 설치될 수 있다.
상기 전원 공급부는 상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하는 전원 위상 센서; 상기 전원 위상 센서로부터 감지된 위상에 따라 위상각 제어값을 결정하는 위상각 제어부; 상기 위상각 제어부로부터 결정된 위상각 제어값에 따라 게이트 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 변압기에 전기적으로 연결되고, 상기 게이트 드라이버의 게이트 신호에 의해 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 위상 제어 정류부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 방법은 전기 철도 차량에 전원을 공급하는 가선의 전압을 제1,2전압으로 변압하는 단계; 상기 제1전압으로부터 초기 충전을 수행하고, 전압과 전류를 제한하며, 상기 제2전압으로부터 상기 가선 전압을 감지하는 단계; 상기 제2전압으로부터 상기 가선 전원의 위상을 감지하는 단계; 상기 감지된 위상으로부터 위상각을 결정하고, 상기 위상각을 이용하여 상기 제1전압을 위상 제어 방식으로 정류하는 단계; 및, 상기 위상 제어 방식으로 정류된 전원 전압을 상기 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치에 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상기 제1전압이 기준 전압보다 낮아지거나 또는 상기 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 전원 이상 신호를 상기 스마트 미터링 장치에 전달하고, 상기 스마트 미터링 장치는 전원 전압 인터럽트 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 감지된 가선 전압은 상기 스마트 미터링 장치에 전달될 수 있다.
본 발명은 차량 실내에 장착되는 축전지 또는 보조 전원 장치의 도움 없이, 스마트 미터링을 위한 가선 전압 검출용 전압 센서의 출력 전압을 전원 전압으로 그대로 이용할 수 있는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 가선의 전원 위상을 감지하고, 변압기(예를 들면, ACPT)에 전기적으로 연결되어 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 스마트 미터링 장치에 공급함으로써, 기존과 같이 전기 철도 차량의 실내에 설치된 축전지 또는 보조 전원 장치와의 배선 연결없이, 스마트 미터링 장치에 용이하게 전원을 공급할수 있도록 한다.
더욱이, 이러한 스마트 미터링 장치 및 전원 공급 장치는 그 구조가 간단하여 전기 철도 차량의 루프에 그대로 장착될 수 있다. 즉, 스마트 미터링 장치의 특성상, 전기 철도 차량의 전체 소비 전력을 정확하게 계산하기 위해서는 전기 철도 차량과 가선 사이로서, 가선에 가장 근접한 곳의 전압 및 전류를 측정함이 바람직한데, 본원 발명에서는 전원 공급 장치가 가선에 가장 근접한 위치에 설치됨으로써, 스마트 미터링 장치 역시 가선에 가장 근접한 영역(즉, 전기 철도 차량의 루프)에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명은 전원 공급 장치에 의한 전원 전압이 차단되거나 또는 전원 전압이 기준 전압보다 낮아졌을 때, 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버 등에 신속하게 전송하여, 후속 처리 작업(데이터 저장 및 전원 전압 이상 기록 등)을 수행하도록 함으로써, 스마트 미터링 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 변압기의 출력 전압이 기준 전압보다 낮아지거나 또는 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 전원 이상 신호를 스마트 미터링 장치에 전달하도록 하고, 또한 스마트 미터링 장치는 이러한 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버에 전달함으로써, 차량 기지 서버가 지금까지 확보한 스마트 미터링 정보 및 전원 전압 이상 상태를 저장/기록하도록 하여, 스마트 미터링 시스템의 전반적인 신뢰성이 향상되도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5a는 접점 퓨즈에 의한 전원 전압 인터럽트 신호가 제어부에 전송되는 구성을 도시한 블럭도이고, 도 5b는 전원 센서에 의한 전원 전압 인터럽트 신호가 제어부에 전송되는 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 전원 센서의 전원 전압 유지부, 레귤레이터 및 전원 전압 센서의 일례를 각각 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
여기서, 본 발명에서 기술된 스마트 미터링 장치는 전기 철도 차량의 에너지 소비량을 측정하여 부하 차량의 에너지 소비 패턴을 분석하고, 고효율 운전 패턴까지도 제시하기 위한 전압 전류 데이터 계측 장치로서, 이는 전기 철도 차량의 가선 전압, 가선 전류, 기관사의 노치 지령, 제동 지령, 차량 속도, 가속도, 기동, 응하중, 위치, 시간 등의 정보를 수집하고 있다.
또한, 스마트 미터링 장치는, 소비 및 회생 에너지 측정을 위해, 팬터그래프와 같은 집전 장치로부터 수전되는 전압, 전류를 계측해야 하며, 이를 위해 동력 분산형 차량의 경우 다수의 모터카들에, 동력 집중형 차량의 경우 동력차에 설치되어야 한다.
통상적으로 스마트 미터링 장치는 전기 철도 차량의 팬터그래프 및 계기용 변압기(ACPT)가 장착된 루프(roof)에 설치되고, 안전하게 탈부착이 가능한 형태로 개발되어야 한다. 또한, 추가로 전용 센서들이 설치될 수도 있으나, 추가 부착시 특고압과의 절연 성능 확보 및 운행 중 진동으로 인한 안전성 확보에 어려움이 많을 뿐만 아니라 오랜 시간과 비용이 필요하여 기존 차량에 장착된 센서를 활용함이 바람직하다. 예를 들면, 이미 장착된 변압기(ACPT) 및 전류 센서(로고스키코일) 등을 이용하는 방식으로 스마트 미터링 장치가 개발됨이 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 전기 철도 차량(1)은 기본적으로 변전소로부터 교류 및/또는 직류 전원을 공급받아서, 인버터(2) 및 모터(3)의 구동에 의해 동작하도록 되어 있다. 물론, 인버터(2) 및 모터(3)는 차량 운전부(300)에 의해 수동 및/또는 자동으로 제어된다.
여기서, 본 발명은 상술한 교류 및/또는 직류 전원의 전압 및 전류를 센싱하여 전력을 계측하는 스마트 미터 즉, 스마트 미터링 장치(100)를 포함한다. 더욱이, 본 발명에 따른 스마트 미터링 장치(100)는 계측된 전력 정보를 차량 기지 서버(200)에 전송하기 위한 통신부(170)를 더 포함할 수 있다. 즉, 전기 철도 차량(1)의 통신부(170)는 유무선 통신망(예를 들면, 3G, 4G, 또는 WIFI)을 통해 차량 기지 서버(200)의 통신부와 연결될 수 있다.
한편, 차량 운전부(300)는 차량 기지 서버(200)로부터 최적화된 경제 운전 패턴 정보를 입력받아 이에 추종하도록 수동 및/또는 자동으로 인버터(2) 및 모터(3)를 제어할 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 일반적으로 스마트 미터링 장치(100)는 제1센서(110), 제2센서(120), 제3센서(130), 미터링부(140), 제어부(150), 데이터 저장부(160) 및 통신부(170)를 포함한다. 더불어, 본 발명은, 이하에서 더욱 상세하게 설명하겠지만, 전원 공급부, 퓨즈부 및/또는 전원 센서부를 더 포함한다.
제1센서(110)는 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함하며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)에 공급되는 전압 및 전류 정보(아날로그 정보)를 센싱하고, 이를 미터링부(140)에 디지털 신호(디지털 정보)로 변환하여 제공한다.
여기서, 전압 센서(111)는 팬터그래프(4)와 전기 철도 차량(1) 사이의 전원선에 병렬로 연결되며, 이는 절연 변압기를 활용한 분리절연방식(Isolation barrier 방식)의 센서일 수 있으며, 양의 고전압(Positive High Voltage:+HT) 단자와 음의 고전압(Negative High Voltage:-HT) 단자에 직접 전압을 인가하는 것을 통해 전압을 측정하는 입력부와, 측정된 전압 신호를 1차 고전압(Primary High Voltage)선과 2차 저전압(Secondary Low Voltage)선의 절연을 담당하는 절연 변압기를 통해 센서의 출력측에 전송하는 절연부/유도부와, 전송된 신호를 증폭기에 의해 전류 또는 전압 신호로 변환하는 증폭부를 포함할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않으며, 이밖에도 다양한 종류의 전압 센서가 이용될 수 있다. 일례로, 본 발명은 클로즈드 루프 기술 방식의 홀 효과 전압 센서도 이용할 수 있다. 이러한 홀 효과 전압 센서는 마그네틱 코어와, 마그네틱 코어의 일측에 권취된 1차 권선과, 마그네틱 코어의 타측에 권취된 2,3차 권선과, 제2,3차 권선에 연결되어 출력 전압을 증폭하는 증폭부를 포함할 수 있다.
전류 센서(112) 역시 팬터그래프(4)와 전기 철도 차량(1) 사이에 설치된 전원선에 설치되며, 이는 이중 코어 방식의 클로즈드 루프 홀 이펙트 방식의 분할 개폐 구조가 적용되며, 입력 전류가 마그네틱 코어를 통과함에 따른 자기장을 유도시키는 유도부와, 마그네틱 코어에 의해 발생된 자기장의 크기에 의해 홀소자에 1차 전류와 비례하는 2차 전류가 발생하고 이 전류가 저항(Rm)에 출력 전압(VM)을 발생시키는 출력부를 포함할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않으며, 이밖에도 다양한 종류의 전류 센서가 이용될 수 있다.
제2센서(120)는 노치 센서(121), 제동 센서(122), 속도 센서(123) 및 기동 센서(124)를 포함하며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 노치, 제동, 속도 및 기동 정보를 센싱하고, 이를 제어부(150)에 디지털 신호로 변환하여 제공한다.
노치 센서(121)는 운전실의 노치에 설치되며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 노치 상태가 센싱된다. 일례로, 노치 센서(121)는 노치 자체일 수 있으며, 노치로부터 출력되는 전기적 신호에 의해 노치 상태가 센싱된다. 여기서, 노치는 자동차의 액셀과 유사한 개념이나 전기 철도 차량에서는 기어 변속 개념이 없으므로, 단순히 액셀의 밟은 깊이에 대응하는 개념으로 이해하면 된다.
제동 센서(122)는 운전실의 제동기에 설치되며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 제동 상태가 센싱된다. 일례로, 제동 센서(122)는 제동기 자체일 수 있으며, 제동기로부터 출력되는 전기적 신호에 의해 제동 상태가 센싱된다. 여기서, 제동기가 동작하면 모터(3)가 발전기로 동작하여 회생 전력이 발생되며, 이러한 회생 전력은 가선을 통해 변전소에 구비된 에너지 저장 시스템(배터리)에 저장되거나, 또는 전기 철도 차량 자체에 구비된 에너지 저장 시스템(배터리)에 저장될 수 있다.
속도 센서(123)는 운전실의 속도계에 설치되며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 속도/가속도가 센싱된다. 일례로, 속도 센서(123)는 속도계 자체일 수 있으며, 속도계로부터 출력되는 전기적 신호에 의해 속도/가속도 상태가 센싱된다.
기동 센서(124)는 운전실의 기동기에 설치되며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 기동 상태가 센싱된다. 일례로, 기동 센서(124)는 기동기 자체일 수 있으며, 기동기로부터 출력되는 전기적 신호에 의해 전기 철도 차량(1)의 기동 상태가 센싱된다. 여기서, 기동기는 팬터그래프(4)를 상승시켜 전기 철도 차량(1)을 가선에 연결하는 역할을 하며, 이와 같이 기동기가 동작하여 팬터그래프(4)가 가선에 연결되어야만, 비로소 전기 철도 차량(1)에 고압의 직류 전원이 공급되어 운행 가능한 상태가 된다.
제3센서(130)는 응하중 센서(131), 위치 센서(132) 및 시간 센서(133)를 포함하며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 응하중, 위치 및 시간 정보를 센싱하고, 이를 제어부(150)에 디지털 신호로 변환하여 제공한다.
응하중 센서(131)는 전기 철도 차량(1)의 바닥면에 설치되며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 응하중이 센싱된다. 이러한 응하중 센서(131)는, 예를 들면, 전기 철도 차량(1)의 바닥면에 설치된 댐퍼, 공기 스프링, 반도체식 압전소자형 압력센서 또는 이의 등가물일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
위치 센서(132)는 통상의 GPS 시스템이거나, 또는 GPS 음영 지역에서 사용되는 네트워크 기반의 위치 측정 시스템 또는 모션 센서를 이용한 PDR(Pedestrian Dead Reckoning) 위치 측정 시스템일 수 있으며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 현재 위치가 센싱된다. 이러한 위치 센서(132)에 의해 차량 위치를 파악하는 기술은 주지된 기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
시간 센서(133)는 통상의 마이크로 프로세서에 장착된 시계이거나, 또는 GPS 시스템으로부터 수신받은 시간 정보 등일 수 있으며, 이를 통해 전기 철도 차량(1)의 현재 시간이 센싱된다.
미터링부(140)는 제1센서(110)로부터 획득한 정보를 이용하여 전력 정보를 연산하고, 그 결과를 제어부(150)에 전송한다.
제어부(150)는 기본적으로 제2센서(120)로부터 획득한 정보에 기초하여 전기 철도 차량(1)이 가속, 등속 및/또는 정지 상태인 것으로 판단될 경우, 미터링부(140)로부터 획득한 전력 정보를 소비 전력으로 정의한다. 다시 설명하면, 제어부(150)는 노치 센서(121), 제동 센서(122), 속도 센서(123) 및 기동 센서(124)로 이루어진 제2센서(120)로부터 획득한 정보에 근거하여 전기 철도 차량(1)이 가속, 등속 및/또는 정지 상태로 판단될 경우, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)로 이루어진 제1센서(110)로부터 획득한 정보(이는 미터링부(140)가 제어부(150)에 전송한 정보임)에 근거하여 전기 철도 차량(1)이 소비하는 소비 전력을 연산한다.
또한, 제어부(150)는 제2센서(120)로부터 획득한 정보에 기초하여 전기 철도 차량(1)이 제동 및/또는 감속 상태인 것으로 판단될 경우, 미터링부(140)로부터 획득한 전력 정보를 회생 전력으로 정의한다. 다시 설명하면, 제어부(150)는 노치 센서(121), 제동 센서(122), 속도 센서(123) 및 기동 센서(124)로 이루어진 제2센서(120)로부터 획득한 정보에 근거하여 전기 철도 차량(1)이 제동 및/또는 감속 상태인 것으로 판단될 경우, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)로 이루어진 제1센서(110)로부터 획득한 정보(이는 미터링부(140)가 제어부(150)에 전송한 정보임)에 근거하여 전기 철도 차량(1)이 변전소에 설치된 에너지 저장 시스템 또는 전기 철도 차량 자체에 설치된 에너지 저장 시스템에 출력하는 회생 전력을 연산한다.
여기서, 제어부(150)는 전류 센서(112)로부터 감지되는 전류의 방향까지 고려하여, 회생 전력 여부를 결정할 수도 있다. 즉, 전류 센서(112)는 가선으로부터 전기 철도 차량에 전원이 공급되는 경우(소비 전력)와, 전기 철도 차량으로부터 가선에 전원이 공급되는 경우(회생 전력) 또는 전기 철도 차량 자체에 공급되는 경우(회생 전력)에 있어, 전류의 흐름 방향이 반대임을 센싱할 수도 있으므로, 이러한 정보까지 합세하여 현재의 전력이 소비 전력인지 회생 전력인지 판단할 수 있다. 다만, 이러한 전류 센서(112)로부터 감지되는 전류 방향만을 고려해서, 소비 전력 및 회생 전력을 판단할 경우에는 외부 노이즈 및 신호 왜곡에 의해 그 신뢰성이 확보되지 않을 수 있으므로, 상술한 바와 같이 전기 철도 차량의 감속 및 제동 상태를 함께 고려함이 바람직하다.
더불어, 제어부(150)는 상술한 소비 전력에서 회생 전력을 감산하여 전기 철도 차량(1)이 소비하는 순소비 전력을 연산하고, 이를 통신부(170)에 의해 차량 기지 서버(200)에 전송한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제어부(150)는 제3센서(130)로부터 획득한 정보에 기초하여, 전기 철도 차량(1)의 응하중별, 위치별 및 시간별 소비 전력, 회생 전력 및 순소비 전력을 연산하고, 이를 통신부(170)에 의해 차량 기지 서버(200)에 전송한다. 즉, 제어부(150)는 응하중 센서(131), 위치 센서(132) 및 시간 센서(133)로 이루어진 제3센서(130)로부터 획득한 응하중, 위치 및 시간에 대응하는 소비 전력, 회생 전력 및 순소비 전력을 연산하고, 이를 차량 기지 서버(200)에 전송한다.
여기서, 제어부(150)는 제3센서(130), 특히, 위치 센서(132)로부터 획득한 위치 정보를 이용하여, 전기 철도 차량(1)의 위치가 현재 운행 노선인 것으로 판단될 경우, 미터링부(140)로부터 제어부(150)에 입력되는 값을 소비 전력 및/또는 회생 전력으로 설정한다. 또한, 제어부(150)는 제3센서(130), 특히, 위치 센서(132)로부터 획득한 위치 정보를 이용하여, 전기 철도 차량(1)의 위치가 현재 철도 기지인 것으로 판단될 경우, 미터링부(140)로부터 제어부(150)에 입력되는 값을 유휴 전력으로 설정한다.
더불어, 제어부(150)는 상술한 소비 전력에서 회생 전력 및 유휴 전력을 감산하여 순소비 전력을 연산하고, 이들을 통신부(170)에 의해 차량 기지 서버(200)에 전송한다. 물론, 제어부(150)는 상술한 바와 같이 전기 철도 차량(1)의 응하중별, 위치별 및 시간별 소비 전력, 회생 전력, 유휴 전력 및 순소비 전력을 연산하고, 이들을 데이터 저장부(160)에 임시로 저장한 후, 전기 철도 차량(1)이 차량 기지에 되돌아 왔을 때 차량 기지 서버(200)에 전송한다.
여기서, 미터링부(140) 및 제어부(150)는, 예를 들면, 디지털 시그널 프로세서(DSP), 마이크로프로세서, 주문형 집적회로와 같은 전기적 회로에 의해 구현될 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 하여, 전기 철도 차량(1)의 스마트 미터링 장치(100)는 전기 철도 차량(1)에 공급되는 전압 및 전류를 이용하여 소비 전력을 계측하되, 전기 철도 차량(1)의 노치, 제동, 속도, 기동, 응하중, 위치 및 시간에 관련된 소비 전력, 회생 전력 및 순소비 전력을 각각 구분하여 정확하게 계측하게 된다.
또한,전기 철도 차량(1)이 차량 기지에서 소비한 유휴 전력도 회생 전력과 함께 소비 전력에서 자동적으로 감산함으로써, 전기 철도 차량(1)이 차량 기지를 벗어나 운행 노선에서 순수하게 소비한 순소비 전력을 정확하게 계측하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 장치(400)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 장치(400)의 구성을 도시한 블럭도이다. 여기서, 본 발명에 따른 스마트 미터링 장치(100) 및 전원 공급 장치(400)는 전기 철도 차량의 하부에 설치된 축전지 등에 전기적으로 연결될 필요가 없으므로, 전기 철도 차량의 루프에 그대로 간단하게 장착될 수 있음을 주목하여야 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 장치(400)는 제1변압기(410)(또는 주변압기(MTR)), 제2변압기(420)(또는 ACPT), 제3변압기(430), 가선 전압 센서(440) 및 전원 공급부(450)를 포함한다. 여기서, 가선 전압 센서(440)는 도 2에 도시된 가선 전압 센서(111)와 유사하거나 동일하다고 볼 수 있다.
제1변압기(410)는 가선으로부터 전원을 변환하여 전기 철도 차량의 추진 제어 장치 및 보조 전원 장치에 각각 전원을 공급한다. 물론, 제1변압기(410)는 주전원선 및 팬터그래프를 통하여 가선에 연결되며, 이러한 주전원선에는 주회로차단기(MCB) 및 피뢰기(AR)가 전기적으로 연결될 수 있다. 더불어, 주전원선에는 전류 센서가 장착되어, 감지된 전류값을 스마트 미터링 장치(100)에 공급한다. 이러한 전류 센서는 도 2에 도시된 가선 전류 센서(112)와 유사하거나 동일하다고 볼 수 있다. 물론, 추진 제어 장치 등으로부터의 노치 및 속도 등의 정보가 스마트 미터링 장치(100)에 공급될 수 있다.
제2변압기(420)는 가선으로부터 전원을 변환하여 전기 철도 차량의 내부 전기 부품(예를 들면, 각종 계측기)에 전원을 공급한다. 이러한 제2변압기(420)는 부전원선 및 팬터그래프를 통하여 가선에 연결되며, 기본적인 역할은 내부 전기 부품에 전원을 공급하는 용도보다는 가선 전압을 감지하고 이를 스마트 미터링 장치(100)에 공급하는 것이다. 물론, 본 발명에서 기존의 보조 전원 장치 또는 축전지 대신 제2변압기(420)가 스마트 미터링 장치(100)에 전원을 공급하는 역할을 한다. 일례로, 제2변압기(420)는 대략 AC 19 ~ 29 kV의 전압을 AC 76 ~ 116V의 전압으로 변압하여 출력한다.
제3변압기(430)는 제2변압기(420)의 전원을 변환하여 가선의 전압을 검출하도록 하고, 스마트 미터링 장치(100)에 전원을 공급하는 역할을 한다. 즉, 제3변압기(430)가, 실질적으로, 가선 전압을 검출하도록 함은 물론 스마트 미터링 장치(100)에 전원을 공급하도록 한다. 여기서, 스마트 미터링 장치(100) 및 전원 공급부(450)는 제2변압기(420) 및 제3변압기(430)를 통하여 가선과 전기/기계적으로 절연됨으로써, 스마트 미터링 장치(100) 및 전원 공급부(450)가 가선으로 흘러들어올 수 있는 각종 전기적 노이즈 등으로부터 안전하게 보호될 수 있다.
제3변압기(430)는 제2변압기(420)의 출력 권선에 전기적으로 연결된 입력 권서(n1), 전원 공급부(450)에 전기적으로 연결된 제1출력 권선(n2), 및 가선 전압 센서(440)에 전기적으로 연결된 제2출력 권선(n3)을 포함한다. 더욱이, 입력 권서(n1), 제1출력 권선(n2) 및 제2출력 권선(n3)의 권선비는 대략 10:10:1일 수 있으나, 이러한 수치 범위로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 따라서, 제1출력 권선(n2)을 통해서는 대략 AC 76 ~116V의 전압이 출력되고, 제2출력 권선(n3)을 통해서는 대략 12V 이하의 낮은 전압이 출력될 수 있다.
가선 전압 센서(440)는 제3변압기(430)(즉, 제2출력 권선(n3))에 전기적으로 연결되어 가선의 전압을 간접적으로 감지하여 스마트 미터링 장치(100)에 공급한다. 더욱이, 가선 전압 센서(440)는 가선의 위상을 감지하여 전원 공급부(450)(즉, 전원 위상 센서(451))에 전달하는 역할을 한다. 이러한 가선 전압 센서(440)는 제2출력 권선(n3)으로부터의 전압에서 각종 전기적 노이즈를 필터링한 이후, 이를 디지털 데이터로 변환하여 전원 위상 센서(451) 및 스마트 미터링 장치(100)에 각각 공급한다. 물론, 상술한 디지털 데이터는 가선 전압 정보뿐만 아니라 위상 정보까지 포함함으로써, 이를 전원 위상 센서(451) 및 스마트 미터링 장치(100)가 이용할 수 있다.
전원 공급부(450)는, 상술한 바와 같이, 스마트 미터링 장치(100)의 한 구성 요소이며, 이는 가선 전압 센서(440)에 전기적으로 연결되어 가선의 전원 위상을 감지하고, 제3변압기(430)에 전기적으로 연결되어, 감지된 가선 전원의 위상에 기초하여 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 스마트 미터링 장치(100)에 전원 전압을 공급하는 역할을 한다.
이러한 전원 공급부(450)는 전원 위상 센서(451), 위상각 제어부(452), 게이트 드라이버(453) 및 위상 제어 정류부(454)를 포함한다.
전원 위상 센서(451)는 상술한 바와 같이 가선 전압 센서(440)에 전기적으로 연결되어, 가선의 전원 위상을 감지하는 역할을 한다. 즉, 전원 위상 센서(451)는 가선 전압 센서(440)와 스마트 미터링 장치(100) 사이에 연결되어, 가선의 전원 또는 전압의 위상을 감지한다.
위상각 제어부(452)는 전원 위상 센서(451)로부터 감지된 위상에 따라 위상각 제어값을 결정한다. 이때, 위상각 제어부(452)는 위상 제어 정류부(454)에 의한 출력 전압(즉, 필터 캐패시터(Cf)에 충전된 전압)을 입력받음은 당연하다.
게이트 드라이버(453)는 위상각 제어부(452)로부터 결정된 위상각 제어값에 따라 PWM 게이트 신호를 출력한다. 이때, 게이트 드라이버(453)는 PWM 게이트 신호를 위상 제어 정류부(454)에 출력할 뿐만 아니라 위상각 제어부(452)에 피드백함은 당연하다.
위상 제어 정류부(454)는 제3변압기(430)(즉, 제1출력 권선(n2))에 전기적으로 연결되고, 게이트 드라이버(453)의 게이트 신호에 의해 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하며, 이러한 전원 전압을 스마트 미터링 장치(100)에 공급한다. 예를 들어, 위상 제어 정류부(454)를 통한 출력 전압은 대략 24VDC일 수 있다.
따라서, 스마트 미터링 장치(100)는 이러한 전원 전압을 이용하여 각종 구성 요소를 구동할 수 있다.
한편, 위상 제어 정류부(454)와 출력 단자(플러스 단자 및 마이너스 단자) 사이에는 필터 리액터(Lf) 및 필터 캐패시터(Cf)가 전기적으로 더 연결된다. 예를 들어, 위상 제어 정류부(454)와 플러스 단자(+) 사이에 필터 리액터(Lf)가 전기적으로 연결되고, 위상 제어 정류부(454)의 플러스 단자(+)와 마이너스 단자(-) 사이에 필터 캐패시터(Cf)가 전기적으로 연결된다. 따라서, 위상 제어 정류부(454)를 통한 전원 전압의 노이즈가 제거되고 리플이 감소할 수 있다. 더욱이, 전원 공급부(450)의 초기 구동시 상술한 필터 리액터(Lf) 및 필터 캐패시터(Cf)가 서서히 충전된 이후 안정화된 전원 전압을 출력함으로써, 스마트 미터링 장치(100)에 초기 전원 전압을 공급할 때 전기적 충격이 가해지지 않는다.
더불어, 본 발명은 초기 충전 및 전압전류제한 회로부(460)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제3변압기(430)의 제1출력 권선(n2)과 위상 제어 정류부(454) 사이에는 초기 충전과 전압 전류 제한을 위한 초기 충전 및 전압전류제한 회로부(460)가 더 연결될 수 있다. 다시 설명하면, 초기 충전 및 전압전류제한 회로부(460)는 제1출력 권선(n2)과 위상 제어 정류부(454) 사이에 직렬로 연결된 제1캐패시터(AK)와, 제1캐패시터(AK)에 병렬로 연결된 제2캐패시터(MK)와, 제1캐패시터(AK)에 직렬로 연결되고, 제2캐패시터(MK)에 병렬로 연결된 제1저항(CHR)을 포함할 수 있다.
이러한 초기 충전 및 전압전류제한 회로부(460)는 전원 공급부(450)의 초기 동작 시 필터 캐패시터(Cf)에 전압이 시간 흐름에 따라 계단 형태로 순차적으로 증가하도록 하고, 또한 제1출력 권선(n2)으로부터 혹시 있을 수 있는 노이즈 및/또는 리플이 전달되지 않도록 함으로써, 전원 공급부(450)의 신뢰성을 향상시킨다.
또한, 이러한 방법 외에도 본 발명은 상술한 초기 충전 및 전압전류제한 회로부(460)의 도움없이, 위상 제어 정류부(454)의 스위칭 위상각을 최대값에서 서서히 감소시키며 필터 캐패시터(Cf)의 충전 전압을 조절하는 방법도 가능하다.
더불어, 본 발명은 제3변압기(430)의 제2출력 권선(n3)과 위상 제어 정류부(454) 사이에 전기적으로 연결된 전원 보호용 접점 퓨즈(F)를 더 포함할 수 있다. 이러한 접점 퓨즈(F)는 제3변압기(430)의 제2출력 권선(n3)으로부터 허용 전압 이상의 과도 전압/전류(서지, 접지 또는 혼촉)가 인가될 경우, 융단됨으로써 전원 공급부(450)를 보호하는 역할을 한다. 한편, 접점 퓨즈(F)가 융단될 경우, 접점 퓨즈(F)의 융단 신호는 스마트 미터링 장치(100)(예를 들면, 제어부)에 전송되며, 따라서 스마트 미터링 장치(100)는 전원 인터럽트 신호를 차량 기지 서버 등에 출력한다. 따라서, 차량 기지 서버는 지금까지 확보한 각종 데이터를 신속하게 저장하고, 또한 전원 이상 상태를 기록한다.
일반적으로 전기 철도 차량의 부하 차량의 운행 패턴에 따라 가선 전압은 급격히 변동하므로, 가선 전압의 최대 최소 정격전압 범위를 고려하면 제2변압기(420)(ACPT)의 2차측은 대략 76 ~ 116V의 전압으로 변동된다. 이에 따라 스마트 미터링 장치(100)의 전원용 위상 제어 정류부(454)는 위상각 기준치를 아래와 같이 계산할 수 있다.
- 위상 제어 정류부(454)의 입력 전압 범위(즉, 제3변압기(430)의 입력 권서(n1)의 전압 범위);
Figure 112015097747486-pat00001
- 위상 제어 정류부(454)의 출력 전압(즉, 스마트 미터링 장치(100)의 전원 전압);
Figure 112015097747486-pat00002
- 위상 제어 정류부(454)의 위상각;
Figure 112015097747486-pat00003
Figure 112015097747486-pat00004
이와 같이 하여, 본 발명은 가선 전압 센서(440)에 전기적으로 연결되어 가선의 전원 위상을 감지하고, 제3변압기(430)(예를 들면, ACPT)에 전기적으로 연결되어 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 스마트 미터링 장치(100)에 공급함으로써, 기존과 같이 전기 철도 차량의 실내에 설치된 축전지 또는 보조 전원 장치와의 배선 연결없이, 스마트 미터링 장치(100)에 용이하게 전원을 공급할수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 제3변압기(430)의 출력 전압이 기준 전압보다 낮아지거나(즉, 출력 전압 차단) 또는 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 전원 이상 신호를 스마트 미터링 장치(100)에 전달하도록 하고, 또한 스마트 미터링 장치(100)는 이러한 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버에 전달함으로써, 차량 기지 서버가 지금까지 확보한 스마트 미터링 정보 및 전원 전압 이상 상태를 신속하게 저장/기록하도록 하여, 스마트 미터링 장치(100)의 전반적인 신뢰성이 향상되도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 장치(400a)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)는 위상 제어 정류부(454)의 출력단 즉, 플러스 단자와 마이너스 단자 사이에 전기적으로 연결된 전원 센서부(480)를 더 포함할 수 있다. 이러한 전원 센서부(480)는 위상 제어 정류부(454)의 출력 단자 전압이 기준 전압보다 낮을 경우, 이를 스마트 미터링 장치(100)에 신속하게 전송함으로써, 스마트 미터링 장치(100)가 차량 기지 서버에 전원 인터럽트 신호를 출력하도록 한다. 이러한 전원 센서부(480)의 구성/동작에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
도 5a는 접점 퓨즈(F)에 의한 전원 전압 인터럽트 신호가 제어부에 전송되는 구성을 도시한 블럭도이고, 도 5b는 전원 센서에 의한 전원 전압 인터럽트 신호가 제어부에 전송되는 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 접점 퓨즈(F)는 퓨즈 융단 신호를 스마트 미터링 장치(100)에 출력하고, 그러면 스마트 미터링 장치(100)는 전원 인터럽트 신호를 차량 기지 서버에 전달한다.
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 전원 센서부(480)는 전원 전압 하강 상태 신호를 스마트 미터링 장치(100)에 출력하고, 그러면 스마트 미터링 장치(100)는 전원 인터럽트 신호를 차량 기지 서버에 전달한다.
여기서, 전원 센서부(480)는 전원 전압 유지부(481), 레귤레이터(482) 및 전원 전압 센서(483)를 포함할 수 있다. 전원 전압 유지부(481)는 위상 제어 정류부(454)의 전원 전압이 기준 전압 이하로 하강될 때 미리 정해진 시간 동안 전원 전압을 유지하는 역할을 한다. 또한, 레귤레이터(482)는 전원 전압 유지부(481)의 전압을 레귤레이팅하여 출력하는 역할을 한다. 더불어, 전원 전압 센서(483)는 전원 전압 유지부(481)의 전압과 레귤레이터(482)의 전압을 비교하여, 전원 전압 유지부(481)의 전압이 레귤레이터(482)의 전압보다 낮으면 전원 이상 신호를 출력하는 역할을 한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 전원 센서부(480)의 전원 전압 유지부(481), 레귤레이터(482) 및 전원 전압 센서(483)의 일례를 각각 도시한 회로도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 전원 전압 유지부(481)는 위상 제어 정류부(454)로부터 제1전원 전압(예를 들면, 24VDC)이 입력되는 입력 단자와, 레귤레이터(482)에 제2전원 전압(예를 들면, 24V)을 출력하는 출력 단자를 포함한다. 또한, 전원 전압 유지부(481)는 입력 단자에 캐소드가 연결되고, 출력 단자에 애노드가 연결된, 다이오드(D1)와, 입력 단자, 출력 단자와 접지 전압(예를 들면, 24VGND)을 갖는 접지 단자 사이에 연결된 제1캐패시터(C1), 제2캐패시터(C2) 및 제3캐패시터(C3)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1캐패시터(C1) 및 제2캐패시터(C2)는 상호간 직렬로 연결될 수 있으며, 제1캐패시터(C1)와 제2캐패시터(C2) 사이의 노드가 접지 단자에 연결됨으로써, 외부 노이즈나 정전기 등에 의해 출력 전압이 왜곡되지 않도록 한다.
또한, 제3캐패시터(C3)는, 예를 들면, 대용량 캐패시터로서 전원 차단/하강 시 일정 시간 동안 전원 전압을 유지하도록 한다. 일례로, 제3캐패시터(C3)는 전원 전압 차단 시에도 대략 10ms 내지 100ms 동안 전원 전압을 유지할 수 있는 용량을 확보함이 바람직하다.
이와 같이 하여, 전원 전압 유지부(481)는 위상 제어 정류부(454)로부터 제1전원 전압(24VDC)을 공급받고, 이를 좀 더 안정적인 제2전원 전압(24V)으로 변환하여 출력하고, 또한 위상 제어 정류부(454)로부터 제1전원 전압(24VDC)의 공급이 차단될 경우, 일정 시간 동안 제2전원 전압(24V)을 유지하여 출력하도록 한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(482)는 전원 전압 유지부(481)로부터 제2전원 전압(예를 들면, 24V)이 입력되는 입력 단자와, 전원 전압 센서(483)에 제3전원 전압(예를 들면, 5V)을 출력하는 출력 단자를 포함한다.
또한, 레귤레이터(482)는 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결된, 예를 들면, 레귤레이팅 IC(U1)를 포함한다. 여기서, 레귤레이팅 IC(U1)는 제2전원 전압(예를 들면, 24V)이 입력되는 입력 단자(VIN), 제3전원 전압(예를 들면, 5V)이 출력되는 출력 단자(VOUT), 접지 전압(예를 들면, 24VGND)이 인가되는 접지 단자(GND), 그리고 인에이블 단자(EN)를 포함한다.
또한, 레귤레이터(482)는 입력 단자와 레귤레이팅 IC(U1)의 인에이블 단자 사이에 연결되어 인에이블 신호를 입력하도록 저항(R11)과, 제2전원 전압(예를 들면, 24V)을 갖는 입력 단자와 접지 전압(예를 들면, 24VGND)을 갖는 접지 단자 사이에 연결되어 24V 입력 전압을 안정화시키는 제1캐패시터(C11) 및 제2캐패시터(C12)를 포함할 수 있다.
더불어, 레귤레이터(482)는 제3전원 전압(5V)을 출력하는 출력 단자(VOUT)와 접지 전압(24VGND)을 갖는 접지 단자 사이에 연결되어 5V 출력 전압의 안정화를 위한 캐패시터(C13,C14,C15)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 하여, 레귤레이터(482)는 전원 전압 유지부(481)로부터 24V의 제2전원 전압을 공급받고, 이를 5V의 제3전원 전압으로 레귤레이팅하여 출력한다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 전원 전압 센서(483)는 제1전원 전압, 예를 들면, 24VDC가 입력되는 입력 단자와 제3전원 전압, 예를 들면, 5V가 입력되는 입력 단자, 분압 저항(R21, R22), 제1트랜지스터(TR1), 제2트랜지스터(TR2) 및 전원 이상 신호를 출력하는 출력 단자를 포함한다.
좀 더 구체적으로, 제1전원 전압 예를 들면, 24VDC가 입력되는 입력 단자와 분압 저항(R1) 사이에 입력 전압 안정화용의 순방향 다이오드(D21)가 연결될 수 있다. 또한, 분압 저항(R1)과 분압 저항(R2) 사이의 노드는 제1트랜지스터(TR1)의 베이스가 연결되고, 제3전원 전압 예를 들면, 5V가 입력되는 입력 단자는 제1트랜지스터(TR1)의 에미터에 연결되며, 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터는 저항(R23)에 연결된다. 여기서, 제1트랜지스터(TR1)는 PNP 트랜지스터일 수 있다. 더불어, 저항(R23)은 접지 전압(24VGND)을 갖는 접지 단자에 연결된다.
또한, 제2트랜지스터(TR2)의 베이스는 저항(R24)을 경유하여 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터에 연결된다. 제2트랜지스터(TR2)의 콜렉터는 저항(R25)을 경유하여 5V의 입력 단자에 연결된다. 더불어, 제2트랜지스터(TR2)의 베이스와 에미터 사이에는 베이스 전압 안정화용 캐패시터(C21)가 연결되고, 제2트랜지스터(TR2)의 베이스와 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터 사이에는 제2트랜지스터(TR2)의 베이스에 임계 전압을 공급하기 위한 저항(R24)이 연결된다. 제2트랜지스터(TR2)의 에미터는 24VGND 전압을 갖는 접지 단자에 연결된다. 여기서, 제2트랜지스터(TR2)는 NPN 트랜지스터일 수 있다.
마지막으로, 저항(R25)과 제2트랜지스터(TR2)의 콜렉터 사이의 노드에 전원 이상 신호를 출력하기 위한 출력 단자가 연결된다. 여기서, 제1,2트랜지스터(TR1,TR2)는 스위칭부로 정의될 수도 있다.
이와 같이 하여, 예를 들면, 24VDC의 입력 단자를 통하여 정상적인 제1전원 전압 즉, 24VDC의 전압이 입력되면, 분압 저항(R21, R22)에 의해 분압된 하이 전압이 제1트랜지스터(TR1)의 베이스에 인가되고, 이에 따라 베이스 에미터 전압이 에미터 전압보다 크므로 제1트랜지스터(TR1)가 턴오프되고, 따라서 제2트랜지스터(TR2) 역시 턴오프되어 출력 단자를 통해서 전원 이상 신호가 출력되지 않는다.(예를 들면, 하이 전압 출력)
한편, 24VDC의 입력 단자를 통하여 기준 전압보다 낮은 전압, 예를 들면, 12VDC의 전압이 입력되면, 분압 저항(R21, R22)에 의해 분압된 로우 전압이 제1트랜지스터(TR1)의 베이스에 인가되고, 이에 따라 베이스 에미터 전압이 에미터 전압보다 작으므로 제1트랜지스터(TR1)가 턴온되고, 따라서 제2트랜지스터(TR2) 역시 턴온되어 출력 단자를 통해서 전원 이상 신호가 출력된다.(예를 들면, 로우 전압 출력)
이와 같이 하여, 전원 전압 센서(483)는 위상 제어 정류부(454)로부터 제1전원 전압(예를 들면, 24VDC)을 공급받고, 레귤레이터(482)로부터 제3전원 전압(예를 들면, 5V)을 공급받으며, 위상 제어 정류부(454)의 제1전원 전압이 기준 전압(예를 들면, 12V)보다 낮아지면, 레귤레이터(482)로부터의 제3전원 전압 또는 접지 전압을 이용하여 전원 이상 신호를 출력할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 전원 공급 장치(400a)에 의한 전원 전압이 차단되거나 또는 전원 전압이 기준 전압보다 낮아졌을 때, 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버 등에 신속하게 전송하여, 후속 처리 작업(데이터 저장 및 전원 전압 이상 기록 등)을 수행하도록 함으로써, 스마트 미터링 장치(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 장치(400) 및 그 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 변압기의 출력 전압이 기준 전압보다 낮아지거나 또는 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 전원 이상 신호를 스마트 미터링 장치(100)에 전달하도록 하고, 또한 스마트 미터링 장치(100)는 이러한 전원 전압 인터럽트 신호를 차량 기지 서버에 전달함으로써, 차량 기지 서버가 지금까지 확보한 스마트 미터링 정보 및 전원 전압 이상 상태를 저장/기록하도록 하여, 스마트 미터링 시스템의 전반적인 신뢰성이 향상되도록 한다.
도 7은 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 방법을 도시한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치(100)의 전원 공급 방법은 제1,2전압으로 변압하는 단계(S1), 제1전압원으로부터 초기 충전 및 전압전류제한 단계(S2), 제2전압원으로부터 위상을 검출하는 단계(S3), 위상각 결정 단계(S4), PWM 게이트 구동 단계(S5), 위상 제어 정류 및 전원 공급 단계(S6), 가선 전압 등의 감지 단계(S7), 접점 퓨즈 또는 전원 센서 감지 단계(S8) 및 전원 전압 인터럽트 신호 출력 단계(S9)를 포함한다.
제1,2전압으로 변압하는 단계(S1)에서는, 전기 철도 차량에 전원을 공급하는 가선의 전압을 제1,2전압으로 변압한다. 즉, 제3변압기(430)의 제1출력 권선(n2)을 통해 제1전압을 출력하고, 제3변압기(430)의 제2출력 권선(n3)을 통해 제2전압을 출력한다.
제1전압원으로부터 초기 충전 및 전압전류제한 단계(S2)에서는, 제1전압으로부터 캐패시터를 이용하여 초기 충전을 수행하고, 또한 저항을 이용하여 전압과 전류를 제한한다.
제2전압원으로부터 위상을 검출하는 단계(S3)에서는, 제2전압으로부터 위상을 검출한다.
위상각 결정 단계(S4)에서는, 상술한 바와 같이 검출된 위상에 기초하여 위상각을 결정한다. 물론, 이때 캐패시터에 충전된 전압 역시 위상각 결정에 이용된다.
PWM 게이트 구동 단계(S5)에서는, PWM 게이트 신호를 위상 제어 정류부(454)에 출력한다.
위상 제어 정류 및 전원 공급 단계(S6)에서는, 상술한 바와 같은 PWM 게이트 신호를 이용하여 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 출력한다.
가선 전압 등의 감지 단계(S7)에서는, 제2전압원으로부터 가선 전압을 간접적으로 감지한다. 물론, 이때 가선 전류, 노치/속도 등이 함께 감지됨은 당연하다.
접점 퓨즈(F) 또는 전원 센서 감지 단계(S8)에서는, 제1전압이 기준 전압보다 낮아지거나 또는 상기 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮은지 감지한다.
전원 전압 인터럽트 신호 출력 단계(S9)에서는, 전원 이상 신호를 스마트 미터링 장치(100)에 전달하고, 스마트 미터링 장치(100)는 전원 전압 인터럽트 신호를 지상 기지 서버에 출력한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 스마트 미터링 장치
400; 전원 공급 장치 410; 제1변압기(또는 주변압기(MTR))
420; 제2변압기(또는 ACPT) 430; 제3변압기
440; 가선 전압 센서 450; 전원 공급부
451; 전원 위상 센서 452; 위상각 제어부
453; 게이트 드라이버 454; 위상 제어 정류부
460; 초기 충전 및 전압전류제한 회로부
F; 퓨즈 480; 전원 센서부
481; 전원 전압 유지부 482; 레귤레이터
483; 전원 전압 센서

Claims (20)

  1. 가선으로부터의 전원을 변환하여 전기 철도 차량의 추진 제어 장치에 공급하는 제1변압기;
    상기 가선으로부터의 전원을 변환하여 상기 전기 철도 차량의 내부 전기 부품에 공급하는 제2변압기;
    상기 제2변압기의 전원을 변환하여 상기 가선의 전압을 검출하도록 하고, 스마트 미터링 장치에 전원을 공급하도록 하는 제3변압기;
    상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 감지하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 가선 전압 센서; 및,
    상기 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하고, 상기 제3변압기에 전기적으로 연결되어 상기 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 전원 공급부를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    상기 가선 전압 센서에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하는 전원 위상 센서;
    상기 전원 위상 센서로부터 감지된 위상에 따라 위상각 제어값을 결정하는 위상각 제어부;
    상기 위상각 제어부로부터 결정된 위상각 제어값에 따라 게이트 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및
    상기 제3변압기에 전기적으로 연결되고, 상기 게이트 드라이버의 게이트 신호에 의해 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 위상 제어 정류부를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3변압기는
    상기 제2변압기에 연결된 입력 권선;
    상기 위상 제어 정류부에 연결된 제1출력 권선; 및
    상기 가선 전압 센서에 연결된 제2출력 권선을 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입력 권선, 제1출력 권선 및 제2출력 권선의 권선비는 10:10:1인 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 위상 센서는 상기 가선 전압 센서와 상기 스마트 미터링 장치 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 가선 전압 센서는
    상기 제3변압기의 제2출력 권선으로부터의 전기적 노이즈를 필터링하여 출력하는 아날로그 필터; 및
    상기 아날로그 필터로부터 얻은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 전원 위상 센서 및 상기 스마트 미터링 장치에 전달하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 제어 정류부의 출력단에는 필터 리액터 및 필터 캐패시터가 더 연결된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제3변압기의 제2출력 권선과 상기 위상 제어 정류부 사이에는 초기 충전과 전압 전류 제한을 위한 초기 충전 및 전압전류제한 회로부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 초기 충전 및 전압전류제한 회로부는
    제1캐패시터;
    상기 제1캐패시터에 병렬로 연결된 제2캐패시터; 및
    상기 제1캐패시터에 직렬로 연결되고, 상기 제2캐패시터에 병렬로 연결된 제1저항을 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제3변압기의 제2출력 권선과 상기 위상 제어 정류부 사이에는 전원 보호용 접점 퓨즈가 더 연결된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전원 보호용 접점 퓨즈가 융단될 경우, 상기 전원 보호용 접점 퓨즈의 융단 신호가 상기 스마트 미터링 장치에 전송되며, 상기 스마트 미터링 장치는 전원 인터럽트 신호를 출력함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 제어 정류부의 출력단에는 전원 센서부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전원 센서부는
    상기 위상 제어 정류부의 전원 전압이 기준 전압 이하로 하강될 때 미리 정해진 시간 동안 전원 전압을 유지하는 전원 전압 유지부;
    상기 전원 전압 유지부의 전압을 레귤레이팅하는 레귤레이터; 및
    상기 전원 전압 유지부의 전압과 상기 레귤레이터의 전압을 비교하여, 상기 전원 전압 유지부의 전압이 레귤레이터의 전압보다 낮으면 전원 이상 신호를 출력하는 전원 전압 센서를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전원 이상 신호가 상기 스마트 미터링 장치에 전송되며, 상기 스마트 미터링 장치는 전원 인터럽트 신호를 출력함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 제어 정류부의 입력 전압 범위는 76V 내지 116V이고,
    상기 위상 제어 정류부의 출력 전압은 24V이며,
    상기 위상 제어 정류부의 위상각은 69° 내지 77°로 제어됨을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  16. 전기 철도 차량에 전원을 공급하는 가선의 전원을 변환하는 변압기; 및,
    상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하고, 상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 감지된 가선 전원의 위상에 따라 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 스마트 미터링 장치에 공급하는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부는 전기 철도 차량의 루프에 설치된 것을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    상기 변압기에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전원 위상을 감지하는 전원 위상 센서;
    상기 전원 위상 센서로부터 감지된 위상에 따라 위상각 제어값을 결정하는 위상각 제어부;
    상기 위상각 제어부로부터 결정된 위상각 제어값에 따라 게이트 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및
    상기 변압기에 전기적으로 연결되고, 상기 게이트 드라이버의 게이트 신호에 의해 위상 제어 정류 방식으로 전원 전압을 생성하여 상기 스마트 미터링 장치에 공급하는 위상 제어 정류부를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 장치.
  18. 전기 철도 차량에 전원을 공급하는 가선의 전압을 제1,2전압으로 변압하는 단계;
    상기 제1전압으로부터 초기 충전을 수행하고, 전압과 전류를 제한하며, 상기 제2전압으로부터 상기 가선 전압을 감지하는 단계;
    상기 제2전압으로부터 상기 가선 전원의 위상을 감지하는 단계;
    상기 감지된 위상으로부터 위상각을 결정하고, 상기 위상각을 이용하여 상기 제1전압을 위상 제어 방식으로 정류하는 단계; 및,
    상기 위상 제어 방식으로 정류된 전원 전압을 상기 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치에 공급하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1전압이 기준 전압보다 낮아지거나 또는 상기 위상 제어 방식으로 정류된 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 전원 이상 신호를 상기 스마트 미터링 장치에 전달하고,
    상기 스마트 미터링 장치는 전원 전압 인터럽트 신호를 출력하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 감지된 가선 전압은 상기 스마트 미터링 장치에 전달됨을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 스마트 미터링 장치의 전원 공급 방법.
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