KR101830625B1 - 철도차량용 간이 추진 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

철도차량용 간이 추진 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

철도차량용 간이 추진 시스템 및 그 제어방법에서, 가선 전기에너지를 이용하여 충전되어 절연구간 내 자동 가속 또는 불시 정차가 발생하는 경우 혹은 간이추진을 이용한 단거리 이동에도 응용할 수 있는 추진용 에너지를 제공하는 에너지 저장부, 상기 에너지 저장부와 연결되어 컨버터와 인버터 사이에 에너지출력을 연결하거나 차단하는 접촉기, 상기 절연구간 정보를 바탕으로 상기 절연구간의 진입 여부에 대한 모니터링과 상기 에너지 저장부 및 상기 접촉기의 제어를 수행하는 간이 추진용 제어기를 포함한다.

Description

철도차량용 간이 추진 시스템 및 이의 제어방법{DRIVING SYSTEM FOR A RAILWAY VEHICLE AND A METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 철도차량용 간이 추진 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량(열차)의 절연구간 진입시 자동 가속을 위한 자동 간이추진 및 제어와, 절연구간 내 불시정차 혹은 가선없는 구간 내 단거리 이동을 위한 수동 간이추진 및 제어를 위한 철도차량용 간이 추진 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
종래, 절연구간을 통과하는 전기차는 전력 공급이 되지 않음에 따라 차량 내 일부 DC전원만 보조전원장치를 대신한 배터리를 통해 전원을 공급받으나 동력계통은 별도 전원공급 장치가 없어 열차가 달려오던 관성에 의해 절연구간을 통과하고 있다.
이러한 관성에 의해 절연구간 통과시 차량 및 신호장애 등 문제로 의도치 않게 절연구간 정차시 운행지연 및 탈선과 같은 안전문제가 발생할 수 있다. 실제 이러한 사고가 발생하고 있으며 전국의 절연구간은 200여개로 많기 때문에 사고위험에 노출되어 있다.
특히, 최근에는 기관사의 운행능력부족으로 절연구간을 적절히 인지하지 못한 채 운행할 경우 통과적절속도 미달의 사유로 절연구간에서 정차되는 사고와, 신호장애의 문제로 정차한 곳이 절연구간과 일치하여 전기를 공급받지 못해 열차가 멈추고 운행이 지연되는 사고가 있었다.
한편, 차량 및 신호장애 등 문제로 의도치 않게 절연구간 정차시, 해당 열차를 구원하기 위해 다른 디젤 기관차 같은 전기차가 아닌 열차를 투입해야 하고 이로 인해 열차운행 차질에 따른 민원 및 경제적 손실이 발생하고, 구원이 늦어질 경우 자칫 탈선 등 대형사고로 이어지는 문제가 있다.
또한, 절연구간을 항상 동력이 없는 상태인 타행으로 통과함에 따라 운행시간 단축에 대해 제한적 요소로 작용하고 있으며, 이로 인해 경제적으로 영업이익증대 실현을 저해하고 있다.
나아가, 절연구간 내 원활한 타행운전을 위해서는 가급적 평탄지 혹은 하구배 및 직선구간에 절연구간을 설치한다. 이와 같은 요구조건은 선로 증설 계획시 고려해야 하는 것으로 설계자유도를 저하하며 추가적인 선로 증설비용이 요구되어 건설비 증가로 이어지는 문제가 있다.
또한, 기지 내 입환기관차의 대응없이 이동이 불가능하여 차량 정비 및 이동에 많은 소요시간이 소요되고 있어 비효율적으로 운용되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0116811호 대한민국 공개특허 제10-2011-0134544호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 절연구간 내에서도 가속할 수 있고 불시 정차 혹은 간이추진을 이용한 단거리 이동에도 응용할 수 있어 열차 지연 혹은 후속 안전사고를 예방하는 철도차량용 간이 추진 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 철도차량용 간이 추진 시스템은 가선 전기에너지를 이용하여 충전되어 절연구간 내 자동 가속이 필요한 경우 또는 불시 정차가 발생하는 경우 상기 절연구간 탈출을 위한 추진용 에너지를 제공하는 에너지 저장부, 상기 에너지 저장부와 연결되어 컨버터와 인버터 사이에 에너지출력을 연결하거나 차단하는 접촉기 및 상기 절연구간 정보를 바탕으로 상기 절연구간의 진입 여부에 대한 모니터링과 상기 에너지 저장부 및 상기 접촉기의 제어를 수행하는 간이 추진용 제어기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 절연구간 탈출 또는 입환 작업 시 단거리 이동을 위한 추진용 에너지가 필요한 경우 상기 에너지 저장부와의 수동 연결이 가능한 수동조작 버튼을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에너지 저장부는 배터리 또는 슈퍼커패시터일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에너지 저장부에 주변압기를 통해 공급되는 가선 전기에너지를 DC로 변환하여 충전하는 충전기 및 상기 충전기를 제어하는 충전 접촉기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에너지 저장부에서 DC-LINK 단으로 전압차에 의해 전력을 투입하고 역방향 전류는 차단하는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에너지 저장부와 연결되어 DC-LINK 단으로 전력을 투입하는 DC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터이고, 에너지 저장시에는 가선 전기에너지 또는 제동 시 발생하는 회생 에너지를 상기 에너지 저장부의 입력전압에 부합하는 전압으로 변환시키고, 에너지 출력 시에는 상기 에너지 저장부의 출력전압을 DC-LINK 단에 부합하는 전압으로 변환시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 간이 추진용 제어기는 입력부, 연산부 및 출력부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력부는 지상자 신호 또는 GPS 신호를 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력부는 절연구간 진입 시 열차의 가선전압 및 현재속도를 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력부는 절연구간에 진입 전 사용자로부터 열차의 가속도 및 상기 에너지 저장부의 충전율 세팅값을 입력 받을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산부는 상기 가속도 세팅값에 따른 상기 열차의 추진 가능속도를 견인력-속도 곡선과 차량정보를 이용하여 도출하고 상기 열차의 자동 추진을 유도할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산부는 상기 가속도 세팅값을 달성할 수 없을 경우 상기 가속도 세팅값을 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산부는 지상자 신호를 통해 절연구간 시작/종료 정보를 활용하여 절연구간 거리연산을 수행하거나, GPS 신호를 통해 기 저장된 절연구간 위치와 길이에 대한 데이터베이스를 활용하여 절연구간 거리연산을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산부는 에너지를 소모한 상기 에너지 저장부가 상기 충전율 세팅값만큼 충전되도록 현재 충전량과의 비교 연산작업을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 출력부는 상기 연산부에서 연산한 자동추진에 따른 달성가능속도정보와 상기 에너지 저장부의 남은 에너지량을 사용자에게 제공할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법에서 간이 추진용 제어기가 지상자 신호 또는 GPS 신호를 통해 절연구간 진입을 확인한다. 상기 간이 추진용 제어기가 절연구간 진입을 검증한다. 상기 간이 추진용 제어기가 접촉기를 투입(ON)시킨다. 상기 간이 추진용 제어기가 상기 열차 운행상태 정보에 따른 자동 추진을 수행하기 위해 필요한 추진력, 에너지 및 이동거리를 연산하고 보정한다. 상기 간이 추진용 제어기가 유선 또는 무선으로 연결된 인버터 제어기에 추진가능속도로 자동추진 하도록 현재 제어관련 정보를 제공한다. 상기 간이 추진용 제어기가 상기 추진력 및 절연구간거리에 따른 추진가능 속도정보 및 남은 에너지량을 출력한다. 상기 간이 추진용 제어기가 절연구간을 통과하여 종료됨을 검증한다. 상기 간이 추진용 제어기가 절연구간이 종료됨에 따라 접촉기를 개방(OFF)시킨다.
일 실시예에서, 상기 간이 추진용 제어기가 견인력-속도 곡선과 차량정보를 이용하여 상기 열차 운행상태 정보에 따른 자동 추진을 수행할 수 없는 경우 상기 가속도 세팅값을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열차 운행상태 정보는 가속도 세팅값, 차량정보, 충전율, 열차의 현재속도 및 가선전압 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열차가 절연구간이 아닌 가선이 있는 구간에 있는 경우 에너지 저장부의 충전량을 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전량이 기정해진 충전량의 이상이면 충전 접촉기를 개방(OFF) 시키고, 상기 기정해진 충전량의 미만이면 상기 충전 접촉기를 투입(ON)시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전량이 기정해진 충전량의 이상이면 접촉기를 개방(OFF) 시키고, 상기 기정해진 충전량의 미만이면 상기 접촉기를 투입(ON)시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 수동조작 버튼의 동작에 의해 마스콘이 중립 상태가 되고 MCB가 개방(OFF) 되고 접촉기가 투입(ON)되는 단계 및 상기 수동조작 버튼의 재동작에 의해 접촉기가 개방(OFF)되고 MCB가 투입(ON)되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 차량 및 신호장애 등 문제로 의도치 않게 절연구간 정차시 해당 열차를 구원하기 위해 다른 디젤 기관차 같은 전기차가 아닌 열차를 투입해야 하는 것과 이로 인해 열차운행 차질에 따른 민원 및 경제적 손실이 발생하는 것과 구원이 늦어질 경우 자칫 탈선 등 대형사고로 이어지는 것을 예방할 수 있다.
또한, 절연구간 내 자동 가속 등을 가능하게 함으로써, 기존의 절연구간을 동력이 없는 상태인 타행통과라는 운행시간 단축의 제한 요소로 작용하는 문제를 해결하여 운행시간 단축 및 영업이익증대를 실현시키는 효과가 있다.
또한, 절연구간 내 원할한 타행운전을 위해서 평탄지 혹은 하구배 및 직선구간에 절연구간을 설치해야하는 한계를 극복하여, 설계 자유도를 향상시키며 추가 선로 증설비용을 최소할 수 있고 절연구간 설치 요구조건을 완화시킬 수 있다.
또한, 정차장 구내 또는 차량기지(depot) 내에서 차량 분리, 결합, 차량 선로바꾸기 등과 같은 입환 작업(入換作業)은 주로 별도의 입환기관차(주로 디젤사용)를 사용하여 가선이 없는 장소에서 이루어지고 있고 기지내 입환기관차의 대응없이는 이동이 불가능해 차량 정비 및 이동에 많은 소요시간이 소요되는 비효율적인 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다이오드를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 구성도이다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 간이 추진용 제어기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 도 1의 다이오드를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 도 2의 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 도 1 또는 도 2의 철도차량용 간이 추진 시스템의 수동 제어방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다이오드를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 철도차량용 간이 추진 시스템은 기존 차량의 추진시스템 구성품인 MCB(110), 주변압기(111), 변압기 탭(113), AC-DC 컨버터(112), 인버터(118), 전동기(120)에 추가적으로 간이 추진을 위한 에너지 저장부(140), 접촉기(114), 간이 추진용 제어기(150), 충전기(142), 충전 접촉기(144) 및 다이오드(130)를 포함하여 구성한다.
상기 MCB(110)는 차량전원 공급선으로부터 철도차량(이하, 열차라고 한다.)으로의 전력 공급을 투입(ON) 및 개방(OFF)하는 역할을 하며, 가선과 판토그래프를 통해 연결 되어있다. 열차 내부의 상기 컨버터(112)는 상기 가선으로부터 전력을 공급받아 단상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 인버터(118)로 상기 직류 전력을 보내고, 상기 인버터(118)는 상기 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 열차의 상기 전동기(120)에 상기 3상 교류전력을 공급한다.
열차가 절연구간에 진입하는 경우, 상기 MCB(110)가 차단되어 전력 공급이 OFF되므로 상기 전력변환 및 전동기는 전력을 공급 받을 수 없다. 그러나, 절연구간이 아닌 가선이 있는 구간에서 에너지 저장부에 전력을 충전하여 절연구간에 진입한 후에 활용하면 상기 전동기(120)에 계속해서 전력을 공급할 수 있어 가속도 추진을 할 수 있다.
상기 MCB(110)를 통해 주변압기(111)는 변압기 탭(113)을 통해 차량의 추진시스템에 가선 전기에너지를 전달하며 추가 변압기 탭(117)을 통해 에너지 저장부(140)로 가선 전기에너지를 전달할 수 있다.
한편, 간이 추진용 제어기(150)는 인버터 제어기(160)와 유선 또는 무선으로 연결되며, 상기 접촉기(114), 상기 에너지 저장부(140) 및 상기 충전 접촉기(144) 제어와 관련된 정보를 제공한다.
상기 접촉기(114)는 에너지 저장부(140)와 연결되어 있으며 상기 컨버터(112)와 상기 인버터(118) 사이의 평활 콘덴서가 있는 DC-LINK 단(116) 부분에 위치한다. 상기 접촉기(114)는 상기 에너지 저장부(140)에서 상기 DC-LINK 단(116)으로의 전력 공급 또는 에너지 출력을 연결하거나 차단하는 역할을 한다. 상기 간이 추진용 제어기(150)는 상기 접촉기(114)의 개방(OFF) 또는 투입(ON) 동작을 제어하며, 상기 인버터 제어기(160)에 현재 제어상태를 알릴 수 있다.
또한, 상기 간이 추진용 제어기(150)는 상기 에너지 저장부(140)의 충전량을 확인하여 상기 충전 접촉기(144)의 개방(OFF) 또는 투입(ON) 동작을 제어한다. 즉, 상기 에너지 저장부(140)의 충전량이 기 정해진 소정의 충전량 이상인 경우 상기 충전 접촉기(144)를 개방(OFF)시키고, 상기 에너지 저장부(140)의 충전량이 기정해진 소정의 충전량 미만인 경우 상기 충전 접촉기(144)를 투입(ON) 시켜 상기 에너지 저장부(140)에 에너지를 공급할 수 있다. 상기 간이 추진용 제어기(150)는 상기 인버터 제어기(160)에 현재 제어상태를 알릴 수 있다.
열차가 절연구간이 아닌 구간을 주행하는 동안 주변압기(111)를 통해 전달되는 가선의 전기에너지를 이용하여 에너지 저장부(140)를 충전한다. 상기 에너지 저장부(140)는 충전기(142)를 통해서 가선 전기에너지가 상기 에너지 저장부(140)의 입력전압에 맞춰진 전기에너지로 변환되어 충전된다. 상기 충전기(142)는 충전 접촉기(144)에 의해, 상기 에너지 저장부(140)에 전력을 공급 하거나 차단 할 수 있다. 충전 접촉기(144)는 간이 추진용 제어기(150)에 의해 세팅된 충전량을 만족시키면 차단(OFF)이 되도록 제어된다.
열차가 절연구간에 진입하는 경우, 충전된 상기 에너지 저장부(140)가 상기 DC-LINK 단(116)에 전력을 공급하는데, 상기 에너지 저장부(140)와 상기 DC-LINK 단(116) 사이에 다이오드(130)가 구비된다. 상기 다이오드(130)는 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 역할로서, 상기 에너지 저장부(140)에서 상기 DC-LINK 단(116)을 향하는 방향으로만 전류가 흐를 수 있게 한다. 또한 절연구간 진입으로 컨버터(112) 출력이 없어지면 전압차에 의해 에너지 저장부(140)에서 DC-LINK단(116)으로 추진에 필요한 에너지가 투입되도록 한다.
이와 같이 상기 DC-LINK 단(116)으로 공급된 상기 전력은 상기 인버터(118)로 흐르고, 전동기(120)에 공급된다. 따라서, 열차가 절연구간에 진입 하는 경우에도 상기 전동기(120)에 계속해서 전력을 공급하여 상기 열차가 운행하게 할 수 있다. 또한 수동제어를 통해 에너지 저장부로부터의 에너지 공급을 이용하여 간이 추진을 하게하여 가선에너지 없이 단거리 이동이 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명한 철도차량용 시스템은 추가 변압기 탭(117), 충전접촉기(144) 및 충전기(142)를 이용하여 상기 에너지 저장부(140)를 충전하였으나, 본 실시예에 의한 철도차량용 간이 추진 시스템(200)은 DC/DC 컨버터(230)를 이용하여 에너지 저장부(240)를 충전한다.
이에 따라, 본 실시예에 의한 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템은 다이오드(130) 및 충전기(142) 등을 대신하여 DC/DC 컨버터(230)를 포함한다.
이는 다이오드를 이용한 철도차량용 간이 추진시스템은 가선 전기에너지만 에너지 저장부에 저장할 수 있음을 의미하고 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진시스템은 가선 전기에너지 및 제동시 발생하는 회생에너지를 모두 에너지 저장부에 저장할 수 있음을 의미한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 철도차량용 간이 추진 시스템은 기존 차량의 추진시스템 구성품인 MCB(210), 주변압기(211), 주변압기 탭(213), AC-DC 컨버터(212), 인버터(218), 전동기(220)에 추가적으로 간이 추진을 위한 에너지 저장부(240), 접촉기(214), 간이 추진용 제어기(250) 및 DC/DC 컨버터(230)를 포함하여 구성한다.
상기 MCB(210)를 통해 주변압기(211)는 변압기 탭(213)을 통해 차량의 추진시스템에 가선 전기에너지를 전달한다. 에너지 저장부(240)는 컨버터(212)와 인버터(218) 사이에서 접촉기(214)를 거쳐 연결된 상기 DC/DC 컨버터(230)에 의해 전력이 충전된다. 상기 컨버터(212)는 AC/DC 컨버터일 수 있으며, 상기 DC/DC 컨버터(230)는 양방향 컨버터일 수 있다. 가선으로부터 오는 에너지(가선 전기에너지)가 상기 AC/DC컨버터(212)를 통해 들어오는 경우, 상기 DC/DC 컨버터(230)는 상기 가선으로부터 오는 에너지를 상기 에너지 저장부(240)의 입력 전압에 맞는 전압으로 변환시킨다. 또한 제동 시 인버터(218)를 거쳐 공급되는 회생에너지도 에너지 저장부 입력 전압에 맞는 전압으로 변환시킨다. 출력 시에는 에너지 저장부의 출력전압을 DC-LINK 단(216)에 맞는 전압으로 변환 시킬 수 있다.
상기 DC/DC 컨버터(230)는 양방향 컨버터로, 가선 전기에너지 또는 제동 시 발생하는 회생 에너지로부터 오는 입력 에너지를 상기 에너지 저장부(240) 입력전압에 맞는 전압으로 변환시키고 출력 시에는 상기 에너지 저장부(240)의 출력전압을 DC-LINK 단(216)에 맞는 전압으로 변환시킨다.
이와 같은 과정을 통해 충전된 상기 에너지 저장부(240)는, 열차가 절연구간에 진입하여 주변압기(211)로부터 전력을 공급받지 못할 경우, 전동기(220)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 수동제어를 통해 상기 에너지 저장부(240)로부터의 에너지 공급을 이용하여 간이 추진을 하게하여 가선에너지 없이 단거리 이동이 가능하다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 간이 추진용 제어기(150, 250)는 상기 컨버터(112, 212), 상기 인버터(118, 218), 상기 접촉기(114, 214) 및 상기 충전 접촉기(144)와 연결되어 있다. 상기 외부로부터 수신되는 절연구간 정보를 바탕으로 상기 절연구간의 진입 여부에 대한 확인 및 연산하는 역할을 하며, 상기 접촉기(114, 214)의 제어를 수행한다. 간이 추진용 제어기(150, 250)는 기존 차량에 장착되어 있는 인버터(118, 218) 등의 제어기와 연동되어 있어야만 효율적인 차량 추진제어가 가능하다.
또한, 상기 간이 추진용 제어기(150, 250)를 기반으로 한 수동조작 버튼(미도시)을 더 포함할 수 있다. 신호장애 및 전기공급 부분 문제로 인해 절연구간 내 돌발정차가 발생할 경우나 가선이 없는 장소로 입환기관차 없이 이동할 경우 간이 추진용 시스템 상기 수동조작 버튼을 통해 수동으로 간이 추진장치를 가동할 수 있다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 간이 추진용 제어기(150, 250)의 구성을 도시한 블록도이다.
상기 간이 추진용 제어기(150, 250)는 입력부(10), 연산부(40), 및 출력부(50)를 포함한다. 상기 입력부(10)는 사용자 입력부(20)와 수신정보부(30)로 구성되며, 상기 사용자 입력부(20)는 가속도/만충 세팅부(22) 및 자/수동 모드 입력부(24)를 포함하고, 상기 수신정보부(30)는 가선전압계(32), 현재속도계(34), 수신기(38), 에너지 저장부 충전량 확인부(36)를 포함한다.
상기 사용자 입력부(20)의 상기 가속도/만충 세팅부(22)는 절연구간을 통과하는 열차의 가속도 및 상기 에너지 저장부(140, 240)의 충전목표를 설정하는 충전량을 사용자로부터 평상시 원하는 시간에 입력 받을 수 있다. 예를 들어, 사용자가 원하는 가속도 값을 3km/h/s로 세팅하면, 열차는 절연구간 진입 시 3km/h/s의 속도로 주행한다. 또한 충전량을 95%로 설정하면 상기 에너지 저장부(140, 240)에 에너지를 95%까지만 충전한다.
한편, 자/수동 모드 입력부(24)는 자동모드가 입력되면 절연구간 진입 시 수신된 지상자 신호 또는 GPS신호(60)를 기반으로 절연구간 진입을 인식하고 절연구간을 자동 가속으로 통과하게 할 수 있게 한다. 또한, 열차가 절연구간에서 돌발 정차 하거나 입환기관차 없는 이동이 필요한 경우 사용자로부터 수동 모드를 입력 받아 열차가 이동할 수 있게 할 수 있다.
한편, 절연구간 통행을 위해 상기 수신정보부(30)는 상기 현재속도계(34)와 상기 가선전압계(32)를 통해 열차의 현재속도와 가선전압 정보를 상시 취득할 수 있다. 또한, 상기 수신정보부(30)는 상기 수신기(38)를 통해 상기 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)를 수신하고 있다. 이때, 상기 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)를 기반으로 절연구간 진입 및 통과여부를 확인하고 상기 접촉기(114, 214)를 동작시킬 수 있다. 또한, 상기 수신정보부(30)는 상기 에너지 저장부 충전량 확인부(36)를 통해 상기 에너지 저장부(140, 240)에 남아있는 충전량정보를 수신한다.
상기 연산부(40)는 상기 자/수동 모드 확인부(42)를 통해 상기 자/수동 모드 입력부(24)로부터 받은 정보를 확인한다. 상기 에너지 저장부(140, 240)의 에너지가 간이 추진에 의해 소모된 에너지량 및 남은 에너지량에 대한 연산은 에너지량 연산부(43)에 의해 수행된다.
또한, 상기 연산부의 견인력-속도 곡선부(47)에서는 차량정보(차량무게 등) 기반으로 견인력-속도 곡선을 이용하여 주행저항을 고려하고 이에 따른 자동추진을 수행하기 위해 필요한 추진력을 F=ma식을 통해 연산한다. 예를 들어, 상기 가속도 세팅값을 0km/h/s로 하는 경우, 주행저항만큼의 에너지량만 간이 추진시스템을 통해 공급해 현재속도를 유지할 수 있다.
한편 상기 연산부(40)의 가속도 달성비교부(46) 및 충전량 비교부(49)는 상기 가속도/만충 세팅부(22)에 평소 설정된 가속도 및 충전율을 확인하고, 에너지를 소모한 상기 에너지 저장부(140, 240)가 상기 가속도/만충 세팅부(22)에 세팅된 충전율만큼 충전되도록 현재 충전량과 비교 연산작업을 수행할 뿐만 아니라 상기 견인력-속도 곡선부(47)의 연산결과를 바탕으로 상기 가속도/만충 세팅부(22)에 설정된 가속도 세팅값을 달성할 수 없을 경우 상기 가속도 세팅값을 보정한다.
또한, 상기 연산부(40)의 절연구간 DB부(44)는 지상자에 의한 절연구간 정보 수신이 가능한 경우에 대해서는 백업용도로 활용될 수 있으며 지상자가 없어 GPS 정보를 활용하는 경우에 대해서는 기 입력된 정보를 통해 GPS의 오차를 보정하고 이동거리를 연산하는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 상기 연산부(40)는 지상자 신호를 통해 절연구간 시작/종료 정보를 활용하여 절연구간 거리연산을 수행할 수 있다. 한편, 지상자가 없어 GPS 신호를 수신하는 경우에는 기 저장된 절연구간 위치와 길이에 대한 데이터 베이스(DB)를 활용할 수 있다.
상기 연산부(40)의 절연구간 검증부(48)는 절연구간 검증을 위해 상기 수신정보부(30)에 수신되는 현재 열차속도가 0km/h를 초과하고 가선전압이 0V에 근사한지 비교 판단한다.
상기 출력부(50)의 상기 에너지량 정보부(52)와 상기 추진가능속도 정보부(54)는 각각 상기 연산부(40)의 에너지량 연산부(43)에서 연산한 자동추진에 따른 현재 남은 에너지량과 견인력-속도 곡선부(47) 및 가속도 달성비교부(46)에서 연산한 달성가능속도정보를 사용자에게 보여준다. 또한, 상기 출력부(50)의 (충전) 접촉기 ON/OFF 제어신호부(56)는 상기 연산부(40)의 결과에 따라 상기 접촉기(114, 214)와 상기 충전 접촉기(144)의 투입 및 탈락동작을 수행하도록 제어한다.
도 4는 도 1의 다이오드를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 간이 추진용 제어기(150)는 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)의 수신을 통해 절연구간 진입을 확인한다.(단계 S10)
한편, 열차가 절연구간이 아닌 가선이 있는 구간에 있는 경우, 에너지 저장부(140)의 충전량 또는 충전율을 확인하고(단계 S11), 평상시 세팅을 통해 기정해진 충전량 또는 충전율(예를 들어, 95%) 이상인 경우 충전 접촉기(144)에 대하여 OFF신호를 출력한다(단계 S12).
에너지 저장부(140)의 충전량 또는 충전율이 상기 기정해진 충전량 또는 충전율 미만인 경우 상기 충전 접촉기(144)에 대하여 ON 신호를 출력한다(단계 S13). 다음으로, 추가 변압기 탭(117)을 통해 주변압기(111)로부터 가선 전기에너지를 공급받아 에너지 저장부(140)로 상기 가선 전기에너지를 전달하여 저장할 수 있다.
한편, 상기 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)를 바탕으로 열차가 절연구간에 진입하는 것을 확인한 후, 절연구간 검증을 위해 상기 수신정보부(30)에 수신되는 현재 열차속도가 0km/h를 초과하고 가선전압이 0V에 근사한지 비교 판단한다(단계 S20). 만약 상기 조건을 만족하지 않으면 간이추진시스템은 동작하지 않는다(단계 S21). 검증 조건을 만족하면 간이 추진용 제어기(150)는 접촉기(114)를 제어하여 투입(ON)시킨다(단계 S30). 따라서 상기 접촉기(114)를 통해 상기 에너지 저장부(140)에서 열차의 상기 전동기(120)에 전력을 공급할 수 있도록 한다.
상기 연산부(40)는 F=ma식을 통해 세팅된 상기 가속도에 따른 자동 추진을 수행하기 위해 필요한 추진력을 계산한다(단계 S40). 또한, 견인력-속도 곡선과 차량정보(차량무게 등)를 이용하여 주행저항을 고려하고 세팅된 상기 가속도 세팅값을 달성할 수 없을 경우 상기 가속도 세팅값을 보정한다.(단계 S40)
상기 연산부(40)는 세팅된 가속도나 보정된 가속도에 따른 추진 가능속도로 열차의 자동 추진을 진행하도록 한다(단계 S50). 다음으로, 상기 출력부(50)는 상기 추진력에 따른 달성가능속도정보 및 남은 에너지량을 상기 간이 추진용 제어기(150)와 연계된 디스플레이(미도시)에 나타낼 수 있다(단계 S60).
또한 상기 연산부(40)는 상기 절연구간 DB부(44)에서 이동거리를 연산하고 절연구간 통과조건을 검증한다(단계 S70)
열차의 절연구간 상기 통과조건이 검증되면, 상기 접촉기(114)는 개방(OFF) 상태가 된다(단계 S80).
도 5는 도 2의 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법을 도시한 순서도이다. 본 실시예에 따른 DC/DC 컨버터를 이용한 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법은, 간이 추진용 제어기(250)가 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)를 수신하여 절연구간에 진입하는 것을 확인한 경우(단계 S100), 도 4를 참조하여 설명한 다이오드를 철도차량용 간이 추진 시스템의 자동 제어방법과 동일하므로 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
도 5를 참조하면, 먼저 간이 추진용 제어기(250)는 지상자 신호 또는 GPS 신호(60)의 수신을 통해 절연구간 진입을 확인한다.(단계 S100)
열차가 절연구간이 아닌 가선이 있는 구간에 있는 경우 에너지 저장부(240)의 충전량 또는 충전율을 확인하고(단계 S110), 평상시 세팅을 통해 기정해진 충전량 또는 충전율(예를 들어, 95%) 이상인 경우 접촉기(214)를 개방(OFF)시켜 더 이상 충전이 되지 않도록 한다.(단계 S800)
한편, 상기 에너지 저장부(240)의 충전량 또는 충전율이 상기 기정해진 충전량 또는 충전율 미만인 경우 상기 접촉기(214)를 투입(ON)시킨다(단계 S120). 다음으로, DC/DC 컨버터(230)를 통해 가선 전기에너지 또는 회생에너지를 에너지 저장부(240)에 공급하여 충전한다.
도 6은 도 1 또는 도 2의 철도차량용 간이 추진 시스템의 수동 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 열차가 절연구간에서 사고로 멈추거나 운행이 지연되는 상황이거나 간이 추진을 통한 단거리 이동이 요구되는 상황이 되면, 기관사에 의해 열차 내의 상기 수동조작 버튼의 입력 신호가 전달된다(단계 ST10). 이 경우, 자동적으로 마스콘이 중립(Norch off) 상태가 되고, MCB(110, 210)는 개방(OFF)되도록 차량에 신호가 전달된다(단계 ST20). 다음으로, 접촉기(114, 214)는 투입(ON) 상태가 된다(단계 ST30). 따라서, 상기 에너지 저장부에(140, 240)서 상기 접촉기(114, 214)를 통해 상기 전동기(120, 220)로 에너지가 전달되고 열차는 간이 추진을 할 수 있다.
상기 기관사의 판단에 따라(단계 ST40), 간이 추진시스템의 동작을 중지하기 위해서는 상기 기관사가 상기 수동조작 버튼을 다시 눌러 재동작 시키면(단계 ST50), 상기 접촉기(114, 214)는 개방(OFF) 상태가 되고, 상기 MCB는 투입(ON)이 되는 접촉신호를 출력한다(단계 ST60). 상기 접촉기(114, 214)는 개방(OFF)되고 MCB(110, 210)는 투입(ON) 상태가 된다(단계 ST70).
본 발명의 실시예들에 의하면, 차량 및 신호장애 등 문제로 의도치 않게 절연구간 정차시 해당 열차를 구원하기 위해 다른 디젤 기관차 같은 전기차가 아닌 열차를 투입해야 하는 것과 이로 인해 열차운행 차질에 따른 민원 및 경제적 손실이 발생하는 것과 구원이 늦어질 경우 자칫 탈선 등 대형사고로 이어지는 것을 예방할 수 있다.
또한, 절연구간 내 자동 가속 등을 가능하게 함으로써, 기존의 절연구간을 동력이 없는 상태인 타행통과라는 운행시간 단축의 제한 요소로 작용하는 문제를 해결하여 운행시간 단축 및 영업이익증대를 실현시키는 효과가 있다.
또한, 절연구간 내 원할한 타행운전을 위해서 평탄지 혹은 하구배 및 직선구간에 절연구간을 설치해야하는 한계를 극복하여, 설계 자유도를 향상시키며 추가 선로 증설비용을 최소할 수 있고 절연구간 설치 요구조건을 완화시킬 수 있다.
또한, 정차장 구내 또는 차량기지(depot) 내에서 차량 분리, 결합, 차량 선로바꾸기 등과 같은 입환 작업(入換作業)은 주로 별도의 입환기관차(주로 디젤사용)를 사용하여 가선이 없는 장소에서 이루어지고 있고 기지내 입환기관차의 대응없이는 이동이 불가능해 차량 정비 및 이동에 많은 소요시간이 소요되는 비효율적인 문제를 해결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110, 210: MCB 111, 211: 주변압기
112, 212: AC/DC 컨버터
113, 213: 변압기 탭 114, 214: 접촉기
116, 216: DC-LINK 단 117: 추가 변압기 탭
118, 218: 인버터
120, 220: 전동기 130: 다이오드
140, 240: 에너지 저장부 142: 충전기
144: 충전 접촉기 150, 250: 간이 추진용 제어기
160, 260: 인버터 제어기 230 :DC/DC 컨버터

Claims (22)

  1. 가선 전기에너지를 이용하여 충전되어 절연구간 내 자동 가속이 필요한 경우 또는 불시 정차가 발생하는 경우 상기 절연구간 탈출을 위한 추진용 에너지를 제공하는 에너지 저장부;
    상기 에너지 저장부와 연결되어 컨버터와 인버터 사이에 에너지출력을 연결하거나 차단하는 접촉기; 및
    상기 절연구간 정보를 바탕으로 상기 절연구간의 진입 여부에 대한 모니터링과 상기 에너지 저장부 및 상기 접촉기의 제어를 수행하는 간이 추진용 제어기를 포함하되,
    상기 간이 추진용 제어기는 입력부, 연산부 및 출력부를 포함하고,
    상기 연산부는 가속도 세팅값에 따른 열차의 추진 가능속도를 견인력-속도 곡선과 차량정보를 이용하여 도출하고 상기 열차의 자동 추진을 유도하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연구간 탈출 또는 입환 작업 시 단거리 이동을 위한 추진용 에너지가 필요한 경우 상기 에너지 저장부와의 수동 연결이 가능한 수동조작 버튼을 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 배터리 또는 슈퍼커패시터인 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부에 주변압기를 통해 공급되는 가선 전기에너지를 별도 변압기 탭을 통해 공급받으며 이를 DC로 변환하여 충전하는 충전기; 및
    상기 충전기를 제어하는 충전 접촉기를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부에서 DC-LINK 단으로 전압차에 의해 전력을 투입하고 역방향 전류는 차단하는 다이오드를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부와 연결되어 DC-LINK 단으로 전력을 투입하는 DC/DC 컨버터를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터이고,
    에너지 저장시에는 가선 전기에너지 또는 제동 시 발생하는 회생 에너지를 상기 에너지 저장부의 입력전압에 부합하는 전압으로 변환시키고, 에너지 출력 시에는 상기 에너지 저장부의 출력전압을 DC-LINK 단에 부합하는 전압으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는 지상자 신호 또는 GPS 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는 절연구간 진입 시 열차의 가선전압 및 현재속도를 수신하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는 절연구간에 진입 전 사용자로부터 열차의 가속도 및 상기 에너지 저장부의 충전율 세팅값을 입력 받는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 가속도 세팅값을 달성할 수 없을 경우 상기 가속도 세팅값을 보정하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는 지상자 신호를 통해 절연구간 시작/종료 정보를 수신하여 절연구간 거리연산을 수행하거나, GPS 신호를 통해 기 저장된 절연구간 위치와 길이에 대한 데이터베이스를 활용하여 절연구간 거리연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는 에너지를 소모한 상기 에너지 저장부가 충전율 세팅값만큼 충전되도록 현재 충전량과의 비교 연산작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는 상기 연산부에서 연산한 자동추진에 따른 달성가능속도정보와 상기 에너지 저장부의 남은 에너지량을 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 간이 추진 시스템.
  17. 간이 추진용 제어기가 지상자 신호 또는 GPS 신호를 통해 절연구간 진입을 확인하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 절연구간 진입을 검증하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 접촉기를 투입(ON)시키는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 열차 운행상태 정보에 따른 자동 추진을 수행하기 위해 필요한 추진력, 에너지 및 이동거리를 연산하고 보정하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 유선 또는 무선으로 연결된 인버터 제어기에 추진가능속도로 자동추진 하도록 현재 제어관련 정보를 제공하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 상기 추진력 및 절연구간거리에 따른 추진가능 속도정보 및 남은 에너지량을 출력하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 절연구간을 통과하여 종료됨을 검증하는 단계;
    상기 간이 추진용 제어기가 절연구간이 종료됨에 따라 접촉기를 개방(OFF)시키는 단계; 및
    상기 간이 추진용 제어기가 견인력-속도 곡선과 차량정보를 이용하여 상기 열차 운행상태 정보에 따른 자동 추진을 수행할 수 없는 경우 가속도 세팅값을 보정하는 단계를 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 열차가 절연구간이 아닌 가선이 있는 구간에 있는 경우 에너지 저장부의 충전량을 확인하는 단계를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 충전량이 기정해진 충전량의 이상인 경우 충전 접촉기를 개방(OFF) 시키고, 상기 기정해진 충전량의 미만인 경우 상기 충전 접촉기를 투입(ON)시키는 단계를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 충전량이 기정해진 충전량의 이상인 경우 접촉기를 개방(OFF) 시키고, 상기 기정해진 충전량의 미만인 경우 상기 접촉기를 투입(ON)시키는 단계를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법.
  22. 제17항에 있어서,
    수동조작 버튼의 동작에 의해 마스콘이 중립 상태가 되고 MCB가 개방(OFF) 되고 접촉기가 투입(ON)되는 단계; 및
    상기 수동조작 버튼의 재동작에 의해 접촉기가 개방(OFF)되고 MCB가 투입(ON)되는 단계를 더 포함하는 철도차량용 간이 추진 시스템의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010283919A (ja) * 2009-06-02 2010-12-16 Toshiba Corp 車両用補助電源装置
JP2011239610A (ja) * 2010-05-12 2011-11-24 Toshiba Corp 交流電気車

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