KR102158490B1 - 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다이오드 정류기를 이용하여 교류전압을 직류전압으로 변환하여 공급하는 변전소에서 기계적 또는 전자적 스위치를 이용하여 변압기의 변압비를 제어함으로써 다이오드 정류기에서 정격전압을 출력할 수 있도록 제어하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 관한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 계통으로부터 공급되는 3상의 교류전원을 변압기에서 소정 전압으로 하향 변압한 후 3상 다이오드정류기를 통해 직류 전원으로 변환하여 직류 가선을 통해 직류 전동차에 안정적으로 공급할 수 있도록 이루어진 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 있어서, 상기 변압기의 이차 권선을 형성하는 각 상의 권선에 소정 권선수마다 설치되어 변압비를 다단계로 변경할 수 있도록 된 변압기 출력탭; 상기 변압기 출력탭에 연결되고 기계식 또는 전자식으로 스위칭제어가 가능하게 설치된 탭조정스위치; 상기 정류기의 출력전압을 측정하는 전압측정부; 상기 정류기의 출력전류를 측정하는 전류측정부; 상기 전압측정부와 상기 전류측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압과 출력전류에 따라 정류기에서 사전에 설정된 정격전압을 출력할 수 있도록 상기 탭조정스위치의 스위칭을 제어하는 제어기;를 포함하여 이루어져 있다.

Description

직류 전기철도 차량집전전압 제어장치{DEVICE FOR CONTROLLING VEHICLE COLLECTION VOLTAGE OF DC ELECTRIC RAILWAY }
본 발명은 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이오드 정류기를 이용하여 교류전압을 직류전압으로 변환하여 공급하는 변전소에서 기계적 또는 전자적 스위치를 이용하여 변압기의 변압비를 제어함으로써 다이오드 정류기에서 정격전압을 출력할 수 있도록 제어하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 철도차량에 전력을 공급하는 급전형태는 크게 직류 급전방식과 교류 급전방식으로 구분되는데, 직류 전동차를 운행시키기 위해서는 직류 전동차에 직류 전력을 공급해주기 위한 급전시스템을 필요로 하며, 직류 급전시스템에서는 그 길이가 긴 선로의 말단까지 규정된 전압을 안정적으로 공급하기 위해서 적정한 구간마다 변전소를 갖추고 있다.
도 1은 종래의 직류 전동차용 급전 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 직류 전동차용 급전 시스템은, 계통(10)으로부터 공급되는 3상의 교류전압을 변전소(20)에서 적절한 전압으로 하향 변압하여 직류 가선을 통해 직류 전동차에 공급할 수 있도록 이루어져 있다.
변전소(20)는 크게 계통(10)으로부터 공급되는 교류전압을 적절한 전압으로 하향 변압하기 위한 변압기(22)와, 상기 변압기(22)에서 하향 변압되어 이차측에서 출력되는 전압을 직류전압으로 정류하는 주 정류기(24)를 구비하고 있다.
도시된 예에서 상기 변압기(22)는 리플을 줄이고 고주파를 줄이기 위해 일차측 권선이 Y결선으로 연결되는 한편 이차측 권선이 Y결선과 △결선으로 각각 연결되어 60도의 위상차를 갖는 6상의 출력을 만들도록 되어 있고, 이차측 권선의 Y결선과 △결선 각각에는 서로 다른 다이오드 정류기가 직렬로 연결되어 이루어진 주 정류기(24)가 연결되어 있다. 상기 주정류기(24)는 상기 6상의 출력이 입력되는 입력단의 정방향과 부방향에 각각 다이오드(V1 내지 V12)가 연결되어 12펄스 형태로 직류 전압을 직류 전동차에 공급할 수 있도록 이루어져 있다.
보통 하나의 변전소(20)는 두 구간의 직류가선을 담당하여 급전을 하게 되는데, 직류 전동차에 직류전력을 공급하게 되는 직류가선 한 구간의 길이는 대략 3~4Km이다. 이를 위해 하나의 변전소(20)에는 두 구간의 직류가선을 담당할 수 있도록 2대의 다이오드 정류기로 이루어지는 정류기가 구비되는데, 도시된 주 정류기(24)는 2대의 다이오드 정류기 중에서 하나의 정류기를 나타내고 있다.
그리고 정류기의 고장시에 하나의 직류가선에 대한 전력을 담당할 수 있도록 1대의 다이오드 정류기로 이루어지는 예비 정류기가 추가로 설치될 수 있다.
상기한 구성에 의한 종래의 직류 전동차용 급전 시스템은, 변전소(20)에서 변압기(22)와 주 정류기(24)를 이용하여 교류전력을 직류전력으로 변환한 뒤에 이를 직류가선을 통하여 직류 전동차에 공급함으로써 직류 전동차가 운행될 수 있도록 한다.
대체적으로 변전소(20)에서 직류가선을 통해 직류 전동차에 공급되는 직류 정격전압은 전동차의 운행부하의 크기에 따라 3,000V, 1,500V 및 750V으로 나뉠 수 있으며, 최대 최고 전압을 직류 전동차의 정격전압의 120%로 정하고 있다. 그런데, 직류가선의 전압은 직류 전동차의 운행 조건에 따라 순시적으로 변화하게 되어, 크게 직류가선 전압이 안정영역을 넘어 상승하는 경우와, 직류가선 전압이 안정영역에 존재하는 경우와, 직류가 선 전압이 안정영역보다 낮아지는 경우의 3가지로 나눌 수 있다. 위의 3가지 경우 중에서 직류가선 전압이 안정영역을 넘어 상승하는 경우와 직류가선 전압이 안정영역보다 낮아지는 경우에는 전동차(20)의 운행에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 직류가선 전압을 안정영역에서 공급할 필요가 있다.
이에 따라, 정류기의 경우 도시된 바와 같이 다이오드 정류기가 일반적으로 사용되고 있으나 출력전압을 제어할 수 있는 싸이리스터 정류기도 일부 사용되어 변전소에서 직류 전동차로 공급되는 전압을 안정영역에서 공급할 수 있도록 하고 있다.
도 2는 사이리스터 정류기와 다이오드 정류기 각각의 정류기 출력전류에 대한 직류출력전압을 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이 싸이리스터 정류기에서는 싸이리스터 정류기를 구성하고 있는 싸이리스터를 제어하여 정류기 출력전류가 무부하부터 100%부하까지 직류철도 정격전압, 예컨대 1,500V를 출력하도록 하고 있으나, 다이오드 정류기에서는 정류기 출력전류의 100%부하일 때의 120%를 무부하전압으로 설정하고 정류기 출력전류가 무부하부터 100%부하까지 변전소 전압 E가 다음 수식을 만족하도록 출력한다.
Figure 112018078230812-pat00001
여기서 E는 변전소 전압,
Figure 112018078230812-pat00002
는 무부하 전압,
Figure 112018078230812-pat00003
는 부하전류,
Figure 112018078230812-pat00004
는 내부저항,
Figure 112018078230812-pat00005
는 싸이리스터 정류기전압을 각각 나타낸다.
이와 같이 다이오드 정류기를 사용하여 정류기 출력전류가 100%부하 이전까지 변전소 전압을 직류철도 정격전압보다 높게 공급하고 있다.
싸이리스터 정류기의 경우는 싸이리스터에 의한 전압제어가 가능하기 때문에 무부하부터 100% 부하시까지 정격전압이 유지되도록하고 100%부하 이상이 되면
Figure 112018078230812-pat00006
만큼 감소하도록 제어한다. 싸이리스터 정류기를 사용하면 직류철도 차량이 원하는 정격전압 Er를 전부하시까지 유지가능하게 하여 정격전압이상에서의 동작을 방지할 수 있게 됨으로써 차량의 전기기기의 수명을 증가시킬 수 있지만, 다이오드 정류기를 사용하면 100% 부하시까지 정격전압보다 높은 전압을 공급하여야 하므로 전기기기의 단축되는 단점이 있다.
또한, 기존의 많은 변전소에서는 다이오드 정류기를 사용하고 있으나 이를 싸이리스터 정류기로 대체하는 경우 많은 비용이 소요된다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 다이오드 정류기를 이용하는 변전소에서 공급되는 직류 정격전압을 100%로 제어하여 직류 급전 시스템의 건설가격 상승과 시스템의 수명저하를 방지할 수 있도록 변압기의 이차측 권선에다 권선수에 대응하여 단계별로 권선탭을 설치하고 상기 권선탭 각각에 스위칭제어가 가능한 스위치를 연결한 후, 상기 스위치의 스위칭 상태에 따라 권선비가 변경되도록 하여, 직류 가선의 부하전압 변동에 따라 변압기의 출력전압을 제어하여 직류가선 전압을 안정영역에서 공급할 수 있도록 된 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치를 제공함을 기술적 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치는, 계통으로부터 공급되는 3상의 교류전원을 변압기에서 소정 전압으로 하향 변압한 후 3상 다이오드정류기를 통해 직류 전원으로 변환하여 직류 가선을 통해 직류 전동차에 안정적으로 공급할 수 있도록 이루어진 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 있어서, 상기 변압기의 이차 권선을 형성하는 각 상의 권선에 소정 권선수마다 설치되어 변압비를 다단계로 변경할 수 있도록 된 변압기 출력탭; 상기 변압기 출력탭에 연결되고 기계식 또는 전자식으로 스위칭제어가 가능하게 설치된 탭조정스위치; 상기 정류기의 출력전압을 측정하는 전압측정부; 상기 정류기의 출력전류를 측정하는 전류측정부; 상기 전압측정부와 상기 전류측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압과 출력전류에 따라 정류기에서 사전에 설정된 정격전압을 출력할 수 있도록 상기 탭조정스위치의 스위칭을 제어하는 제어기;를 포함하여 이루어져 있다.
상기 변압기 출력탭은 정류기의 출력전압을 무부하부터 100%부하일때까지 정격전압으로 설정할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 전압측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압이 정류기의 정격전압보다 높다고 판단하면 상기 변압기의 변압비가 감소하는 방향의 출력탭에 연결된 탭조정스위치를 온상태로 접속시키는 한편 전압측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압이 정류기의 정격전압보다 낮다고 판단하면 상기 변압기의 변압비가 증가하는 방향의 출력탭에 연결된 탭조정스위치를 온상태로 접속시켜, 정류기에서 정격전압을 출력할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 전류측정부를 통해 수신되는 다이오드 정류기의 출력전류가 100% 전부하 미만인 경우 다이오드 정류기의 출력이 직류철도 정격전압을 유지하도록 제어하는 한편, 다이오드 정류기의 출력전류가 100% 전부하 이상인 경우 다이오드 정류기의 출력이 상기 직류철도 정격전압에서
Figure 112018078230812-pat00007
만큼 감소하게 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류 전기철도 차량집전전압 제어방법은, 다이오드 정류기의 출력전압과 출력전류를 측정하는 측정단계; 상기 측정된 출력전류에 대해 100% 전부하와 크기를 비교하는 비교단계; 상기 비교단계에서 상기 출력전류가 100% 전부하 미만인 경우, 측정전압과 정격전압의 차이를 판단하여 측정전압이 정격전압보다 높으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 낮추는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 한편, 측정전압이 정격전압보다 낮으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 높이는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 제1 출력전압 조정단계;를 포함하여 이루어져 있다.
상기 비교단계에서 상기 출력전류가 100% 전부하 이상인 경우, 측정전압과 다이오드 정류기특성에 따라 설정된 기준전압의 차이를 판단하여, 측정전압이 상기 기준전압보다 높으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 낮추는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 한편, 측정전압이 정류기특성에 따라 설정된 기준전압보다 낮으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 높이는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 제2 출력전압 조정단계;를 포함하여 이루어져 있다.
상기 제1 출력전압 조정단계에서 측정전압과 정격전압의 차이를 판단할 때, 측정전압과 정격전압이 동일한 지점부터 시작하여 측정전압이 큰 방향과 측정전압이 작은 방향으로 각각 소정 범위의 데드밴드별로 나눈 다수의 구간과 상기 구간들에 대응하여 변경시켜야할 탭조정스위치의 조정탭수를 설정한 기준테이블을 참조하여 상기 차이가 속한 구간에 대응된 탭조정스위치를 접속시키도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제2 출력전압 조정단계에서 측정전압과 정격전압의 차이를 판단할 때, 측정전압과 다이오드 정류기특성에 따라 설정된 기준전압이 동일한 지점부터 시작하여 측정전압이 큰 방향과 측정전압이 작은 방향으로 각각 소정 범위의 데드밴드별로 나눈 다수의 구간과 상기 구간들에 대응하여 변경시켜야할 탭조정스위치의 조정탭수를 설정한 기준테이블을 참조하여 상기 차이가 속한 구간에 대응된 탭조정스위치를 접속시키도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 기존에 대부분의 직류변전소에 설치되어 있는 다이오드 정류기에 대해 일반적인 기계식 또는 전자식 부하 탭절환기를 사용하여 출력전압을 변경할 수 있도록 함으로써 다이오드 정류기를 싸이리스터 정류기로 교체하지 않고도 출력전압을 정격전압으로 제어할 수 있게 되어, 다이오드 정류기의 사용수명을 연장할 수 있고, 이에 따라 변전소의 유지보수 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한 직류철도에서 부하변동에 무관하게 일정한 전압을 가선으로 공급할 수 있고, 전압강하에 따른 전류량 증가방지로 전력손실을 저감할 수 있으며, 선로의 전력이용율을 증가시킬 수 있으며, 전기설비의 스트레스를 저감할 수 있으며, 전기차 회생에 따른 회생전력발생이 증가되는 장점이 있다.
도 1은 종래의 직류 전동차용 급전 시스템의 구성도,
도 2는 일반적인 정류기 출력전류에 대한 사이리스터 정류기와 다이오드 정류기의 직류출력전압 특성을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 탭조정스위치부의 상세도,
도 5는 본 발명에 따라 제어기가 다이오드 정류기의 출력전압과 출력전류를 측정하여 변압기의 탭조정스위치부를 제어하는 방법을 설명하는 흐름도를 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치의 구성도를 나타내는 것으로, 계통으로부터 공급되는 3상의 교류전원을 소정 전압으로 하향 변압하는 변압기(30)와 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하여 직류 가선을 통해 직류 전동차로 공급하는 다이오드 정류기(40), 상기 다이오드 정류기(40)의 출력전압을 측정하는 전압측정부(50), 상기 다이오드 정류기(40)의 출력전류를 측정하는 전류측정부(60), 그리고 상기 전압측정부(50)와 상기 전류측정부(60)를 통해 수신하는 다이오드 정류기(40)의 출력전압과 출력전류에 따라 다이오드 정류기(40)에서 사전에 설정된 정격전압을 출력할 수 있도록 상기 변압기(30)의 출력전압을 제어하는 제어기(70)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 변압기(30)는 3상의 Y결선으로 연결되는 일차측 권선(31)과 3상의 △결선으로 연결되는 제1 이차측 권선(32) 및 3상의 Y결선으로 연결되는 제2 이차측권선(33)으로 이루어져 있다.
상기 변압기(30)의 제1 이차측 권선(32)과 제2 이차측 권선(33)을 형성하는 각 상의 권선에는 도 4의 상세도에 도시된 바와 같이, 소정 권선수마다 출력탭이 설치되고 각 출력탭에는 탭조정스위치(Sn+N … Sn+2, Sn+1, Sn, Sn-1, Sn-2 … Sn-N)가 연결되어 있는 탭조정스위치부(34)가 연결되어 있다.
상기 탭조정스위치부(34)는 탭조정스위치(Sn+N … Sn+2, Sn+1, Sn, Sn-1, Sn-2 … Sn-N) 들 중에서 탭조정스위치(Sn)가 중성점이라고 했을때, 이로부터 접속되는 탭조정스위치가 탭조정스위치(Sn)에서 탭조정스위치(Sn+1), 탭조정스위치(Sn+2) … 탭조정스위치(Sn+N) 방향으로 변경될 때마다 변압비가 증가되어 단계적으로 변압기(30)의 이차측 전압을 증가시키는 한편, 접속되는 탭조정스위치가 탭조정스위치(Sn)에서 탭조정스위치(Sn-1), 탭조정스위치(Sn-2) … 탭조정스위치(Sn-N)로 변경될 때마다 변압비가 감소되어 단계적으로 변압기(30)의 이차측 전압을 감소시키도록 이루어져 있다. 여기서 N은 자연수로서, 중성점 위치의 탭조정스위치(Sn)로부터 변압비를 증가시키는 방향과 감소시키는 방향으로 각각 연결되어 있는 N번째 위치의 탭조정스위치를 나타내는 것으로, 도시된 예에서 변압비를 증가시키는 방향과 감소시키는 방향으로 연결되어 있는 탭조정스위치의 수는 동일한 경우를 예로 들고 있지만 반드시 동일할 필요는 없고 서로 다른 갯수로 설치될 수도 있다
상기 탭조정스위치부(34)의 탭조정스위치(Sn+N … Sn+2, Sn+1, Sn, Sn-1, Sn-2 … Sn-N)는 기계식 또는 전자식으로 스위칭제어가 가능하게 구성될 수 있다. 기계식 즉 로터리식으로 이루어진 경우 현재 접속되어 있는 출력탭과 접속시키고자 하는 목표 출력탭 사이에 복수개의 출력탭이 존재하면 현재 접속되어 있는 출력탭부터 목표 출력탭 사이에 있는 출력탭들을 차례로 거쳐 목표 출력탭까지 이동시켜 접속시키게 되나, 전자식으로 이루어진 경우 접속시키고자 하는 목표 출력탭까지 복수개의 출력탭이 존재한다고 하더라도 현재 접속되어 있는 출력탭에서 중간에 존재하는 출력탭을 거치지 않고 목표 출력탭으로 바로 건너뛰어 접속시킬 수 있다.
또한, 상기 변압기(30)의 출력탭에 연결되는 탭조정스위치(Sn+N … Sn+2, Sn+1, Sn, Sn-1, Sn-2 … Sn-N)는 다이오드 정류기(40)의 출력전압을 무부하부터 100%부하일때까지 정격전압으로 설정하고 100%부하 이후부터는 다이오드 정류기 특성을 따른 전압으로 제어하여 변압기(30)의 변압비를 조정할 수 있도록 이루어져 있다.
다이오드 정류기(40)는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하여 직류 가선을 통해 직류 전동차로 공급하는 역할을 하며, 상기 다이오드 정류기(40)의 출력단 양단에는 전압측정부(50)가 연결되어 다이오드 정류기(40)의 출력전압(Vm)을 측정하도록 이루어져 있고, 상기 다이오드 정류기(40)의 플러스측 전원단에는 전류측정부(60)가 연결되어 다이오드 정류기(40)의 출력전류(Im)를 측정하도록 이루어져 있다.
제어기(70)는 상기 전압측정부(50)와 전류측정부(60)의 출력단에 연결되어, 상기 전압측정부(50)에서 측정된 출력전압(Vm)과 전류측정부(60)에서 측정된 출력전류(Im)를 수신하고, 그에 따라 다이오드 정류기(40)에서 부하인 전기철도의 운행에 적합한 소정의 직류전원을 공급하도록 탭조정스위치부(34)를 제어하는 제어신호를 출력하도록 이루어져 있다.
다음에는 도 5에 의거 제어기(70)가 다이오드 정류기(40)에서 출력되는 전압과 전류를 측정하여 변압기(30)의 탭조정스위치부(34)를 제어하는 동작에 대하여 상세히 설명한다.
먼저 제어기(70)에서는 전압측정부(50)와 전류측정부(60)를 제어하여 다이오드 정류기(40)의 출력단에서 출력되어 가선으로 공급되는 출력전압(Vm)과 출력전류(Im)를 측정하는 측정단계를 수행한다. 이후 상기 출력전압(Vm)과 출력전류(Im)를 사전에 설정된 기준전압 및 기준전류와 비교하여 다이오드 정류기(40)에서 정격전압을 출력할 수 있도록 탭조정스위치부(34)를 제어한다.
상기 기준전압은 다이오드 정류기(40)의 출력단이 무부하부터 100%부하전류일 때까지는 직류철도 정격전압과 대응되어, 다이오드 정류기(40)에서 사이리스터 정류기 특성곡선처럼 도 2의 그래프에 도시된 바와 같이 소정의 직류철도 정격전압을 출력할 수 있도록 설정되어 있고, 다이오드 정류기(40)의 출력단이 100%부하전류 이상일때는 다이오드 정류기(40)에서 다이오드 정류기 특성곡선처럼 도 2의 그래프에 도시된 바와 같이 직류철도 정격전압에서 -ir만큼 감소될 수 있도록 설정되어 있다. 여기서 i는 부하전류이고 r은 내부저항이다.
이후, 제어기(70)에서는 상기 출력전류에 대해 100% 전부하보다 큰지 아니면 작은지 그 크기를 비교하는 비교단계를 수행한다.
상기 비교단계에서 제어기(70)가 다이오드 정류기(40)의 출력전류(Im)가 100%전부하 미만인 것으로 판단되면 다이오드 정류기(40)가 소정의 직류철도 정격전압을 출력하도록 제어하는 제1 출력전압 조정단계를 수행하는 한편 다이오드 정류기(40)의 출력전류(Im)가 100%전부하 이상인 것으로 판단되면 다이오드 정류기(40)에서 다이오드 정류기 특성에 따라 직류철도 정격전압에서 -ir만큼 감소되도록 제어하는 제2 출력전압 조정단계를 수행한다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 상기 제1 출력전압 조정단계에서는, 측정된 출력전압(Vm)과 기준전압 즉 직류철도 정격전압과의 차이를 판단하고, 그 결과 상기 출력전압(Vm)이 직류철도 정격전압보다 높고 아울러 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 탭조정스위치부(34)의 출력탭을 조정하기 위해 설정된 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면, 변압기(30)의 2차전압을 감소시키는 방향으로 탭조정스위치부(34)의 탭조정스위치의 접속을 제어한다. 예컨대 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn-1)가 접속되도록 조정하여 변압기(30)의 2차 전압을 감소시킨다. 이때 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 측정된 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 2배, 3배 … 혹은 N배 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn-2), 탭조정스위치(Sn-3) … 혹은 탭조정스위치(Sn-N)가 접속되도록 조정하여 다이오드 정류기(40)에서 정격전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
이와 달리 제1 출력전압 조정단계에서 측정된 출력전압(Vm)이 직류철도 정격전압보다 낮고 아울러 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 탭조정스위치부(34)의 출력탭을 조정하기 위해 설정된 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 변압기(30)의 2차전압을 증가시키는 방향으로 탭조정스위치부(34)의 탭조정스위치의 접속을 제어한다. 예컨대 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 측정된 출력전압(Vm)이 직류철도 정격전압보다 낮으면서 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn+1)가 접속되도록 조정하여 변압기(30)의 2차 전압을 증가시킨다. 이때 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 2배, 3배 … 혹은 N배 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn+2), 탭조정스위치(Sn+3) … 혹은 탭조정스위치(Sn+N)가 접속되도록 조정하여 다이오드 정류기(40)에서 정격전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어기(70)에서 다이오드 정류기(40)의 출력전류(Im)가 100%전부하 이상인 경우의 제2 출력전압 조정단계에서는, 먼저 측정된 출력전압(Vm)과 기준전압과의 차이를 산출하는데, 여기서 출력전류(Im)가 100%전부하 이상인 경우의 기준전압은 도 2에 도시된 바와 같이 다이오드 정류기 특성과 같은
Figure 112018078230812-pat00008
이 된다. 여기서
Figure 112018078230812-pat00009
는 무부하 전압,
Figure 112018078230812-pat00010
는 부하전류,
Figure 112018078230812-pat00011
는 내부저항을 각각 나타낸다.
이때 측정된 출력전압(Vm)이 기준전압보다 높고 아울러 상기 출력전압(Vm)과 기준전압의 차가 탭조정스위치부(34)의 출력탭을 조정하기 위해 설정된 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 변압기(30)의 2차전압을 감소시키는 방향으로 탭조정스위치부(34)의 탭조정스위치의 접속을 제어한다. 예컨대 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 상기 출력전압(Vm)과 직류철도 정격전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn-1)가 접속되도록 조정하여 변압기(30)의 2차 전압을 감소시킨다. 이때 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 상기 출력전압(Vm)과 기준전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 2배, 3배 … 혹은 N배 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn-2), 탭조정스위치(Sn-3) … 혹은 탭조정스위치(Sn-N)가 접속되도록 조정하여 다이오드 정류기(40)에서 정격전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
이와 달리, 측정된 출력전압(Vm)이 기준전압보다 낮고 아울러 상기 출력전압(Vm)과 기준전압의 차가 탭조정스위치부(34)의 출력탭을 조정하기 위해 설정된 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 변압기(30)의 2차전압을 증가시키는 방향으로 탭조정스위치부(34)의 탭조정스위치의 접속을 제어한다. 예컨대 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 상기 출력전압(Vm)이 기준전압보다 낮으면서 상기 출력전압(Vm)과 기준전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn+1)가 접속되도록 조정하여 변압기(30)의 2차 전압을 증가시킨다. 이때 측정당시 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 접속되어 있고 측정된 출력전압(Vm)과 기준전압의 차가 데드밴드(Dm)보다 2배, 3배 … 혹은 N배 큰 것으로 판단되면 제어기(70)는 탭조정스위치부(34)에서 탭조정스위치(Sn)가 오프되고 탭조정스위치(Sn+2), 탭조정스위치(Sn+3) … 혹은 탭조정스위치(Sn+N)가 접속되도록 조정하여 다이오드 정류기(40)에서 정격전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
30 -- 변압기, 31 -- 일차측 권선,
32 -- 제1 이차측 권선, 33 -- 제2 이차측권선,
34 -- 탭조정스위치부, 40 -- 다이오드 정류기,
50 -- 전압측정부, 60 -- 전류측정부,
70 -- 제어기.

Claims (8)

  1. 계통으로부터 공급되는 3상의 교류전원을 변압기에서 소정 전압으로 하향 변압한 후 3상 다이오드정류기를 통해 직류 전원으로 변환하여 직류 가선을 통해 직류 전동차에 안정적으로 공급할 수 있도록 이루어진 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치에 있어서,
    상기 변압기의 이차 권선을 형성하는 각 상의 권선에 소정 권선수마다 설치되어 변압비를 다단계로 변경할 수 있도록 된 변압기 출력탭;
    상기 변압기 출력탭에 연결되고 기계식 또는 전자식으로 스위칭제어가 가능하게 설치된 탭조정스위치;
    상기 정류기의 출력전압을 측정하는 전압측정부;
    상기 정류기의 출력전류를 측정하는 전류측정부;
    상기 전압측정부와 상기 전류측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압과 출력전류에 따라 정류기에서 사전에 설정된 정격전압을 출력할 수 있도록 상기 탭조정스위치의 스위칭을 제어하되, 전류측정부를 통해 수신되는 다이오드 정류기의 출력전류가 100% 전부하 미만인 경우 다이오드 정류기의 출력이 직류철도 정격전압을 유지하도록 제어하는 한편, 다이오드 정류기의 출력전류가 100% 전부하 이상인 경우 다이오드 정류기의 출력이 상기 직류철도 정격전압에서
    Figure 112020051565266-pat00018
    만큼 감소하게 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기 출력탭은 정류기의 출력전압을 무부하부터 100%부하일때까지 정격전압으로 설정할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 전압측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압이 정류기의 정격전압보다 높다고 판단하면 상기 변압기의 변압비가 감소하는 방향의 출력탭에 연결된 탭조정스위치를 온상태로 접속시키는 한편 전압측정부를 통해 수신하는 정류기의 출력전압이 정류기의 정격전압보다 낮다고 판단하면 상기 변압기의 변압비가 증가하는 방향의 출력탭에 연결된 탭조정스위치를 온상태로 접속시켜, 정류기에서 정격전압을 출력할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어장치.
  4. 삭제
  5. 다이오드 정류기의 출력전압과 출력전류를 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 출력전류에 대해 100% 전부하와 크기를 비교하는 비교단계;
    상기 비교단계에서 상기 출력전류가 100% 전부하 미만인 경우, 측정전압과 정격전압의 차이를 판단하여 측정전압이 정격전압보다 높으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 낮추는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 한편, 측정전압이 정격전압보다 낮으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 높이는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 제1 출력전압 조정단계;와
    상기 비교단계에서 상기 출력전류가 100% 전부하 이상인 경우, 측정전압과 다이오드 정류기특성에 따라 설정된 기준전압의 차이를 판단하여, 측정전압이 상기 기준전압보다 높으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 낮추는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 한편, 측정전압이 정류기특성에 따라 설정된 기준전압보다 낮으면 현재 변압기의 이차측에 접속되어 있는 탭조정스위치를 오프시키면서 변압기의 이차측 전압을 높이는 방향의 탭조정스위치를 접속시키는 제2 출력전압 조정단계;를 포함하여 이루어진 직류 전기철도 차량집전전압 제어방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 출력전압 조정단계에서 측정전압과 정격전압의 차이를 판단할 때, 측정전압과 정격전압이 동일한 지점부터 시작하여 측정전압이 큰 방향과 측정전압이 작은 방향으로 각각 소정 범위의 데드밴드별로 나눈 다수의 구간과 상기 구간들에 대응하여 변경시켜야할 탭조정스위치의 조정탭수를 설정한 기준테이블을 참조하여 상기 차이가 속한 구간에 대응된 탭조정스위치를 접속시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 출력전압 조정단계에서 측정전압과 정격전압의 차이를 판단할 때, 측정전압과 다이오드 정류기특성에 따라 설정된 기준전압이 동일한 지점부터 시작하여 측정전압이 큰 방향과 측정전압이 작은 방향으로 각각 소정 범위의 데드밴드별로 나눈 다수의 구간과 상기 구간들에 대응하여 변경시켜야할 탭조정스위치의 조정탭수를 설정한 기준테이블을 참조하여 상기 차이가 속한 구간에 대응된 탭조정스위치를 접속시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 전기철도 차량집전전압 제어방법.
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