KR102448486B1

KR102448486B1 - 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법

Info

Publication number: KR102448486B1
Application number: KR1020200078617A
Authority: KR
Inventors: 이건복; 이장무; 김명룡; 박진혁
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2022-09-28
Also published as: KR102448486B9; KR20220000684A

Abstract

본 발명은 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법에 관한 것으로, 기존의 교류 전원을 이용하는 전기철도차량을 교직겸용 차량으로 개조할 때 교류 및 직류 겸용의 보조전원장치를 새롭게 설계해야 했던 번거로움과 비용을 줄일 수 있어 교직겸용 차량의 개조에 유리한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법을 제공한다.

Description

교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법 {Power conversion device and auxiliary power supply method for AC and DC combined electric rail vehicles}

본 발명은 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교류 전원을 이용하는 전기철도차량을 교직겸용 차량으로 개조시 설계 변경을 최소화하고 비용을 절감할 수 있어 교직겸용 차량의 개조에 유리한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기철도차량은 전차선을 통해 외부에서 전기를 공급받고 외부 전원이 교류인지 직류인지에 따라 차량의 전력변환장치가 설계단계부터 다르게 구성된다. 철도 기관차의 전장품은 각각의 입력전원을 만들어주는 전력변환장치를 제외하면 직류든 교류든 동일하기 때문에 특정 노선의 차량에서는 교류/직류 겸용이 가능한 전력변환장치를 사용하여 운행하기도 한다. 이와 관련된 선행기술로 등록특허 제10-2112039호 등이 있다.

이러한 교직겸용이 가능한 전력변환장치는 기본적으로 입력에 따라 전차선의 전원 유형을 선택하는 교직절환스위치와 차단기가 각각 존재하고 교류/직류를 모두 입력받을 수 있는 주전력변환장치로 구성된다. 주전력변환장치는 구동모터에 전력을 공급하는 MPU(Main Power Unit)와 제어전원, 공기압축기, 조명장치, 냉난방기 등의 전력을 공급하는 APU(Auxiliary Power Unit)로 구성된다.

기존의 교직겸용 차량에서는 교류 입력이 들어오면 주변압기에서 MPU가 필요로 하는 전압과 APU가 필요로 하는 전압으로 변환해 사용하고, 직류 입력이 들어오면 교직절환스위치 및 차단기를 통해 주변압기 및 MPU와 APU의 교류입력을 건너뛰고 중간 변환단계인 DC link에 직접 전차선 전원이 공급된다.

따라서, MPU와 APU는 교류와 직류로 공급받는 전원에 문제없이 동작할 수 있게 입력범위가 설계되어 있다.

위와 같은 교직겸용 차량의 특징에 의해 기존의 교류 차량을 직류 차량으로 개조하는 경우에는 팬터그래프부터 MPU, APU까지의 장치를 수정하여야 한다. 예를 들어 교직겸용 팬터그래프로의 교체, 교직절환스위치 추가, 직류 차단기 추가, 교직겸용이 가능한 MPU 및 APU 개조 등의 작업이 필요하다.

그중에 MPU 및 APU 개조의 경우는 기존의 DC link 전압이 가선에서 공급하는 직류 입력전압과 다르다면 새로 재설계해야 하는 문제점이 있다. 예를 들어 우리나라 8500호대 교류 차량의 경우 MPU에서는 DC link에서 DC 2,600V로 변환한 전원을 사용하교 APU에서는 DC 750V로 변환한 전원을 사용하고 있다. 이 차량에 교직 겸용을 위해 DC 3,000V를 연결하는 경우 MPU에서는 DC 3,000V 전압의 수용이 가능한 소자를 사용하여 그대로 사용할 수 있지만 보조전원공급장치인 APU에서는 3,000V를 사용할 수 없어 APU를 새로 제작하여 장착해야 한다. 이 경우 APU 설계/제작을 위한 비용이 추가되고 이미 설계된 차량 내부의 공간에 기능이 보강된 APU를 맞춰 제작해야 하므로 설계의 어려움이 수반될 수 밖에 없다.

이러한 어려움은 국내 교류 차량을 개조하여 예를 들어 북한지역까지 기관차 교체 없이 화물을 운송하려는 경우에 더욱 크게 나타난다. 국내 철도노선의 경우 AC 가선은 25kV를 사용하고 DC 가선은 주로 1500Vdc를 사용하기 때문에 기존에 개발된 국내 교직겸용 차량은 25kVac와 1,500Vdc에서만 동작한다.

따라서, 남북간 철도 노선이 이어진다 하더라도 북한 지역의 3,000Vdc 노선에서는 운행이 불가하다. 이를 해결하기 위해 전용 교직겸용 차량을 새로 제작하는 방법이 있으나 설계/제작 비용이 크게 발생하는 단점이 있다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-2112039호

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존의 교류 전원을 이용하는 전기철도차량을 교직겸용 차량으로 개조할 때 교류 및 직류 겸용의 보조전원장치를 새롭게 설계해야 했던 번거로움과 비용을 줄일 수 있어 교직겸용 차량의 개조에 유리한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

팬터그래프를 통해 입력되는 전력을 변압하는 주변압기와, 상기 주변압기의 2차측에 구비되어 전기철도차량의 구동모터에 전력을 공급하는 MPU와, 상기 주변압기의 2차측에 구비되어 차량부하에 전력을 공급하는 APU로 구성되는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치에 있어서, 상기 MPU는 상기 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 2차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터와, 상기 제1 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터를 포함하며; 상기 팬터그래프와 상기 주변압기 또는 MPU의 DC link를 연결하는 교직절환스위치가 포함되는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치를 제공한다.

이때, 상기 교직절환스위치는 상기 팬터그래프와 주변압기 및 MPU의 DC link 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 APU는 상기 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 3차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제2 A/D 컨버터와, 상기 제2 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 차량부하를 위한 전력으로 변환하는 제2 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주변압기의 1차측 1차권선은 상기 교직절환스위치를 통해 상기 팬터그래프와 연결되고, 상기 주변압기의 2차측 2차권선에는 상기 MPU와 연결되고, 상기 주변압기의 2차측 3차권선은 상기 APU와 연결되며, 상기 팬터그래프가 MPU의 DC link와 전기적으로 연결되어 상기 팬터그래프를 통해 직류 전력이 MPU의 DC link를 통해 공급되면 상기 직류 전력은 인버터로 동작하는 상기 제1 A/D 컨버터를 통해 상기 주변압기에 연결되는 APU로 공급되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 MPU의 제1 A/D 컨버터 입력단에는 60Hz 정현파를 만들어주기 위한 AC 필터 캐패시터와 보조 인덕터가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은;

팬터그래프를 통해 입력되는 전력을 변압하여 MPU와 APU에 전력을 공급하는 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 2차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터와, 상기 제1 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터를 포함하는 MPU를 이용한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급 방법에 있어서, 상기 팬터그래프에서 상기 MPU의 제1 A/D 컨버터와 제1 인버터를 연결하는 DC link로 직류 전력을 공급받는 제1단계; 상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 제1 A/D 컨버터를 통해 상기 주변압기로 공급하여 상기 APU로 분배하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법도 제공한다.

이때, 상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터는 인버터로 동작하여 상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 주변압기 2차측의 2차 권선으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 주변압기 2차측의 2차 권선에 연결되는 상기 MPU의 제1 A/D 컨버터 입력단에는 60Hz 정현파를 만들어주기 위한 AC 필터 캐패시터와 보조 인덕터가 구비되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터는 DAB(dual active bridge) 컨버터 방식 또는 PSFB(phase shifted full bridge) 컨버터 방식으로 동작하여 상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 주변압기 2차측의 2차 권선으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전기철도차량에 설치되는 전력변환장치를 새로 설계하지 않고 기존의 교류 전기기관차를 교직겸용이 가능하도록 개조가 가능하여 경제적이고 실용적인 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 따르면 기존의 전력변환장치의 제어방식만을 수정하여 교직겸용이 가능한 보조전원장치를 만들 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 국내 8500호대의 화물 전기기관차를 손쉽게 개조하여 북한지역까지 기관차의 교체 없이 화물을 운송할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 화물전기기관차(8500호대)의 보조전원 공급용 전력변환장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 동작 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 동작 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 보조전원공급 시뮬레이션 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치 및 보조전원 공급방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치는 기존의 교류 전기철도차량의 전장품 수정을 최소화하여 경제적이고 효율적인 차량 개조가 이뤄질 수 있도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치는 팬터그래프(100)를 통해 입력되는 전력을 변압하는 주변압기(200)와, 상기 주변압기(200)의 2차측에 구비되어 전기철도차량의 구동모터(500)에 전력을 공급하는 MPU(Main Power Unit)(300)와, 상기 주변압기의 2차측에 구비되어 차량부하(600)에 전력을 공급하는 APU(Auxiliary Power Unit)(400)를 포함한다.

이 경우 상기 주변압기(200)는 수동소자로서 양방향 입력이 가능하므로 1차측에는 1차 권선(210)이 구비되고, 2차측에는 2차 권선(220) 및 3차 권선(230)이 구비된다. 이에 상기 주변압기(200) 1차측의 1차 권선(210)에는 팬터그래프(100)가 연결되고, 상기 주변압기(200) 2차측의 2차 권선(220)에는 MPU(Main Power Unit)(300)가 연결되고, 상기 주변압기(200) 2차측의 3차 권선(230)에는 APU(Auxiliary Power Unit)(400)가 연결된다. 이러한 구조는 기본적으로 1차측의 교류전력을 2차 및 3차 권선(220,230)에서 분압하여 MPU(300)와 APU(400)에 분압하여 전력을 공급한다.

이때, 상기 MPU(300)는 상기 주변압기(200)의 2차측에 연결되어 주변압기(200) 2차측의 2차 권선(220)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터(310)와, 상기 제1 A/D 컨버터(310)의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터(500)의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터(320)를 포함한다.

또한, 상기 APU(400)는 상기 주변압기(200)의 2차측에 연결되어 주변압기(200) 2차측의 3차 권선(230)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제2 A/D 컨버터(410)와, 상기 제2 A/D 컨버터(410)의 출력단에 연결되어 제어전원, 공기압축기, 조명장치, 냉난방기 등의 차량부하(600)를 위한 전력으로 변환하는 제2 인버터(420)를 포함한다.

이러한 구성만으로 이루어지는 경우는 일 예로 도 1에 도시된 바와 같이 기존의 교류 전기기관차인 8500호대의 전기계통과 동일하며 이러한 계통 구성은 팬터그래프(100)를 통해 25kV의 전압이 들어오면 주변압기(200)를 통해 MPU(300)에서는 1400Vac, APU(400)에서는 408Vac을 얻어 중간단계에서 각각 2600Vdc, 750Vdc를 생산한다.

최종적으로 MPU(300)에서는 구동모터(500)에 전력을 전달하고 APU(400)는 제어전원, 공기압축기, 조명장치, 냉난방기 등의 차량부하(600)에서 사용하는 보조전원을 생산하게 된다. 이러한 구조에 의하면 DC 3,000V를 사용하기 위해서는 MPU(300)와 APU(400)가 DC 3,000V에서 동작할 수 있는 구조여야 한다.

이때, MPU(300)의 경우에는 DC link 전압이 2,600V이지만 구성품인 스위칭 반도체 소자(IGBT, MX900GXH1US53)는 4,500V까지 동작이 가능한 스펙을 가지고 있어 3,000V의 DC전압을 그대로 입력해 주어 동작시킬 수 있다. 반면에 APU(400)의 경우는 DC-link 전압이 750V로 3,000V에 비해 매우 낮아 외부의 DC전압을 그대로 입력해 줄 수 없는 실정이다. 즉, 이러한 구성에서는 APU(400)의 재설계가 필요하다.

이에 본 발명에서는 상기 APU(400)의 재설계 없이 팬터그래프(100)를 통해 입력되는 가선 전원인 직류 전력을 공급받아 기존의 MPU(300) 및 APU(400)를 동작시킬 수 있는 방안을 제안한다.

이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 팬터그래프(100)와 주변압기(200) 및 MPU(300)의 DC link(330) 사이에는 교직절환스위치(110)가 추가로 연결된다.

그리고, 상기 교직절환스위치(110)와 DC link(330) 사이에는 전력계통의 보호를 위한 직류차단기(120)가 연결된다. 즉, 교직절환스위치(110)의 작동에 따라 팬터그래프(100)는 주변압기(200) 또는 MPU(300)의 DC link(330)와 선택적으로 연결된다.

이에 따라 교직절환스위치(110)의 스위칭 상태에 따라 팬터그래프(100)를 통해 공급되는 전력이 AC 전력이면 상기 주변압기(200)의 1차측으로 공급되어 2차측의 MPU(300) 및 APU(400)로 전력을 분배하고, 팬터그래프(100)를 통해 공급되는 전력이 DC 전력이면 상기 MPU(300)의 DC link(300)를 통해 제1 A/D 컨버터(310)와 제1 인버터(320)로 공급된다.

이하 도 2를 참고로 본 발명에 따른 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 작동 관계를 구체적으로 설명한다.

우선, 교직절환스위치(110)의 스위칭 상태에 의해 팬터그래프(100)가 MPU(300)의 DC link(330)와 전기적으로 연결되면 팬터그래프(100)를 통해 가선 전원인 DC 3,000V의 직류 전력이 MPU(300)의 DC link(330)를 통해 제1 인버터(320)에 공급되어 정상 출력이 가능하다.

이때, MPU(300)의 DC link(330)를 통해 유입된 직류 전력은 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)을 역동작시켜 제1 A/D 컨버터(310)와 연결되는 주변압기(200)의 2차측을 통해 직류 전력이 공급되고, 다시 주변압기(200)의 1차측을 거쳐 2차측에 연결되는 APU(400)로 분배된다.

여기서, 상기 제1 A/D 컨버터(310)를 구성하는 스위치 소자의 브릿지 구조는 전원 흐름의 역방향 동작이 가능하며 가선 전원이 MPU(300)의 DC link(330)에 그대로 입력되면 평소에는 동작하지 않는 장치이므로 역방향 운행이 가능하다.

이와 같이 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)와 APU(400)의 제2 A/D 컨버터(410) 및 주변압기(200)의 1차 및 2차측 결선 구조를 활용하면 일반적인 절연형 DC/DC 컨버터 구조를 만들 수 있다. 이 경우 DC/DC 컨버터는 DC의 전압 레벨을 조절하는 장치이므로 이 구조를 활용하면 가선 전원인 DC 3,000V의 전압을 DC 750V로 조절할 수 있다.

이러한 전력변환장치의 동작 원리를 더 살펴보면 먼저 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)는 역방향 동작시에 교류를 생성할 수 있는 인버터로 동작하여 주변압기(200)의 2차 권선(220)에 교류전원을 공급한다.

이때, 주변압기(200)는 수동소자로서 양방향 입력이 가능하므로 1차 권선(210), 2차 권선(220), 3차 권선(230)의 권선비에 따라 전압이 결정되고 2차 권선(220)쪽에 1400Vac의 전원을 만들어주면 자연스럽게 1차 권선(210)에서는 25kV가 형성되고 3차 권선(230)에서는 원래 공급받는 전압인 408Vac가 형성되어 APU(400)의 제2 A/D 컨버터(410)는 별다른 수정없이 기존 동작이 가능하다.

이하에서는 도 3 내지 도 5를 참고로 이상의 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치의 동작 원리를 이용하여 실제 구성이 가능한 3가지 방안을 설명하고 이의 시뮬레이션을 수행하여 보조전원을 위한 750V DC link 전압 생성이 가능함을 설명한다.

먼저, 도 3은 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)를 인버터 형태로 동작시키는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 이에 의하면 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)에서 주변압기(200)에 가장 적합한 60Hz의 출력을 생성하여 전원을 공급이 가능하도록 하기 위해 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310) 입력단에 AC 필터 캐패시터(130)와 보조 인덕터(140)를 구비하여 주변압기(200) 2차측 2차 권선(220)에 60Hz 정현파를 만들어준다.

이러한 구성에 의하면 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310) 출력단에 연결되는 DC link(330)에서 공급되는 50V DC link 전압이 주변압기(200) 2차측 2차 권선(220)에 공급되고, 이는 주변압기(200) 1차측 1차 권선(210)과 2차측 3차 권선(230)을 거쳐 APU(400)의 제2 A/D 컨버터(410)의 입력에서는 교류 입력과 같이 408Vac가 들어오므로 원래의 제어 방식으로 동작하여 750Vdc 전압을 만들어줄 수 있다.

다음으로 두 번째와 세 번째 방법은 도 3의 AC 필터 캐패시터(130)와 보조 인덕터(140)와 같은 추가적인 회로 구성이 필요하지 않고 기존의 구성을 그대로 이용하는 방법이며 제어기법에서만 차이가 있다.

우선 두 번째 방법은 DAB(dual active bridge) 컨버터 방식을 이용한 것으로서 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)와, APU(400)의 제2 A/D 컨버터(410) 양쪽을 모두 제어하는 방식이다. 이는 양방향 제어에 적합하고 보조회로 없이 ZVS가 되는 특징이 있다.

다음으로 세 번째 방법은 PSFB(phase shifted full bridge) 컨버터 방식을 이용한 것으로서 브릿지 구조에서 대각선에 위치한 스위치의 위상차를 조절하는 방식이다. MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(410)만 제어하고 APU(400)의 제2 A/D 컨버터(410)는 앞서 첫 번째 방법인 인버터 제어 방식과 다르게 제어를 하지 않고 수동소자로 동작하게 두어 풀브릿지 정류기로 동작시킨다.

이상의 세가지 방법을 적용하여 시뮬레이션 한 결과는 도 5에 도시된 바와 같다.

시뮬레이션 결과 세 가지 방법 모두 APU(400)의 DC link(430)에서 750Vdc의 전압을 얻을 수 있었다. 기존 회로를 수정하지 않고 개조하는 방법은 DAB 컨버터와 PSFB 컨버터 방식이므로 이 두 가지 방법이 실제 차량 개조에 실용적으로 사용함이 바람직하다.

이 세가지 방식 중 DAB 컨버터는 두 브릿지 구조를 모두 제어해야하고 고주파 제어 신호가 낮은 상용주파수(60Hz)에서 설계된 주변압기에서 왜곡될 가능성이 있다. PSFB 컨버터는 한쪽 브릿지만 제어하여 제어가 더 심플하고 제어 주파수를 낮추면 주변압기의 왜곡을 최소화 할 수 있다.

이상에서 설명한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법을 정리하면, 팬터그래프(100)를 통해 입력되는 전력을 변압하여 MPU(300)와 APU(400)에 전력을 공급하는 주변압기(200)의 2차측에 연결되어 주변압기(200) 2차측의 2차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터(310)와, 상기 제1 A/D 컨버터(310)의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터(500)의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터(310)를 포함하는 MPU(300)를 이용한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법에 있어서, 상기 팬터그래프(100)에서 상기 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310)와 제1 인버터(320)를 연결하는 DC link(330)로 직류 전력을 공급받는 제1단계와, 상기 DC link(330)로 공급된 팬터그래프(100)의 직류 전력을 상기 제1 A/D 컨버터(310)를 통해 상기 주변압기(200)로 공급하여 상기 APU(400)로 분배하는 제2단계를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터(310)는 인버터로 동작하여 상기 DC link(330)로 공급된 팬터그래프(100)의 직류 전력을 상기 주변압기(200) 2차측의 2차 권선으로 공급한다.

또한, 상기 주변압기(200) 2차측의 2차 권선에 연결되는 상기 MPU(300)의 제1 A/D 컨버터(310) 입력단에는 60Hz 정현파를 만들어주기 위한 AC 필터 캐패시터(130)와 보조 인덕터(140)가 구비된다.

그리고, 상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터(310)는 DAB(dual active bridge) 컨버터 방식 또는 PSFB(phase shifted full bridge) 컨버터 방식으로 동작하여 상기 DC link(330)로 공급된 팬터그래프(100)의 직류 전력을 상기 주변압기(200) 2차측의 2차 권선으로 공급한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 팬터그래프 110: 교직절환스위치
200: 주변압기 300: MPU
310: 제1 A/D 컨버터 320: 제1 인버터
330: DC link 400: APU
410: 제2 A/D 컨버터 420: 제2 인버터
430: DC link 500: 구동모터
600: 차량부하

Claims

팬터그래프를 통해 입력되는 전력을 변압하는 주변압기와, 상기 주변압기의 2차측에 구비되어 전기철도차량의 구동모터에 전력을 공급하는 MPU와, 상기 주변압기의 2차측에 구비되어 차량부하에 전력을 공급하는 APU로 구성되는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치에 있어서,
상기 MPU는 상기 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 2차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터와, 상기 제1 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터를 포함하며;
상기 팬터그래프와 상기 주변압기 또는 MPU의 DC link를 연결하는 교직절환스위치가 포함되고,
상기 주변압기의 1차측 1차권선은 상기 교직절환스위치를 통해 상기 팬터그래프와 연결되고, 상기 주변압기의 2차측 2차권선에는 상기 MPU와 연결되고, 상기 주변압기의 2차측 3차권선은 상기 APU와 연결되며,
상기 팬터그래프가 MPU의 DC link와 전기적으로 연결되어 상기 팬터그래프를 통해 직류 전력이 MPU의 DC link를 통해 공급되면 상기 직류 전력은 인버터로 동작하는 상기 제1 A/D 컨버터를 통해 상기 주변압기에 연결되는 APU로 공급되는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치.
제 1항에 있어서,
상기 교직절환스위치는 상기 팬터그래프와 주변압기 및 MPU의 DC link 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치.
제 1항에 있어서,
상기 APU는 상기 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 3차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제2 A/D 컨버터와, 상기 제2 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 차량부하를 위한 전력으로 변환하는 제2 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 MPU의 제1 A/D 컨버터 입력단에는 60Hz 정현파를 만들어주기 위한 AC 필터 캐패시터와 보조 인덕터가 구비되는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급용 전력변환장치.
팬터그래프를 통해 입력되는 전력을 변압하여 MPU와 APU에 전력을 공급하는 주변압기의 2차측에 연결되어 주변압기 2차측의 2차 권선으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 A/D 컨버터와, 상기 제1 A/D 컨버터의 출력단에 연결되어 직류 전력을 구동모터의 구동전원으로 변환하는 제1 인버터를 포함하는 MPU를 이용한 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법에 있어서,
상기 팬터그래프에서 상기 MPU의 제1 A/D 컨버터와 제1 인버터를 연결하는 DC link로 직류 전력을 공급받는 제1단계;
상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 제1 A/D 컨버터를 통해 상기 주변압기로 공급하여 상기 APU로 분배하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법.
제 6항에 있어서,
상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터는 인버터로 동작하여 상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 주변압기 2차측의 2차 권선으로 공급하는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법.
제 7항에 있어서,
상기 주변압기 2차측의 2차 권선에 연결되는 상기 MPU의 제1 A/D 컨버터 입력단에는 60Hz 정현파를 만들어주기 위한 AC 필터 캐패시터와 보조 인덕터가 구비되는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법.
제 6항에 있어서,
상기 제2단계에서, 상기 제1 A/D 컨버터는 DAB(dual active bridge) 컨버터 방식 또는 PSFB(phase shifted full bridge) 컨버터 방식으로 동작하여 상기 DC link로 공급된 팬터그래프의 직류 전력을 상기 주변압기 2차측의 2차 권선으로 공급하는 것을 특징으로 하는 교직겸용 전기철도차량을 위한 보조전원 공급방법.