KR20030046831A - 철도차량용 직류가변 주회로 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도차량용 직류가변 주회로 시스템에 관한 것으로;
그 목적은 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에 있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 따라 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 철도차량용 직류가변 주회로 시스템을 제공함에 있는 것이며, 또 다른 목적으로는, 철도차량의 장거리 운행중 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등) 설비특성에 따라 입력되는 직류(DC) 3000V 및 직류 (DC) 1500V의 가변전원을 탄력적으로 수전, 회생되도록 하고, 또한 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 하여 원할한 전원의 공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 한 철도차량용 직류가변 주회로 시스템을 제공함에 있는 것이다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;
가변전원 공급선과 연결되는 가변전압변환장치와, 그리고, 다수개의 기계적 스위치에 의해 직렬과 병렬로 선택적 구성되는 2대의 인버터를 회로적 연결하여 전동기(M)에 철도차량 운행에 필요한 전류를 공급되게 하므로서 달성된다.
Description
본 발명은 철도차량용 직류가변 주회로 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장거리 철도차량 운행중 지역 설비특성에 따라 서로다른 직류전압으로 입력되는 가변전원을 탄력적으로 변환(직류 3000V에서 직류 1500로 변환하거나, 또는 직류 1500V에서 직류 3000로 변환)되게하여 원할한 전원의 공급 및 회생작용을 행할수 있도록 한 철도차량용 직류가변 주회로 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 철도는 자동차, 비행기, 선박등과 더불어 사람들의 생활을 편리하게 하는 중요한 교통수단의 하나로서, 이러한 철도는 복잡한 산업사회에 있어 지역과 지역간을 연결하는 대규모 운송수단으로서 매우 유용하게 이용되고 있는 실정이다.
이에, 상기와 같은 철도는 산업사회의 발전과 함께 그 기술력 또한 점진적으로 고속화, 첨단화, 세계화 되고 있는 실정인바, 근래에는 한정된 국가(영토)내에서 지역과 지역을 연결하는 단거리 노선의 범위를 벗어나, 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단 연결하는 국제화된 장거리 철도차량 노선이 구축되고 있는 현실이다.
하지만, 상기 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 운행하는 장거리용 철도차량은 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 적절히 대응하지 못하는 것으로, 철도차량이 국경지역을 통과할 경우, 그 통과하는 국가의 철도시스템설비 및 급전방식에 따라 그에 적합한 철도차량으로 교체해야 하는 등의 문제점을 갖게 하는 것이었다.
따라서, 근래에는 상기와 같은 장거리 철도운행시 가변적으로 입력되는 전원에 대해 원할히 대처할수 있는 국내 철도차량 추진제어 시스템 개발에 지속적인 노력을 기울이고 있으나, 현재 유럽 및 아시아 철도망에 대한 구체적인 시스템 기술개발은 아직까지 시행되고 있지 못한 상태이며, 단지 지금까지의 기술수준은 직류(DC) 1500V /교류(AC)25kV 를 변환시켜주는 시스템으로서, 일부 개선된 기술을 외국으로부터 이전하여 운행중에 있는 실정이다.
하지만, 상기 외국으로 부터 이전된 기술 또한 매우 한정적인 작용을 행하는 것으로, 그 기술 이외의 기타 다른 주파수나 전압하에서는 원할히 대처하지 못하는 것이었던바, 이에 철도차량의 운전에 있어, 서로 다른 직류로 공급받는 직류가변 시스템에 대한 기술은 현재로서 거의 전무하다고 할 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명는 종래 철도차량용 추진제어 시스템의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;
본 발명의 목적은 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에 있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 따라 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 철도차량용 직류가변 주회로 시스템을 제공함에 있는 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 목적으로는, 철도차량의 장거리 운행중 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등) 설비특성에 따라 입력되는 직류(DC) 3000V 및 직류 (DC) 1500V의 가변전원을 탄력적으로 수전, 회생되도록 하고, 또한 이를 기계적 스위치를 이용하여 절환가능하도록 하여 원할한 전원의 공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 한 철도차량용 직류가변 주회로 시스템을 제공함에 있는 것이다.
이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;
가변전원 공급선과 연결되는 가변전압변환장치와, 그리고, 다수개의 기계적 스위치에 의해 직렬과 병렬로 선택적 구성되는 2대의 인버터를 회로적 연결하여 전동기(M)에 철도차량 운행에 필요한 전류를 공급되게 하므로서 달성된다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템의 개략 구성도
도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템의 회로도
도 3은 본 발명에 직류(DC) 3000V의 입력전원이 공급될 경우에 전류흐름도
도 4는 본 발명에 직류(DC) 1500V의 입력전원이 공급될 경우에 전류흐름도
도 5는 직류(DC)3000V의 입력전원과 연결되었을 경우의 본 발명 회생동작 전류흐름도
도 6은 직류(DC)1500V의 입력전원과 연결되어있을 경우의 본 발명 회생동작 전류흐름도
도 7은 본 발명에 있어, 가변전압 변환장치와 인버터의 시뮬레이션회로도
도 8은 본 발명에 따른 입력전원이 직류(DC)3000V에서 직류(DC)1500V로 가변시 직류(DC) 링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도와 토크를 나타낸 그래프
도 9는 본 발명에 따른 입력전원이 직류(DC)1500V에서 직류(DC)3000V로 가변시 직류(DC)링크 전압과 인버터의 전압 및 모터속도와 토크를 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템의 회로도로서, 그 구성을 살펴보면;
가변전원 공급선과 연결되는 가변전압 변환장치와, 2대의 인버터를 구비토록 하므로서 구성되는 것이다.
이때, 상기 가변전압 변환장치는 전원 고조파 전류를 발생측에서 억제토록하는 방식, 즉 컨버터(Converter)를 의미하는 것으로, 이는 일반적으로 인버터의 입출력을 반대로 하여 교류전원측에 리액터를 접속하고 다이오드 정류기를 제거한 구성으로서, 이와같은 방식의 가변전압 변환장치는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하고저차의 고조파를 대폭 저감시키는 기능을 행하게되는 것이다.
또한, 상기 인버터(Inverter)는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 일반적인 역변환장치로서, 이는 사용전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체내에서 전압과 주파수를 가변시켜 철도차량 전동기(M)에 공급하여 전동기(M) 속도를 고효율로서 용이하게 제어되게 하는 것인바, 이와같은 인버터를 본 발명에 적용함에 있어서는 도 2로 도시된 바와같이 2개의 인버터를 다수개의 기계적 스위치에 의해 상호 접속되도록 하여 선택에 따라 직렬 또는 병렬 연결구조를 이루도록 함이 바람직하다.
따라서, 상기와 같은 회로적 연결구성을 갖는 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템의 상호 작용관계를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 3000V의 공급선으로 부터 전원을 공급받을 경우, 가변전압 변환장치는 도 3으로 도시된 바와같이 직류(DC)링크단의 정격전압이 1500V인 인버터를 직렬로 접속되도록 동작되는 것이며, 이때의 전류는 도 3의 점선표시와 같이 흐름되는 것이다.
또한, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 3000V의 공급선과 연결된 경우로서 철도차량의 회생시 전동기(M)로 부터 전원측으로 흐르는 전류 루프는 도 5로 도시된 바와같이 나타나는 것이다.
이때, 회로상의 스위치1(S/W 1)은 2단자에 연결되고, 스위치2(S/W 2)는 개방상태를 이루게 되는 것이다.
한편, 또 다르게 운행중인 철도차량이 직류(DC) 1500V의 공급선으로 부터 전원을 공급받을 경우, 가변전압 변환장치는 도 4로 도시된 바와같이 직류(DC)링크단의 정격전압이 1500V인 인버터를 병렬로 접속되도록 동작되는 것이며, 이때의 전류는 도 4로 도시된 2개의 점선표시와 같이 흐름되는 것이다.
또한, 운행중인 철도차량이 직류(DC) 1500V의 공급선과 연결된 경우로서 철도차량의 회생시 전동기(M)로 부터 전원측으로 흐르는 전류 루프는 도 6으로 도시된 바와같이 나타나는 것이다.
이때, 회로상의 스위치 상태는 상기 철도차량이 직류(DC) 3000V의 전원을 공급받는 경우와 동일한 형태로서 스위치1(S/W 1)은 2단자에 연결되고, 스위치2(S/W 2)는 개방상태를 유지하게 되는 것이다.
한편, 도 7은 전술한 일련의 작용관계를 검증하기 위해 본 발명에 따른 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템을 시뮬레이션 회로도로 나타낸 것으로서, 이는 전체적으로 가변전압 변환장치와, 2대의 인버터, 전동기(M), 그리고 제어부로 구성되는 것으로, 이때 상기 전동기(M)는 시뮬레이션 처리속도를 향상시키기 위하여 하나의 인버터에 하나의 전동기(M)를 부하로 설정하여 사용한 것이다.
또한, 도 8은 철도차량의 공급전원이 직류(DC) 3000V에서 직류(DC) 1500V로 가변될 경우에 있어, 2대의 인버터에 공급되는 전원 및 그 외의 동작상황들을 시뮬레이션한 결과로서;
이에, 출력파형중 도 8의 (a)는 철도차량의 공급전원이 직류(DC)3000V 에서 직류(DC)1500V 로 가변되는 것을 보여주는 것이며, 도 8의 (b)(c)는 이때의 각각의 인버터에 공급되는 전원을 나타내고 있는 것인바, 따라서 도 8의 (a)(b)(c)에 의해알수 있듯이 입력전원이 바뀌어도 각각 인버터의 정격전원은 직류(DC)1500V로 안정적으로 나타남을 알수 있는 것이다.
또한, 도 8의 (d)는 상기와 같은 전원공급에 따른 전동기(M)의 속도를 나타내고 있는 것으로, 이러한 공급전원의 가변에도 안정적으로 일정 속도를 유지하고 있음을 알수 있는 것이다.
또한, 도 9는 철도차량의 공급전원이 직류(DC)1500V에서 직류(DC) 3000V로 가변될 경우에 있어, 2대의 인버터에 공급되는 전원 및 그 외의 동작상황을 시뮬레이션 한 결과로서, 이와같은 경우 또한 전술한 직류(DC) 3000V에서 직류(DC) 1500V로 가변될 경우 같이 양호한 출력특성을 나타내는 것이다.
한편, 상기와 같은 구성 및 작용기능을 갖는 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템은, 단지 직류 3000V에서 직류 1500로, 또는 직류 1500V에서 직류 3000로 변환되는 것에 한정되는 것이 아니라, 이를 이용하여 직류(DC) 1500V/직류(DC) 750V와 같이 서로 다른 직류전압 변환의 경우에도 적용 가능한 것으로, 이 또한 본 발명의 범주에서 벗어나는 것은 아니다.
이상, 본 발명에 따른 철도차량용 직류가변 주회로 시스템은, 지역(나라와 나라 또는 대륙과 대륙 등)에 따라 가변적으로 입력되는 전원(직류3000V 및 직류1500V등)을 탄력적으로 수전, 회생되도록 하고, 또한 이를 기계적 스위치에 의해 절환가능하도록 하여 원할한 전원의 공급 및 순시 전압제어를 가능하도록 한 것으로, 이는 나라와 나라 또는 대륙과 대륙을 횡단하는 장거리용 철도차량의 운행에있어, 개별적 특성을 갖는 각 국가의 철도시스템 및 급전방식에 따라 탄력적으로 대응되게 하여 철도차량의 교체없이 직결 운행을 할수 있도록 한 것으로, 매우 유용한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.
Claims (4)
- 가변전원 공급선과 연결되는 가변전압변환장치;그리고, 다수개의 기계적 스위치에 의해 직렬과 병렬로 선택적 구성되는 2대의 인버터를 회로적 연결하여 전동기(M)에 철도차량 운행에 필요한 전류를 공급되게 함을 특징으로 하는 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 가변전원 공급선으로 부터 직류(DC) 3000V의 전원이 공급될 경우, 상기 가변전압 변환장치에 의해 직류(DC)링크단의 정격전압이 1500V인 인버터를 직렬로 접속되게하여, 상기 공급되는 직류(DC) 3000V의 전원을 직류(DC)1500V의 전원으로 변환되도록 함을 특징으로 하는 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 가변전원 공급선으로 부터 직류(DC) 1500V의 전원이 공급될 경우, 상기 가변전압 변환장치에 의해 직류(DC)링크단의 정격전압이 1500V인 인버터를 병렬로 접속되게하여, 상기공급되는 직류(DC) 1500V의 전원을 직류(DC) 3000V의 전원으로 변환되도록 함을 특징으로 하는 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 가변전압 변압장치와 인버터를 이용하여, 직류 (DC)1500V/직류(DC) 750V등의 서로 다른 직류전압 변환에도 적용토록 함을 특징으로 하는 철도차량용 가변전원 추진제어 시스템.
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