KR20030083585A - 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

레일 모터에 요구되는 전력을 조절하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

궤도를 따라 배치된 전력 공급 변전소에 의하여 직류 전력을 공급받는 전차선과 협력하는 전류 컬렉터 수단을 포함하는 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하는 방법이며, 다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 레일 모터에서 전차선 전압(Vcat)을 측정하는 단계.
- 레일 모터에서 전차선 전류(Icat)를 측정하는 단계.
- 레일 모터가 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하는 단계.
- 다음 식으로부터 전차선에 이용 가능한 최대 전력을 산정하는 단계.
- 레일 모터에 요구되는 전력을 계산된 최대 전력(Pmax) 이하인 전력 한계(Plim)로 제한하는 단계.
본 발명은 또한 상기 방법을 실행하기 위한 시스템과도 관련된다.

Description

레일 모터에 요구되는 전력을 조절하기 위한 방법 및 시스템 {A METHOD AND SYSTEM FOR REGULATING THE POWER DEMANDED BY A RAIL MOTOR}
본 발명은 직류 전차선(catenary)을 거쳐 전력을 공급받는 레일 모터(railmotor)의 전력을 조절하기 위한 방법과 관련된다. 더욱 상세하게는, 전차선에 이용 가능한 전력의 함수로써 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하는 방법과 관련된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 실행하기 위한 시스템과도 관련된다.
직류 전력은 일반적으로 철도 궤도를 따라 배치된 변전소에 의하여 전력을 공급받는 전차선에 의해 레일 모터에 공급된다. 변전소는 특정 전력을 공급하기 위해 규격이 정해지고, 다수의 철도 차량이 동시에 변전소에 의하여 전력을 공급받는 궤도 부분에 위치하거나 공학적 작업이나 변전소 사이의 긴 거리 때문에 전차선이 전력을 정확하게 공급받지 못하기 때문에, 레일 모터에 흡수되는 전력이 전차선에 이용 가능한 전력보다 더 크면, 전력 공급 변전소에서 전압 강하가 발생하여, 과부하에 반응해 차단기(circuit-breaker)가 끊어지거나 전압이 너무 낮아서 레일 모터의 차단기가 끊어지게 될 수 있다.
운전자 안내서에서 규정된 위치로 운전자가 조절해야만 하는, 레일 모터의 전력을 제한하기 위한 수동 셀렉터(selector)를 레일 모터에 장착함으로써 이러한 문제점을 해결하는 방안이 당해 기술 분야에 알려져 있다. 그러나, 이러한 종류의 시스템은 명목상의 작동 조건에 기초하고 있어 레일 모터에 요구되는 전력을 작동 조건의 변화에 자동적으로 적응시키지 못한다. 따라서, 이러한 종류의 시스템은 최악의 상황에서의 작동 조건을 고려하는 방식으로 레일 모터의 전력을 제어하며, 예를 들어 레일 모터가 더 많은 전력을 소비하는 변전소 근처에서와 같은 더 큰 전력을 공급받는 영역에서는 이득을 얻을 수 없다.
또 다른 이전의 당해 기술 분야에서의 해결책은 전차선 전압을 측정하여 레일 모터가 소비할 수 있는 최대 전력을 결정한다. 레일 모터가 변전소로부터 너무 멀리 떨어져 있는 않다면, 이러한 해결책은 전체적으로 효과적이다. 그러나, 변전소로부터 먼 거리라면, 전차선의 저항이 높아지고, 게다가, 선 전압은 전차선에 흐르는 전류에 상당히 의존하며, 레일 모터에 의해 흡수되는 전력에도 상당히 의존한다. 이러한 종류의 상황에서는, 소비량의 작은 증가는 커다란 전차선 전압 강하를 의미하며, 전력 제한 알고리즘의 작동은 전차선 전압의 함수이므로, 조절 시스템의 게인(gain)이 점점 높아져서, 불안정한 전력 조절 시스템이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 전차선에 이용 가능한 전력의 함수로써 레일 모터의 최적 작동을 보장하는, 레일 모터의 전력을 조절하기 위한 안정적인 방법 및 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명은 궤도를 따라 배치된 전력 공급 변전소에 의하여 직류 전력을 공급받는 전차선과 협력하는 전류 컬렉터 수단(current collector means)을 포함하는 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하는 방법을 제공하며, 다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 레일 모터에서 전차선 전압(Vcat)을 측정하는 단계.
- 레일 모터에서 전차선 전류(Icat)를 측정하는 단계.
- 레일 모터가 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하는 단계.
- 다음 식으로부터 전차선에 이용 가능한 최대 전력을 산정하는 단계.
여기서 R은 다음 식으로부터 계산된 전차선의 저항이다.
- 레일 모터에 요구되는 전력을 계산된 최대 전력(Pmax) 이하인 전력 한계(Plim)로 제한하는 단계.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)은 입력이 R'-R의 차이인 비례-적분 조절기(proportional-integral regulator)에 의하여 변전소의 이론적인 무부하 전압(Vcat 0')의 값을 보정함으로써 산정된다. 여기서 R'은 전차선의 동적 저항이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전력 한계(Plim)는 계산된 전력(Pmax)에 기반 시설에 의하여 부과되는 제한을 고려한 0부터 1까지의 저감 계수(reducing coefficient)(K)를 적용함으로써 계산된다.
본 발명은 또한 궤도를 따라 배치된 전력 공급 변전소에 의하여 직류 전력을 공급받는 전차선과 협력하는 전류 컬렉터 수단을 포함하는 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하기 위한 시스템을 제공하며, 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 레일 모터에서 전차선 전압(Vcat)을 측정하기 위한 수단.
- 레일 모터에서 전차선 전류(Icat)를 측정하기 위한 수단.
- 레일 모터가 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지(stage).
- 등가 저항을 계산하기 위한 모듈(module)과 전력을 계산하기 위한 모듈을 포함하는 전차선에 이용 가능한 최대 전력(Pmax)을 산정하는 스테이지.
- 레일 모터에 요구되는 전력을 계산된 최대 전력(Pmax) 이하인 값에 제한시키기 위한 수단.
본 발명에 관한 전력 조절 시스템의 특별한 실시예는 하나 또는 그 이상의 다음의 특징들을 단독으로 또는 어떤 기술적으로 실행 가능한 조합으로 가질 수 있다.
- 변전소 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지는 레일 모터에 전력을 공급하는 변전소의 이론적인 무부하 전압과 관련된 신호(Vcat 0')를 전달하는 적어도 하나의 메모리를 포함한다.
- 변전소 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지는, 이론적인 무부하 신호(Vcat 0')에 삽입되며, 입력으로 R'-R의 차이를 받아들이는 비례-적분 조절기에의하여 생성되는 보정 신호(correction signal)를 생성하기 위한 수단을 더 포함한다. 여기서, R'은 전차선의 동적 저항을 나타낸다.
- 최대 전력(Pmax)은 기반 시설에 의하여 부과되는 제한을 고려하여 저감기 모듈(reducer module)로부터 획득되는 배율기 계수(multiplier coefficient)(K)에 의하여 보정된다.
- 전차선 전압(Vcat)과 전차선 전류(Icat)를 측정하기 위한 수단은 전류 컬렉터 수단에 의하여 지지되는 센서들이다.
도1은 본 발명에 관한 전력 조절기의 구조를 도시하는 블록도.
도2는 레일 모터에 전력을 공급하는 변전소의 전력 전기 회로의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5 : 전차선의 동적 저항(R')을 계산하기 위한 모듈
6 : 전차선의 저항(R)을 계산하기 위한 모듈
7 : 비례-적분 조절기
10 : 전차선에 이용 가능한 최대 전력(Pmax)을 계산하는 모듈
12 : 배율기
20 : 전차선에 이용 가능한 최대 전력(Pmax)을 산정하는 스테이지
21 : 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하는 스테이지
본 발명의 사상, 태양, 그리고 이점들은 본 발명의 하나의 실시예의 다음 기술로부터 보다 잘 이해될 것이며, 이는 첨부 도면을 참조하여 제한되지 않는 예시의 방식으로 기술된다.
도면을 판독하는 것이 용이하도록, 본 발명을 이해하는데 필요한 요소들만이 도시되었다.
도1은 본 발명의 하나의 특정 실시예에 합치되는 레일 모터의 전력을 조절하기 위한 시스템의 전체적 구조를 도시한다.
본 도면에 도시된 것처럼, 본 시스템은, 전차선에 이용 가능한 최대 전력(Pmax)을 산정하기 위한, 그리고, 철도 차량이 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지(21)와 병렬적으로 작동되기 위한 스테이지(20)를 포함한다.
최대 전력을 산정하기 위한 스테이지(20)는 전차선의 저항(R)을 계산하기 위한 모듈(6)과 전차선에 이용 가능한 최대 전력(Pmax)을 산정하기 위한 모듈(10)을 포함한다.
모듈(6)은 입력으로 레일 모터의 팬터그래프(pantograph)상의 각각의 센서(14, 15)로부터 전차선 전압(Vcat)과 전차선 전류(Icat)를 위한 측정 신호 및 변전소의 무부하 전압을 산정하기 위한 스테이지(21)에서 획득되는 값(Vcat 0)을 입력으로 받아들인다. 도1에서, 신호(Vcat, Icat)는 계산 모듈(6)로 공급되기 전에 저역 필터(low-pass filter)(3,4)에 의해 필터링된다.
입력(Icat, Vcat, Vcat 0)으로부터, 모듈(6)는 다음 식으로부터 전차선 저항을 계산한다.
상기 식은 레일 모터가 전차선에 연결될 때, 레일 모터에 대한 전력의 공급을 도시하는 전력 전기 개략도인 도2로부터 용이하게 추론될 수 있다. 도2에서, 전차선에 전력을 공급하는 전력 공급 변전소가 전압(Vcat 0)을 공급하는 발전기로 표상되며, 변전소와 레일 모터 사이의 전차선 부분의 저항은 저항기(R)로 표상된다.
모듈(6)의 출력(R)은 모듈(10)의 입력으로 공급되며, 모듈(10)은 변전소의 무부하 전압을 산정하기 위한 스테이지(21)의 출력에서 획득되는 값(Vcat 0) 또한 입력으로 받아들인다. 이들 데이터로부터 모듈(10)은 다음 식을 사용하여 전차선에 이용 가능한 최대 젼력을 계산한다.
상기 식은 도2를 참조하여 성립되는 다음 식으로부터 추론될 수 있다.
모듈(10)의 출력은 그 후 배율기(multiplier)(12)의 입력으로 공급되며, 배율기(12)는 기반 시설에 의하여 부과되는 제한을 고려하기 위하여 모듈(11)로부터 저감 계수(K, 0<K<1)의 값 또한 받아들인다. 계수(K)는 레일 모터가 순환하는 회로망(network)에 의존하고, 모듈(11)에 포함된 데이타베이스에 의하여 공급되며, 모듈(6)에 의하여 계산된 전차선의 저항(R) 값의 함수이다.
배율기 회로(12)의 출력은 전차선 전압의 감소 위험 없이 레일 모터의 모든 전기적 전력 소비 장비 유닛에 의하여 어떤 소정 시간에 요구될 수 있는 최대 전력에 대응하는 전력 한계(Plim)를 공급한다. 이 값(Plim)은 그 후 전력 한계(Plim)를 초과하지 않도록 레일 모터에 요구되는 전력을 제한하기 위한, 도시되지 않은수단으로 보내진다.
변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지(21)의 작동은 도1을 참조하여 다음에서 기술된다.
스테이지(21)는 전차선의 동적 저항(R')을 계산하기 위한 모듈(5)을 포함한다. 모듈(5)은 센서(14, 15)에 의하여 공급되며, 측정 센서에 의해 보내진 원시 신호만을 보유하기 위해 저속 처리 필터(slow processing filter)(1,2)에 의하여 필터링되는 전압(Vcat)과 전류(Icat)를 위한 측정 신호를 입력으로 받아들인다. 시간 간격 △t에서, 모듈(5)은 이 값(Vcat,Icat)을 저장하며, 다음 식으로부터 동적 저항(R')의 연속적인 값을 계산한다.
동적 저항(R')은 전차선의 저항, 변전소의 저항, 그리고, 다수의 레일 모터들이 동일한 선 상에서 순환하고 있다면 동일한 변전소에 연결된 레일 모터의 소비에 의하여 야기되는 전압 강하에 대응하는 가상 저항의 합에 대응된다.
계산된 값(R')은 그 후 감산기(subtractor)(9)의 입력으로 공급되며, 감산기(9)는 이 값(R')으로부터 전술된 스테이지(20)의 모듈(6)에 의하여 앞선 반복(iteration)에서 계산된 저항(R)을 뺀다. 감산기(9)의 출력은 제한된 출력값을 갖는 비례-적분 조절기(7)의 입력으로 공급된다. 조절기(7)로부터의 출력 신호는 감산기(13)로 공급되는 보정 신호를 제공하며, 감산기(13)는 메모리(8)에 의하여제공되는 변전소의 이론적인 무부하 공급 전압에 대응되는 신호(Vcat 0')로부터 이 보정 신호를 뺀다. 감산기(13)의 출력은 보정된 신호(Vcat 0)에 대응되며, 전차선에 이용 가능한 최대 전력을 산정하기 위하여 스테이지(20)의 모듈(6, 10)로 보내진다. 계산 처리를 시작하기 위해, 계산의 제1 반복에서 스테이지(21)에 의하여 스테이지(20)로 공급되는 값(Vcat 0)은 변전소의 무부하 전압의 이론적인 값(Vcat 0')과 유익하게 동일하다.
이러한 종류의 산정 스테이지(21)는 전차선에 실제로 이용 가능한 전력에 관하여, 레일 모터에 요구되는 전력을 초과함으로써 야기되는 변전소에서의 전압 강하를 고려하는 이점을 갖는다.
스테이지(20, 21)에 의한 수회의 계산 반복 후, 이 조절기는 전차선에 이용 가능한 순간 최대 전력을 생산하며, 따라서, 기반 시설에 의하여 부과되는 제한에 대응되는 저감 계수를 고려하여, 변전소에 의하여 전력을 공급받는 선 상에서 주행하는 레일 모터에 의하여 소정 시간에 요구될 수 있는 전력 한계(Plim)를 생산한다.
결과적으로, 본 발명에 관한 조절기는, 레일 모터가 초과해서는 아니되며, 견인 모터, 열차 난방, 보조 장비와 같은 레일 모터에 장착된 모든 전기 소비 장비 유닛에 분배되어야 하는 최대 전력 목표값을 결정할 수 있다.
물론, 본 발명은 단순히 예시로써 기술되고 도시된 본 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고, 특히, 다양한 부품들의 구성의 관점으로부터, 또는 기술적 균등물의 치환에 의하여, 기술되고 도시된 본 실시예는 변경될 수 있다.
본 발명은 전차선에 이용 가능한 전력의 함수로써 레일 모터의 최적 작동을 보장하는, 레일 모터의 전력을 조절하기 위한 안정적인 방법 및 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 관한 조절기는, 레일 모터가 초과해서는 아니되며, 견인 모터, 열차 난방, 보조 장비와 같은 레일 모터에 장착된 모든 전기 소비 장비 유닛에 분배되어야 하는 최대 전력 목표값을 결정할 수 있다.

Claims (8)

  1. 궤도를 따라 배치된 전력 공급 변전소에 의하여 직류 전력을 공급받는 전차선과 협력하는 전류 컬렉터 수단을 포함하는 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하는 방법에 있어서,
    레일 모터에서 전차선 전압(Vcat)을 측정하는 단계와,
    레일 모터에서 전차선 전류(Icat)를 측정하는 단계와,
    레일 모터가 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하는 단계와,
    다음 식으로부터 전차선에 이용 가능한 최대 전력을 산정하는 단계와,
    여기에서 R은 다음 식으로부터 계산된 전차선의 저항이며,
    레일 모터에 요구되는 전력을 계산된 최대 전력(Pmax) 이하인 전력 한계(Plim)로 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절 방법.
  2. 제1항에 있어서, 입력이 R'-R의 차이이고, 여기에서 R'은 전차선의 동적 저항을 나타내는 비례-적분 조절기(7)에 의하여 상기 변전소의 이론적인 무부하 전압(Vcat 0')의 값을 보정함으로써 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)이 산정되는 것을 특징으로 하는 전력 조절 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 계산된 전력(Pmax)에 기반 시설에 의하여 부과되는 제한을 고려한 0부터 1까지의 저감 계수(K)를 적용함으로써 전력 한계(Plim)가 계산되는 것을 특징으로 하는 전력 조절 방법.
  4. 궤도를 따라 배치된 전력 공급 변전소에 의하여 직류 전력을 공급받는 전차선과 협력하는 전류 컬렉터 수단을 포함하는 레일 모터에 요구되는 전력을 조절하는 시스템에 있어서,
    레일 모터에서 전차선 전압(Vcat)을 측정하기 위한 수단(14)과,
    레일 모터에서 전차선 전류(Icat)를 측정하기 위한 수단(15)과,
    레일 모터가 연결된 전차선에 전력을 공급하는 변전소의 무부하 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 스테이지(21)와,
    등가 저항을 계산하기 위한 모듈(6)과 전력을 계산하기 위한 모듈(10)을 포함하는 전차선에 이용 가능한최대 전력(Pmax)을 산정하는 스테이지(20)와,
    레일 모터에 요구되는 전력을 계산된 최대 전력(Pmax) 이하인 값으로 제한하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 변전소 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 상기 스테이지(21)는 레일 모터로 전력을 공급하는 변전소의 이론적인 무부하 전압에 대응되는 신호(Vcat 0')를 전달하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며, 상기 신호(Vcat 0')는 변전소 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 기본값으로 작용하는 것을 특징으로 하는 전력 조절 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 변전소 전압(Vcat 0)을 산정하기 위한 상기 스테이지(21)는, 이론적인 무부하 신호(Vcat 0')에 삽입되며, 입력으로 R'-R의 차이를 받아들이는 비례-적분 조절기(7)에 의하여 생성되는 보정 신호를 생성하기 위한 수단을 더 포함하고, 여기에서 R'은 전차선의 동적 저항인 것을 특징으로 하는 전력 조절 시스템.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기반 시설에 의하여 부과되는 제한을 고려한 저감기 모듈(11)로부터 획득되는 배율기 계수(K)에 의하여 상기 최대전력(Pmax)이 보정되는 것을 특징으로 하는 전력 조절 시스템.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 전차선 전압(Vcat)과 전차선 전류(Icat)를 측정하기 위한 수단(14, 15)이 전류 컬렉터 수단에 의하여 지지되는 센서인 것을 특징으로 하는 전력 조절 시스템.
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