KR20050036019A - 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력측정장치 및 그 방법 - Google Patents

가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력측정장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가선전압 및 가선전류를 측정하여 전기철도차량의 전기 제동력을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 전차선으로부터 집전하는 집전장치에서 차량 변압기로 공급되는 전압을 측정하는 가선전압 측정부와; 상기 집전장치로부터 차량 변압기로 공급되는 전류를 측정하는 가선전류 측정부와; 상기 가선전압 측정부 및 가선전류 측정부로부터 가선전압과 가선전류의 값을 읽어들여 역률을 산출하는 전력분석부와; 차축의 속도를 측정하는 차축속도 측정부와; 상기 전력분석부와 상기 차축속도 측정부로부터 가선전압, 가선전류, 역률 및 차축속도를 입력받아 제동력을 산출하는 제동력 산출부로 구성되어 차량의 노후, 기계적 제동장치의 마모 등으로 인한 제동력의 변화에 대응할 수 있고, 전기철도차량의 제작시에 제동장치의 성능을 간단히 시험할 수 있도록 하여 생산성을 높일 수 있다.

Description

가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정장치 및 그 방법{Apparatus for measuring electric braking force using catenary voltage and catenary current and method thereof}
본 발명은 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 집전장치와 VCB 사이에 전압센서와 전류센서를 설치하여 가선전압과 가선전류를 측정하고 그 측정된 가선전압과 가선전류로부터 역률을 산출하고 차축속도를 측정하여 전기 제동력을 산출하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전기철도차량에 제동력을 제공하는 브레이크에는 마찰력을 이용하는 기계 브레이크와, 주전동기를 발전기로 사용할 때 발생하는 역토크를 이용하는 전기 브레이크로 대별된다.
이와 같이 전기철도차량의 제동력은 기계적 제동력과 전기적 제동력으로 구성되고, 고속영역(전기제동력이 충분한 속도영역)에서는 그 기계적 제동력과 전기적 제동력을 조화시켜 전동차와 부수차의 제동력을 한꺼번에 제어하여 저속영역(전기철도차량의 감속으로 인하여 전기제동력이 부족할 때)에서는 부수차의 제동을 동작시키는 공기보충 제동을 행한다.
따라서, 전기철도차량의 제동에서는 기계적 제동과 전기적 제동을 적절하게 분배하여야 제동장치의 성능을 좋게 할 수 있다.
종래에는 전기철도차량의 제동력을 시험하기 위해서는 도1에 도시된 바와 같이 차축(1)에 스트레인 게이지(2)를 부착하고 차축(1)이 회전할 때 발생하는 차축의 비틀림량에 따라 스트레인 게이지(2)에서 발생하는 전압의 세기를 측정한다. 상기 스트레인 게이지(2)에서 발생한 전압은 증폭기(3)로 증폭된 후, 송신 안테나(4)를 통해 차량의 본체(6)에 설치된 수신 안테나(5)로 송신하여 차축(1)의 비틀림량에 따른 신호의 세기를 이용하여 차축(1)에 걸리는 제동력을 측정하였다.
그러나 차축에 걸리는 제동력은 기계 브레이크에 의한 기계적 제동력과 전기 브레이크에 의한 전기적 제동력의 합이므로, 종래의 측정방법으로는 전체적인 제동력만을 측정할 수 있고 전기적 제동력만을 측정할 수는 없으므로 기계적 제동력과 전기적 제동력의 비율을 적절하게 분배할 수가 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전기철도차량의 전기적 제동력만을 측정할 수 있는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 집전장치로부터 차량 변압기로 공급되는 가선전압과 가선전류를 측정하여 전기적 제동력을 용이하게 측정할 수 있도록 하는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제동브렌딩시 기계적 제동력과 전기적 제동력을 최적 비율로 분배할 수 있도록 하는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전기 제동력 측정장치는 전차선으로부터 집전하는 집전장치에서 차량 변압기(DC 급전의 경우 전력변환장치)로 공급되는 전압을 측정하는 가선전압 측정부와; 상기 집전장치로부터 차량 변압기 (DC 급전의 경우 전력변환장치)로 공급되는 전류를 측정하는 가선전류 측정부와; 상기 가선전압 측정부 및 가선전류 측정부로부터 가선전압과 가선전류의 값을 읽어들여 역률을 산출하는 전력분석부와; 차축의 속도를 측정하는 차축속도 측정부와; 상기 전력분석부와 상기 차축속도 측정부로부터 가선전압, 가선전류, 역률 및 차축속도를 입력받아 제동력을 산출하는 제동력 산출부로 구성된다.
상기 전기제동력 측정장치에 상기 제동력 산출부에서 산출한 제동력을 표시하는 표시부를 더 구비하게 하여 산출된 제동력의 표시를 측정자가 용이하게 알 수 있도록 하는 구성으로 할 수 있음을 밝혀 둔다.
본 발명에 의한 전기 제동력 측정방법은 가선전압 측정부와 가선전류 측정부로부터 가선전압과 가선전류를 입력받는 단계와; 어느 특정 시점에서 가선전압과 가선전류를 측정하기 위하여 가선전압과 가선전류의 초기 시작점과 1주기의 끝점을 확인하고 가선전압과 가선전류의 1주기(T)의 역수를 구하여 주파수를 산출하는 단계와; 상기 산출된 가선전압과 가선전류에서 초기 시작점의 시간차 Δt를 구하고 다음식에 의해 가선전압과 가선전류의 위상차를 계산하는 단계와;
상기 가선전압과 가선전류의 위상차의 코사인(cosine) 값을 산출하여 역율을 구하고, 그 값에 가선전압과 가선전류를 곱하여 유효전력을 계산하는 단계와; 상기 가선전압, 가선전류, 역률을 입력받아, 소비전력을 다음식으로부터 구하는 단계와;
차축속도 측정부로부터 차축속도를 입력받고, 다음식으로부터 제동력을 산출하는 단계와;
이렇게 산출된 제동력 F를 표시부에 표시하고 메모리부에 저장하는 단계로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 실시예를 들어 첨부된 도면에 의거 상세히 설명한다.
도2에 본 발명에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정장치의 구성을 나타내는 블록도가 도시된다.
본 발명에 의한 전기 제동력 측정장치는 전차선으로부터 집전하는 집전장치 (21)에서 차량 변압기(25)로 공급되는 전압을 측정하는 가선전압 측정부(22)와; 상기 집전장치(21)로부터 차량 변압기(25)로 공급되는 전류를 측정하는 가선전류 측정부(23)와; 상기 가선전압 측정부(22) 및 가선전류 측정부(23)로부터 가선전압과 가선전류의 값을 읽어들여 유효전력과 역률을 산출하는 전력분석부(26)와; 차축의 속도를 측정하는 차축속도 측정부(27)와; 상기 전력분석부(26)와 상기 차축속도 측정부(27)로부터 가선전압, 가선전류, 역률 및 차축속도를 입력받아 제동력을 산출하는 제동력 산출부(28)와; 상기 제동력 산출부(28)에서 산출한 제동력을 표시하는 표시부(29)로 구성된다.
전차선으로부터 집전장치(21)로 공급된 전원은 가선전압 측정부(22)와 가선전류 측정부(23)를 통해 주회로 차단기(24)를 거쳐 차량 변압기(25)에 공급된다.
도3에 본 발명에 의한 가선전압 측정부와 가선전류 측정부가 팬터 그래프에 설치된 상태를 보여주는 상태도가 도시된다.
가선전압 측정부(22)의 1차측이 팬터 그래프(31)의 공급선(32)에 병렬로 연결되어 차량의 차체를 통해 접지로 연결된다. 이때 나머지 한 단자는 전류측정부 (23)를 통하여 주회로 차단기(24)를 통해 차량 변압기(25)에 전원을 공급한다. 전류측정부(23)의 검출단의 두 단자는 전력분석부(26)에 연결되어 측정된 전압을 입력한다.
가선전류 측정부(23)는 가선전압 측정부(22)에서 주회로 차단기(24)로 공급되는 전류를 측정하기 위해 가선전압 측정부(22)와 주회로 차단기(24)를 연결하는 공급선(32)에서 발생하는 자기장을 측정한다. 가선전류 측정부(23)는 전류 센서나 홀소자 등을 이용할 수 있으며, 가선전압이 고압이므로 애자 등의 절연체를 개재시켜 설치한다.
이렇게 측정된 가선전압과 가선전류는 도4에 도시된 바와 같이 전력분석부 (26)에 입력되어 역률과 전력을 산출하는데 사용된다. 가선전압 측정부(22)와 가선전류 측정부(23)로부터 가선전압과 가선전류를 입력받는다(단계 S41).
유동성 부하인 견인전동기, 변압기 등이 사용되어 가선전압과 가선전류는 서로 일정한 각을 유지한 상태에서 시간에 따라 회전하기 때문에, 어느 특정 시점에서 가선전압과 가선전류를 측정하기 위하여 제로 크로싱(zero crossing) 등을 이용하여 가선전압과 가선전류의 초기 시작점과 1주기의 끝점을 확인하고 가선전압과 가선전류의 1주기(T)의 역수를 구하여 주파수를 산출한다(단계 S42).
이렇게 확인된 가선전압과 가선전류에서 도5에 도시된 바와 같이 가선전압과 가선전류의 초기 시작점의 시간차 Δt를 구하여, 다음식(1)과 같이 주기로 나누고 360°를 곱하여 그 초기 시작점에서의 가선전압과 가선전류의 위상차를 계산한다(단계 S43).
.................(1)
가선전압과 가선전류의 위상차의 코사인(cosine) 값을 산출하고(단계 S44), 그 값에 가선전압과 가선전류를 곱하여 유효전력을 계산하고 제동력 산출부(28)로 출력한다(단계 S45).
제동력 산출부(28)에서는 전력분석부(26)로부터 가선전압, 가선전류, 역률 및 전력을 입력받아(단계 S51), 소비전력을 다음식(2)로부터 구하고(단계 S52),
.............(2)
차축속도 측정부(27)로부터 차축속도를 입력받고, 다음식(3)으로부터 제동력을 산출한다(단계 S53).
............(3)
이렇게 산출된 제동력 F를 표시부(29)에 표시하고 메모리부(도시생략)에 저장한다(단계 S54). 여기서 η는 회생되는 전기적 에너지가 차량의 제동력으로 전달되는 과정에서 제동력으로 변환되는 효율을 나타내는 것으로서, 주전동기에서 발생된 토오크가 소치차와 대치차 등을 통해 차륜에 전달되어 제동력으로 변환되는 효율이다.
이렇게 가선전압과 가선전류를 측정하여 전기 제동력을 정확하게 산출하여 기계 제동력과 전기 제동력의 비를 적절하게 브렌딩함으로써 차량 자체의 브렌딩장치에 적용하면 차량의 노후, 기계적 제동장치의 마모 등으로 인한 제동력의 변화에 대응할 수 있고, 전기철도차량의 제작시에 제동장치의 성능을 간단히 시험할 수 있도록 하여 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 전기철도차량의 제동력을 시험하기 위한 장치를 나타내는 설명도,
도 2는 본 발명에 의한 전기철도차량의 전기제동력 측정장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명에 의한 가선전압 측정부와 가선전류 측정부가 팬터 그래프에 설치된 상태를 보여주는 상태도,
도 4는 본 발명에 의한 전력분석부가 가선전압과 가선전류로부터 역률을 산출하는 방법을 나타내는 플로우 차트,
도 5는 본 발명에 의한 제동력 산출부가 전력분석부로부터 가선전압, 가선전류, 역률을 입력받아 전기 제동력을 산출하는 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
21: 집전장치 22: 가선전압 측정부 23: 가선전류 측정부
24: 주회로 차단기 25: 차량 변압기 26: 전력분석부
27: 차축속도 측정부 28: 제동력 산출부 29: 표시부
31: 팬터 그래프 32: 공급선

Claims (3)

  1. 전차선으로부터 집전하는 집전장치(21)에서 차량 변압기(25)로 공급되는 전압을 측정하는 가선전압 측정부(22)와;
    상기 집전장치(21)로부터 차량 변압기(25)로 공급되는 전류를 측정하는 가선전류 측정부(23)와;
    상기 가선전압 측정부(22) 및 가선전류 측정부(23)로부터 가선전압과 가선전류의 값을 읽어들여 역률을 산출하는 전력분석부(26)와;
    차축의 속도를 측정하는 차축속도 측정부(27)와;
    상기 전력분석부(26)와 상기 차축속도 측정부(27)로부터 가선전압, 가선전류, 유효전력, 역률 및 차축속도를 입력받아 제동력을 산출하는 제동력 산출부(28)로 구성된 것을 특징으로 하는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제동력 산출부에서 산출한 제동력을 표시하는 표시부 (29)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 장치.
  3. 가선전압 측정부(22)와 가선전류 측정부(23)로부터 가선전압과 가선전류를 입력받는 단계와;
    어느 특정 시점에서 가선전압과 가선전류를 측정하기 위하여 가선전압과 가선전류의 초기 시작점과 1주기의 끝점을 확인하고 가선전압과 가선전류의 1주기(T)의 역수를 구하여 주파수를 산출하는 단계와;
    상기 산출된 가선전압과 가선전류에서 초기 시작점의 시간차 Δt를 구하고 다음 (1)식에 의해 가선전압과 가선전류의 위상차를 계산하는 단계와;
    상기 가선전압과 가선전류의 위상차의 코사인(cosine) 값을 산출하여 역율을 구하고, 그 값에 가선전압과 가선전류를 곱하여 유효전력을 계산하는 단계와;
    상기 가선전압, 가선전류, 역률 및 전력을 입력받아, 소비전력을 다음식으로부터 구하는 단계와;
    차축속도 측정부로부터 차축속도를 입력받고, 다음식으로부터 제동력을 산출하는 단계와;
    이렇게 산출된 제동력 F를 표시부에 표시하고 메모리부에 저장하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 가선전압 및 가선전류에 의한 전기철도차량의 전기 제동력 측정 방법.
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