KR20100008713U - 철도차량 제어전원 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 철도차량 제어전원 공급장치에 관한 것이다.

본 고안에 따른 철도차량 제어전원 공급장치는 제어전원 및 제어전원과 철도차량들 사이에 병렬 연결된 복수개의 인통선을 포함하여 구성되고, 제어전원을 병렬 연결된 복수개의 인통선을 통하여 철도차량들로 공급함으로써 인통선에서의 전압 강하량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 따르면, 여러 대의 철도차량들을 직렬 연결하여 운행하는 경우 발생하는 인통선에서의 전압 강하량이 감소되어 철도차량의 운행의 안전성이 향상되는 효과가 있다.

철도차량, 중련 운행, 인통선, 선저항, 전압 강하

Description

철도차량 제어전원 공급장치{CONTROL POWER PROVIDING APPARATUS OF RAILWAY VEHICLE}

본 고안은 철도차량 제어전원 공급장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 고안은 직렬 연결된 복수개의 철도차량들을 제어하기 위한 제어전원을 인통선을 통하여 공급하는 과정에서 인통선에서의 전압 강하량을 줄여 철도차량을 안정적으로 제어하기 위한 철도차량 제어전원 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 현대의 철도차량 운행 시스템에 따르면, 승객 및 화물 운송의 경제성 측면에서의 요구 등으로 인하여 여러 대의 철도차량들이 직렬 연결되어 운행되고 있다.

이러한 철도차량들에는 전자변, 릴레이 등의 여러 가지 전장품들이 설치되어 있으며, 이러한 전장품들은 선도 차량에 구비된 제어 전원에 의하여 일괄적으로 구동이 제어되어야 한다. 선도 차량에 구비된 제어 전원을 각각의 철도차량에 공급하기 위한 수단으로 한 가닥의 케이블로 이루어진 인통선이 알려져 있다.

그러나 연결된 철도차량의 수가 늘어남에 따라, 상기 한 가닥의 케이블로 이 루어진 인통선에서의 전압 강하로 인하여 제어 전원이 구비된 선도 차량에서 상대적으로 멀리 떨어진 후위의 철도차량에 설치된 전장품들이 제대로 작동하지 않는 문제점이 있다. 특히, 위급 상황의 발생 시 철도차량에 비상 제동을 인가하기 위한 비상 제동 루프가 이러한 전압 강하로 인하여 오작동을 일으키는 경우, 철도차량에 탑승한 승객들에게는 치명적인 위해가 가해질 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 전압 강하로 인한 문제점을 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로도이다.

도 1을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같은 현대의 철도차량 운행 시스템은 도 1과 같이 복수개의 철도차량들(A1-car~An-car)을 연결하여 운행한다.

예를 들어, 4량의 철도차량을 연결하여 1 편성을 구성하는 경우, 2 개의 편성을 연결하여 2 중련으로 운행하거나, 3 개의 편성을 연결하여 3 중련으로 운행하는 것이 일반적이다. 물론 4 중련 이상으로 운행하는 것도 가능하다.

이와 같이 철도차량을 다 중련으로 운행하는 경우 인통선(10)의 길이가 늘어남에 따라 앞서 설명한 전압 강하로 인한 문제점이 더욱 커지게 된다.

보다 구체적으로, 철도차량을 2 중련 이상으로 운행하는 경우, 인통선(10)을 통하여 공급되는 제어 전압은 차량의 연결로 인하여 구성되는 회로 내부의 임피던스 및 부하에 의하여 전압 강하로 이어진다. 종래의 경우, 차량의 제어전압(V)으로 DC 110V를 사용하였기 때문에 내부 저항치에 따른 전압강하가 비교적 심하게 나타나지 않았다. 그러나, 최근에는 차량의 제어전압(V)으로 DC 24V를 사용하는 경우가 많기 때문에 설계시 인통선에서의 전압 강하를 고려하지 않으면 차량의 미작동 및 오작동이 발생할 위험이 있는 것이다. 이러한 차량의 미작동 및 오작동이 비상 제동 루프에 발생하는 경우, 앞서 설명한 바와 같이 철도차량에 탑승한 승객들에게는 치명적인 위해가 가해질 수 있다.

본 고안은 여러 대의 철도차량들을 직렬 연결하여 운행하는 경우 발생하는 인통선에서의 전압 강하량을 감소시켜 철도차량의 운행의 안전성을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안에 따른 직렬 연결된 복수개의 철도차량들을 제어하기 위한 제어전원을 인통선을 통하여 공급하기 위한 철도차량 제어전원 공급장치는 제어전원 및 상기 제어전원과 직렬 연결된 철도차량들 사이에 병렬 연결된 복수개의 인통선을 포함하여 구성되고, 상기 제어전원을 상기 병렬 연결된 복수개의 인통선을 통하여 상기 철도차량들로 공급함으로써 상기 인통선에서의 전압 강하량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어전원과 상기 복수개의 인통선 사이에 설치되어 상기 직렬 연결된 철도차량의 수에 따라 상기 인통선의 접속 개수를 조절하기 위한 스위치부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 고안에 따르면, 여러 대의 철도차량들을 직렬 연결하여 운행하는 경우 발생하는 인통선에서의 전압 강하량이 감소되어 철도차량의 운행의 안전성이 향상되 는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.

먼저, 본 고안의 실시 예들을 설명하기 위하여 사용하는 용어에 대하여 정의 한다.

도 2는 본 고안의 제1 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 고안의 제1 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치는 직렬 연결된 복수개의 철도차량들(A1-car~An-car)을 제어하기 위한 제어전원(V) 및 제어전원(V)과 철도차량들(A1-car~An-car) 사이에 병렬 연결된 복수개의 인통선(n)을 포함하여 구성되고, 제어전원(V)을 병렬 연결된 복수개의 인통선(n)을 통하여 철도차량들(A1-car~An-car)로 공급함으로써 인통선(n)에서의 전압 강하량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

제어전원(V)은 직렬 연결된 복수개의 철도차량들(A1-car~An-car)에 각각 포함되어 있는 전장품들의 구동을 제어하기 위한 것이다. 하나의 예로, 제어전원(V)은 DC 24V의 직류 전원일 수 있다.

인통선(n)은 복수개이고, 이들 인통선(n)은 제어전원(V)과 철도차량들(A1- car~An-car) 사이에 병렬 연결되어 있다. 이러한 병렬 구성에 따라, 제어전원(V)이 제어전원(V)과 구동대상이 되는 철도차량들(A1-car~An-car) 사이에 병렬 연결된 복수개의 인통선(n)을 통하여 철도차량들(A1-car~An-car)로 공급됨으로써 인통선(n)에서의 전압 강하량이 감소된다.

일반적으로 철도차량에서 제어전원, 전자변, 릴레이의 저항은 변경하기 어렵다. 그리고 단자대, 커넥터 등의 저항은 극히 미미한 수준이다. 따라서, 차량제어라인인 인통선의 전압강하를 만드는 가장 큰 부분은 인통선의 저항값이다. 인통선의 저항값을 낮추기 위해 굵은 케이블을 사용할 수는 있지만, 차량간의 전기 연결기를 통해 굵은 케이블을 넘기는 것은 기술적으로 여러가지 문제가 있다. 이에 본 실시 예는 인통선으로 사용되는 전선의 수를 병렬로 증가시킴으로써 인통선의 저항을 낮춤으로써 전압강하 문제를 해결할 수 있다.

이하에서는 위급 상황의 발생 시 철도차량을 비상 제동시키기 위하여 제어전원을 비상 제동 루프에 인가하는 경우를 예로 들어 종래의 경우와 본 발명의 제1 실시 예를 상호 비교하는 방식으로, 본 고안의 제1 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치의 동작 및 그 효과를 보다 구체적으로 설명한다.

도 2에서, A1-car~An-car는 직렬 연결된 복수개의 철도차량들을 가리키며, A1-car는 선도 철도차량을 가리키며, An-car는 가장 후위의 철도차량을 가리키며, V는 선도 차량(A1-car)에 구비된 제어전원으로서 DC 24V의 값을 갖고, R1은 구동대상이 되는 부하의 등가저항 즉, 각각의 철도차량에 구비된 전장품들인 전자변과 릴레이가 갖는 저항값이고, R2는 구동대상이 되는 부하 외의 성분의 등가저항 즉, 각 각의 철도차량에서의 인통선, 단자대, 커넥터가 갖는 저항값을 합산한 저항값이고, VR01~VR0n는 각각의 철도차량에 설치된 구동대상부하에서의 전압강하량 즉, 각각의 철도차량에 구비된 전장품들에서의 전압강하량을 합산한 값이고, I1a~Ina는 각각의 철도차량에 설치된 구동대상부하로 흐르는 전류 즉, 각각의 철도차량에 구비된 전장품들에 흐르는 전류값이고, Vr01~Vr0n는 각각의 철도차량에 설치된 구동대상부하외의 성분에서의 전압강하량 즉, 각각의 철도차량에서의 인통선 자체에서의 전압강하량, 단자대에서의 전압강하량 및 커넥터에서의 전압강하량을 합산한 값이고, I1~In는 각각의 철도차량을 연결하는 경로에 위치한 인통선을 흐르는 전류 즉, 각각의 철도차량을 연결하는 경로에 직렬 연결된 단자대, 커넥터 및 인통선 자체에 흐르는 전류값이다. 가장 후위의 철도차량(An-car)에 구비된 전장품들에 흐르는 전류값(Ina)은 In과 동일하다.

예를 들어, 제어전원의 전압이 DC 24V인 경우, R1을 구성하는 전장품들인 전자변은 최대소비전력이 14W인 경우 그 저항값이 41옴(ohm)이 되고, 릴레이는 최대소비전력이 5W인 경우 그 저항값이 115옴(ohm)이 된다.

또한 앞서 설명한 바와 같이, R2는 각각의 철도차량에서의 인통선, 단자대, 커넥터가 갖는 저항값을 합산한 저항값이다.

인통선, 단자대, 커넥터가 갖는 저항값은 제조원에 따라 다소 편차가 있으나 이하에서는 일반적으로 사용되는 제품이 갖는 저항값을 예시한다.

먼저, 인통선을 구성하는 케이블 자체가 갖는 선저항을 케이블의 단면적에 따라 예시하면 다음 표 1과 같다.

표 1을 참조하면, 철도 차량 1량의 길이가 30m이고, 인통선의 단면적이 2.5mm2인 경우, 1량의 철도차량에 설치된 인통선의 선저항은 0.25 ?/car이 된다.

다음으로, 단자대에서의 전압 강하는 800V를 인가하는 경우 약 2.6mV 정도이다. 따라서, 하나의 단자대의 저항값은 약 0.0011옴(ohm)이고, 하나의 철도차량에 10개의 단자대가 있다고 가정하는 경우 하나의 철도차량에서의 단자대의 저항값은 약 0.011옴(ohm)이 된다.

다음으로, 커넥터에 AC 500V 또는 DC 700V를 인가하는 경우, 커넥터를 흐르는 흐르는 전류값은 약 23A이고, 전압 강하는 약 74mV이다. 따라서, 하나의 커넥터에서의 저항값은 0.0032옴(ohm)이고, 하나의 철도차량에 5개의 커넥터가 있다고 가정하는 경우 하나의 철도차량에서의 커넥터의 저항값은 약 0.014옴(ohm)이 된다.

이러한 인통선, 단자대, 커넥터가 갖는 저항값을 합산하여 R2를 구하면 다음 표 2와 같다.

표 2를 참조하면, 철도 차량 1량의 길이가 30m이고, 인통선의 단면적이 2.5mm2인 경우, 1량의 철도차량의 R2는 0.29 ?/car이다. 이를 통하여, R2는 주로 인통선 자체의 선저항에 영향을 받는 값이라는 것을 알 수 있다.

표 3은 인통선으로 사용되는 케이블의 개수에 따른 R2의 저항값을 나타낸 것이다.

표 3을 참조하면, 철도 차량 1량의 길이가 30m이고, 인통선의 단면적이 2.5mm2인 조건하에서, 인통선을 1 가닥 사용하는 경우, 1량의 철도차량의 R2는 0.29 ?/car이고, 인통선을 2 가닥 사용하는 경우, 1량의 철도차량의 R2는 0.145 ?/car이고, 인통선을 3 가닥 사용하는 경우, 1량의 철도차량의 R2는 0.097 ?/car이다.

이하에서는 4량의 철도차량을 연결하여 1 편성을 구성하고, 2 개의 편성을 연결하여 2 중련으로 운행하는 경우 즉, 총 8 량의 철도차량을 연결하여 운행하는 경우와 3 개의 편성을 연결하여 3 중련으로 운행하는 경우 즉, 총 12 량의 철도차량을 연결하여 운행하는 경우에 있어서, 인통선의 수에 따른 전압 강하량을 서로 비교하여 설명한다.

표 4는 철도차량이 2 중련으로 편성되고, 제어 전압이 DC 24V이고, 전압 변동 허용범위가 16.8V 이상 30V 이하이고, 인통선을 단면적이 2.5 mm2인 케이블 1 가닥으로 구성한 경우의 전압 강하량을 나타낸 것이다.

표 4를 참조하면, 전체 전압 강하량은 7.34V이며, 이 값은 전압 변동 허용범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.

표 5는 철도차량이 2 중련으로 편성되고, 제어 전압이 DC 24V이고, 전압 변동 허용범위가 16.8V 이상 30V 이하이고, 인통선을 단면적이 2.5 mm2인 케이블 2 가닥으로 구성한 경우의 전압 강하량을 나타낸 것이다.

표 5를 참조하면, 전체 전압 강하량은 4.21V이며, 표 4의 경우와 비교하여 전압 강하량이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

표 6은 철도차량이 3 중련으로 편성되고, 제어 전압이 DC 24V이고, 전압 변동 허용범위가 16.8V 이상 30V 이하이고, 인통선을 단면적이 2.5 mm2인 케이블 1 가닥으로 구성한 경우의 전압 강하량을 나타낸 것이다.

표 6을 참조하면, 전체 전압 강하량은 12.64V이며, 이 값은 전압 변동 허용범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.

표 7은 철도차량이 3 중련으로 편성되고, 제어 전압이 DC 24V이고, 전압 변동 허용범위가 16.8V 이상 30V 이하이고, 인통선을 단면적이 2.5 mm2인 케이블 세 가닥으로 구성한 경우의 전압 강하량을 나타낸 것이다.

표 7을 참조하면, 전체 전압 강하량은 6.02V이며, 표 6의 경우와 비교하여 전압 강하량이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 제어전원을 병렬 연결된 복수개의 인통선을 통하여 철도차량들로 공급함으로써 인통선에서의 전압 강하량을 크게 감소시킨다. 이에 따라 여러 전장품들을 안정적으로 동작시킬 수 있는 효과가 있다.

도 3은 본 고안의 제2 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 포함된 스위치부의 하나의 예를 나타낸 도면이다.

이하에서는 제2 실시 예의 특징 부분인 스위치부(30)에 초점을 맞추어 설명한다. 스위치부(30)를 제외한 부분의 기능 및 동작은 제1 실시 예에 대한 설명으로 대체한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 고안의 제2 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치는 앞서 상세히 설명한 본 고안의 제1 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치에 스위치부(30)를 추가하여 구성된다.

스위치부(30)는 직렬 연결된 복수개의 철도차량들(A1-car~An-car)을 제어하기 위한 제어전원(V)과 복수개의 인통선(20) 사이에 설치되어 직렬 연결된 철도차량의 수에 따라 인통선의 접속 개수를 조절하기 위한 수단이다. 하나의 예로 이러한 스위치부(30)는 도 4에 도시된 바와 같은 캠 스위치를 채택하여 구성될 수 있다.

예를 들어, 이러한 스위치부(30)는 각각의 철도차량의 배전반에 중련 운영을 고려하여 케이블 수량 조절 스위치를 넣음으로써 차량의 구성에 따라 전압이 인가되는 케이블의 수량을 조절하도록 구현하거나, 운전실에 설치하여 구현할 수 있다.

이상에서 본 고안에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 고안의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 고안을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 고안의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 종래의 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로도이다.

도 2는 본 고안의 제1 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로도이다.

도 3은 본 고안의 제2 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치의 등가 회로도이다.

도 4는 본 고안의 제2 실시 예에 따른 철도차량 제어전원 공급장치에 포함된 스위치부를 나타낸 도면이다.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

10: 1 가닥 인통선 20: 3 가닥 인통선

30: 스위치부 A1-car: 첫번째 철도차량

A2-car: 두번째 철도차량 An-car: n번째 철도차량

V: 제어전원 I: 제어전류

R1: 구동대상이 되는 부하의 등가저항

R2: 구동대상이 되는 부하 외의 성분의 등가저항

VR01: 첫번째 철도차량에 설치된 구동대상부하에서의 전압강하량

VR02: 두번째 철도차량에 설치된 구동대상부하에서의 전압강하량

VR0n: n번째 철도차량에 설치된 구동대상부하에서의 전압강하량

Vr01: 첫번째 철도차량에 설치된 구동대상부하외의 성분에서의 전압강하량

Vr02: 두번째 철도차량에 설치된 구동대상부하외의 성분에서의 전압강하량

Vr0n: n번째 철도차량에 설치된 구동대상부하외의 성분에서의 전압강하량

I1a: 첫번째 철도차량에 설치된 구동대상부하로 흐르는 전류

I2a: 두번째 철도차량에 설치된 구동대상부하로 흐르는 전류

In: n번째 철도차량에 설치된 구동대상부하로 흐르는 전류

Claims (2)

1. 철도차량 제어전원 공급장치로서,

   제어전원; 및

   상기 제어전원과 직렬 연결된 철도차량들 사이에 병렬 연결된 복수개의 인통선을 포함하고,

   상기 제어전원을 상기 병렬 연결된 복수개의 인통선을 통하여 상기 철도차량들로 공급함으로써 상기 인통선에서의 전압 강하량을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 철도차량 제어전원 공급장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제어전원과 상기 복수개의 인통선 사이에 설치되어 상기 직렬 연결된 철도차량의 수에 따라 상기 인통선의 접속 개수를 조절하기 위한 스위치부를 더 포함하는, 철도차량 제어전원 공급장치.

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