KR20110022870A - 전동차 보조전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동차 보조전원장치에 관한 것이다.

본 발명은 입력라인과 접지라인 사이에 설치되어 상기 입력전압을 측정하기 위한 입력전압 측정기, 양극이 상기 입력라인에 연결된 역전류방지 다이오드, 일단이 상기 역전류방지 다이오드의 음극에 연결된 라인 스위치, 일단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 입력전압을 교류전압으로 변환하는 인버터에 연결된 필터 리액터 및 일단이 상기 필터 리액터의 타단에 연결되고 타단이 접지라인에 연결되어 상기 입력전압에 의하여 충전되고 상기 충전된 전압을 상기 인버터로 공급하는 필터 커패시터를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면, 전동차가 무급전구간에 진입하는 즉시 이를 검지하고 바로 재기동함으로써, 무급전구간으로 인하여 발생할 수 있는 입력 과전류, 출력 과전압 및 저전압 등의 발생을 방지하여 시스템의 안정성이 향상된 전동차의 보조전원장치가 제공되는 효과가 있다.

보조전원장치, 무급전구간, 가건 전압, 필터 커패시터, 역전류방지 다이오드

Description

전동차 보조전원장치{AUXILIARY POWER SUPPLY OF RAIL MOTOR}

본 발명은 전동차 보조전원장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 무급전구간에 진입하는 즉시 이를 검지하고 바로 재기동할 수 있는 전동차의 보조전원장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동차가 가선 전압의 공급이 차단되는 무급전 구간에 진입하는 경우 보조전원장치는 이를 검지하여 부하로의 전원 공급을 차단하고, 무급전 구간에서 진출하는 경우 부하로의 전원 공급을 재개한다.

도 1은 이러한 종래의 보조전원장치를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 전동차의 경우는 차량이 무급전 구간 통과 시, 보조전원장치는 전압 측정기(DCPT)를 통해 입력 가선전압을 검지한다. 그러나 무급전 구간에서 실제 가선 전압이 검출되는 것이 아니라, 전압 측정기(DCPT)와 병렬 연결된 필터 커패시터(FC)의 전압을 검지하게 된다.

보다 구체적으로, 전압 측정기(DCPT)는 라인 스위치(LK)가 온 상태에서 가선 전압과 필터 커패시터(FC)의 전압을 검출하게 되고, 보조전원장치는 무급전 구간시 전위가 높은 필터 커패시터(FC)의 전압을 검출하게 되어 무급전 구간을 검지하는데 필터 커패시터(FC)의 전압이 방전될 때까지 시간적인 지연이 발생한다. 또한, 무급전 구간에서 보조전원장치가 재기동시에도 부하에 전원 공급으로 인하여 방전된 필터 커패시터(FC)를 재충전하기 위하여 정상 출력을 공급하는데 시간적인 지연이 발생한다.

또한, 무급전시 차량의 부하조건 및 차량이 무급전 구간을 통과하는 시간에 따라 보조전원장치의 필터 커패시터(FC)의 방전 특성이 달라진다.

이러한 필터 커패시터(FC)의 전압이 보조전원장치에 끼치는 영향을 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래의 전동차의 보조전원장치에 있어서, 필터 커패시터에 충전되어 있는 전압이 450V 이하인 경우의 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 전압 측정기(DCPT)에 의해 검지된 전압값은 보조전원장치의 신호처리로직에 입력되고, 소프트웨어적으로 보조전원장치를 정지시켜 시스템을 보호한다. 또한, 무급전 구간을 통과하여 전압 측정기(DCPT)에 기준전압 이상의 전압이 현시되면 보조전원장치가 재기동된다.

이 과정에서 앞서 설명한 바와 같은 시간 지연이 발생하여 전동차 운행의 효율성이 저하된다.

도 3은 종래의 전동차의 보조전원장치에 있어서, 필터 커패시터에 충전되어 있는 전압이 450V 이상인 경우의 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도 면이다.

도 3을 참조하면, 무급전 구간동안 필터 커패시터(FC)의 전압이 방전되었으나, 전압 측정기(DCPT)에 의해 검지된 전압이 기준전압 이상이기 때문에 보조전원장치는 정지하지 않고 계속 동작을 한다.

이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

첫째, 인버터 입력 과전류가 발생한다.

보다 구체적으로, 차량이 무급전 구간에 진입하여 무급전시 보조전원장치의 필터 커패시터(FC)의 전압은 부하에 전원 공급으로 인해 방전되어 낮아지게 된다. 이때, 차량이 무급전 구간을 통과하여 정상 가선 구간에 도달하여 정격의 가선전압이 급전되면 입력 가선전압과 방전된 필터 커패시터(FC)의 전압간의 차이로 인해 돌입전류(inrush current)가 발생하여 라인 스위치(LK) 및 필터 커패시터(FC)의 수명을 단축하게 된다. 도면부호 A, B는 이를 나타낸다.

둘째, AC 출력 과전압 및 AC 출력 저전압이 발생한다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

현재 사용되고 있는 보조전원장치의 인버터 제어는 전력용 반도체소자의 스위칭 신호인 펄스폭을 조절하여 인버터의 출력을 일정하게 유지하도록 제어하는 펄스폭변조방식을 사용한다.

무급전 구간에서 가선전압은 차단되어 필터 커패시터(FC)의 전압은 방전되어 감소한다.

필터 커패시터(FC)의 전압 즉, 인버터 입력전압의 감소로 인버터 AC 출력전 압이 감소함에 따라, AC 출력 저전압이 발생한다.

이에 따라, 인버터는 일정한 출력을 유지하기 위해 펄스폭을 확대하여 전력용 반도체 소자의 온 시간을 증가시킨다. 이때, 차량이 급전구간에 재진입시 확대된 펄스폭에 의해 인버터 AC 출력 전압은 순간적으로 상승되어 AC 출력 과전압이 발생한다.

이러한 AC 출력 과전압과 저전압 현상은 인해 전동차 차량의 부하의 손상, 오동작 등의 부정적인 영향을 끼치는 문제점이 있다.

본 발명은 전동차가 무급전구간에 진입하는 즉시 이를 검지하고 바로 재기동함으로써, 무급전구간에서 발생할 수 있는 입력 과전류, 출력 과전압 및 저전압 등의 발생을 방지하여 시스템의 안정성을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 보조전원장치의 재기동을 위한 시간을 단축시켜 승객 서비스의 품질을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동차의 보조전원장치는 입력라인과 접지라인 사이에 설치되어 상기 입력전압을 측정하기 위한 입력전압 측정기, 양극이 상기 입력라인에 연결된 역전류방지 다이오드, 일단이 상기 역전류방지 다이오드의 음극에 연결된 라인 스위치, 일단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 입력전압을 교류전압으로 변환하는 인버터에 연결된 필터 리액터 및 일단이 상기 필터 리액터의 타단에 연결되고 타단이 접지라인에 연결되어 상기 입력전압에 의하여 충전되고 상기 충전된 전압을 상기 인버터로 공급하는 필터 커패시터를 포함하여 구성된다.

일단이 상기 역전류방지 다이오드의 음극과 상기 라인 스위치의 일단에 공통 연결된 충전 스위치 및 일단이 상기 충전 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결된 충전 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일단이 상기 필터 리액터의 일단에 연결되고 타단이 상기 필터 커패시터의 타단에 연결되어 상기 라인 스위치와 상기 충전 스위치가 오프되었을 때 상기 필터 커패시터에 충전되어 있는 충전전압을 측정하기 위한 충전전압 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결된 방전 저항 및 일단이 상기 방전 저항의 타단에 연결되고 타단이 접지라인에 연결된 방전 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 충전 스위치를 온시켜 상기 입력전압을 충전저항과 상기 필터 리액터를 통하여 상기 필터 커패시터에 충전시키고, 상기 필터 커패시터에 충전된 전압이 기 설정된 전압 이상인 경우 상기 라인 스위치를 온시켜 상기 입력전압을 상기 필터 리액터를 통하여 상기 필터 커패시터에 충전시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전동차가 무급전구간에 진입하는 즉시 이를 검지하고 바로 재기동함으로써, 무급전구간에서 발생할 수 있는 입력 과전류, 출력 과전압 및 저전압 등의 발생을 방지하여 시스템의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 보조전원장치의 재기동을 위한 시간이 단축되어 승객 서비스의 품질이 향상되는 효과가 있다.

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

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동차의 보조전원장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동차의 보조전원장치에 따른 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동차의 보조전원장치는 인버터 스위치(IVS), 인버터 퓨즈(IVF), 입력전압 측정기(DCPT1), 역전류방지 다이오드(BD), 라인 스위치(LK), 충전 스위치(CHK), 충전 저항(CHR), 방전 스위치(DSK), 방전 저항(DSR), 전류 센서(DCCT), 필터 리액터(FL), 필터 커패시터(FC), 인버터(INVERTER UNIT), 교류출력필터(AC OUTPUT FILTER), 변압기(TRANSFORMER), 배터리 충전 및 필터회로(BATTERY CHARGER & FILTER CIRCUIT)를 포함하여 구성된다.

인버터 스위치(IVS)는 수동 조작이 가능한 스위치이며 가선으로부터 입력되는 전압을 전동차로 공급할 것인지를 결정하는 기능을 한다.

인버터 퓨즈(IVF)는 과전류에 의한 전동차 측의 회로 손상을 방지하기 위한 기능을 한다.

입력전압 측정기(DCPT1)는 입력라인과 접지라인 사이에 설치되어 입력라인을 통하여 가선으로부터 입력되는 입력전압을 측정하기 위한 수단이다.

역전류방지 다이오드(BD)는 양극이 입력라인에 연결되고 음극이 후술하는 라 인 스위치(LK) 등을 매개로 필터 커패시터(FC)에 연결되어 필터 커패시터(FC)로부터 입력전압 측정기(DCPT1)로의 역전류 유입을 방지함으로써, 입력전압 측정기(DCPT1)가 필터 커패시터(FC)에 충전된 전압이 아닌 입력라인의 입력전압만을 측정하게 하는 기능을 한다.

라인 스위치(LK)의 일단은 역전류방지 다이오드(BD)의 음극에 연결되고 라인 스위치(LK)의 타단은 후술하는 전류 센서와 필터 리액터(FL)를 매개로 필터 커패시터(FC)에 연결된다.

전류 센서(DCCT)는 라인 스위치(LK)의 타단과 필터 리액터(FL)의 일단 사이에 설치되어 필터 커패시터(FC)로 흐르는 전류를 검지하는 기능을 한다.

필터 리액터(FL)의 일단은 전류 센서(DCCT)를 매개로 라인 스위치(LK)의 타단에 연결되고 필터 리액터(FL)의 타단은 입력전압을 교류전압으로 변환하는 인버터에 연결된다.

필터 커패시터(FC)의 일단은 필터 리액터(FL)의 타단에 연결되고 필터 커패시터(FC)의 타단은 접지라인에 연결되어 입력전압에 의하여 충전되고 충전된 전압을 인버터로 공급하기 위한 기능을 한다.

충전 스위치(CHK)의 일단은 역전류방지 다이오드(BD)의 음극과 라인 스위치(LK)의 일단에 공통 연결되고 충전 스위치(CHK)의 타단은 충전 저항(CHR)의 일단과 연결되고 충전 저항(CHR)의 타단은 라인 스위치(LK)의 타단과 연결된다.

도 5를 참조하여 라인 스위치(LK)와 충전 스위치(CHK)의 동작 타이밍을 설명한다.

먼저, 충전 스위치(CHK)를 온시켜 입력전압을 역전류방지 다이오드(BD)와 충전 스위치(CHK)와 충전 저항(CHR)과 전류 센서(DCCT)와 필터 리액터(FL)를 통하여 필터 커패시터(FC)에 충전시킨다. 이 과정에서 충전 저항(CHR)이 갖는 저항값과 필터 커패시터(FC)가 갖는 커패시턴스에 의한 RC 시정수에 의하여 필터 커패시터(FC)에는 충전되는 전압은 완만한 기울기를 갖게 된다.

다음으로, 필터 커패시터(FC)에 충전된 전압이 기 설정된 전압 이상인 경우 라인 스위치(LK)를 온시켜 입력전압을 역전류방지 다이오드(BD)와 라인 스위치(LK)와 전류 센서와 필터 리액터(FL)를 통하여 필터 커패시터(FC)에 충전시킨다. 이에 따라, 필터 커패시터(FC)에 충전되는 전압의 급격한 변화가 방지되는 효과가 있다. 기 설정된 전압은 예를 들어, 450V일 수 있다.

방전 저항(DSR)의 일단은 라인 스위치(LK)의 타단에 연결되고, 방전 스위치(DSK)의 일단은 방전 저항(DSR)의 타단에 연결되고 방전 스위치(DSK)의 타단은 접지라인에 연결된다. 이러한 연결에 따라, 방전 저항(DSR)과 방전 스위치(DSK)는 전류 센서(DCCT)와 필터 리액터(FL)를 매개로 필터 커패시터(FC)에 연결된다. 예를 들어, 운행 종료 등과 같이 더 이상의 전원 공급의 필요성이 없는 경우, 라인 스위치(LK)와 충전 스위치(CHK)를 오프시키고 방전 스위치(DSK)를 온시켜 필터 커패시터(FC)에 충전된 전압을 방전 저항(DSR)을 통하여 방전시킨다.

충전전압 측정기(DCPT2)의 일단은 필터 리액터(FL)의 일단에 연결되고 충전전압 측정기(DCPT2)의 타단은 필터 커패시터(FC)의 타단에 연결된다. 이러한 충전전압 측정기(DCPT2)는 라인 스위치(LK)와 충전 스위치(CHK)가 오프되었을 때 필터 커패시터(FC)에 충전되어 있는 충전전압을 측정하기 위한 수단이다.

인버터(INVERTER UNIT)는 필터 커패시터(FC)에 충전되어 있는 직류의 충전 전압을 교류 전압을 변환하고, 교류출력필터(AC OUTPUT FILTER)는 인버터(INVERTER UNIT)로부터의 교류 전압을 필터링하고, 변압기(TRANSFORMER)는 이 필터링된 교류 전압을 필요한 크기로 변환하여 출력하고, 배터리 충전 및 필터회로(BATTERY CHARGER & FILTER CIRCUIT)는 이를 배터리에 충전하고 필터링하여 직류 전압을 출력한다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 실시 예의 구체적인 동작 타이밍을 설명한다.

도 5를 참조하면, 먼저 전동차의 운행을 위한 제어 전력이 공급되면, 입력전압 측정기(DCPT1)에 의하여 입력전압이 측정된다. 이때 방전 스위치(DSK)는 오프상태이다.

다음으로, 충전 스위치(CHK)를 온시켜 필터 커패시터(FC)를 충전시킨다. 필터 커패시터(FC)에 충전된 충전 전압이 기 설정된 전압이 되면 라인 스위치(LK)를 온시킨다.

다음으로, 필터 커패시터(FC)에 충전된 전압이 예를 들어 750V에 도달하면 충전 스위치(CHK)를 오프시킨다.

다음으로, 가선으로부터의 전원 공급이 중단되는 무급전구간에 진입하면 입력전압 측정기(DCPT1)는 이를 바로 측정한다. 즉, 종래의 경우와 달리 역전류방지 다이오드(BD)에 의하여 필터 커패시터(FC) 전압이 차단되어 실제 가선전압이 측정되는 것이다. 이러한 입력전압 측정기(DCPT1)에서 측정된 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우, 본 실시 예의 보조전원장치가 재기동을 시작하여 입력 과전류, 출력 과전압 및 저전압 등의 발생을 방지하여 시스템을 보호한다. 또한, 무급전구간 진입시 바로 무급전의 가선전압을 검지하여 출력 스위치를 오프시킴으로써, 필터 커패시터(FC)에 충전된 전압이 방전되는 것을 방지한다. 이에 따라 정상급전구간에 진입하여 보조전원장치가 재기동될 때 필터 커패시터(FC) 충전을 위한 시퀀스 지연이 축소되어 차량의 냉난방장치, 실내등 등의 전장품들의 구동 정지시간이 단축되어 승객 서비스 품질이 향상되는 등의 효과가 생긴다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전동차가 무급전구간에 진입하는 즉시 이를 검지하고 바로 재기동함으로써, 무급전구간에서 발생할 수 있는 입력 과전류, 출력 과전압 및 저전압 등의 발생을 방지하여 시스템의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 보조전원장치의 재기동을 위한 시간이 단축되어 승객 서비스의 품질이 향상되는 효과가 있다.

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

도 1은 종래의 전동차의 보조전원장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 전동차의 보조전원장치에 있어서, 필터 커패시터에 충전되어 있는 전압이 450V 이하인 경우의 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래의 전동차의 보조전원장치에 있어서, 필터 커패시터에 충전되어 있는 전압이 450V 이상인 경우의 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동차의 보조전원장치를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동차의 보조전원장치에 따른 무급전구간 통과시의 재기동 시퀀스를 나타낸 도면이다.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

DCPT1: 입력전압 측정기 DCPT2: 충전전압 측정기

BD: 역전류방지 다이오드 LK: 라인 스위치

FL: 필터 리액터 FC: 필터 커패시터

CHK: 충전 스위치 CHR: 충전 저항

DSK: 방전 스위치 DSR: 방전 저항

Claims (5)

1. 입력라인을 통하여 가선으로부터 입력되는 입력전압을 변환하여 출력전압을 공급하기 위한 전동차의 보조전원장치에 있어서,

   상기 입력라인과 접지라인 사이에 설치되어 상기 입력전압을 측정하기 위한 입력전압 측정기;

   양극이 상기 입력라인에 연결된 역전류방지 다이오드;

   일단이 상기 역전류방지 다이오드의 음극에 연결된 라인 스위치;

   일단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 입력전압을 교류전압으로 변환하는 인버터에 연결된 필터 리액터; 및

   일단이 상기 필터 리액터의 타단에 연결되고 타단이 접지라인에 연결되어 상기 입력전압에 의하여 충전되고 상기 충전된 전압을 상기 인버터로 공급하는 필터 커패시터를 포함하는, 전동차의 보조전원장치.
2. 제1 항에 있어서,

   일단이 상기 역전류방지 다이오드의 음극과 상기 라인 스위치의 일단에 공통 연결된 충전 스위치; 및

   일단이 상기 충전 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결된 충전 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전동차의 보조전원장치.
3. 제2 항에 있어서

   일단이 상기 필터 리액터의 일단에 연결되고 타단이 상기 필터 커패시터의 타단에 연결되어 상기 라인 스위치와 상기 충전 스위치가 오프되었을 때 상기 필터 커패시터에 충전되어 있는 충전전압을 측정하기 위한 충전전압 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전동차의 보조전원장치.
4. 제2 항에 있어서,

   일단이 상기 라인 스위치의 타단에 연결된 방전 저항; 및

   일단이 상기 방전 저항의 타단에 연결되고 타단이 접지라인에 연결된 방전 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전동차의 보조전원장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 충전 스위치를 온시켜 상기 입력전압을 충전저항과 상기 필터 리액터를 통하여 상기 필터 커패시터에 충전시키고,

   상기 필터 커패시터에 충전된 전압이 기 설정된 전압 이상인 경우 상기 라인 스위치를 온시켜 상기 입력전압을 상기 필터 리액터를 통하여 상기 필터 커패시터에 충전시키는 것을 특징으로 하는, 전동차의 보조전원장치.

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