KR20130106480A

KR20130106480A - 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치

Info

Publication number: KR20130106480A
Application number: KR1020120028027A
Authority: KR
Inventors: 김성준
Original assignee: 한국철도공사
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-09-30

Abstract

본 발명은 교류 및 직류를 수전받아 변압기 또는 주변환장치를 통해 견인전동기에 동력을 전달하는 추진 및 회생제동시 주회로의 과전압과 과전류를 검출하여 보호지령을 통해 주요기기를 보호하여 사고를 방지하기 위한 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 철도차량용 VVVF 인버터의 주회로 이상검출 및 보호장치는, 전차선으로부터 수전받아 변압기와 변류기를 거친 전압과 전류를 각각 설정값과 비교하는 논리회로부; 논리회로부에서 설정값과 비교한 전압과 전류값이 설정값보다 높거나 낮음을 검지하여 동작하는 검지회로부; 논리회로부를 거친 전압과 전류값이 설정한 최대값을 초과하거나, 제로크로스인 경우 전압과 전류를 아날로그/디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털 신호변환부; VVVF 인버터와 견인전동기 및 운전실 모니터와 연결시키기 위한 인터페이스부를 포함하여 구성되어, 검지회로부에서 검지한 값이 설정값보다 높거나 낮은 값으로 검출될 때는 게이트 또는 노치를 off시키고, 논리회로부를 거친 전압과 전류가 아날로그/디지털 신호변환부로 입력된 경우 주차단기를 차단시켜 주회로를 보호할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치{VVVF inverter main circuit error detection and protection device for railway vehicle}

본 발명은 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 철도차량의 견인전동기에 공급하거나 견인전동기가 발전기로 작용하여 회생제동을 할 때 주회로의 과전압 과전류의 이상을 검출하고 보호지령을 통해 주요기기를 보호하기 위한 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치에 관한 것이다.

교류 유도전동기는 직류전동기의 정류자와 브러시가 없어 정비보수 시간과 노력이 대폭 감소될 뿐만 아니라 소형 경량화와 고출력화가 가능하고, 점착성능이 우수하며 전력회생(電力回生)이 쉬운 점 등의 많은 이점을 가지고 있는데다, 전압과 회전수 및 슬립(slip; 주파수와 회전수의 차이)을 제어할 수 있는 VVVF(Variable Votage Variable Frequency) 인버터 장치(가변전압 가변주파수 전력변환장치)가 개발되어 실용화 및 양산화가 가능하게 됨에 따라 철도차량에서 전기차량의 대부분은 3상 교류 유도전동기를 채용하고 있다.

현재 주종을 이루고 있는 전기철도차량의 제어방식인 VVVF 인버터 제어방식이란 주파수를 바꾸는 동시에 전압도 비례하여 제어하는 방식으로, 대용량의 사이리스터와 PWM(pulse width modulation; 펄스폭 변조)제어에 의해 전차선으로부터 직류전력(교류차량은 정류기로부터)을 빠른 스위치 작동으로 3상 교류로 절환하면서 전압과 주파수를 바꾸어 회전력의 슬립을 제어하고, 이때 인버터는 견인전동기에서 발생하는 과전류와 과전압 등에 의한 실속(운전불능)을 방지하는데, 급속한 가속시 유도전동기의 추종이 늦어지면 과전류 보호회로가 동작하여 주파수를 낮추어 제어하며, 감속시 발생하는 회생에너지에 의한 회생 과전압이 발생하지 않도록 주파수 하강을 억제하여 실속을 방지한다. 이와 같이 전동차의 핵심장치인 주전동기(교류 유도전동기)를 가변전압 가변주파수방식으로 제어하여 추진 및 회생제동을 통해 가·감속을 실행한다.

그런데, 철도차량에서 견인전동기에 전기를 공급하거나 견인전동기가 발전기로 작용하여 회생제동을 할 때 주회로의 이상전압 및 이상전류로 인하여 차량고장이 발생하여 운행이 불가능한 사례가 많이 발생하고 있어서, 이상 발생시 주회로 및 제어회로를 적절히 차단하고 제어하여 운행불능이나 사고를 방지하기 위해서는 이상 검출 및 보호동작을 지령하는 장치의 기능이 매우 중요하며, 이를 효과적으로 실행할 장치의 국산화 및 차종에 관계없이 적용할 수 있는 기술의 출현이 절실하다고 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 필요에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 교류 25000V 및 직류 1500V를 수전받아 변압기 또는 주변환장치(인버터)를 통해 견인전동기에 동력을 전달하는 추진 및 회생 제동시 주회로의 과전압과 과전류를 검출하여 보호지령을 통해 주요기기를 보호하여 사고를 방지하기 위한 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 철도차량용 VVVF 인버터의 주회로 이상검출 및 보호장치는, 전차선으로부터 교류 또는 직류를 수전받아 견인전동기에 공급하여 차량을 구동하는 철도차량에서 가변전압 가변주파수 전력변환장치(VVVF 인버터)의 주회로 이상을 검출하고 보호하는 장치인데, 전차선으로부터 수전받아 변압기와 변류기를 거친 전압과 전류를 각각 설정값과 비교하는 논리회로부; 상기 논리회로부에서 설정값과 비교한 전압과 전류값이 설정값보다 높거나 낮음을 검지하여 동작하는 검지회로부; 상기 논리회로부를 거친 전압과 전류값이 설정한 최대(max)값을 초과하거나, 제로크로스(zero cross)인 경우 전압과 전류를 아날로그/디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털 신호변환부; VVVF 인버터와 견인전동기 및 운전실 모니터와 연결시키기 위한 인터페이스부를 포함하여 구성되어, 상기 검지회로부에서 검지한 값이 설정값보다 높거나 낮은 값으로 검출될 때는 게이트 또는 노치(notch)를 off시키고, 상기 논리회로부를 거친 전압과 전류가 아날로그/디지털 신호변환부로 입력된 경우 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 검지회로부는, 직류 변압기에서 공급되는 전압이 설정값의 최대값을 초과할 때 동작하는 직류전압 최대값 검지부; 직류 변압기에서 공급되는 전압을 설정값과 비교하여 낮거나 높을 때 작동하는 직류저전압 검지부와 직류과전압 검지부; 직류 변류기에서 공급되는 전류를 설정값과 비교하여 높을 때 동작하는 직류과전류 검지부; 교류 변압기에서 공급되는 전압을 설정값과 비교하여 낮을 때 동작하는 교류저전압 검지부; 교류 변압기에서 공급되는 전압이 없을 때 동작하는 제로크로스(zero cross) 검지부; 교류 변류기에서 공급되는 전류가 설정값의 최대값을 초과할 때 동작하는 교류전류 최대값 검지부; 교류 변류기에서 공급되는 전류를 설정값과 비교하여 높을 때 동작하는 교류과전류 검지부; 교류 변류기에 공급되는 전류를 전압으로 환산해서, 주변장치에 의해 과부하가 걸린 상태인지를 검지하여 동작하는 교류과부하 검지부를 구비하여 구성된다.

바람직하게는, 직류전압 최대값 검지부, 교류저전압 검지부, 제로크로스 검지부 및 교류전류 최대값 검지부가 각각 동작했을 때는 전압과 전류가 아날로그/디지털 신호변환부로 들어가서 주차단기를 차단시키고, 직류저전압 검지부, 직류과전압 검지부, 교류과전류 검지부 및 교류과부하 검지부가 각각 동작했을 때는 게이트를 off시켜 주회로를 보호한다.

바람직하게는, 직류과전류 검지부가 동작했을 때는 운전실에 있는 노치를 off시키거나, 수동 리셋(reset)을 수행할 것을 운전실 모니터에 현시하여 주회로를 보호한다.

철도차량에서 견인전동기에 공급하거나 견인전동기가 발전기로 작용하여 회생제동을 할 때 주회로의 이상전압 및 이상전류로 인하여 운행이 불가능하게 될 뿐만 아니라 화재 등 심각한 결과를 야기하고 있는 사례가 많이 발생하고 있는바, 본 발명에 따른 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치(VVVF 인버터)의 주회로 이상검출 및 보호장치는, 인버터 제어 전기철도차량의 주회로의 과전류, 저전압, 과전압 및 수시정전에 의한 오동작을 검지하여 주회로를 적절히 차단시키고 제어하는 보호동작을 짧은 시간(수 ms 이내)에 실행하여 전기철도차량의 운행중 고장사고를 예방하고 정시운행을 확보할 수 있도록 해준다.

도 1은 전기철도차량의 동력전달 계통을 개략적으로 표시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변전압 가변주파수 전력변환장치(VVVF 인버터)의 주회로 이상검출 및 보호장치의 구성을 개략적으로 표시한 블럭도이다.

본 발명에 따른 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치(VVVF 인버터를 의미하며, 본 명세서에서는 동일하다)의 주회로 이상검출 및 보호장치의 가장 큰 기술적 특징은, 인버터 제어 전기철도차량에서 주회로의 과전류, 저전압, 과전압 및 수시정전에 의한 오동작을 검지하여 주회로를 적절히 차단시키고 제어하는 보호동작을 통해 주요기기를 보호함으로써 전기철도차량의 운행중 고장사고를 예방할 수 있게 했다는 점이다.

전차선으로부터 전기를 수전받아 운행하는 전기철도차량은, 도 1에 도시한 바와 같이, 교류 혹은 직류의 전차선 전압을 집전장치(pantograph)로 수전하여 주차단기(MCB; Main Circuit Breaker)를 동작시키고 주변압기를 거쳐 추진제어장치인 VVVF 인버터에서 전력변환을 하여 견인전동기를 가동시켜 동력전달장치에 동력을 전달하여 차륜을 구동시키며, 제동시에는 견인전동기가 발전기 역할을 하여 전차선으로 회기하도록 구성되어 있다.

본 발명의 주회로 이상검출 및 보호장치는 상기와 같이 구동되는 전기철도차량의 추진제어장치(VVVF 인버터)에 설치되어 전차선으로부터 교류 또는 직류를 수전받아 견인전동기에 공급하여 과정에서 주회로의 과전압과 과전류 및 과부하를 검출하여 보호지령을 통해 주요기기들을 보호하여 열차의 안전운행을 감시 및 제어하게 된다. 이와 같은 주회로 이상검출 및 보호장치는 논리회로부(10), 검지회로부(20), 아날로그/디지털 신호변환부(30) 및 인터페이스부를 포함하여 구성된다.

본 이상검출 및 보호장치는, 실제 과전압 및 과전류를 변압기와 변류기에서 변환된 아날로그 값을 각 기기의 최대(max)값에 도달하기 전에 검출하여, 디지털 혹은 아날로그 전압 값으로 변환하여 인버터/컨버터의 on/off 소자인 싸일리스터의 게이트(gate)를 자동으로 단속하거나 노치(notch) off, 수동 리셋(reset)을 수행할것을 운전실 모니터에 현시한다. 또한, 한계치를 넘을 때에는 짧은 시간(수 ms 이내)에 주차단기(MCB)를 차단하라는 차단지령의 디지털신호로 변환하여 주차단기를 트립(trip)하여 VVVF 인버터 및 주회로를 보호하는 기능을 수행한다. 이때 이상검지는 직류 저전압, 직류 과전압, 직류 과전류, 교류 저전압, 제로크로스(zero cross), 교류 과전류 및 교류 과부하를 검지하고 보호동작을 수행한다.

논리회로부(10)는 전차선으로부터 수전받아 전압과 전류를 다운시키는 변압기(PT; Power Transformer)와 변류기(CT; Current Transformer)를 거친 전압과 전류를 각각 설정값과 비교하는 하는 구성인데, 변압기 및 변류기에서 변환된 환산치를 논리적으로 비교하여 해당 규정치에 다르면 디지털신호로 출력하여 연산하는 기능을 수행하며, 변압기와 변류기는 직류용과 교류용이 각각 설치된다.

검지회로부(20)는 논리회로부(10)에서 설정값과 비교한 전압과 전류값이 설정값보다 높거나 낮음을 검지하여 동작하는 구성인데, 직류 변압기에서 나와 논리회로부(10)를 거친 전압이 설정해 놓은 최대값을 넘으면 동작하는 직류전압 최대값 검지부(21)와, 설정해 놓은 설정값보다 낮거나 높을 때 동작하는 직류저전압 검지부(22)와 직류과전압 검지부(23)을 구비한다.

직류 변압기에서 공급되는 전압이 설정값의 최대값을 초과하여 직류전압 최대값 검지부(21)가 동작하면 직류 전압은 곧바로 아날로그/디지털 신호변환부(30)를 거쳐 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호한다. 또, 직류 변압기에서 공급되는 전압이 설정값과 비교하여 낮을 때는 기기가 파손되는 것을 방지하기 위하여 직류저전압 검지부(22)가 동작하여 게이트(gate)를 off시고, 설정값보다 높을 때 화재 등이 발생하는 것을 방지하기 위하여 직류과전압 검지부(23)가 동작하여 게이트를 off시켜 주회로를 보호한다.

또, 검지회로부(20)는 직류과전류 검지부(24)를 구비하는데, 직류과전류 검지부(24)는 직류 변류기에서 나온 전류가 논리회로부(10)에서 비교한 결과 설정값보다 높으면, 과전류로 인해 기기가 손상되는 것을 방지하기 위하여 직류과전류 검지부(24)가 동작하여 운전실에 있는 노치(notch)를 off시키거나, 수동 리셋(reset)을 수행할 것을 운전실 모니터에 현시하여 주회로를 보호한다.

또, 검지회로부(20)는 교류저전압 검지부(25)와 제로크로스(zero cross) 검지부(26)를 구비하는데, 교류 변압기에서 나온 전압이 설정값보다 낮으면 기기를 가동시킬 수 없으므로, 이때 교류저전압 검지부(25)가 동작하여 교류 전압을 곧바로 아날로그/디지털 신호변환부(30)로 보내 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호한다. 전차선이 끊어지는 등 가선 전력의 공급이 없을 때는 교류 변압기에서도 나오는 전압이 없으므로 제로크로스(zero cross) 검지부(26)가 동작하여 아날로그/디지털 신호변환부(30)에서 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호한다.

또, 검지회로부(20)는 교류과전류 검지부(27)와 교류과부하 검지부(28) 및 교류전류 최대값 검지부(29)를 구비하는데, 교류 변류기에서 공급되는 전류가 설정값의 최대값을 초과하여 교류 전류 최대값 검지부(29)가 동작하면 교류 전류는 곧바로 아날로그/디지털 신호변환부(30)를 거쳐 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호한다. 또, 교류 변류기에서 공급되는 전류가 설정값과 비교하여 높을 때 화재 등이 발생하는 것을 방지하기 위하여 교류과전류 검지부(27)가 동작하여 게이트를 off시켜 주회로를 보호하고, 교류 변류기에 공급되는 전류를 전압으로 환산해서 송풍기나 압축기 등 주변장치에 의해 과부하가 걸린 상태인지를 검지하여 과부하가 걸린 상태라고 판단되면 교류과부하 검지부(28)가 동작하여 게이트를 off시켜 주회로를 보호한다.

상기와 같이 검지회로부(20)가 동작하여 게이트 또는 노치를 off시키거나 주차단기를 차단시킨 후, 전류나 전압이 설정값 이내로 복귀한 경우에는 게이트나 노치 또는 주차단기를 자동으로 복귀시켜 정상운전을 할 수 있도록 작동한다.

아날로그/디지털 신호변환부(30)는 논리회로부(10)를 거친 전압과 전류값이 설정한 최대(max)값을 초과하거나, 제로크로스(zero cross)인 경우 전압과 전류를 아날로그/디지털신호로 변환시키는 구성이다.

도시하지는 않았지만, 본 이상검출 및 보호장치는 인터페이스부를 구비하고 있어서, 차량의 추진제어장치와 견인전동기 및 운전실 모니터와 연결되어 다른 기기와 연동되어 작동하도록 구성되고, 무접점으로 핀에 삽입되어 아날로그 신호 입력 및 아날로그 신호 출력, 디지털 신호를 송신하는 무접점 인터페이스부이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 논리회로부
20 : 검지회로부 21 : 직류전압 최대값 검지부
22 : 직류저전압 검지부 23 : 직류과전압 검지부
24 : 직류과전류 검지부 25 : 교류저전압 검지부
26 : 제로크로스 검지부 27 : 교류과전류 검지부
28 : 교류과부하 검지부 29 : 교류전류 최대값 검지부
30 : 아날로그/디지털 신호변환부

Claims

전차선으로부터 교류 또는 직류를 수전받아 견인전동기에 공급하여 차량을 구동하는 철도차량에서 VVVF 인버터의 주회로 이상을 검출하고 보호하는 장치에 있어서,
상기 장치는,
전차선으로부터 수전받아 변압기와 변류기를 거친 전압과 전류를 각각 설정값과 비교하는 논리회로부;
상기 논리회로부에서 설정값과 비교한 전압과 전류값이 설정값보다 높거나 낮음을 검지하여 동작하는 검지회로부;
상기 논리회로부를 거친 전압과 전류값이 설정한 최대(max)값을 초과하거나, 제로크로스(zero cross)인 경우 전압과 전류를 아날로그/디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털 신호변환부;
차량의 추진제어장치(VVVF 인버터)와 견인전동기 및 운전실 모니터와 연결시키기 위한 인터페이스부;
를 포함하여 구성되어, 상기 검지회로부에서 검지한 값이 설정값보다 높거나 낮은 값으로 검출될 때는 게이트 또는 노치(notch)를 off시키고, 상기 논리회로부를 거친 전압과 전류가 아날로그/디지털 신호변환부로 입력된 경우 주차단기(MCB)를 차단시켜 주회로를 보호할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제1항에 있어서, 상기 검지회로부는,
직류 변압기에서 공급되는 전압이 설정값의 최대값을 초과할 때 동작하는 직류전압 최대값 검지부;
직류 변압기에서 공급되는 전압을 설정값과 비교하여 낮거나 높을 때 각각 동작하는 직류저전압 검지부와 직류과전압 검지부;
직류 변류기에서 공급되는 전류를 설정값과 비교하여 높을 때 동작하는 직류과전류 검지부;
교류 변압기에서 공급되는 전압을 설정값과 비교하여 낮을 때 동작하는 교류저전압 검지부;
교류 변압기에서 공급되는 전압이 없을 때 동작하는 제로크로스(zero cross) 검지부;
교류 변류기에서 공급되는 전류가 설정값의 최대값을 초과할 때 동작하는 교류전류 최대값 검지부;
교류 변류기에서 공급되는 전류를 설정값과 비교하여 높을 때 동작하는 교류과전류 검지부;
교류 변류기에 공급된 전류를 전압으로 환산해서, 주변장치에 의해 과부하가 걸린 상태인지를 검지하여 동작하는 교류과부하 검지부;
를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제2항에 있어서,
상기 직류전압 최대값 검지부, 교류저전압 검지부, 제로크로스 검지부, 교류전류 최대값 검지부가 각각 동작했을 때는 전압과 전류가 아날로그/디지털 신호변환부로 들어가서 주차단기를 차단시켜 주회로를 보호하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제1항에 있어서,
상기 직류저전압 검지부, 직류과전압 검지부, 교류과전류 검지부 및 교류과부하 검지부가 각각 동작했을 때는 게이트를 off시켜 주회로를 보호하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제1항에 있어서,
상기 직류과전류 검지부가 동작했을 때는 운전실에 있는 노치를 off시켜 주회로를 보호하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제1항에 있어서,
상기 직류과전류 검지부가 동작했을 때는 수동 리셋(reset)을 수행할 것을 운전실 모니터에 현시하여 주회로를 보호하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.
제1항에 있어서,
상기 검지회로부가 동작하여 게이트 또는 노치를 off시키거나 주차단기를 차단시킨 후, 전류나 전압이 설정값 이내로 복귀한 경우에는 게이트나 노치 또는 주차단기를 자동으로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 철도차량용 가변전압 가변주파수 전력변환장치의 주회로 이상검출 및 보호장치.