KR20140075090A - 전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차 - Google Patents

전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동차의 발전제동시 발생하는 고조파와 가선전압의 리플 성분을 최소화하여 추진 제어장치를 보다 안정적으로 제어하고 주변장치에 미치는 악영향을 줄일 수 있는 제동 쵸퍼회로에 관한 것이다.
전동차용 제동 쵸퍼회로는 발전제동의 쵸퍼회로에 있어서,
DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제1전력용 반도체소자와 제1제동 저항으로 이루어진 제1유닛;
상기 DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제2전력용 반도체소자와 제2제동 저항으로 이루어진 제2유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차 {BRAKE CHOPPER FOR TRAIN AND TRAIN COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동차의 발전제동시 발생하는 고조파와 가선전압의 리플 성분을 최소화하여 추진 제어장치를 보다 안정적으로 제어하고 주변장치에 미치는 악영향을 줄일 수 있는 제동 쵸퍼회로에 관한 것이다.
일반적으로, 쵸퍼(chopper)는 "잘게 썰다."라는 의미가 있는 것으로, DC 에너지를 입력받아 DC 에너지를 잘게 나누어 출력하는 전력변환기이다.
대용량 전동기의 가변속 구동에서 특히 관성(inertia)이 큰 부하를 가지고 회전하는 경우 감속과 정지할 때 관성에 의해 교류전동기로부터 DC 전원으로 역발전(re-generation)되는 전기에너지의 양은 매우 크다.
이 역발전에 의해 DC 전압을 충전하고 있는 콘덴서로 되돌아오는 과도한 에너지 때문에 콘덴서에 절연 파괴가 발생하는 것을 방지하기 위한 목적으로 DC 링크 양단에 쵸퍼와 저항을 직렬로 연결하여 DC 링크에 되돌아오는 과전압을 저항에서 전기에너지를 열에너지로 소모하는 것이 일반적인 쵸퍼의 역할이다.
한편, 전동차의 제동을 위해 기존에는 마찰제동을 주로 사용하였으나 이 경우 제륜자의 마모에 따른 주기적 교체 비용 증가, 분진 비산, 냄새, 소음 등이 발생한다.
이러한 환경 오염 문제를 해결하고 에너지 효율을 높이기 위해 전기제동의 사용을 최대화하는 추세이다.
상기 전기제동은 전동기를 발전기로 이용하여 차량의 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 제동 방식이다.
그런데 전기제동을 최대한 사용하게 되면 가선이 비수용성이 되었을 경우 나머지 에너지를 제동저항을 이용해 열로 소모하는 발전제동(Rheostatic braking)을 해야 한다.
상기 발전제동은 전기제동시 회생 에너지가 더 이상 전원라인에 수용되지 않을 경우 제동저항을 이용하여 에너지를 열로 변환하는 방식이다.
전기제동시 가선에서 수용하지 못하는 회생에너지는 쵸퍼를 이용하여 제동저항에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환하게 된다.
도 1은 종래 제동 쵸퍼의 회로도이다.
도시된 바와 같이 DC 링크 양단에 전력용 반도체소자(IGBT1(Insulated Gate Bi-Polar Transistor))와 제동 저항(R)(Dynamic Brake Resistor)이 직렬 연결되고, 상기 전력용 반도체소자(IGBT1)의 에미터(E)와 컬렉터(C) 사이에 환류 다이오드(D1)(Free wheeling Diode)가 병렬 연결되며, 제동 저항(R)의 양단에도 환류 다이오드(D2)가 병렬 연결된다.
또한, 또 다른 전력용 반도체소자(IGBT2)와, 상기 전력용 반도체소자(IGBT2)의 에미터(E)와 컬렉터(C) 사이에 병렬 연결된 환류 다이오드(D2)가 하나의 유닛이 되어 상기 전력용 반도체소자(IGBT1)와 상기 환류 다이오드(D1)로 이루어진 유닛에 병렬 연결된다.
이와 같이 2 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)를 병렬 연결하는 이유는 회생 에너지가 클 경우 충분한 발전제동력을 제공하기 위해 전력용 반도체소자의 용량이 커져야 하며 이때 사양의 한계로 하나의 전력용 반도체소자(IGBT1)로 충분한 발전제동력을 제공할 수 없기 때문이다.
그리고 DC 링크 양단에는 DC 전압을 충전하는 콘덴서(C)가 연결된다.
상기 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)는 게이트의 전압을 통해 컬렉터의 전류를 제어하는 것으로, 도 2의 상부 파형과 같이 특정 주파수를 갖는 펄스 형태로 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)의 게이트에 전압을 인가하면, 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)가 ON/OFF를 반복한다(스위칭을 하게 된다).
이때 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)의 쵸핑하는 펄스의 주파수와 동작시간은 제동 저항(R)의 용량과 저항값 및 DC 링크를 구성하는 콘덴서 용량(C) 및 내압에 의해 결정된다.
상기 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)가 ON/OFF를 반복하면서 도 2의 중간 파형과 같이 제동 저항(R)에 전류(Ir)가 흐른다.
이에 따라 가선전압(DC 링크 전압(Vdc))에 도 2의 하부 파형과 같이 리플과 고조파가 발생하게 된다.
한편, 교류전동기가 역발전하면 회생되는 전기에너지는 콘덴서(C)로 충전되며, 상기 콘덴서(C)에 충전 전압이 정격전압 이상일 경우 전기에너지는 제동 저항(R)을 통해 열에너지는 소모되며, 환류 다이오드를 통해 전기에너지를 방전한다.
도 2에 나타낸 바와 같이 종래에는 제동 쵸퍼의 동작으로 DC 링크 전압(Vdc)에 고조파가 발생하고 불안정해지며 이는 추진 제어장치 및 차량의 다른 장치(신호장치, 보조전원장치 등)의 성능과 수명에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.
등록번호 10-1170679(공고일자 2012년08월07일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 발전제동시 발생하는 고조파를 최소화하고 가선전압을 안정화하여 추진 제어장치의 제어 성능을 향상시키고 다른 장치에 미치는 악영향을 줄여 시스템 전체적인 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있는 전동차용 제동 쵸퍼회로 및 이를 포함하는 전동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동차용 제동 쵸퍼회로는 발전제동의 쵸퍼회로에 있어서,
DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제1전력용 반도체소자와 제1제동 저항으로 이루어진 제1유닛;
상기 DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제2전력용 반도체소자와 제2제동 저항으로 이루어진 제2유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전력용 반도체소자와 제2전력용 반도체소자의 게이트에 서로 180도의 위상차를 갖도록 펄스 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 게이트는 게이트 드라이버에 연결되고 상기 게이트 드라이버는 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1유닛에는 상기 제1전력용 반도체소자와 제1제동 저항에 각각 병렬 연결되는 제1,2환류 다이오드가 더 구비되고,
상기 제2유닛에는 상기 제2전력용 반도체소자와 제2제동 저항에 각각 병렬 연결되는 제3,4환류 다이오드가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1제동 저항과 제2제동 저항의 저항값은 종래 한 제동 저항의 저항값의 2배인 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 전동차는 상술한 어느 하나의 제동 쵸퍼회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 추진 인버터의 하드웨어적인 사양을 크게 향상시키지 않고 최적 사양에서 프로그램 변경만으로 기능을 향상시킬 수 있으므로 경제적이고, 제동시 출력 토크의 오차를 줄일 수 있으며 장치간 전자파 간섭(EMC)을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 제동 쵸퍼의 회로도이다.
도 2는 도 1의 파형이다.
도 3은 본 발명에 따른 제동 쵸퍼의 회로도이다.
도 4는 도 3의 파형이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명에 따른 제동 쵸퍼의 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1유닛은 DC 링크 양단에 전력용 반도체소자(IGBT1)와 제동 저항(R1)이 직렬 연결되고, 상기 전력용 반도체소자(IGBT1)의 에미터와 컬렉터 사이에 환류 다이오드(D1)가 병렬 연결되며, 제동 저항(R1)의 양단에도 환류 다이오드(D2)가 병렬 연결되어 구성된다.
여기서 전력용 반도체소자(IGBT1)의 컬렉터는 DC 전원에 연결되고, 에미터는 제동 저항(R1)의 일단에 연결되며, 그 제동 저항(R1)의 타단은 접지(GND)에 연결된다.
또한, 제2유닛은 상술한 바와 똑같이 DC 링크 양단에 전력용 반도체소자(IGBT2)와 제동 저항(R2)이 직렬 연결되고, 상기 전력용 반도체소자(IGBT2)의 에미터(E)와 컬렉터(C) 사이에 환류 다이오드(D3)가 병렬 연결되며, 제동 저항(R2)의 양단에도 환류 다이오드(D4)가 병렬 연결되어 구성된다.
여기서 전력용 반도체소자(IGBT2)의 컬렉터는 DC 전원에 연결되고, 에미터는 제동 저항(R2)의 일단에 연결되며, 그 제동 저항(R2)의 타단은 접지(GND)에 연결된다.
이때 각 제동 저항(R1,R2)은 기존 제동 저항(R2)의 저항값 대비 약 2배의 저항값을 갖도록 선정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면 각 제동 저항(R1,R2)에 흐르는 전류는 기존 방식 대비 약 1/2이 되므로 제동 저항(R1,R2)의 사이즈는 동일하게 가져갈 수 있다.
그리고 DC 링크 양단에는 DC 전압을 충전하는 콘덴서(C)가 연결된다.
또한, 각 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)의 게이트(G1,G2)는 미도시된 게이트 드라이버에 연결되고, 상기 게이트 드라이버는 제어기에 의해 제어되어 게이트에 펄스 신호를 인가한다.
상술한 구성에 있어서, 상기 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)는 게이트(G1,G2)의 전압을 통해 컬렉터의 전류를 제어하는 것으로, 도 4의 2 상부 파형과 같이 특정 주파수를 갖는 펄스 형태로 2 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)의 게이트(G1,G2)에 전압을 인가하되, 180도의 위상차를 갖도록 펄스 신호를 인가한다.
이에 의해 2 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)는 180도의 위상차를 갖고 ON/OFF를 반복하는 스위칭을 하게 된다.
이때 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)의 쵸핑하는 펄스의 주파수와 동작시간은 제동 저항(R1,R2)의 용량과 저항값 및 DC 링크를 구성하는 콘덴서(C) 용량 및 내압에 의해 결정된다.
상기 전력용 반도체소자(IGBT1,IGBT2)가 180도의 위상차를 갖고 스위칭을 하게 되면 도 4의 2 중간 파형과 같이 제동 저항(R1,R2)에 전류가 교대로 흐르게 된다.
이때 2 제동 저항(R1,R2)의 저항값이 2배이므로 각 제동 저항(R1,R2)의 피크 전류는 종래의 약 1/2이 되고 평균전류는 종래와 동일하게 흐른다.
이에 따라 가선전압(DC 링크 전압(Vdc))에 도 4의 하부 파형과 같이 리플과 고조파의 발생을 최소화할 수 있다.
한편, 교류전동기가 역발전하면 회생되는 전기에너지는 콘덴서(C)로 충전되며, 상기 콘덴서(C)에 충전 전압이 정격전압 이상일 경우 전기에너지는 제동 저항(R1,R2)을 통해 열에너지는 소모되며, 환류 다이오드(D1,D2,D3,D4)를 통해 전기에너지를 방전한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 도 4의 하부 파형에 나타낸 바와 같이 제동 쵸퍼의 동작에도 가선전압(DC 링크 전압(Vdc))에 고조파가 발생하지 않으며 이에 의해 추진 제어장치 및 차량의 다른 장치(신호장치, 보조전원장치 등)의 성능과 수명에 악영향을 미치지 않게 된다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
C: 콘덴서 D1,D2,D3,D4: 환류 다이오드
IGBT1,IGBT2: 전력용 반도체소자
R1,R2: 제동 저항

Claims (6)

  1. 발전제동의 쵸퍼회로에 있어서,
    DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제1전력용 반도체소자와 제1제동 저항으로 이루어진 제1유닛;
    상기 DC 링크 양단에 직렬 연결되는 제2전력용 반도체소자와 제2제동 저항으로 이루어진 제2유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동차용 제동 쵸퍼회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전력용 반도체소자와 제2전력용 반도체소자의 게이트에 서로 180도의 위상차를 갖도록 펄스 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 전동차용 제동 쵸퍼회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 게이트는 게이트 드라이버에 연결되고 상기 게이트 드라이버는 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전동차용 제동 쵸퍼회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1유닛에는 상기 제1전력용 반도체소자와 제1제동 저항에 각각 병렬 연결되는 제1,2환류 다이오드가 더 구비되고,
    상기 제2유닛에는 상기 제2전력용 반도체소자와 제2제동 저항에 각각 병렬 연결되는 제3,4환류 다이오드가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전동차용 제동 쵸퍼회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1제동 저항과 제2제동 저항의 저항값은 종래 1 제동 저항의 저항값의 2배인 것을 특징으로 하는 전동차용 제동 쵸퍼회로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제동 쵸퍼회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동차.
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