KR20150069674A - Method for design of Optimized PWM Strategy to improve Output Voltage Quality of HEP System boarded on 8200 Series Electric Locomotives - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고주파수의 스위칭 적용이 어려운 대전력용 IGBT에 대한 효과적인 고조파의 감소를 위하여 SHEPWM방식이 채택되고, 전압의 왜곡률이 저하되도록 특정주파수로 설계되며, 캐패시터의 무효전류를 감소시키기 위한 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PWM design method for improving the output voltage quality of an 8200-class electric locomotive power supply apparatus, and more particularly, to a SHEPWM scheme for effectively reducing harmonics for high power IGBTs, And to a PWM design method for improving the output voltage quality of an 8200-bed electric locomotive co-driver power supply device designed to reduce a reactive current of a capacitor, which is designed to have a specific frequency so as to lower the voltage distortion.
일반적으로 90년대 후반부터 국내에 도입된 8200호대 전기기관차는 종래의 8000호대 전기기관차의 사이리스터 및 직류전동기 제어방식에서 탈피하여 GTO를 주요소자로 사용하고 벡터제어에 의한 유도전동기제어를 수행하는 고성능의 전기기관차로 개발되었다.Generally, the 8200-class electric locomotive introduced in Korea since the late 1990s is a high-performance, high-performance electric locomotive that uses the GTO as a main element and performs the induction motor control by vector control in the conventional 8000 electric locomotive, It was developed as an electric locomotive.
이러한, 8200호대 전기기관차에는 기계실에 필요한 보조전력을 포함하여 객실에 필요한 3상 서비스전력을 공급하기 위한 HEP(Head Electric Power : 객차전원공급장치) 장치가 구비되어 있어서 별도의 발전차량을 이용하지 않아도 기계실과 객실에 전원을 공급할 수 있는 특징이 있었다.Such an 8200 electric locomotive is equipped with a HEP (Head Electric Power) device for supplying 3 phase service electric power required for a room including an auxiliary electric power required for a machine room, There was a feature that could supply power to the machine room and the room.
여기서, 상기 HEP 장치는 객실에 서비스 전원을 공급하는 것을 목적으로 설계되었기 때문에 무가선 구간(Dead section)을 통과하더라도 지속적인 전원공급을 수행할 필요가 있었고, 이에 따라 Siemens(독일의 철도회사)에서는 무가선 구간에서는 차량의 관성을 이용하여 회생발전이 가능하도록 차량의 속도를 감속하여 이때 발생된 전력을 HEP 장치에 공급하여 연속적인 서비스 전원이 객차에 공급되도록 차량을 설계하였다. Since the HEP apparatus is designed to supply service power to the passenger compartment, it is necessary to continuously supply the power even if the passenger passes the dead section. Accordingly, Siemens (German railway company) In the line section, the speed of the vehicle is reduced so that regenerative power can be generated by using the inertia of the vehicle, and the generated power is supplied to the HEP device, so that the continuous service power is supplied to the carriage.
이때, 종래의 HEP 장치는 주변환장치의 DC 링크를 공유하도록 설계가 되었기 때문에 컨버터/인버터 장치에 사용된 동일한 GTO 스택이 사용되었고, 이에 따라 전력소자의 PWM 주파수는 300Hz로 낮은 편이었으며, DC 링크의 전압이 2400~2800V 정도로 높기 때문에 감압용 변압기가 사용되었고 출력으로는 440V의 3상 교류전원이 발생된다.At this time, since the conventional HEP device is designed to share the DC link of the main converter, the same GTO stack used in the converter / inverter device is used, so that the PWM frequency of the power device is as low as 300 Hz, Voltage of 2400 ~ 2800V is high, so a transformer for decompression is used and a 3-phase AC power of 440V is generated as an output.
한편, 출력필터용 리액터는 별도의 외부 리액터 없이 주변압기함 내에 설치된 보조변압기의 누설인덕턴스를 사용하므로 매우 낮아 이를 보상하기 위한 대규모의 캐패시턴스는 무부하 상태에서도 수백 암페어의 무효전력을 발생시키므로 하부 부하장치의 오동작과 관련된 문제가 제기되고 있는 실정이다. On the other hand, since the reactor for output filter uses leakage inductance of the auxiliary transformer installed in the main transformer box without a separate external reactor, the large capacitance to compensate for the leakage inductance generates hundreds of amperes of reactive power even under no- Problems related to malfunction have been raised.
또한, 낮은 PWM 주파수는 필터의 차단주파수에 근접한 이유로 출력전압의 품질은 THD 10% 내외에서 만족해야 하는 형편이었다.In addition, the reason why the low PWM frequency is close to the cutoff frequency of the filter is that the output voltage quality should be satisfied at about 10% THD.
여기서, 종래의 HEP 즉, 객차전원공급장치의 기술문헌으로 국내등록실용신안 제20-0316354호가 개시되었다.Here, Korean Registered Utility Model No. 20-0316354 is disclosed as a technical document of a conventional HEP, that is, a passenger power supply device.
한편, 종래의 8200호대 전기기관차에는 도 1에 도시된 바와 같이 기계실 내부에 2대의 HEP 장치(HEP-1, HEP-2)가 설치되어 있고, 회로구성은 3상 2 레벨 GTO 인버터이며 정상상태에서는 1대만 부하에 연결되고 1대는 예비 상태로 동작하며, 독립적인 2대의 감압변압기가 주변압기함 내부에 설치되어 있으며 2차측은 병렬로 연결되어 있고 출력필터는 변압기의 누설인덕턴스와 델타로 연결된 캐패시터에 의하여 저주파차단회로(LPF)가 구성된다. On the other hand, As shown in Fig. 1, there are two HEP units (HEP-1 and HEP-2) installed in the machine room, and the circuit configuration is a three-phase, two-level GTO inverter. And one of them operates in reserve state. Two independent decompression transformers are installed inside the main transformer box. The secondary side is connected in parallel. The output filter is connected to the leakage inductance of the transformer and the delta- (LPF).
그리고, 종래의 HEP 장치는 하기 표 1에 도시된 바와 같이 필터로 사용되는 누설 인덕턴스는 1차측 누설인덕턴스를 2차측으로 환산하면 약 130 정도가 되지만 조사된 파형으로부터 역환산된 값은 약 180이고, 선간에 연결된 캐패시턴스는 매우 큰 값인 1.77이다.In the conventional HEP apparatus, as shown in Table 1, the leakage inductance used in the filter is approximately 130 when the primary leakage inductance is converted to the secondary, but the value obtained by inversely converting from the irradiated waveform is about 180, The capacitance connected to the line is very large, 1.77.
전력회로
Power circuit
변압기
Transformers
커패시터
Capacitor
이에 따라 출력필터의 차단주파수는 하기 수학식 1과 같이 구해진다Accordingly, the cut-off frequency of the output filter is obtained by the following equation (1)
여기서, 도 2에 도시된 그래프는 종래의 8200호대 전기기관차의 HEP 장치 출력으로부터 수집된 정상상태 데이터 파형을 나타낸 도면으로서 종래의 8200호대 전기기관차의 HEP 장치는 도 2(a)에 나타난 바와 같이 출력전압의 품질은 정상상태에서는 THD 10% 이하지만 과도상태에서는 이보다 높은 THD 14% 정도의 전압왜곡이 발생하는 문제점이 있었다. 2 shows a steady-state data waveform collected from the output of the HEP device of the conventional 8200 electric locomotive. The conventional HEP device of the 8200 electric locomotive has an output (output) as shown in FIG. 2 (a) The voltage quality is less than 10% of THD under normal conditions, but voltage distortion of THD 14% higher than that of overvoltage occurs.
또한, 종래의 8200호대 전기기관차의 HEP 장치는 캐패시터에 흐르는 무효전류를 나타낸 도 2(b)와 같이 부하의 유무와 무관하게 항상 300A를 초과하게 되는데 전압파형의 품질도 문제이지만 매우 큰 무효전류는 캐패시터의 열화를 가속시키는 문제점이 있었다.In addition, the conventional HEP apparatus of the 8200 electric locomotive always exceeds 300 A regardless of the presence or absence of load as shown in FIG. 2 (b) showing the reactive current flowing through the capacitor. The quality of the voltage waveform is also a problem, The deterioration of the capacitor is accelerated.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 GTO 소자의 단종에 따른 유지보수의 어려움이 급속히 증가함에 따라 주변환장치의 국산화를 고려한 새로운 HEP 장치용 최적화된 PWM 방법에 대하여 제안하고, GTO 소자를 대전력 IGBT로 변경하여 적용하여 유지보수성을 증대시키며, 기존의 출력필터 캐패시턴스는 무효전류를 너무 많이 발생시키므로 현재보다 작아지도록 개선하는 한편 변압기와 누설인덕턴스는 기존 장치와의 호환성을 고려하여 그대로 사용하면서도 출력전력의 품질을 향상시킨 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a new HEP apparatus optimized for a new HEP apparatus considering the localization of main transducer as the difficulty of maintenance due to the discontinuation of the GTO device rapidly increases. PWM method is proposed and the GTO device is changed to high power IGBT to improve the maintainability. The existing output filter capacitance improves to be smaller than the current because it generates too much reactive current, while the transformer and leakage inductance The present invention provides a PWM design method for improving output voltage quality of an 8200-class electric locomotive co-driver power supply device that improves the output power quality while maintaining compatibility with the device.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법은 상기 객차전원공급장치에 실장된 회로에 적용되는 상기 PWM 방식을 특정고조파를 제거할 수 있도록 스위칭 각을 미리 계산하는 SHEPWM(Selected Harmonics Elimination PWM)방식으로 구성시킨 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a PWM design method for improving output voltage quality of an 8200-class electric locomotive vehicle power supply device, comprising: A selected Harmonics Elimination PWM (SHEPWM) method in which a switching angle is calculated in advance.
상기 SHEPWM방식의 변조지수는 4개의 스위칭각이 사용되며 11펄스, 660Hz로 설계된 것을 특징으로 한다.The modulation index of the SHEPWM scheme is characterized in that four switching angles are used and 11 pulses and 660 Hz are designed.
상기 SHEPWM방식의 변조지수는 3의 스위칭각이 사용되며 9펄스, 540Hz로 설계된 것을 특징으로 한다.The modulation index of the SHEPWM scheme is characterized in that a switching angle of 3 is used and 9 pulses and 540 Hz are designed.
상기 SHEPWM방식의 필터 캐패시턴스는 1000uF로 설계된 것을 특징으로 한다.And the filter capacitance of the SHEPWM method is designed to be 1000 uF.
이와 같이 본 발명에 따른 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법의 효과는 다음과 같다.As described above, the effect of the PWM designing method for improving the output voltage quality of the 8200-class electric locomotive vehicle power supply apparatus according to the present invention is as follows.
첫째, 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치에 구비된 GTO 소자의 단종에 따른 유지보수의 어려움이 급속히 증가함에 따라 주변환장치의 국산화를 고려한 새로운 HEP 장치에 최적화된 PWM 방법을 제안함으로써, 전압 외곡률을 대폭 저하시킬 수 있고,First, as the difficulties of maintenance due to the discontinuation of GTO devices in the power supply of the 8200-class electric locomotive coaches are rapidly increasing, the PWM method optimized for the new HEP system considering the localization of the main converter is proposed, Can be greatly reduced,
둘째, GTO 소자를 대전력 IGBT로 변경하여 적용함으로써, 유지보수성을 증대시키며, Second, by applying the GTO device to a large-power IGBT, maintenance is enhanced,
셋째, 기존의 출력필터 캐패시턴스는 무효전류를 너무 많이 발생시키므로 현재보다 작아지도록 개선하는 한편 변압기와 누설인덕턴스는 기존 장치와의 호환성을 고려하여 그대로 사용하면서도 출력전력의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Third, the conventional output filter capacitance improves the current to be smaller than the present value because it generates too much reactive current, while the transformer and the leakage inductance can improve the quality of the output power while using it in consideration of compatibility with existing devices .
도 1은 종래의 8200호대 전기기관차 HEP장치를 나타내 보인 구성회로도이고,
도 2는 종래의 8200호대 전기기관차의 HEP 장치 출력으로부터 수집된 정상상태 데이터 파형을 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명에 따른 SHEPWM 방식을 사용한 스위칭 파형을 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명의 설계검증을 위한 시뮬레이션을 나타내 보인 회로도이며,
도 5는 도 4의 시뮬레이션에 대한 7펄스 SHEPWM방식의 파형 및 FFT결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 도 4의 시뮬레이션에 대한 9펄스 SHEPWM방식의 파형 및 FFT결과를 나타내 보인 그래프이며,
도 7은 도 4의 시뮬레이션에 대한 11펄스 SHEPWM방식의 파형 및 FFT결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 4의 시뮬레이션에 대한 11펄스 SPWM방식의 파형 및 FFT결과를 나타내 보인 그래프이며,
도 9는 도 4의 시뮬레이션에 대한 11펄스 SVPWM방식의 파형 및 FFT결과를 나타내 보인 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a conventional HEP apparatus for an 8200-
2 is a graph showing a steady-state data waveform collected from the HEP device output of a conventional 8200 electric locomotive,
3 is a graph showing a switching waveform using the SHEPWM method according to the present invention,
4 is a circuit diagram showing a simulation for design verification of the present invention,
FIG. 5 is a graph showing the waveform and FFT result of the 7-pulse SHEPWM method for the simulation of FIG. 4,
FIG. 6 is a graph showing a 9-pulse SHEPWM waveform and an FFT result for the simulation of FIG. 4,
FIG. 7 is a graph showing a waveform and FFT result of the 11-pulse SHEPWM method for the simulation of FIG. 4,
FIG. 8 is a graph showing a waveform and an FFT result of the 11-pulse SPWM method for the simulation of FIG. 4,
FIG. 9 is a graph showing the waveforms and FFT results of the 11-pulse SVPWM method for the simulation of FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법은 상기 객차전원공급장치(HEP)에 실장된 회로에 적용되는 상기 PWM 방식을 특정고조파를 제거할 수 있도록 스위칭 각을 미리 계산하는 SHEPWM(Selected Harmonics Elimination PWM)방식으로 구성된다.The PWM design method for improving the output voltage quality of the 8200-class electric locomotive coaster power supply device according to the present invention is characterized in that the PWM scheme applied to the circuit mounted on the carriage power supply unit (HEP) And a selected Harmonics Elimination PWM (SHEPWM) method in which angles are calculated in advance.
일반적으로 PWM 방식의 출력파형에는 반드시 고조파가 발생되어 스위칭 주파수가 높지 않은 경우 발생되는 고조파를 최소화하기 위해 스위칭 주파수를 기본주파수의 배수에 맞추는 동기식 PWM이 사용된다.In general, synchronous PWM is used to adjust the switching frequency to a multiple of the fundamental frequency in order to minimize the harmonics generated when harmonics are generated in the PWM type output waveform and the switching frequency is not high.
м여기서, 발생되는 고조파를 효과적으로 제거할 수 있는 상기 SHEPWM방식은 노치(Notch)라 부르는 미리 계산된 스위칭 각을 반주기 동안 사용하여 특정 고조파를 제거함과 동시에 출력전압의 크기를 제어할 수 있다.Here, the SHEPWM method capable of effectively removing generated harmonics can use a pre-calculated switching angle called a notch for half a period to remove specific harmonics and control the magnitude of the output voltage.
이를 간단히 설명하기 위하여 하기 위하여 일반적인 비정현 주기파의 푸리에 급수 전개를 하기 수학식 2과 같이 표시된다In order to briefly explain this, the Fourier series expansion of a general non-sinusoidal wave is expressed as
여기서, 출력되는 파형은 1/4 주기 간격으로 대칭되므로 기수(Odd) 고조파만으로 충분하며, 하기 수학식 3 내지 4와 같이 표현된다.Here, since the output waveform is symmetrical at 1/4 periodic intervals, only odd harmonics are sufficient and can be expressed by the following equations (3) to (4).
상기 v(t)가 단위크기, 즉 v(t)=±1 이라고 가정하면 bｎ은 하기 수학식 5와 같이 일반화가 가능하다.Assuming that v (t) is a unit size, that is, v (t) = 1, bn can be generalized as shown in Equation (5).
여기서, 상기 수학식 5는 도 3에 도시된 바와 같이 K개의 α각을 사용하여 기본파를 제외하고 총 (k-1)개의 특정고조파를 제거할 수 있음을 나타내는 것으로 3상 평형의 출력전압인 경우 3의 배수차 고조파는 발생하지 않는다. 따라서 4개의 α각을 사용하는 9펄스 출력의 경우 제거되는 고조파는 3개까지 제거가 가능하므로 3배수 고조파를 제외하면 5, 7, 11차의 고조파를 제거하는 것이 가능하다. As shown in FIG. 3, Equation (5) shows that a total of (k-1) specific harmonics except the fundamental wave can be removed using K angles as shown in FIG. 3, In
상기와 같이 SHEPWM 방식을 사용하면 고주파수의 스위칭 적용이 어려운 대전력용 IGBT의 경우에 효과적으로 고조파를 감소시킬 수 있는 최적의 PWM 방법이 될 수 있다. If the SHEPWM method is used as described above, it can be an optimal PWM method that can effectively reduce the harmonics in the case of a large power IGBT in which high frequency switching is difficult to apply.
여기서, 본 발명에 따른 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법에 대한 설계 사양은 다음과 같다.Here, the design specifications for the PWM design method for improving the output voltage quality of the 8200-class electric locomotive vehicle power supply device according to the present invention are as follows.
상기 객차전원공급장치에 대한 SHEPWM방식의 변조지수는 4개의 스위칭각이 사용되며 11펄스, 660Hz로 설계된다.The modulation index of the SHEPWM scheme for the carriage power supply is designed with 11 pulses and 660 Hz using four switching angles.
한편, 객차전원공급장치에 대한 상기 SHEPWM방식의 변조지수가 3의 스위칭각이 사용되며 9펄스, 540Hz로 설계되는 것도 바람직하다.
It is also preferable that a switching angle of 3 is used for the SHEPWM modulation index for the carriage power supply device and 9 pulses and 540 Hz are designed.
이어, 본 발명에 대한 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법 중 캐패시터 무효전류의 감소 방안에 관한 것은 아래와 같다.A method for reducing the capacitor reactive current in the PWM design method for improving the output voltage quality according to the present invention is as follows.
LC로 구성된 저주파 차단용 필터회로에서 캐패시터에 흐르는 무효전류는 하기 수학식 6에 의하여 구할 수 있다. The ineffective current flowing through the capacitor in the low-frequency cut-off filter circuit composed of LC can be obtained by the following equation (6).
여기서, ωm은 고조파주파수, Vm 은 고조파전압의 크기로서 상기 수학식 6에 따르면 무효전류의 크기를 현재보다 감소시키기 위해서는 캐패시턴스 값을 작게 해야 한다. 하지만 캐패시턴스를 작게 하면 상기 수학식 1에 의하여 필터의 차단주파수가 상승하므로 출력전압의 품질에 영향을 미칠 수 있게 된다.Here, ωm is the harmonic frequency, and Vm is the harmonic voltage. According to Equation (6), the capacitance value must be decreased in order to reduce the magnitude of the reactive current. However, if the capacitance is reduced, the cut-off frequency of the filter increases according to Equation (1), thereby affecting the quality of the output voltage.
여기서, 무효전류의 크기를 현재보다 30% 이상 감소시키는 것으로 가정하면 캐패시턴스의 값은 1240μF 이하가 되어야 하는데 예를 들어 캐패시턴스를 1200μF으로 하면 수학식 1에 의한 차단주파수는 197.7Hz가 되는데 이는 3차 고조파인 180Hz에 근접하므로 회피하는 것이 좋다. Assuming that the magnitude of the reactive current is reduced by 30% or more, the capacitance value should be 1240 μF or less. For example, if the capacitance is 1200 μF, the cutoff frequency according to
한편, 캐패시턴스 값이 1000μF 일 경우 차단주파수는 216.6Hz가 되는데 이는 3차 고조파로부터 36Hz 이상 차이가 있는 것으로 상기 1000μF 를 적정 필터 캐패시턴스 값으로 선정하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the capacitance value is 1000 μF, the cutoff frequency is 216.6 Hz, which is different from the third harmonic by 36 Hz, and it is preferable to select the above-mentioned 1000 μF as the appropriate filter capacitance value.
이로 인하여 상기와 같은 캐패시터 무효전류의 감소를 위한 설계 사양은 필터 캐패시턴스는 1000uF로 설계한다.
As a result, the design specification for reducing the reactive current of the capacitor is designed to have a filter capacitance of 1000 uF.
이하에서는 본 발명의 설계에 대한 검증을 확인하기 위하여 후술하는 바와 같이 시뮬레이션하였다.In order to verify the design of the present invention, a simulation is performed as described below.
상기 시뮬레이션은 상기 특정고조파제거방식(SHEPWM)을 구현하여 전력회로에 적용하였고, 시뮬레이션을 위한 기초 파라메터는 하기 표 2와 같이 선정된다. The simulation is implemented in the power circuit by implementing the specific harmonic elimination scheme (SHEPWM), and the basic parameters for the simulation are selected as shown in Table 2 below.
상기 표 2와 같이 최적화 PWM에 대한 검증을 위하여 수행한 시뮬레이션은 동일한 주파수의 SPWM(Sine PWM) 및 SVPWM(Space vector PWM)을 적용한 출력전압파형 및 캐패시터 전류를 SHEPWM 방식과 비교하여 우수한 특성을 보이는 방식을 정량적으로 비교하였다. As shown in Table 2, the simulation performed for the verification of the optimized PWM is to compare the output voltage waveform and the capacitor current using the SPWM (Sine PWM) and the SVPWM (Space Vector PWM) of the same frequency to the SHEPWM method Were quantitatively compared.
여기서, 시뮬레이션 툴은 전기전자회로의 설계에 많이 이용되는 PSpice를 사용하였으며 구성회로는 도 4와 같다.Here, the simulation tool uses PSpice, which is widely used in the design of electric and electronic circuits, and the configuration circuit is shown in FIG.
그리고, 도 5 내지 도 9는 7펄스부터 11펄스까지 SHEPWM, SPWM 및 SVPWM의 경우에 대한 각 부분의 파형 및 FFT 결과를 나타낸 것으로 각 그림의 좌측에는 전압 및 전류의 파형을 표시하였으며 우측에는 파형에 대한 주파수 영역의 결과를 확인하기 위한 FFT 변환 파형을 나타내었고, 내부그림 (a)에서 (d)까지의 의미는 (a)는 IGBT의 게이트 전압파형, (b)는 선간 전압파형, (c)는 필터링 이후의 전압파형, 및 (d)는 캐패시터에 흐르는 전류파형을 나타낸 것이다.5 to 9 show the waveforms and FFT results of each part in the case of SHEPWM, SPWM, and SVPWM from 7 pulses to 11 pulses. Voltage and current waveforms are shown on the left of each figure, and waveforms (A), (b), (c), (c), (d) and (c) show the waveforms of the FFT waveforms for confirming the results of the frequency domain. (D) shows the waveform of current flowing through the capacitor, and Fig.
여기서, 상기와 같은 시뮬레이션은 모두 5가지 경우로 나누어 실시하였고, 각각의 경우에 대한 상호간의 비교를 위해 40차까지의 고조파전압을 측정한 후 왜곡률(THD)을 계산하였다. Here, all of the above simulations were performed in five cases. In order to compare each case, the harmonic voltage up to 40th order was measured, and the distortion rate (THD) was calculated.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 α각이 2개 적용된 7펄스의 경우로 고조파는 11차(660Hz)에서부터 발생되지만 고조파 전압의 크기가 기본파보다도 더 크고 필터링 이후에도 완전히 제거되지 않아서 출력전압에 많은 고조파가 포함되었고 15%의 THD(전압 외곡률)가 계산되었다. 5, the harmonics are generated from the 11th wave (660 Hz), but the harmonic voltage is larger than the fundamental wave and is not completely removed even after the filtering, Harmonics were included and THD (Voltage Curvature) of 15% was calculated.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 α각이 3개 적용된 9펄스의 경우를 시뮬레이션한 것으로 기본파 이후 처음 발생한 고조파는 13차(780Hz)이고 고조파의 크기는 7펄스의 경우보다 훨씬 감소된 형태로 나타났으며, 필터링 이후의 전압파형도 매우 양호해서 THD는 8% 대에서 계산되었다. In addition, as shown in FIG. 6, a simulation of 9 pulses applied with three? Angles is performed. The first harmonic wave generated after the fundamental wave is 13th (780 Hz) and the harmonic amplitude is much reduced And the voltage waveform after filtering was also very good, so THD was calculated at 8%.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이 α각이 4개 적용된 11펄스의 경우를 시뮬레이션한 것으로 17차(1020Hz) 이후의 고조파가 발생되며 차단주파수에서 충분히 멀리 있어서 THD는 5% 대에서 계산되었다.Then, as shown in FIG. 7, 11 pulses applied with four angles of α are simulated. Harmonics after 17th (1020 Hz) are generated. The THD is calculated at 5% because the harmonics are sufficiently far from the cutoff frequency.
한편, 도 8 내지 도 9는 종래의 PWM방식인 Sine PWM(SPWM)과 공간벡터 PWM(SVPWM)과 본 발명에 대한 SHEPWM과의 비교를 위한 결과를 나타낸 것이다.8 to 9 show the results for comparison between the conventional PWM method, sine PWM (SPWM), space vector PWM (SVPWM), and SHEPWM of the present invention.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이 SPWM의 방식으로 스위칭 주파수를 갖는 11펄스 660Hz의 경우를 시뮬레이션한 것으로 이론적으로는 스위칭 주파수에 해당하는 660Hz 미만의 고조파를 제거할 수 있으나, 시뮬레이션에 나타난 바와 같이 전압벡터가 PWM 주기의 중간에 배치되는 Center aligned PWM을 적용하면 제거된 주파수의 앞뒤로 서브고조파가 발생하고, 이로 인하여 출력전압에는 저차의 고조파가 섞이게 되므로 동일한 펄스를 사용한 SHEPWM의 경우보다 높은 THD가 발생하게 된다. 이 경우에서는 9%의 THD가 계산되었다. As shown in FIG. 8, 11 pulses having a switching frequency of 660 Hz are simulated by the SPWM method. Theoretically, harmonics of less than 660 Hz corresponding to the switching frequency can be removed. However, as shown in the simulation, When the center aligned PWM is placed in the middle of the PWM cycle, sub harmonics are generated before and after the removed frequency. As a result, lower harmonics are mixed in the output voltage, so THD is higher than that of SHEPWM using the same pulse do. In this case, a THD of 9% was calculated.
마지막으로 도 9에 도시된 바와 같이 SVPWM의 방식으로 스위칭 주파수를 갖는 동일한 11펄스(660Hz)의 경우를 시뮬레이션한 것으로 스위칭 주파수를 사용한 경우 중에서 가장 좋지 않은 결과를 얻었는데 계산된 THD는 14.1%로 이것은 7펄스(420Hz) SHEPWM의 경우와 유사하고, 출력전압파형은 3상이 일치되지 않은 형태로 나타났다.Finally, as shown in FIG. 9, the simulation results for the same 11 pulses (660 Hz) with the switching frequency in the SVPWM scheme were the worst among the switching frequencies, and the calculated THD was 14.1% 7 pulses (420 Hz) SHEPWM, and the output voltage waveforms are in a form in which the three phases do not coincide.
상기의 시뮬레이션 결과에 따른 출력전압 왜곡률(THD)을 하기 표 3과 같이 표시하였다.The output voltage distortion rate (THD) according to the above simulation results is shown in Table 3 below.
상기와 같이 본 발명에서는 8200호대 전기기관차에 적용되는 객차전원공급장치의 출력전압 품질향상과 필터캐패시터에 흐르는 무효전류의 크기를 감소시키기 위하여 필터 캐패시턴스의 값을 새롭게 선정하였고 저속의 PWM 주파수를 적용한 최적의 PWM 방안을 도출하였고, 이를 위하여 다수의 PWM 방식의 정량적 비교를 위해 시뮬레이션을 실시하여 선정된 필터계수를 적용한 출력전압의 왜곡율을 계산함으로써, 무효전류 저감 목적을 위해 기존의 1.77mF의 필터 캐패시턴스를 1.0mF로 40% 이상 감소시켰고, SHEPWM 9 펄스 및 11 펄스의 경우 THD가 10% 미만으로 기존보다 전압품질을 개선할 수 있게 되었다.As described above, in order to improve the output voltage quality of the passenger power supply apparatus applied to the 8200 electric locomotive and to reduce the magnitude of the reactive current flowing through the filter capacitor, a new value of the filter capacitance is selected, The PWM method of the PWM method is derived. For this purpose, the simulation is performed for the quantitative comparison of multiple PWM methods, and the distortion factor of the output voltage using the selected filter coefficient is calculated. Thus, the filter capacitance of 1.77 mF is used for the purpose of reducing the reactive current 1.0mF, and SHEPWM 9 pulses and 11 pulses, THD is less than 10%, which improves the voltage quality.
특히, 11 펄스의 경우 THD가 5%대로 매우 개선된 효과가 있으며 무효전류도 50% 이상 감소할 수 있게 되었다.In particular, 11 pulses have a greatly improved THD of 5% and can reduce the reactive current by more than 50%.
또한, 낮은 PWM 주파수를 사용하는 경우 SHEPWM > SPWM > SVPWM 방식의 순으로 효과가 있음을 확인하였다. In case of using low PWM frequency, it is confirmed that SHEPWM> SPWM> SVPWM method is effective.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims and their equivalents. Of course, such modifications are within the scope of the claims.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
HEP : 객차전원공급장치
THD : 전압 외곡률Description of the Related Art
HEP: carriage power supply THD: curvature outside voltage
Claims (4)
상기 객차전원공급장치(HEP)에 실장된 회로에 적용되는 PWM 방식을 특정고조파를 제거할 수 있도록 스위칭 각을 미리 계산하는 SHEPWM(Selected Harmonics Elimination PWM)방식으로 구성시킨 것을 특징으로 하는 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법.A method of PWM design for a power supply of an 8200-bed electric locomotive vehicle power supply,
A PWM method applied to a circuit mounted on the passenger compartment power supply device (HEP) is constituted by a Selected Harmonics Elimination PWM (SHEPWM) method in which a switching angle is calculated in advance so as to remove a specific harmonic wave. A PWM Design Method for Improving Output Voltage Quality of Passenger Power Supply.
상기 SHEPWM방식의 변조지수는 4개의 스위칭각이 사용되며 11펄스, 660Hz로 설계된 것을 특징으로 하는 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법.The method according to claim 1,
Wherein the modulation index of the SHEPWM scheme is designed to be 11 pulses and 660 Hz using four switching angles. The PWM design method for enhancing the output voltage quality of the 8200-class electric locomotive coaster power supply device.
상기 SHEPWM방식의 변조지수는 3의 스위칭각이 사용되며 9펄스, 540Hz로 설계된 것을 특징으로 하는 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법.The method according to claim 1,
Wherein the modulation index of the SHEPWM scheme is designed to be 9 pulses and 540 Hz using a switching angle of 3. The PWM design method for enhancing the output voltage quality of the 8200-
상기 SHEPWM방식의 필터 캐패시턴스는 1000uF로 설계된 것을 특징으로 하는 8200호대 전기기관차 객차전원공급장치의 출력전압품질 향상을 위한 PWM 설계방법.The method according to claim 1,
Wherein the SHEPWM filter capacitance is designed to be 1000 uF. The PWM design method for enhancing the output voltage quality of the 8200-bed electric locomotive co-driver power supply device.
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