KR20160003906A

KR20160003906A - 개별 견인력 제어를 위한 고속 전철용 1ｃ1ｍ 추진 제어 장치

Info

Publication number: KR20160003906A
Application number: KR1020140081550A
Authority: KR
Inventors: 정만규; 이광주; 박건태; 조성준
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-12
Also published as: KR101587915B1

Abstract

개별 전동기 출력 제어를 위한 고속 전철용 1Ｃ1Ｍ 추진 제어 장치가 제공된다. 추진 제어 장치는, 하나의 대차에 2개의 견인 전동기가 장착된 고속 전철용 추진 제어 장치에 있어서, 제1 견인 전동기의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터와, 제1 컨버터와 병렬 연결되며, 제2 견인 전동기의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터와, 제1 컨버터 및 제2 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 충전하는 단일의 직류 링크단과, 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 주파수로 제1 견인 전동기를 제어하는 제1 인버터와, 제1 인버터와 병렬 연결되며, 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 주파수로 제2 견인 전동기를 제어하는 제2 인버터를 구비함으로써, 회전되는 차륜 간의 직경을 40mm 이하로 제어할 수 있으며, 정밀한 슬립/슬라이드 제어가 가능하다.

Description

개별 견인력 제어를 위한 고속 전철용 1Ｃ1Ｍ 추진 제어 장치{1Ｃ1Ｍ PROPULSION CONTROL SYSTEM OF HIGH SPEED TRAIN FOR INDIVISUAL TRACTIVE EFFORT CONTROL}

본 출원은, 고속 전철의 추진 제어에 관한 것이다.

일반적으로, 고속 전철은 추진 제어 장치를 구비하고 있으며, 해당 추진 제어 장치는 전동기에 공급되는 전류를 제어함으로써 전동기를 구동하는 추진력을 발생시킨다.

종래의 고속 전철용 추진 제어 장치(Propulsion Control System, PCS)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주변압기(100), 2개의 컨버터(131, 132), 직류 링크단(141), 초퍼 회로(151) 및 인버터(161)를 포함하며, 각각의 컨버터(131, 132)와 인버터(161)는 용량을 고려하여 전력 반도체를 병렬 운전하는 구조로 이루어져 있다.

구체적으로, 고속 전철용 추진 제어 장치(PCS)는 주변압기(100)를 통해 입력된 가선 전압 AC 25,000V는 AC 1,400V로 감소되어 컨버터(131, 132)로 전달되며, 컨버터(131, 132)는 AC 1,400V를 DC 2,800V로 변환하여 직류 링크단(141)에 저장한다. 이후, 인버터(161)는 직류 링크단(141)의 DC 2,800V 전압을 AV 0 ~ 2,183V로 변환하여 열차 운행 속도와 운전 지령에 따라 견인 전동기(IM1, IM2)에 공급하도록 구성된다.

또한, 추진 제어 장치(PCS)는 부수적으로 다음과 같은 회로를 필요로 한다. 즉, 충전 회로(121)는 직류 링크단(141)의 급격한 전압 상승을 방지하기 위한 회로이며, MK1, MK2는 주변압기(100와 컨버터(131, 132) 차단용 스위치, CS1 내지 CS6은 전류 센서, FS1 내지 FS2는 휴즈(fuse)일 수 있다.

상술한 도 1의 고속 전철용 추진 제어 장치(PCS)는, 1C2M(C는 인버터, M은 견인 전동기를 의미함) 구조로, 1개의 인버터(161)로 2개의 견인 전동기(IM1, IM2)를 동시에 제어하게 되며, 견인 전동기(IM1, IM2)의 토크는 기어 박스를 통해 차륜에 동력을 전달하게 된다. 따라서, 한 개의 대차에 2개의 견인 전동기가 장착될 경우 1개의 인버터(161)가 2개의 견인 전동기(IM1, IM2)를 동일 주파수로 제어하게 된다.

이와 같이 1개의 인버터(161)가 2개의 견인 전동기(IM1, IM2)를 동일 주파수로 제어할 때는 인접한 2개의 차륜의 직경차는 최대 4mm 이하가 되도록 관리되어야 하며, 1개의 차륜이 찰상 등과 같은 이유로 손상을 입을 경우 2개의 차륜 모두를 삭정하여야 하는 경우가 빈번하게 발생한다. 또한, 1개의 차륜이 미끄러지는 경우에도 견인력이 감소되기 때문에 2개의 견인 전동기의 동력이 감소되는 결과가 초래되며, 그 결과 정밀한 슬립/슬라이드 제어를 수행하는데 어려움이 있다.

또한, 추진 제어 장치(PCS)가 정상 동작하는 경우에는 가선 고조파의 크기를 감소시키기 위해 2개의 컨버터(131, 132)는 90도 위상차 제어가 수행되며, 2개의 컨버터(131, 132) 중 1개의 컨버터에 고장이 발생한 경우 컨버터(131, 132) 모두가 차단되게 되어 있다. 즉, 충전 회로(121)는 1개의 컨버터(131)에만 구비되어 있기 때문에 1개의 컨버터에 고장이 발생한 경우 컨버터(131, 132) 모두가 차단된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 인버터(161, 162)가 2개의 견인 전동기(IM1, IM2)를 각각 제어하는 1C1M 구조의 추진 제어 장치(PCS)가 대두되었다. 하지만, 이러한 1C1M 구조의 추진 제어 장치(PCS)는 충전 회로(122), 직류 링크단(142), 초퍼 회로(152), 인버터(162), 휴즈(FS3, FS4), 전류 센서(CS7 내지 CS10) 등이 추가되어야 하기 때문에 추진 제어 장치(PCS)의 전체 부피가 증가하는 문제점이 있다.

관련 선행 기술로는, 한국공개특허 제2013-0034432호('고속전철 추진시스템용 컨버터를 이용한 저항제동 시험방법', 공개일: 2013년 4월 5일)가 있다.

한국공개특허 제2013-0034432호('고속전철 추진시스템용 컨버터를 이용한 저항제동 시험방법', 공개일: 2013년 4월 5일)

본 출원은, 2개의 견인 전동기 각각에 의해 회전되는 차륜 간의 직경을 40mm 이하로 제어할 수 있으며, 정밀한 슬립/슬라이드 제어가 가능한 개별 전동기 출력 제어를 위한 고속 전철용 추진 제어 장치를 제공한다.

또한, 본 출원은, 추진 제어 장치(PCS)의 전체 부피를 줄일 수 있으며, 어느 하나의 컨버터 또는 어느 하나의 인버터에 고장이 발생한 경우에도 총 견인력의 50%만으로도 추진 제어 장치를 계속 구동할 수 있으며, 가선 고조파의 크기를 줄일 수 있는 개별 전동기 출력 제어를 위한 고속 전철용 추진 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하나의 대차에 2개의 견인 전동기가 장착된 고속 전철의 추진 제어 장치에 있어서, 제1 견인 전동기의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 컨버터와 병렬 연결되며, 제2 견인 전동기의 구동을 위해 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터; 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 충전하는 단일의 직류 링크단; 상기 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 주파수로 상기 제1 견인 전동기를 제어하는 제1 인버터; 및 상기 제1 인버터와 병렬 연결되며, 상기 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 주파수로 상기 제2 견인 전동기를 제어하는 제2 인버터를 구비하는 고속 전철용 추진 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는, 상기 제1 견인 전동기에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 상기 제2 견인 전동기에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경에 따라, 서로 동일하거나 또는 상이한 주파수를 가질 수 있다

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 견인 전동기에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 상기 제2 견인 전동기에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경의 차이는, 40mm 이하로 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 고속 전철용 추진 제어 장치는 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 입력단 각각에 구비되어, 상기 단일의 직류 링크단에 충전되는 전압의 급격한 상승을 방지하기 위한 충전 회로를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 고속 전철용 추진 제어 장치는, 상기 단일의 직류 링크단과 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터 사이에 구비되어, 회생 제동으로 인해 상승하는 상기 단일의 직류 링크단의 직류 전압을 저항을 통해 소모시키도록 동작하는 단일의 초퍼 회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 고속 전철용 추진 제어 장치는, 초퍼 구동 신호를 입력받기 위한 제1 광 입력 포트 및 제2 광 입력 포트를 구비하며, 상기 광 입력 포트들 중 어느 하나로 초퍼 구동 신호가 입력되면, 초퍼 구동 신호를 출력하는 단일의 광 출력 포트를 구비한 인터페이스; 및 상기 광 출력 포트로부터 초퍼 구동 신호가 출력되면 상기 단일의 초퍼 회로의 동작을 제어하는 초퍼 제어기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 컨버터의 고장시 상기 제1 인버터도 함께 동작 정지시키며, 상기 제2 컨버터의 고장시 상기 제2 인버터도 함께 동작 정지되나, 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터 중 어느 하나가 동작 정지되는 경우에는 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터는 모두 동작될 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터는, 3개의 인버터 스텍내에 포함되며, 각각의 인버터 스텍은, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제1 스위칭부를 2개 포함하는 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 각각의 제1 스위칭부는 3상 중 한 상의 출력을 제공하도록 구성되며, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터는, 4개의 컨버터 스텍 내에 포함되며, 각각의 컨버터 스텍은, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제2 스위칭부 2개가 병렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 4개의 입력 라인 중 하나의 라인에 연결되도록 구성되며, 상기 초퍼 회로는, 병렬 연결된 2개의 스위칭 소자가 다이오드와 직렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조일 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 1C1M 구조의 추진 제어 장치를 통해 1개의 인버터가 1개의 견인 전동기를 개별적으로 제어함으로써, 2개의 견인 전동기 각각에 의해 회전되는 차륜 간의 직경을 40mm 이하로 제어할 수 있으며, 정밀한 슬립/슬라이드 제어가 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 단일의 직류 링크단을 공유함으로써, 추진 제어 장치(PCS)의 전체 부피를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 나머지 하나의 컨버터에도 충전 회로를 추가함으로써, 어느 하나의 컨버터 또는 어느 하나의 인버터에 고장이 발생한 경우에도 다른 컨버터 또는 다른 인버터가 동작하도록 하는 시퀀스를 추가함으로써, 총 견인력의 50%만으로도 추진 제어 장치를 계속 구동할 수 있으며, 가선 고조파의 크기를 줄일 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치의 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 플러그 인 구조의 컨버터 스텍, 인버터 스텍 및 충전 회로 스텍을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 추진 제어시 주요부의 파형을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치의 구성도이다. 한편, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 플러그 인 구조의 컨버터 스텍, 인버터 스텍 및 충전 회로 스텍을 도시한 도면이다.

이하, 도 2 내지 도 3b를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치 및 이의 동작을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철용 추진 제어 장치는, 주변압기(100), 2개의 충전 회로(121, 122), 제1 컨버터(131), 제2 컨버터(132), 단일의 직류 링크단(141), 단일의 초퍼 회로(151), 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)를 포함할 수 있다. 한편, CS1 내지 CS10은 전류 센서를, FS1 내지 FS4는 휴즈(fuse)를, AK1 내지 AK2와 MK1 내지 MK2는 스위치를 도시하고 있다.

구체적으로, 주변압기(100)는 권선비에 따라 입력된 가선 전압 AC 25,000V을 AC 1,400V로 감소시킬 수 있다.

2개의 컨버터(131, 132) 각각은, 각각 주변압기(100)에 의해 감소된 AC 1,400V을 DC 2,800V로 변환하여 단일의 직류 링크단(141)을 충전할 수 있다. 2개의 컨버터(131, 132)의 출력은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상호 병렬 연결될 수 있다.

쵸퍼 회로(151)는, 사(死)구간에서 회생되는 에너지를 제동 저항(R3)을 통해 소모하거나, 회생 제동으로 인해 단일의 직류 링크단(141)의 전압 상승이 생길 경우 제동 저항(R3)을 통해 전력을 소모하도록 동작한다.

한편, 2개의 인버터(161, 162) 각각은, 상호 병렬 연결되며, 단일의 직류 링크단(141)에 충전된 DC 2,800V 전압을 AV 0 ~ 2,183V로 변환하여 열차 운행 속도와 운전 지령에 따라 견인 전동기(IM1, IM2)에 공급하도록 구성된다.

구체적으로, 제1 인버터(161)는 제1 주파수로 제1 견인 전동기(IM1)를 제어하며, 제2 인버터(162)는 제2 주파수로 제2 견인 전동기(IM2)를 제어할 수 있다.

여기서, 제1 주파수와 상기 제2 주파수는, 제1 견인 전동기(IM1)에 의해 회전하는 제1 차륜(미도시)의 직경과 제2 견인 전동기(IM2)에 의해 회전하는 제2 차륜(미도시)의 직경에 따라, 서로 동일하거나 또는 상이한 주파수를 가질 수 있다. 즉, 제1 차륜의 직경과 제2 차륜의 직경이 같은 경우 제1 주파수와 상기 제2 주파수는 동일한 값일 수 있으나, 제1 차륜의 직경과 제2 차륜의 직경이 다른 경우는 서로 상이한 값일 수 있다.

그리고, 2개의 충전 회로(121) 각각은, 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)의 입력단 각각에 구비되며, 전류 제한 저항(R1, R2)을 이용하여 단일의 직류 링크단(141)에 충전되는 전압의 급격한 상승을 방지할 수 있다.

상술한 추진 제어 장치의 2개의 컨버터(131, 132), 2개의 인버터(161, 162) 및 단일의 초퍼 회로(151)의 전력 회로는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 컨버터 스텍 4개(321 내지 324), 인버터 스텍 3개(311 내지 313), 초퍼 스텍 1개(151)의 총 3 종류의 스텍으로 개발하였다.

구체적으로, 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)는, 4개의 컨버터 스텍(321 내지 324) 내에 포함되며, 각각의 컨버터 스텍(321 내지 324)은, 도 3b의 (a)에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제1 스위칭부 2개가 병렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 4개의 입력 라인 중 하나의 라인에 연결되도록 구성되며, 플러그 인 핀은 (+), (O), (-)로 총 3개가 된다. 컨버터 스텍의 경우 2개의 스위칭 소자가 병렬로 사용된다.

한편, 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)는, 3개의 인버터 스텍(311 내지 313) 내에 포함되며, 각각의 인버터 스텍(311 내지 313)은, 도 3b의 (b)에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제2 스위칭부를 2개 포함하는 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 각각의 제1 스위칭부는 3상(A1-B1-C1, A2-B2-C2) 중 한 상의 출력을 제공하도록 구성되며, 플러그 인 핀은 (+), (O), (O), (-), (-)로 총 5개가 된다. 인버터 스텍(311 내지 313)의 경우 컨버터 스텍과 달리 스위칭 소자를 병렬로 사용하지 않으며, 출력핀은 2개가 출력되도록 한다.

그리고, 초퍼 회로(151)는, 도 3b의 (c)에 도시된 바와 같이, 병렬 연결된 2개의 스위칭 소자가 다이오드와 직렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조이며, 플러그 인 핀은 (+), (O), (-)로 총 3개가 된다.

한편, 추진 제어 장치의 제어부(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 주제어기(210), 컨버터 제어기(220), 제1 인버터 제어기(230), 제2 인버터 제어기(240), 초퍼 제어기(280), 인터페이스 카드(250, 260, 270) 들로 구성될 수 있다.

즉, 운전석 지령(F, R, P, B)이 주제어기(210)로 입력되면, 주제어기(210)는 내부의 메모리 선택기(211)에 의해 선택된 내부 메모리(221, 231, 241)에 운전석 지령(F, R, P, B)을 저장하며, 각각의 제어기(220, 230, 240)는 내부 메모리(221, 231, 241) 저장된 운전석 지령에 따라 컨버터(131, 132), 인버터(161, 162)를 제어할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, ICIM 추진 제어 장치(PCS)의 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)는 1개의 컨버터 제어기(220)에 의해 제어될 수 있으며, 1개의 컨버터 제어기(220)는 컨버터의 입력 전류가 90도의 위상차가 발생되도록 병렬 운전 제어할 수 있다.

ICIM 추진 제어 장치(PCS)의 제1 인버터(161)는 제1 인버터 제어기(230)에 의해 제어되며, 제2 인버터(162)는 제2 인버터 제어기(240)에 의해 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 인버터(161)는 제1 주파수로 제1 견인 전동기(IM1)를 제어하며, 제2 인버터(162)는 제2 주파수로 제2 견인 전동기(IM2)를 제어할 수 있으며, 제1 주파수와 상기 제2 주파수는, 제1 견인 전동기(IM1)에 의해 회전하는 제1 차륜(미도시)의 직경과 제2 견인 전동기(IM2)에 의해 회전하는 제2 차륜(미도시)의 직경에 따라, 서로 동일하거나 또는 상이한 주파수를 가질 수 있음은 상술한 바와 같다.

도 2에서 미설명된 도면부호 250은 전류 센서(CS1 내지 CS5)에서 센싱된 전류값을 해당 제어기(220 또는 230)로 전달하는 인터페이스 카드이며, 도면부호 260은 전류 센서(CS8 내지 CS10)에서 센싱된 전류값을 해당 제어기(240)로 전달하는 인터페이스 카드이다.

한편, 인터페이스(270) 및 초퍼 제어기(280)는 초퍼 회로(151)를 제어하는 제어 모듈이다. 즉, 쵸퍼 회로(151)는, 사(死)구간에서 회생되는 에너지를 제동 저항(R3)를 통해 소모하거나, 회생 제동으로 인해 단일의 직류 링크단(141)의 전압 상승이 생길 경우 제동 저항(R3)을 통해 전력을 소모하도록 동작한다.

구체적으로, 인터페이스(270)는 초퍼 구동 신호를 입력받기 위한 제1 광 입력 포트 및 제2 광 입력 포트를 구비하며('이중화 구조'), 광 입력 포트들 중 어느 하나로 초퍼 구동 신호가 입력되면, 초퍼 구동 신호를 출력하는 단일의 광 출력 포트를 구비하고 있으며, 초퍼 제어기(280)는, 광 출력 포트로부터 초퍼 구동 신호가 출력되면 단일의 초퍼 회로(151)의 동작을 제어할 수 있다. 최초 초퍼 제어는 제1 인버터 제어기(230)로부터 수신된 초퍼 구동 신호에 의해 수행되며, 제1 인버터(161)의 고장시에는 제2 인버터 제어기(240)로부터 수신된 초퍼 구동 신호에 의해 수행될 수 있다.

도 1a에 도시된 종래의 추진 제어 장치는, 제1 컨버터(131), 제2 컨버터(132), 인버터(161) 중 어느 하나만 고장이 발생되면 동작이 정지되는 단점이 있었다.

이를 위해 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하기의 표 1 및 표 2에 도시된 바와 같이 동작하는 시퀀스를 추가하였다. 표 1은 컨버터 고장시 인버터의 운용 방안이며, 표 2는 인버터의 고장시 컨버터의 운용 방안이다.

제1 컨버터(131)	제2 컨버터(132)	제1 인버터(161)	제2 인버터(162)
○	○	○	○
○	고장	○	동작 정지
고장	○	동작 정지	○

제1 컨버터(131)	제2 컨버터(132)	제1 인버터(161)	제2 인버터(162)
○	○	○	○
○	○	○	고장
○	○	고장	○

즉, 표 1에서 설명된 바와 같이, 제1 컨버터(131)의 고장시 제1 인버터(161)만을 동작 정지시키며, 제2 컨버터(132)의 고장시 제2 인버터(162)만을 동작 정지시킴으로써, 총 견인력의 50%만으로도 추진 제어 장치를 계속 구동할 수 있도록 하였다.

하지만, 표 2에서 설명된 바와 같이, 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162) 중 어느 하나가 고장시에는 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)는 모두 동작되도록 하였는데, 이는 어느 하나의 인버터(161, 162)가 고장난 경우에 2개의 컨버터(131, 132)를 병렬 운전함으로써, 가선 고조파의 크기를 최대한 줄이기 위함이다.

한편, 도 4 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 추진 제어시 주요부의 파형을 도시한 도면이다.

도 4는 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)를 동일한 주파수로 제어한 경우의 주요부 파형으로 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전류, (d)는 제2 인버터(162)의 출력 전류를 도시한 것이다.

한편, 도 5는 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)를 상이한 주파수로 제어한 경우의 주요부 파형으로 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전류를, (d)는 제2 인버터(162)의 출력 전류를 도시한 것이다.

한편, 개발된 추진 제어 장치의 하드웨어의 성능을 확인하기 위하여 컨버터(131, 132), 인버터(161, 162)에 대하여 정격 부하 시험을 실시하였다. 단일의 직류 링크단(141)에 저항 부하를 연결하고 컨버터(131, 132)에 정격 전류 920A가 흐르도록 저항 부하의 저항값을 조절하였다. 도 6은 이러한 정격 부하 실험시의 파형으로, (a)는 컨버터(131, 132)의 입력 전압이 PWM(Pulse Width Modulation)으로 된 파형을 도시하고 있으며, (b)는 제1 컨버터(131)와 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 단일의 직류 링크단(141)의 전압을 도시한 것으로, (b)에 도시된 바와 같이, 제1 컨버터(131)와 제2 컨버터(132)의 입력 전류로 920A가 흐르면서 90도의 위상차를 가지고 정현적으로 잘 제어되고 있음을 알 수 있다.

또한, 인버터(161, 162)의 주파수 제어 특성을 확인하기 위하여, 무부하 상태에서 인버터(161, 162)의 출력 전압을 측정하였으며, 이는 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전압을, (d)는 제2 인버터(162)의 출력 전압을 도시한 것이다.

또한, 도 8은 상이한 주파수로 제어시 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)의 출력 전압을 도시한 것으로, (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전압을, 제2 인버터(162)의 출력 전압을 도시하고 있다.

한편, 제1 인버터(161) 및 제2 인버터(162)에 대하여 정격 부하 실험을 실시하였으며, 도 9는 제1 인버터(161)에 대한 정격 부하 실험 파형을, 도 10은 제2 인버터(162)에 대한 정격 부하 실험 파형을 도시하고 있다. 출력 전류가 360A가 흐르도록 저항값을 조정하였다. 도 9의 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전류를, (d)는 직류 링크단(141)의 전압을, 제1 인버터(161)의 출력 전류를 도시하고 있다. 그리고, 도 10의 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (c)는 직류 링크단(141)의 전압을, (d)는 제2 인버터(162)의 출력 전류를 도시하고 있다.

한편, 컨버터(131, 132), 인버터(161, 162) 각 군별로 정격 부하 실험을 실시하였으며, 도 11의 (a)는 제1 컨버터(131)의 입력 전류를, (c)는 제1 인버터(161)의 출력 전류를, 도 12의 (b)는 제2 컨버터(132)의 입력 전류를, (d)는 제2 인버터(162)의 출력 전류를 도시하고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 1C1M 구조의 추진 제어 장치를 통해 1개의 인버터가 1개의 견인 전동기를 개별적으로 제어함으로써, 2개의 견인 전동기 각각에 의해 회전되는 차륜 간의 직경을 40mm 이하로 제어할 수 있으며, 정밀한 슬립/슬라이드 제어가 가능하다.

한편, 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 직류 링크단을 공유하는 고속 전철의 추진 제어 방법을 설명하는 흐름도로, 이하에서는 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 의한 고속 전철의 추진 제어 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 12와 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 12를 참조하면, 우선, 제1 컨버터(131)는, 제1 견인 전동기(IM1)의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다(S1301).

다음, 제1 컨버터(131)와 병렬 연결된 제2 컨버터(132)는 제2 견인 전동기(IM2)의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다(S1302).

다음, 단일의 직류 링크단(141)은, 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)에 의해 변환된 직류 전압을 충전할 수 있다.

다음, 제1 인버터(161)는, 단일의 직류 링크단(141)에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 주파수로 제1 견인 전동기(IM1)를 제어할 수 있다(S1304).

마지막으로, 제1 인버터(161)와 병렬 연결된 제2 인버터(162)는, 단일의 직류 링크단(141)에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 주파수로 제2 견인 전동기(IM2)를 제어할 수 있다(S1305).

여기서, 제1 주파수와 제2 주파수는, 제1 견인 전동기(IM1)에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 제2 견인 전동기(IM2)에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경에 따라, 서로 동일하거나 또는 상이한 주파수를 가질 수 있으며, 제1 견인 전동기(IM1)에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 제2 견인 전동기(IM2)에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경의 차이는, 40mm이하로 제어될 수 있음은 상술한 바와 같다.

본 출원은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

100: 주변압기 121, 122: 충전 회로
131, 132: 컨버터 141, 142: 직류 링크단
151, 152: 초퍼 회로 161, 162: 인버터
200: 추진 제어 장치의 제어부 210: 주제어기
211: 메모리 선택기 220: 컨버터 제어기
221, 231, 241: 내부 메모리 230, 240: 인버터 제어기
250, 260, 270: 인터페이스 카드 280: 초퍼 제어기
CS1 내지 CS10: 전류 센서 FS1 내지 FS4: 퓨즈(fuse)
IM1 내지 IM2: 견인 전동기

Claims

하나의 대차에 2개의 견인 전동기가 장착된 고속 전철의 추진 제어 장치에 있어서,
제1 견인 전동기의 구동을 위해 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터;
상기 제1 컨버터와 병렬 연결되며, 제2 견인 전동기의 구동을 위해 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터;
상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 충전하는 단일의 직류 링크단;
상기 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 주파수로 상기 제1 견인 전동기를 제어하는 제1 인버터; 및
상기 제1 인버터와 병렬 연결되며, 상기 단일의 직류 링크단에 충전된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 주파수로 상기 제2 견인 전동기를 제어하는 제2 인버터를 구비하는 추진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는,
상기 제1 견인 전동기에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 상기 제2 견인 전동기에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경에 따라, 서로 동일하거나 또는 상이한 주파수를 가지는 추진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 견인 전동기에 의해 회전하는 제1 차륜의 직경과 상기 제2 견인 전동기에 의해 회전하는 제2 차륜의 직경의 차이는,
40mm이하로 제어되는 추진 제어 장치.
제1항에 있어서,
추진 제어 장치는
상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 입력단 각각에 구비되어, 상기 단일의 직류 링크단에 충전되는 전압의 급격한 상승을 방지하기 위한 충전 회로를 더 구비하는 추진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 추진 제어 장치는,
상기 단일의 직류 링크단과 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터 사이에 구비되어, 회생 제동으로 인해 상승하는 상기 단일의 직류 링크단의 직류 전압을 저항을 통해 소모시키도록 동작하는 단일의 초퍼 회로를 더 포함하는 추진 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 추진 제어 장치는,
초퍼 구동 신호를 입력받기 위한 제1 광 입력 포트 및 제2 광 입력 포트를 구비하며, 상기 광 입력 포트들 중 어느 하나로 초퍼 구동 신호가 입력되면, 초퍼 구동 신호를 출력하는 단일의 광 출력 포트를 구비한 인터페이스; 및
상기 광 출력 포트로부터 초퍼 구동 신호가 출력되면 상기 단일의 초퍼 회로의 동작을 제어하는 초퍼 제어기를 더 포함하는 추진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 컨버터의 고장시 상기 제1 인버터도 함께 동작 정지시키며,
상기 제2 컨버터의 고장시 상기 제2 인버터도 함께 동작 정지되나,
상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터 중 어느 하나가 동작 정지되는 경우에는 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터는 모두 동작되는 추진 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터는, 3개의 인버터 스텍내에 포함되며, 각각의 인버터 스텍은, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제1 스위칭부를 2개 포함하는 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 각각의 제1 스위칭부는 3상 중 한 상의 출력을 제공하도록 구성되며,
상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터는, 4개의 컨버터 스텍 내에 포함되며, 각각의 컨버터 스텍은, 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자로 구성된 제2 스위칭부 2개가 병렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조로, 4개의 입력 라인 중 하나의 라인에 연결되도록 구성되며,
상기 초퍼 회로는, 병렬 연결된 2개의 스위칭 소자가 다이오드와 직렬 연결된 탈부착 가능한 플러그 인 구조인 추진 제어 장치.