KR20160009521A - current control method by load variation of railway vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 열차에 전기에너지를 공급하는 시스템에 있어서 DC 입력전압을 전력 변환하여 부하변동에 대응하여 PAM 방식으로 전류를 출력하도록 제어하는 인버터 제어 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of controlling an inverter current according to a load variation of a train, and more particularly, to a system for supplying electric energy to a train, To an inverter control method for controlling the inverter.
일반적으로 열차는 지하철이나 전철 등과 같이 선로(線路) 위를 주행하는 대중교통수단으로서, 대단위의 승객 수송에 유리하며 정시성을 갖는 장점이 있다.Generally, a train is a public transportation system that travels on a railroad track, such as a subway or a train, and is advantageous in that it is advantageous in transporting a large number of passengers and has regularity.
이때, 지하철이나 전철과 같은 열차의 운행을 위해서는 차량에 전력의 공급이 필수적이다.At this time, it is essential to supply electric power to the vehicle for the operation of a train such as a subway or a train.
이와 같이 열차 구동을 위한 전력 공급을 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 일정의 DC 입력 전압을 조절하여 원하는 크기로 출력 전압을 제어하는 Buck Converter(또는 Chopper)(1)와 DC 전압을 소스(SOURCE)로 하여 일정 주파수를 갖는 AC 출력으로 변환하는 인버터(Inverter)(2)로 구성되어 전력을 차량에 공급하게 된다.In order to supply electric power for driving a train, a Buck converter (or chopper) 1 for controlling an output voltage to a desired level by adjusting a DC input voltage as shown in FIG. 1 and a DC voltage source (SOURCE) And an
이때, 전력 제어 방식은 일 예로 등록특허 제10-0964631호에서와 같이 출력 시간폭(時間幅)을 변조하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식 또는 출력진폭을 변조(變調)하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)이 있다.In this case, the power control method includes, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) control method for modulating the output time width (time width) or a Pulse Amplitude Modulation (PAM) method for modulating the output amplitude as disclosed in Japanese Patent Application No. 10-0964631 ).
도 1에 도시된 전력 제어 방식은 출력진폭을 변조(變調)하는 PAM(pulse amplitude modulation)으로서, Buck Converter(1)가 추가되어 인버터(2)의 출력전류를 제어하기 위해 Buck Converter(1)의 출력 전압을 활용하는 점에서 출력 시간폭(時間幅)을 변조하는 PWM(pulse width modulation)과는 차이점이 있다. 1 is a pulse amplitude modulation (PAM) for modulating an output amplitude. A
한편, 무선으로 전력을 공급하는 무선 급전 시스템의 구성은 크게 입력된 직류전원을 교류전원으로 출력하는 인버터와, 선로를 통해 공급되는 전원의 정류 및 변압을 담당하는 정류기와 트랜스포머 등으로 이루어지는 픽업 장치와, 입력된 직류전원을 일정한 전압으로 출력하도록 제어하는 레귤레이터 등으로 구성되는데, 이들 구성들은 모두 차량에 안정적인 전력을 공급하고자 함이 그 설계 목적이 있다.On the other hand, the configuration of a wireless power supply system that supplies power wirelessly includes an inverter that outputs a large amount of input DC power as an AC power source, a pickup device including a rectifier and a transformer for rectifying and transforming power supplied through the line, And a regulator for controlling the input DC power to be output at a constant voltage. All of these configurations are intended to supply stable power to the vehicle.
이때, 차량에서 사용하는 부하는 고정적인 것이 아닌 항상 가변하는 특징이 있고, 따라서 가변하는 부하에 따라 대응되는 공급 전력이 즉각적으로 이루어지지 않으면 급전 시스템 계통 및 차량의 손상으로 이어질 수 있다.At this time, there is a characteristic that the load used in the vehicle is always variable, not fixed, and therefore, if the corresponding supply power is not made immediately depending on the varying load, it may lead to a power supply system system and vehicle damage.
그럼에도 부하변동에 대응하여 인버터의 출력을 조절하는 알고리즘은 무선전력전송을 위해서는 반드시 적용되어야함에도 불구하고, 현재까지 이의 개발 및 적용이 되어 있지 않고 있어 이에 대한 개발이 시급한 실정이다.Nevertheless, although the algorithm for controlling the output of the inverter in response to the load fluctuation must be applied to the wireless power transmission, development and application thereof have not been made so far, and development thereof is urgent.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 가변하는 부하 특성에 맞게 전압 및 전류를 공급하게 하는 인버터 전류 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an inverter current control method for supplying a voltage and a current in accordance with a variable load characteristic.
특히 본 발명은 열차의 구동을 위한 전력을 무선으로 공급하는 시스템에 있어서 부하변동에 대응하여 PAM 방식으로 전류를 출력하도록 제어하는 인버터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In particular, it is an object of the present invention to provide an inverter control method for controlling a PAM system to output a current in response to a load variation in a system for wirelessly supplying power for driving a train.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; In order to solve such a technical problem,
열차의 구동을 위한 DC 입력 전압을 조절하여 일정 출력 전압으로 제어하는 초퍼와, 상기 초퍼의 출력 전압을 AC 출력 전압으로 변환하는 인버터 및 상기 초퍼 및 인버터의 입력 및 출력을 감시 및 제어하는 제어부로 구성되는 전력공급시스템에 의한 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법에 있어서, 상기 제어부에서는 초퍼의 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)과 인버터의 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)의 비율에 따라 양호도(Quality Factor)를 산출하는 제1단계; 및 산출된 양호도(Q값)에 보상을 위한 비례상수(α)를 곱하여 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)을 산출하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.A chopper for controlling a DC input voltage for driving a train to a predetermined output voltage, an inverter for converting an output voltage of the chopper into an AC output voltage, and a controller for monitoring and controlling inputs and outputs of the chopper and the inverter (I o Avg) of the chopper and the actual inverter output current value (I r Avg) of the inverter by the power supply system, A first step of calculating a quality factor; And a second step of calculating an inverter output current control command value (I r Ref) by multiplying the calculated degree of goodness (Q value) by a proportional constant (alpha) for compensation.
이때, 상기 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)은 DC 전류값으로 유효 전류값이며, 상기 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)은 AC 공진 전류값으로 무효 전류값인 것을 특징으로 한다.In this case, the actual chopper output current value (I o Avg) is the effective current value by the DC current value and said actual output current value (I r Avg) is characterized in that the reactive current value as AC resonant current.
한편, 열차의 구동을 위한 DC 입력 전압을 조절하여 일정 출력 전압으로 제어하는 초퍼와, 상기 초퍼의 출력 전압을 AC 출력 전압으로 변환하는 인버터 및 상기 초퍼 및 인버터의 입력 및 출력을 감시하고 부하변동에 대응하여 상기 초퍼의 출력 전압을 PAM 방식으로 제어하여 인버터의 출력 전압을 제어하는 제어부로 구성되는 전력공급시스템에 의한 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는 전력 제어 지령값(Po Ref) 및 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)과 실제 전력값(Po Avg) 및 실제 인버터 출력 전류값(Ir Avg)을 가감하여 산출된 오차를 비례적분제어를 수행하여 초퍼 출력 전압 지령값(Vo Ref)을 산출하고, 상기 산출된 초퍼 출력 전압 지령값(Vo Ref)에 실제 초퍼 출력 전압값(Vo Avg)을 가감하여 산출된 오차를 비례적분제어를 수행하여 초퍼의 출력 전압의 크기를 제어하기 위한 초퍼 듀티 제어 지령값을 산출하는 것을 특징으로 한다.The chopper includes a chopper for controlling a DC input voltage for driving a train to a predetermined output voltage, an inverter for converting the output voltage of the chopper into an AC output voltage, and an inverter for monitoring input and output of the chopper and the inverter, And controlling the output voltage of the chopper in accordance with a PAM scheme to control an output voltage of the inverter, the method comprising the steps of: controlling the inverter current according to a load variation of a train by a power supply system, P o Ref) and the inverter output current control command value (I r Ref) and the actual power value (P o Avg) and the actual output current value (I r Avg) for the chopper to perform a proportional-integral control a calculation error in acceleration calculating an output voltage command value (V o Ref), and wherein the calculating the chopper output voltage command value (V Ref o) proportional to the calculated error to an actual acceleration value of the chopper output voltage (V o Avg) to the integral Performing a control to is characterized in that for calculating the chopper duty control command value for controlling the output voltage of the chopper.
아울러, 상기 열차의 구동을 위한 전력 공급을 위한 초퍼와 인버터에 의해 변환된 전력은 무선으로 상기 열차에 공급하는 것을 특징으로 한다.In addition, the power converted by the chopper and the inverter for supplying power for driving the train is supplied to the train wirelessly.
본 발명에 따르면, 제어부에서 부하변동에 대응하여 전류를 출력하도록 PAM 방식으로 인버터를 제어하여 열차에 능동적이면서도 대용량의 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the controller can control the inverter in a PAM system so as to output a current in response to a load variation, thereby stably supplying a large capacity of electric power to the train.
특히 본 발명에서는 부하변동에 대응해서 인버터의 출력 전류를 제어함으로서 무선급전시스템의 가용성이 극대화됨은 물론, 능동적 및 대용량 전력 공급이 가능해 짐으로서 무선 전력 전송 방식의 적용성이 확대될 수 있다.In particular, the present invention maximizes the availability of the wireless power supply system by controlling the output current of the inverter in response to the load fluctuation, and enables the active and large-capacity power supply, thereby extending the applicability of the wireless power transmission scheme.
아울러, 본 발명은 열차와 같은 수송 시스템과 같이 부하 변동이 급격하게 변화하는 시스템에 무선 전력 전송 시스템을 적용하기 위해서 필요한 전력공급원으로 매우 적합할 뿐만 아니라, 부하변동에 적절하게 대응해야 하는 여타 산업분야의 전력공급원으로도 폭넓게 활용할 수 있다.In addition, the present invention is suitable not only as a power source necessary for applying a wireless power transmission system to a system in which a load variation rapidly changes, such as a transportation system such as a train, but also to other industrial fields It can be widely used as a power source of the power source.
도 1은 일반적인 열차의 전력 공급을 위한 PAM 방식의 인버터 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 시스템 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터 제어 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전류 제어 블럭도이다.1 is a block diagram of a PAM type inverter for supplying power to a general train.
2 is a system conceptual diagram illustrating a method of controlling inverter current according to a load variation of a train according to the present invention.
3 is an inverter control block diagram according to the present invention.
4 is a current control block diagram according to the present invention.
본 발명에 따른 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.The characteristics of the inverter current control according to the load variation of the train according to the present invention will be understood by referring to the accompanying drawings.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It should be understood that various equivalents and modifications may be present.
이하, 도 2 내지 도 4를 참고로 본 발명에 따른 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of controlling the inverter current according to the load variation of the train according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 to FIG.
도 2를 참고하면, 본 발명은 출력진폭을 변조(變調)하는 PAM방식으로 열차의 구동을 위한 전력을 무선으로 공급하기 위한 것으로, 열차제어 시스템은 DC 입력 전압을 조절하여 원하는 크기로 출력 전압을 제어하는 Buck Converter(Chopper, 이하 '초퍼'라 한다.)(10)와, DC 전압을 소스(SOURCE)로 하여 일정 주파수를 갖는 AC 출력으로 변환하는 인버터(Inverter)(20), 상기 초퍼(10) 및 인버터(20)의 출력을 감시 및 제어하는 제어부(30)로 구성된 전력 공급시스템을 이용한다.Referring to FIG. 2, the present invention is a PAM system for modulating an output amplitude to wirelessly supply electric power for driving a train. The train control system adjusts a DC input voltage, An
이때, 상기 제어부(30)는 인버터(20)의 출력을 제어하기 위해 전력(POWER)과 인버터 출력 전류(Ir :resonant current)을 레퍼런스(reference)로 하여 최종 초퍼(chopper)의 출력 듀티(duty)를 결정하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 방식의 제어를 수행한다.In order to control the output of the
이와 같은 제어부(30)는 인버터(20)를 풀 듀티(full duty)로 일정의 고정 주파수로 스위칭 제어를 하고, 초퍼(chopper)(10)의 듀티(duty)를 제어하여 초퍼(chopper)(10)의 출력 전압인 인버터 입력 DC 전압의 크기를 조절하여 제어하는 방법을 채택하여 부하가 없을 때 출력 전압 및 전류를 낮게 제어할 수 있다. The
이때, 도 3을 참고하면 제어부(30)는 전력 제어 지령값(Po Ref) 및 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)과 실제 전력값(Po Avg) 및 실제 인버터 출력 전류값(Ir Avg)을 가감(±)하여 오차(error)를 산출하고, 그 산출된 오차(error)를 비례적분제어(PI Control)(32)를 수행하여 초퍼 출력 전압 지령값(Vo Ref)을 산출한다.3, the
그리고 상기 제어부(30)는 이와 같이 산출된 초퍼 출력 전압 지령값(Vo Ref)에 실제 초퍼 출력 전압값(Vo Avg)을 가감(±)하여 오차(error)를 산출하고, 그 산출된 오차(error)를 비례적분제어(PI Control)(34)를 수행하여 초퍼 듀티 제어 지령값(Chopper duty)을 산출하여 초퍼(10)의 출력 전압 또는 인버터(20)의 입력 DC 전압의 크기를 제어한다.The
이 경우 전력값(Po Avg), 실제 인버터 출력 전류값(Ir Avg), 실제 초퍼 출력 전압값(Vo Avg) 등을 감지하기 위한 공지(公知)의 전류 및 전압 감지수단(미도시됨)을 초퍼(10) 및 인버터(20)의 입력단 및 출력단에 구비하여 제어부(30)에서 실제 측정값을 감시함은 당연하다.In this case, a known current and voltage sensing means (not shown) for sensing the power value (P o Avg), the actual inverter output current value (I r Avg), the actual chopper output voltage value (V o Avg) ) Are provided at the input and output terminals of the chopper 10 and the
한편, 본 발명은 제어부(30)에서 부하변동 대응하여 인버터(20)를 제어시에 전류를 유지할 수 있도록 하기 위한 것으로, 도 4를 참고하면 상기 제어부(30)는 열차의 운행 등으로 인한 부하변동에 따른 출력전류를 전류로 출력하도록 상기 인버터(20)를 제어한다. 4, the
이때, 제어부(30)는 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)과 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)의 비율에 따라 양호도(Q값)를 산출하고, 산출된 양호도(Q값)에 보상을 위한 비례상수(α)를 곱하여 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)을 산출하여 인버터(20)를 제어함으로써 출력전류를 제어한다.At this time, the
이 경우 상기 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)은 DC 전류값으로 유효 전류값이며, 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)은 AC 공진 전류값으로 무효 전류값이다.In this case, the actual chopper output current value (I o Avg) is a DC current value and an effective current value, and the actual inverter output current value (I r Avg) is an AC resonance current value.
이하에서는 제어부(30)에서 부하변동 대응하여 인버터(20)를 제어하는 방법에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of controlling the
먼저, 부하가 변한다는 것은 공진형 인버터에서 양호도(Quality factor; Q값)이 변한다고 볼 수 있다. First, the change of the load can be seen to change the quality factor (Q value) in the resonant inverter.
이때, 상기 양호도(Q값)는 아래의 식 1에서와 같이 공진회로(resonance circuit)에서 유효전력(실제 인가되는 전력) 대비 콘덴서 및 코일(선로)에 저장되는 무효전력의 비율이다.At this time, the degree of goodness (Q value) is a ratio of reactive power stored in the capacitor and the coil (line) to the effective power (actually applied power) in the resonance circuit as shown in
상기 식 1에서 wL(2πfL)은 고정되고, 일정한 고정주파수로 인버터(20)의 출력을 제어하고 선로 및 보상용 콘덴서의 자기 인덕턴스(L값) 및 정전용량(C값)이 정해져 있다. 따라서 변화되는 것은 부하의 크기에 따라 저항(R) 성분만 변화가 일어나게 된다. WL (2 pi fL) in Equation (1) is fixed, and the output of the
이때, 상기 인버터(20)의 제어 관점에서 상기 식 1을 살펴보면 저항(R)의 변화에 따라 양호도(Q값)가 변하게 되고, 이 경우 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)과 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)의 비율 역시 변하게 된다. In this case, the quality factor (Q value) in accordance with the change of the resistance (R) Referring to the
이는 저항(R)의 크기에 따라 저항(R)이 클수록 양호도(Q값)이 작아져 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)값과 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)의 비율이, "1.1 = Ir Avg / Io Avg" 까지 될 수 있고, 이를 통해 저항(R)이 작을수록 양호도(Q값)이 커져 이 비율 값은 크게 변하게 됨을 알 수 있다.This is the ratio of in accordance with the resistance (R) resistance (R) is smaller becomes the actual chopper output current value of quality factor (Q value), the larger the (I o Avg) value and the actual output current value (I r Avg), Quot; 1.1 = Ir Avg / Io Avg ", and it can be seen that the smaller the resistance R is, the larger the degree of goodness (Q value) becomes and the ratio value greatly changes.
즉, 부하가 변하면 양호도(Q값)가 변하게 되고, 양호도(Q값)가 변한다는 것은 유효전력과 무효전력의 비율이 변하게 되는 것이므로, 이에 해당하는 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)과 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)을 역보상하여 부하의 크기에 따라 제어부(30)는 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)을 산출하여 인버터(20)의 지령값으로 사용하여 함으로서 인버터(20)의 출력전류를 제어한다.In other words, the load is the quality factor (Q value), the change being, quality factor (Q value) varies changes, because the ratio of the real power and reactive power are changed, the actual chopper output current value (I o Avg) equivalents and the actual output current value (I r Avg) the inverse compensation according to the
이와 같이 부하가 가변(可變)하더라도 양호도(Q값)을 역보상하고, 역보상하는 값에 비례상수(α)를 곱하여 그 크기를 조절하여 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir ref)을 산출하여 인버터(20)의 출력전류를 제어할 수 있다. In this way, even if the load is variable, the inverter output current control command value (I r ref) is calculated by multiplying the value of the degree of goodness (Q value) by the inverse compensation, multiplied by the proportional constant And the output current of the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The scope of protection of the present invention should be construed under the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 초퍼 20: 인버터
30: 제어부 32: 비례적분제어
34: 비례적분제어 10: chopper 20: inverter
30: control unit 32: proportional integral control
34: Proportional Integral Control
Claims (1)
상기 제어부에서는 초퍼의 실제 초퍼 출력 전류값(Io Avg)과 인버터의 실제 인버터 출력 전류 값(Ir Avg)의 비율에 따라 양호도(Quality Factor)를 산출하는 제1단계; 및
산출된 양호도(Q값)에 보상을 위한 비례상수(α)를 곱하여 인버터 출력 전류 제어 지령값(Ir Ref)을 산출하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 열차의 부하변동에 따른 인버터 전류 제어 방법.
A chopper for controlling a DC input voltage for driving a train to a predetermined output voltage, an inverter for converting an output voltage of the chopper into an AC output voltage, and a controller for monitoring and controlling inputs and outputs of the chopper and the inverter The method of controlling an inverter current according to a load variation of a train by a power supply system,
The control unit calculates a quality factor according to a ratio of an actual chopper output current value (I o Avg) of the chopper to an actual inverter output current value (I r Avg) of the inverter. And
And a second step of calculating an inverter output current control command value (I r Ref) by multiplying the calculated degree of goodness (Q value) by a proportional constant (?) For compensation. Inverter current control method.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100964631B1 (en) | 2008-04-29 | 2010-06-22 | 한국철도기술연구원 | Power supply system for an electric rail car having function for stabilizing voltage of a wire |
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2015
- 2015-12-24 KR KR1020150186605A patent/KR20160009521A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100964631B1 (en) | 2008-04-29 | 2010-06-22 | 한국철도기술연구원 | Power supply system for an electric rail car having function for stabilizing voltage of a wire |
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