KR20200048341A - 철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치 및 이를 이용한 냉각팬 제어방법 - Google Patents

철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치 및 이를 이용한 냉각팬 제어방법 Download PDF

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김재원
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Abstract

냉각팬 제어장치는 온도센서, 냉각팬 제어장치, 냉각팬 구동모터, 및 냉각팬을 포함한다. 상기 냉각팬 제어장치는 온도변화율(TC)을 계산하여 출력하는 온도변화율 연산부와, 복수개의 구동영역들 및 상기 각 구동영역에 대응되는 구동속도를 기설정하고, 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역을 설정하는 완충영역 설정부와, 온도 및 온도변화율을 저장하는 메모리와, 상기 구동영역에 대응되는 구동속도를 결정하되, 실시간으로 측정된 온도 및 온도변화율과 상기 메모리에 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 인접하는 구동영역의 완충영역을 벗어나서 상기 인접하는 구동영역으로 완전히 진입하는 경우에만 구동속도를 상기 인접하는 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경하는 구동영역 제어부를 포함한다.

Description

철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치 및 이를 이용한 냉각팬 제어방법{APPARATUS FOR CONTROLLING COOLING FAN FOR COOLING HAULING MOTOR OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING COOLING FAN USING THE SAME}
본 발명은 철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치 및 이를 이용한 냉각팬 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지소모가 감소하고 수명이 연장되는 철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치 및 이를 이용한 냉각팬 구동방법에 관한 것이다.
철도차량의 견인방식에는 디젤엔진방식과 전기모터방식이 있다. 디젤엔진방식은 고속운행에 적합하지 않고 미세먼지, 매연 등으로 인한 환경오염문제가 있다. 전기모터방식의 경우, 고속운행에 적합하고 친환경적인 장점이 있다. 최근에는 전기모터를 철도차량의 견인전동기로 사용하는 기술이 널리 사용되고 있다.
철도차량은 무게가 무겁기 때문에 대용량 견인전동기가 사용된다. 대용량 견인전동기는 사용하는 에너지의 양이 많기 때문에 운행 중에 많은 열이 발생한다. 전기모터의 경우, 과열되면 추진효율이 저하될 뿐만 아니라 수명이 줄어들고 각종 고장이 발생한다.
따라서 대용량 견인전동기에는 냉각장치가 연동된다. 견인전동기의 냉각방식은 수랭식과 공랭식이 있는데, 수랭식의 경우 냉각수를 주기적으로 관리하여야 하며 냉각수 및 냉각수를 순환시키는 장치의 무게 때문에 철도차량에는 적합하지 않다.
철도차량의 대용량 견인전동기에는 강제공랭방식이 많이 사용되고 있다. 강제공랭방식의 경우는 냉각을 위한 냉각팬 및 냉각팬을 구동하는 전동기가 필요하다. 냉각팬은 철도차량이 운행하는 중에 차가운 공기를 강제로 순환시켜서 견인전동기가 과열되는 것을 방지한다.
그런데 냉각팬을 구동하는데 추가적인 에너지가 소요되어 에너지효율이 저하된다. 또한, 냉각팬의 상시구동으로 인하여 냉각팬을 구동하는 전동기의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록 제10-0598404호 대한민국 특허등록 제10-1261946호 대한민국 특허등록 제10-1856372호 일본등록특허 제02754902호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 에너지소모가 감소하고 수명이 연장되는 철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 에너지소모가 감소하고 수명이 연장되는 철도차량 견인전동기를 냉각하기 위한 냉각팬 제어방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 냉각팬 제어장치는 철도차량 견인전동기의 온도를 냉각시킨다. 상기 냉각팬 제어장치는 온도센서, 냉각팬 제어장치, 냉각팬 구동모터, 및 냉각팬을 포함한다. 상기 온도센서는 상기 견인전동기에 인접하게 배치되어 상기 견인전동기의 상기 온도를 실시간으로 측정하여 온도신호를 생성한다. 상기 냉각팬 제어장치는 상기 온도신호를 실시간으로 연산하여 온도변화율(TC)을 계산하여 출력하는 온도변화율 연산부와, 상기 견인전동기의 온도의 최대값과 상기 온도변화율의 최대값을 기준으로 복수개의 구동영역들 및 상기 각 구동영역에 대응되는 구동속도를 기설정하고, 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역을 설정하는 완충영역 설정부와, 상기 온도센서로부터 인가받은 상기 온도 및 상기 온도변화율 연산부로부터 인가받은 상기 온도변화율을 저장하는 메모리와, 상기 구동영역에 대응되는 구동속도를 결정하되, 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 상기 메모리에 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 인접하는 구동영역의 완충영역으로 진입하였다가 다시 종전의 구동영역으로 되돌아가는 경우에는 구동속도를 변경하지 않고 종전의 구동속도를 유지하며, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 인접하는 구동영역의 완충영역을 벗어나서 상기 인접하는 구동영역으로 완전히 진입하는 경우에는 구동속도를 상기 인접하는 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경하는 구동영역 제어부를 포함한다. 상기 냉각팬 구동모터는 상기 냉각팬 제어장치에 전기적으로 연결되어 상기 구동속도에 대응되는 속도로 구동한다. 상기 냉각팬은 상기 냉각팬 구동모터에 연결되어 상기 견인전동기에 인접한 공간에 공기의 흐름을 강제로 발생시켜서 상기 견인전동기를 냉각시킨다.
일 실시예에서, 상기 온도변화율은 하기 [식 1]로 연산될 수 있다.
[식 1]
TC = ΔT/Δt
(ΔT는 단위시간 동안의 온도변화량을 나타내며, Δt는 단위시간을 나타낸다)
일 실시예에서, 상기 냉각팬 제어장치는 상기 온도센서로부터 측정된 상기 온도신호를 직접 인가받을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 온도센서로부터 측정된 상기 온도신호는 상기 견인전동기에 연결되어 상기 견인전동기의 전력변환 및 열차속도를 제어하는 추진제어 인버터를 통하여 상기 냉각팬 제어장치로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 완충영역 설정부는 상기 온도를 온도의 절대값에 따라 낮은 온도구간, 정상 온도구간, 높은 온도구간, 및 임계 온도구간으로 구분하고, 상기 온도변화율이 감소하는 경우를 복수개의 네거티브구간들로, 상기 온도변화율이 증가하는 경우를 복수개의 포지티브구간들로 각각 구분하여, 복수개의 구동영역들을 정의할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 철도차량 견인전동기의 온도를 냉각시키기 위한 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법에 있어서, 상기 냉각팬 제어장치는 상기 견인전동기에 인접하게 배치되는 온도센서와, 온도변화율(TC)을 출력하는 온도변화율 연산부, 상기 견인전동기의 온도의 최대값과 상기 온도변화율의 최대값을 기준으로 복수개의 구동영역들 및 상기 각 구동영역에 대응되는 구동속도를 기설정하고 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역을 설정하는 완충영역 설정부, 및 상기 구동영역에 대응되는 구동속도를 결정하는 구동영역 제어부를 포함하는 냉각팬 제어장치와, 상기 냉각팬 제어장치에 전기적으로 연결되어 상기 구동속도에 대응되는 속도로 구동하는 냉각팬 구동모터와, 상기 냉각팬 구동모터에 연결되어 상기 견인전동기에 인접한 공간에 공기의 흐름을 강제로 발생시켜서 상기 견인전동기를 냉각시키는 냉각팬을 포함한다. 상기 냉각팬 제어방법에 있어서, 먼저 상기 견인전동기의 온도를 실시간으로 측정하여 상기 냉각팬 제어장치로 온도신호를 인가한다. 이어서, 상기 온도변화율 연산부를 이용하여 단위시간에 따른 상기 온도의 차이를 실시간으로 연산하여 온도변화율을 계산한다. 이후에, 상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 온도 및 상기 온도변화율에 대응되는 구동영역을 확인한다. 계속해서, 상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역 내에 배치되었는지 판단한다. 이어서, 상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 기 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역 내에 배치되는 경우, 상기 구동속도를 변화시키지 않고 종전의 구동속도를 유지한다. 이후에, 상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 기 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역을 벗어나서 인접하는 구동영역으로 진입하는 경우, 상기 구동속도를 현재 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경한다.
일 실시예에서, 온도변화율을 계산하는 단계에서는,
[식 1]
TC = ΔT/Δt
(ΔT는 단위시간 동안의 온도변화량을 나타내며, Δt는 단위시간을 나타낸다)
상기 [식 1]을 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각팬 제어방법은 메모리에 상기 온도센서로부터 인가받은 상기 온도 및 상기 온도변화율 연산부로부터 인가받은 상기 온도변화율을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각팬 제어방법은 상기 완충영역 설정부를 이용하여 상기 온도의 최저값과 상기 최대값 사이를 복수개의 온도구간으로 구분하고, 상기 온도변화율의 최저값과 상기 최대값 사이를 복수개의 온도변화율구간으로 구분하여, 상기 온도구간의 수와 상기 온도변화율구간의 수를 곱한 숫자만큼의 구동영역들을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 견인전동기의 온도 및 온도변화율을 고려하여 냉각팬의 속도를 조절함으로써, 견인전동기를 충분히 냉각하면서도 냉각팬 구동모터에서 소요되는 전력소모가 감소하고, 에너지 효율이 증가한다. 또한, 냉각팬 구동모터의 수명이 증가하고 고장이 줄어든다.
또한 구동속도가 달라지는 구동영역들 사이에 완충영역을 설정하여 온도 및 온도변화율이 인접하는 구동영역들의 경계를 왕복하더라도 구동속도가 빈번하게 변경되는 것이 방지되어 냉각팬 구동모터 및 냉각팬 제어장치의 수명이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어장치가 적용된 철도차량의 구동시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 견인전동기의 온도 및 온도변화율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 완충영역 설정부에 의해 정의된 구동영역들 및 완충영역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 비교예 1에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 8은 비교예 2에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어장치가 적용된 철도차량의 구동시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 철도차량은 온도센서(20), 견인전동기(50), 추진제어 인버터(60), 냉각팬 제어장치(100), 냉각팬 구동모터(150), 및 냉각팬(155)을 포함한다.
온도센서(20)는 견인전동기(50)에 인접하게 배치되어, 견인전동기(50)의 온도(T)를 실시간으로 측정하여 온도신호를 생성한다.
견인전동기(50)는 주발전기(도시되지 않음) 또는 전차선(도시되지 않음)에서 공급되는 전력을 인가받아 철도차량의 차륜(도시되지 않음)에 추진력을 인가한다. 견인전동기(50)는 구동하는 동안 열을 발생시킨다.
추진제어 인버터(60)는 견인전동기(50)에 연결되어 견인전동기(50)를 제어한다. 추진제어 인버터(60)는 견인전동기(50)에 인가되는 전력변환 및 열차속도를 제어한다.
본 실시예에서, 온도센서(20)는 추진제어 인버터(60)에 전기적으로 연결되어, 견인전동기(50)의 온도(T)를 측정하여 생성된 온도신호를 추진제어 인버터(60)로 전송하고, 추진제어 인버터(60)는 온도센서(20)로부터 인가받은 온도신호를 냉각팬 제어장치(100)로 전송한다. 다른 실시예에서, 온도센서(20)가 냉각팬 제어장치(100)에 유선 또는 무선으로 직접 연결되어 온도신호를 냉각팬 제어장치(100)에 직접 전송할 수도 있다.
냉각팬(155)은 견인전동기(50)에 인접하게 배치되어 견인전동기(50)에 인접한 공간에 공기의 흐름을 강제로 발생시켜서 견인전동기(50)를 냉각시킨다.
냉각팬 구동모터(150)는 추진제어 인버터(60), 주발전기(도시되지 않음) 또는 전차선(도시되지 않음)에서 공급되는 전력을 인가받아 냉각팬(155)에 회전력을 인가한다. 본 실시예에서, 주발전기(도시되지 않음) 또는 전차선(도시되지 않음)으로 공급받은 전력이 추진제어 인버터(60)로 인가되고, 추진제어 인버터(60)로 인가된 전력은 견인전동기(50) 및 냉각팬 제어장치(100)로 인가될 수 있다.
냉각팬 제어장치(100)는 냉각팬 구동모터(150)에 전기적으로 연결되어 냉각팬 구동모터(150)의 구동을 제어한다.
본 실시예에서, 냉각팬 제어장치(100)는 추진제어 인버터(60)에 전기적으로 연결되어 전력 및 온도신호를 인가받아 냉각팬 구동모터(150)를 제어한다.
냉각팬 제어장치(100)는 온도변화율 연산부(110), 완충영역 설정부(120), 구동영역 제어부(130), 및 메모리(140)를 포함한다.
온도변화율 연산부(110)는 온도신호를 실시간으로 연산하여 온도변화율(TC)을 계산한다. 온도변화율(TC)은 하기의 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
TC = ΔT/Δt
[식 1]에서 ΔT는 단위시간 동안의 온도변화량을 나타내며, Δt는 단위시간을 나타낸다.
온도변화율(TC)은 견인전동기(50)의 온도변화 특성을 반영하여 결정된다.
온도센서(20)에 의해 측정된 온도(T) 및 온도변화율 연산부(110)에 의해 실시간으로 계산된 온도변화율(TC)은 구동영역 제어부(130) 및 메모리(140)로 전달된다.
도 2는 도 1에 도시된 견인전동기의 온도 및 온도변화율을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 완충영역 설정부(120)는 견인전동기(50)의 온도(T)의 최대값과 온도변화율(TC)의 최대값을 기준으로 복수개의 구동영역들을 설정하고 각 구동영역에 대응되는 냉각팬(155)의 구동속도를 설정한다. 복수개의 구동영역들에 대응되는 냉각팬(155)의 구동속도는 2개 이상의 서로 다른 구동속도들을 포함한다. 예를 들어, 완충영역 설정부(120)는 24개의 구동영역들로 구분되고 각 구동영역들은 0부터 5까지의 구동속도들에 대응될 수 있다.
본 실시예에서, 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역(도 3의 B)이 설정된다. 완충영역(도 3의 B)에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 상술한다.
철도차량의 속도프로파일은 정지, 가속운행, 정속운행, 타행운행, 감속운행을 포함하는 일정하게 반복되는 패턴을 포함한다. 견인전동기(50)의 구동속도는 정지, 가속/감속운행, 타행운행, 정속운행의 순서로 증가하는데, 견인전동기(50)에 공급되는 전력의 크기는 정지, 타행운행, 감속운행, 정속운행, 가속운행의 순서로 증가한다. 예를 들어, 타행운행에서는 견인전동기(50)가 추가적인 열을 발생시키지 않아서 냉각팬(155)이 작동하지 않아도 철도차량의 운행에 따른 외부공기의 유입으로 자연스럽게 냉각이 가능하기 때문에, 견인전동기(50)의 온도가 하강한다. 또한 회생제동을 이용한 감속운행의 경우, 제동초기 회생전류의 발생으로 인하여 견인전동기(50)로부터 일부의 열이 발생할 수 있으나 철도차량이 감속함에 따라 회생전류의 발생량도 감소하므로 냉각팬(155)의 속도가 적거나 정지 상태이더라도 견인전동기(50)의 온도가 감소할 수 있다.
이론상으로는, 견인전동기(50)에 공급되는 전력의 크기에 따라 냉각팬(155)의 구동속도를 증가시키면, 효율적인 냉각팬(155)의 구동이 가능하다.
그러나 실제로는 철도차량의 속도프로파일에서 가속운행, 정속운행, 타행운행이 복잡하게 뒤섞이게 되며, 운행속도가 증가함에 따라 외부로부터 유입되는 공기의 양이 증가하여 냉각팬(155)에 의한 냉각 외에 철도차량 자체의 속도에 의한 냉각효과도 반영된다. 따라서 견인전동기(50)에 공급되는 전력의 크기만으로는 효율적인 냉각팬(155)의 구동이 어렵다.
본 발명에서는, 견인전동기(50)의 온도(T) 및 온도변화율(TC)을 이용하여 복수개의 영역들을 설정하고, 각 영역들에 해당하는 속도로 냉각팬(155)을 구동함으로써 냉각팬(155)을 구동하는 냉각팬 구동모터(150)의 전력사용을 최소화할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 완충영역 설정부(120)는 견인전동기(50)의 온도(T)를 낮은 온도구간(T_Low), 정상 온도구간(T_Normal), 높은 온도구간(T_High), 및 임계 온도구간(T_Critical)의 4개 구간으로 구분한다.
또한, 완충영역 설정부(120)는 온도변화율(TC)을 네거티브 하이구간(TC_-High), 네거티브 노멀구간(TC_-Normal), 네거티브 로우구간(TC_-Low), 포지티브 로우구간(TC_Low), 포지티브 노멀구간(TC_Normal), 포지티브 하이구간(TC_High)의 6가지 영역으로 구분하고, 온도변화가 없는 상태를 정상상태(TC_0)로 표시한다.
본 실시예에서, 완충영역 설정부(120)는 (T_Low, TC_-High), (T_Low, TC_-Normal), (T_Low, TC_-Low), (T_Low, TC_Low), (T_Low, TC_Normal), (T_Low, TC_High), (T_Normal, TC_-High), (T_Normal, TC_-Normal), (T_Normal, TC_-Low), (T_Normal, TC_Low), (T_Normal, TC_Normal), (T_Normal, TC_High), (T_High, TC_-High), (T_High, TC_-Normal), (T_High, TC_-Low), (T_High, TC_Low), (T_High, TC_Normal), (T_High, TC_High), (T_Critical, TC_-High), (T_Critical, TC_-Normal), (T_Critical, TC_-Low), (T_Critical, TC_Low), (T_Critical, TC_Normal), (T_Critical, TC_High)의 24개 구동영역을 정의한다.
도 3은 도 1에 도시된 완충영역 설정부에 의해 정의된 구동영역들 및 완충영역을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 완충영역 설정부(120)는 24개의 구동영역들을 0부터 5까지의 구동속도들에 대응시키고, 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이에 완충영역(B)을 정의한다. 예를 들어, 완충영역(B)은 인접하는 구동영역 면적의 5% 내지 20%에 해당하는 면적으로 정의된다. 당해 기술분야에서 통상의 지식과 기술을 가진 자는 완충영역(B)의 크기가 다양하게 설정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 구동영역(T_Low, TC_-High)은 구동속도 0에 대응되며, 구동영역(T_Low, TC_-Normal), (T_Low, TC_-Low), 및 (T_Normal, TC_-High)은 구동속도 1에 대응되며, 구동영역(T_Low, TC_Low), (T_Low, TC_Normal), (T_Low, TC_High), (T_Normal, TC_-Normal), (T_Normal, TC_-Low), 및 (T_High, TC_-High)은 구동속도 2에 대응되며, 구동영역(T_Normal, TC_Low), (T_Normal, TC_Normal), (T_High, TC_-Normal), (T_High, TC_-Low), 및 (T_Critical, TC_-High)은 구동속도 3에 대응되며, 구동영역(T_Normal, TC_High), (T_High, TC_Low), (T_High, TC_Normal), (T_Critical, TC_-Normal), 및 (T_Critical, TC_-Low)은 구동속도 4에 대응되며, 구동영역(T_High, TC_High), (T_Critical, TC_Low), (T_Critical, TC_Normal), 및 (T_Critical, TC_High)은 구동속도 5에 대응된다.
구동영역 제어부(130)는 완충영역 설정부(120)에 연결되어, 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 어느 구동영역에 해당되며 완충영역(B)에 해당하는지 여부를 판단하여, 냉각팬 구동모터(150)에 냉각팬 구동전력을 인가한다.
메모리(140)는 시간에 따른 온도(T) 및 온도변화율(TC)을 저장한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 구동속도 5에 대응되는 구동영역(T_High, TC_High)으로부터 구동속도 4에 대응되는 구동영역(T_Normal, TC_High)로 이동하였으나, 완충영역(B) 내에 존재하다가 다시 구동속도 5에 대응되는 구동영역(T_High, TC_High)으로 되돌아가는 경우, 구동영역 제어부(130)는 구동속도를 5로 설정하고 냉각팬 구동모터(150)에 구동속도 5에 대응되는 냉각팬 구동전력을 인가한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 구동속도 5에 대응되는 구동영역(T_High, TC_High)으로부터 구동속도 4에 대응되는 구동영역(T_Normal, TC_High)로 이동하면서, 완충영역(B)을 벗어나서 구동속도 4에 대응되는 구동영역(T_Normal, TC_High)으로 완전히 넘어가는 경우, 구동영역 제어부(130)는 구동속도를 5에서 구동속도 4로 변경하고 냉각팬 구동모터(150)에 구동속도 4에 대응되는 냉각팬 구동전력을 인가한다.
상기와 같이 구동속도가 달라지는 구동영역들 사이에 완충영역(B)을 설정하는 경우, 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 인접하는 구동영역들의 경계를 왕복하더라도 구동속도가 빈번하게 변경되는 것이 방지되어 냉각팬 구동모터(150)의 수명이 향상된다.
도 6은 도 1에 도시된 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법에 있어서, 먼저 견인전동기(50)의 온도(T)를 측정하여 생성된 온도신호를 수신한다(단계 S110). 본 실시예에서, 온도센서(20)는 견인전동기(50)의 온도(T)를 측정하여 냉각팬 제어장치(100)로 온도신호를 인가한다.
이어서, [식 1]을 이용하여 수신된 온도(T)로부터 온도변화율(TC)을 연산한다(단계 S120). 본 실시예에서, 온도변화율 연산부(110)는 단위시간에 따른 온도(T)의 차이를 실시간으로 연산하여 온도변화율(TC)을 구한다.
이후에, 온도(T) 및 온도변화율(TC)에 대응되는 구동영역을 확인한다(단계 S130). 본 실시예에서, 완충영역 설정부(120)는 온도(T) 및 온도변화율(TC)에 따른 복수개의 구동영역들을 정의하고, 각 구동영역들에 대응되는 구동속도들을 결정하며, 인접하는 구동영역들 중에서 서로 다른 구동속도들에 대응되는 영역에 완충영역(B)을 설정한다. 구동영역 제어부(130)는 온도변화율 연산부(110)로부터 실시간으로 계산된 온도(T) 및 온도변화율(TC)을 인가받아 완충영역 설정부(120)에서 설정한 구동영역들 중에서 실시간으로 계산된 온도(T) 및 온도변화율(TC)에 대응되는 구동영역을 확인한다.
계속해서, 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 완충영역(B) 내에 배치되는지 판단한다(단계 S140). 본 실시예에서, 구동영역 제어부(130)는 온도변화율 연산부(110)로부터 실시간으로 인가받은 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 완충영역(B) 내에 존재하는지 판단한다.
온도(T) 및 온도변화율(TC)이 완충영역(B) 내에 존재하는 경우, 구동속도를 변화시키지 않고 종전의 구동속도를 유지한다(단계 S150). 본 실시예에서, 구동영역 제어부(130)는 실시간으로 인가받은 온도(T) 및 온도변화율(TC)과 메모리(140)로부터 독출한 종전 온도 및 온도변화율을 비교하여, 실시간으로 인가받은 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 인접하는 구동영역으로 이동하더라도 인접하는 구동영역의 완충영역(B) 내에 존재하는 경우, 구동속도를 변화시키지 않고 종전의 구동속도를 유지한다.
온도(T) 및 온도변화율(TC)이 완충영역(B)을 벗어나는 경우, 구동속도를 현재 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경한다(단계 S160). 본 실시예에서, 구동영역 제어부(130)는 실시간으로 인가받은 온도(T) 및 온도변화율(TC)과 메모리(140)로부터 독출한 종전 온도 및 온도변화율을 비교하여, 실시간으로 인가받은 온도(T) 및 온도변화율(TC)이 인접하는 구동영역으로 이동하면서 인접하는 구동영역의 완충영역(B)을 벗어나는 경우, 구동속도를 변화시킨다.
도 7은 비교예 1에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 견인전동기(50)가 구동되는 동안 냉각팬(155)을 최대정격속도로 구동하였다.
견인전동기(50)가 구동을 시작하면 온도(T)가 상승하다가, 일정구간에서 냉각속도와 평형을 이루게 된다.
견인전동기(50)가 구동속도를 줄이더라도 완전히 구동을 멈출때까지는 냉각팬(155)이 최대로 가동되기 때문에, 냉각팬 구동모터(150)에서 사용하는 에너지 낭비가 증가하고, 냉각팬 구동모터(150)의 수명이 감소한다.
도 8은 비교예 2에 따른 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 견인전동기(50)의 온도변화율(TC)은 고려하지 않고 온도(T)만을 고려하여 냉각팬(155)을 구동하였다.
견인전동기(50)가 구동되는 초기에는 온도(T)가 높지 않아서, 냉각팬(155)의 구동속도가 높지 않다. 따라서 냉각팬(155)을 구동하는데 소요되는 에너지가 절약되어 냉각팬 구동모터(150)의 수명이 증가하고 고장이 감소하는 장점이 있다.
그러나 견인전동기(50)의 온도(T)가 증가한 후에 냉각팬(155)의 구동속도를 증가시키는 경우, 냉각팬(155)의 구동속도가 견인전동기(50)의 온도(T)가 상승하는 것을 따라가지 못해서 견인전동기(50)의 온도가 지나치게 상승하는 문제점이 있다.
이로 인하여 견인전동기(50)의 출력이 저하되고 수명이 감소하며 고장의 원인이 된다.
도 9는 도 1에 도시된 냉각팬 제어장치를 이용한 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 견인전동기(50)의 온도(T) 뿐만 아니라 온도변화율(TC)을 함께 고려하여, 견인전동기(50)의 온도증가에 선제적으로 냉각팬(155)의 속도를 증가시켜서 견인전동기(50)의 온도가 지나치게 상승하는 것이 방지되었다.
또한 견인전동기(50)의 속도가 감소하는 구간에서도, 온도(T) 및 온도변화율(TC)을 함께 고려하여, 견인전동기(50)의 온도감소에 선제적으로 냉각팬(155)의 속도를 감소시켜서 냉각팬 구동모터(150)의 불필요한 가동을 줄이고, 냉각팬 구동모터(150)의 에너지 소모를 감소하고 수명이 향상된다.
또한 냉각팬 제어장치(100)가 인접하는 구동영역에 완충영역(B)을 설정하여, 냉각팬(155)의 구동속도가 빈번하게 변화하는 것을 방지하여, 냉각팬 제어장치(100)의 고장이 감소하고 수명이 향상된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 견인전동기의 온도 및 온도변화율을 고려하여 냉각팬의 속도를 조절함으로써, 견인전동기를 충분히 냉각하면서도 냉각팬 구동모터에서 소요되는 전력소모가 감소하고, 에너지 효율이 증가한다. 또한, 냉각팬 구동모터의 수명이 증가하고 고장이 줄어든다.
또한 구동속도가 달라지는 구동영역들 사이에 완충영역을 설정하여 온도 및 온도변화율이 인접하는 구동영역들의 경계를 왕복하더라도 구동속도가 빈번하게 변경되는 것이 방지되어 냉각팬 구동모터 및 냉각팬 제어장치의 수명이 향상된다.
상기의 실시예는 철도차량의 견인전동기에 사용되는 냉각시스템에 관한 것이나, 당해 기술분야에서 통상의 지식과 기술을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상이 전기자동차, 전기자전거, 등과 같이 전동기를 이용하는 다양한 교통수단에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
20 : 온도센서 50 : 견인전동기
60 : 추진제어 인버터 100 : 냉각팬 제어장치
110 : 온도변화율 연산부 120 : 완충영역 설정부
130 : 구동영역 제어부, 냉각팬 구동전력 150 : 냉각팬 구동모터
155 : 냉각팬

Claims (9)

  1. 철도차량 견인전동기의 온도를 냉각시키기 위한 냉각팬 제어장치에 있어서,
    상기 견인전동기에 인접하게 배치되어 상기 견인전동기의 상기 온도를 실시간으로 측정하여 온도신호를 생성하는 온도센서;
    상기 온도신호를 실시간으로 연산하여 온도변화율(TC)을 계산하여 출력하는 온도변화율 연산부와, 상기 견인전동기의 온도의 최대값과 상기 온도변화율의 최대값을 기준으로 복수개의 구동영역들 및 상기 각 구동영역에 대응되는 구동속도를 기설정하고, 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역을 설정하는 완충영역 설정부와, 상기 온도센서로부터 인가받은 상기 온도 및 상기 온도변화율 연산부로부터 인가받은 상기 온도변화율을 저장하는 메모리와, 상기 구동영역에 대응되는 구동속도를 결정하되, 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 상기 메모리에 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 인접하는 구동영역의 완충영역으로 진입하였다가 다시 종전의 구동영역으로 되돌아가는 경우에는 구동속도를 변경하지 않고 종전의 구동속도를 유지하며, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 인접하는 구동영역의 완충영역을 벗어나서 상기 인접하는 구동영역으로 완전히 진입하는 경우에는 구동속도를 상기 인접하는 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경하는 구동영역 제어부를 포함하는 냉각팬 제어장치;
    상기 냉각팬 제어장치에 전기적으로 연결되어 상기 구동속도에 대응되는 속도로 구동하는 냉각팬 구동모터; 및
    상기 냉각팬 구동모터에 연결되어 상기 견인전동기에 인접한 공간에 공기의 흐름을 강제로 발생시켜서 상기 견인전동기를 냉각시키는 냉각팬을 포함하는 냉각팬 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도변화율 연산부에서 계산하는 온도변화율(TC)은 하기 [식 1],
    [식 1]
    TC = ΔT/Δt
    (ΔT는 단위시간 동안의 온도변화량을 나타내며, Δt는 단위시간을 나타낸다)
    로 정의되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각팬 제어장치는 상기 온도센서로부터 측정된 상기 온도신호를 직접 인가받는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도센서로부터 측정된 상기 온도신호는 상기 견인전동기에 연결되어 상기 견인전동기의 전력변환 및 열차속도를 제어하는 추진제어 인버터를 통하여 상기 냉각팬 제어장치로 전달되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 완충영역 설정부는 상기 온도를 온도의 절대값에 따라 낮은 온도구간, 정상 온도구간, 높은 온도구간, 및 임계 온도구간으로 구분하고, 상기 온도변화율이 감소하는 경우를 복수개의 네거티브구간들로, 상기 온도변화율이 증가하는 경우를 복수개의 포지티브구간들로 각각 구분하여, 복수개의 구동영역들을 정의하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어장치.
  6. 견인전동기에 인접하게 배치되는 온도센서와, 온도변화율(TC)을 출력하는 온도변화율 연산부, 상기 견인전동기의 온도의 최대값과 상기 온도변화율의 최대값을 기준으로 복수개의 구동영역들 및 상기 각 구동영역에 대응되는 구동속도를 기설정하고 서로 다른 구동속도들에 대응되는 인접하는 구동영역들 사이의 구간에 완충영역을 설정하는 완충영역 설정부, 및 상기 구동영역에 대응되는 구동속도를 결정하는 구동영역 제어부를 포함하는 냉각팬 제어장치와, 상기 냉각팬 제어장치에 전기적으로 연결되어 상기 구동속도에 대응되는 속도로 구동하는 냉각팬 구동모터와, 상기 냉각팬 구동모터에 연결되어 상기 견인전동기에 인접한 공간에 공기의 흐름을 강제로 발생시켜서 상기 견인전동기를 냉각시키는 냉각팬을 포함하는 냉각팬 제어장치를 이용하여 상기 견인전동기의 온도를 냉각시키기 위한 냉각팬 제어방법에 있어서,
    상기 견인전동기의 온도를 실시간으로 측정하여 상기 냉각팬 제어장치로 온도신호를 인가하는 단계;
    상기 온도변화율 연산부를 이용하여 단위시간에 따른 상기 온도의 차이를 실시간으로 연산하여 온도변화율을 계산하는 단계;
    상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 온도 및 상기 온도변화율에 대응되는 구동영역을 확인하는 단계;
    상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역 내에 배치되었는지 판단하는 단계;
    상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 기 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역 내에 배치되는 경우, 상기 구동속도를 변화시키지 않고 종전의 구동속도를 유지하는 단계; 및
    상기 구동영역 제어부를 이용하여 상기 실시간으로 측정된 온도 및 상기 실시간으로 계산된 온도변화율과 기 저장된 온도 및 온도변화율을 비교하여, 상기 온도 및 상기 온도변화율이 상기 완충영역을 벗어나서 인접하는 구동영역으로 진입하는 경우, 상기 구동속도를 현재 구동영역에 대응되는 구동속도로 변경하는 단계를 포함하는 냉각팬 제어방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 온도변화율을 계산하는 단계에서는,
    [식 1]
    TC = ΔT/Δt
    (ΔT는 단위시간 동안의 온도변화량을 나타내며, Δt는 단위시간을 나타낸다)
    상기 [식 1]을 이용하여 상기 온도변화율(TC)을 계산하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어방법.
  8. 제6항에 있어서,
    메모리에 상기 온도센서로부터 인가받은 상기 온도 및 상기 온도변화율 연산부로부터 인가받은 상기 온도변화율을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 완충영역 설정부를 이용하여 상기 온도의 최저값과 상기 최대값 사이를 복수개의 온도구간으로 구분하고, 상기 온도변화율의 최저값과 상기 최대값 사이를 복수개의 온도변화율구간으로 구분하여, 상기 온도구간의 수와 상기 온도변화율구간의 수를 곱한 숫자만큼의 구동영역들을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 제어방법.
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