KR960015356B1 - 전기철도차량 제어시스템 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

전기철도차량 제어시스템

제 1 도는 본 발명의 일실시예를 나타내는 컨버터,인버터에 의한 전기철도차량 제어시스템의 회로구성도.

제 2 도∼제 11 도는 제 1 도의 동작설명도로서, 제 2 도는 정현파와 삼각파의 비교에 의한 펄스폭 변조의 동작설명도.

제 3 도는 인버터의 출력주파수의 기준지령에 대한 펄스수 및 인버터 출력전압의 관계도.

제 4 도는 인버터의 입력전압과 출력전압의 파형 관계도.

제 5 도는 인버터 출력전압의 비트현상의 억제의 설명도.

제 6 도는 유도전동기의 전류 및 토오크의 시뮬레이션 파형도.

제 7 도는 유도전동기의 전류 및 토오크에 관한 기호의 정의도.

제 8 도는 유도전동기의 피크전류에 관한 시뮬레이션 결과도.

제 9 도는 유도전동기의 토오크 맥동에 관한 시뮬레이션 결과도.

제 10 도는 인버터 입력전압의 직류분과 맥동분을 검출하는 수단의 구체예도.

제 11 도는 인버터 입력전압의 맥동분을 검출하는 수단의 이득 및 위상 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 교류전원 3 : 필터콘덴서

4 : 펄스폭 변조 인버터 7 : 변조수단

9 : 가감산수단 14 : 인버터 출력주파수의 조정수단

143 : 나눗셈수단 144 : 곱셈수단

15 : 가산수단 16 : 인버터 출력주파수의 조정량의 보정 장단

161,163 : 나눗셈수단 162 : 곱셈수단

17 : 곱셈수단

본 발명은 전기철도차량용 제어시스템에 관한 것으로, 특히 컨버터의 직류출력전압을 입력하여 가변전압, 가변주파수의 교류로 변환하는 전기철도차량용 제어시스템에 관한 것이다.

종래에 이러한 종류의 제어 기술로서는 첫째로 일본국 특공소 61-48356호 공보에 의해 공지되어 있다.

특공소 61-48356호 공보에는 순변환기(컨버터)이고 교류를 직류로 변환하여 가변전압·가변주파수의 펄스폭 변조 인버터에 급전하는 경우 순변환기의 출력전압 즉, 인버터의 입력전압에 맥동분(정류리플)이 포함되기 때문에 ① 인버터의 출력전압이 맥동하고, 특히 인버터의 출력주파수가 있는 특정한 곳에서 비트현상을 일으키는 문제 ②이 해석법으로서, 인버터의 출력전압이 변동하지 않도록 인버터의 입력전압의 변동에 응하여 정현파 신호와 삼각파의 반송파 신호의 진폭비 즉 PWM 신호의 펄스폭을 조정하는 제어방식이 개시되어 있다.

또한, 일본국 특개소 57-52383호 공보에는 역시 같은 종류의 목적을 달성하기 위하여 펄스처리 기술을 사용하는 것에 의해 입력전압의 변동에 따라 PWM 신호의 펄스폭을 조정하는 제어방식이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 제어방식은 인버터의 출력전압이 최대로 되어 전압 제어가 되지 않는 영역 즉, 인버터의 출력전압의 1사이클에 포함되는 펄스수가 1펄스이고 동시에 최대의 일정전압 영역에서는 적용할 수 없다는 문제가 있다. 본 발명의 목적은 인버터 입력전압에 포함되는 맥동분에 기인되는 인버터 출력전압의 비트현상을 억제하여 전기철도차량의 제어에 적합한 전기철도차량용 제어시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단상교류를 수전하는 수단과, 상기 단상교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수의 교류로 변환하는 PWM 인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 전기철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와, 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그 출력주파수의 변화에 관련시켜 변화하도록 가변전압, 가변주파수(VVVF) 제어모드 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류입력전압에 포함되어 상기 단상교류의 2배의 주파수를 포함하는 주파수대역의 정류리플을 검출하는 수단, 및 이 정류리플 검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 조정하는 수단을 구비한다.

또한, 본 발명은 인버터 출력전압의 인접하는 반사이클의 전압시간곱이 동일하게 되는 방향으로 인버터 동작주파수를 조정한다.

본 발명의 바람직한 일실시태양에 있어서는, 슬립주파수를 제어하여 인버터 출력주파수를 변화케 하여 결과적으로 인버터 출력전압의 인접하는 반사이클의 전압시간곱이 동일하게 되는 방향으로 그의 출력전압폭을 조정한다.

이것에 의해 컨버터 출력전압, 즉, 인버터 입력전압에 포함되는 맥동분에 의해 발생하는 인버터 출력전압의 인접하는 정과 부의 각 반사이클의 언배런스(unbalance)를 감소케 할 수 있는 것이 가능하게 되어 인버터 출력전압이나 전동기 전류의 비트현상을 억제할 수가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 제 1 도는 본 발명의 일실시예를 표시하는 인버터에 의한 전기철도차량의 제어시스템의 회로구성이고, (1)은 단상교류전원, (2)는 단상교류전원(1)을 칙류로 변환하는 컨버터, (3)은 직류전압을 평활하기 위한 필터콘덴서이다.

(4)는 GTO 싸이리스터 등의 제어스위칭소자(UP~WN)로 되어있고 컨버터의 직류출력을 가변전압,가변주파수의 교류로 변환하는 PWM 인버터, (5)는 인버터(4)의 교류출력이 공급되어 전기철도차량을 구동하는 3상 유도전동기이다.

(7)은 반송파 발생수단 71, 변조파 발생수단 72, 비교수단 73 및 펄스수, 절환수단 74으로 이루어지는 변조수단이고, 이 변조수단(7)의 출력에 의해 게이트신호 처리회로(6)를 통하여 소정의 순서로 인버터(4)의 제어스위칭소자(UP~WN)가 온,오프 동작을 한다.

제 1 도에 있어서, 3상 유도전동기(5)의 회전주파수(f_n)를 검출수단(8)으로 검출하여 이것에 슬립주파수 지령(f_s)을 가감산수단(9)으로 역(力)행시에는 가산하고 회생시에는 감산한다.

이것이 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령 f₀(=f_n±f_s)으로 된다.

슬립주파수 지령(f_s)은 3상 유도전동기(5)의 전류를 검출수단(10)으로 검출한 값(I_M)과 그의 지령값(I_P)을 비교수단(11)으로 비교하여 그의 편차에 의해 슬립주파수 제어수단(12)을 통하여 제어한다.

한편, 변조수단(7)에서는 인버터(4)의 출력주파수 지령(f)으로서 그의 기준지령인 가감산수단(9)의 출력(f_s)이 주어진 경우 변조파 발생수단(72)은 제 2 도(a)의 (b),(c),(d)로 표시하는 것같이 U,V.W상의 정현파를 발생하고, 또 반송파 발생수단(71)은 제 2 도(b)와 같이 제어스위칭소자(UP,VP,WP)용 펄스를 출력한다.

또한, 제 2 도(b)의 반전된 것이 제어스위칭소자(UN,VN,WN)용 펄스로 된다.

이때, 인버터(4)의 입력전압(E)을 맥동분(ΔE₀)이 없는 직류분(E₀)만으로 하면 인버터(4)의 출력전압(U~V간) 파형은 제 2 도 (c)로 되어 정과 부의 각 반사이클간에서 언배런스가 발생하지 않는다.

그래서, 인버터(4)의 출력전압은 제 2 도(B)의 폭(θ_c) 즉 제 2 도(A)의 정현파의 파고치를 변화케 하므로서 제어한다.

또 인버터(4)의 출력주파수 f(=가감산수단(9)의 출력 f₀)의 반사이클에 포함되는 인버터(4)의 출력전압의 펄스수(제 2 도에서는 3펄스)는 제 2 도(a)의 삼각파와 정현파의 주파수 비율 즉 삼각파의 펄스수를 펄스수 전환수단(74)으로 전환하므로서 제어한다.

이 펄스수는 인버터(4)의 출력주파수(f)의 기준지령인 가감산수단(9)의 출력(f₀)에 대하여 펄스수 전환수단(74)에 의해 예를 들면 제 3 도와 같이 27-15-9-5-3-1로 전환한다.

또, 인버터(4)의 출력전압(V_M)은 인버터(4)의 출력주파수(f)의 기준지령인 가감산수단(9)의 출력(f₀)에 대하여 제 3 도와 같이 연속으로 되도록 전압제어수단(13)에 의해 제 2 도(a)의 정현파의 파고치/삼각파의 파고치의 비 즉, 변조율(β)을 연산하여 정현파의 파고치를 제어한다.

더욱이, 펄스수가 3펄스에서 1펄스로 전환될 때에는 인버터(4)의 출력전압(V_M)이 맥놀이를 하고 있다.

이것은 제어스위칭소자(UP~WN)가 소모하는데 시간이 필요하기 때문에 제 2 도(b)의 폭(θ_c)을 0까지 즉 인버터(4)의 출력전압(V_M)이 최대로 되는 1펄스까지 연속하여 제어되지 않기 때문이다.

그런데, 컨버터(2)의 출력측에 직류전압 평활의 필터콘덴서(3)를 설치하여도 인버터(4)의 입력전압(E)에는 정류리플에 기인하는 맥동분(ΔE₀)이 발생한다.

이 맥동분(ΔE₀)은 필터콘덴서(3)의 용량을 크게 하면 적게 되나 완전히 제거할 수는 없다.

또 필터콘덴서(3)가 대형화하는 문제가 있다.

따라서, 맥동분(ΔE₀)을 고려한 인버터(4)의 입력전압 E(=직류분 E₀+맥동분 ΔE₀)과 출력전압(선간)의 관계는 펄스수가 1펄스 즉 제 2 도의 (a)에 있어 변조율 γ(=정현파의 파고치/삼각형의 파고치)1이고, 동시에 인버터(4)의 출력주파수 지령 f=가감산수단(9)의 출력(f₀)으로 하면 제 4 도와 같이 된다.

제 4 도(a)는 맥동분(ΔE₀)의 주파수(f_e) (이것은 정류리플에 기인하기 때문에 일정)》가감산수단(9)의 출력(f₀)의 경우, 제 4 도(c)는 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e≪가감산수단(9)의 출력(f₀)의 경우이고 양자 공히 인버터(4)의 출력전압에는 정과 부의 각 반사이클 사이에서는 언배런스가 거의 발생하지 않는다.

더욱이 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e》가감산수단(9)의 출력(f₀)으로 되는 것은 저속영역이고 펄스수는 제 3 도에서도 알 수 있는 것과 같이 통상적으로 많지만 이 경우에도 인버터(4)의 출력전압에는 정과 부의 각 반사이클 사이에서 언배런스가 발생하지 않는 것은 제 4 도(a)에서 용이하게 관찰할 수 있다.

제 4 도(b)는 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e 인버터(4)의 출력주파수 f(=가감산수단(9)의 출력 f₀)의 경우이고 인버터(4)의 출력전압에는 정과 부의 각 반사이클간에서 언배런스가 발생한다.

이 언배런스의 크기는 맥동분(ΔE₀)의 주파수(f₀)와 인버터(4)의 출력주파수f(=가감산수단(9)의 출력 f₀)의 차의 주파수로서 변화, 즉 인버터(4)의 출력전압이 비트현상을 일으킨다.

그래서, 인버터(4)의 출력주파수(f)를 조정하는 수단(14)으로서는 인버터(4)의 입력전압(E)의 직류분(E₀)을 검출수단(142)으로 검출하고, 또 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)을 소정의 위상 차(α)로서 검출수단(141)으로 검출하여 그의 검출수단(141)의 출력 ΔE'₀(│ΔE'₀│=│ΔE₀│)을 검출수단(142)의 출력 E₀으로 나눗셈수단(143)의 출력을 곱셈수단(144)에 의해 가감산수단(9)의 출력(f₀)과 곱하여 인버터(4)의 출력주파수의 조정분 Δf₀(=ΔE'₀f₀/E₀)을 출력한다.

여기서, 인버터 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)을 가감산수단(9)의 출력(f₀)에 가산수단(15)에 의해 가산하여 인버터(4)의 출력주파수지령 f(= f₀+Δf₀)로 한다.

또한, 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동율이 K이고, 동시에 그의 맥동분(ΔE₀)이 주파수(f_e)로 정현파상으로 변동하는 것으로 하면 인버터(4)의 입력전압(E)과 출력주파수지령(f)은 다음식으로 표시된다.

또, (2)식의 인버터(4)의 출력주파수 지령(f)이 변조수단(7)에 제공되면 변조파 발생수단(72)은 다음식으로 표시되는 U,V,W상의 변조파신호 G_U,G_V,G_W를 출력한다.

여기서 γ ; 변조율(변조와의 파고치)

그리고, 인버터(4)의 입력전압(E), 인버터(4)의 출력주파수의 조정분(Δf'₀) 및 변조파 발생수단(72)의 출력(G_U),(G_V)의 관계는 예를 들면 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e= 가감산수단(9)의 출력(f₀), 맥동분(ΔE₀)과 그의 검출치(ΔE'₀(│ΔE'₀│=│ΔE₀│)의 위상 차(α)=0으로 하면, 제 5 도의 (a),(b),(c)가 된다.

특히, 변조파 발생수단(72)의 출력은 (4)식의 제 2 항 즉, 인버터(4)의 출력주파수의 조정분(Δf₀)에 의해 제 5 도(c)의 점선에서 실선으로 된다.

그 결과 인버터(4)의 출력전압은 펄스수=1펄스(제 2 도(a)에 있어 변조율 γ=정현파의 파고치/삼각파의 파고치1)의 경우 제 5 도 (d)의 점선에서 실선으로 되어 정과 부의 각 반사이클간의 언배런스가 대폭으로 작게 된다.

여기서, 인버터(4)의 출력전압의 정과 부의 사이클의 언배런스양에 대하여 제 5 도에 의해 수식적으로 설명한다.

제 5 도(c)에 있어서, 변조파 발생수단(72)의 출력이 점선의 G_U' G_V'의 경우 G_U' G_V'가 0이 되는 T_U와 T_V는

이고, 또 변조파 발생수단(72)의 출력이 실선의 G_UG_V로 되면G_UG_V가 0으로 되는 T_U와 T_V는

으로 된다.

그 (6)식의 ΔT_U와 T_V는 (3)~(6)식에서

으로 된다.

그러면, 인버터(4)의 출력주파수의 조정분(Δf₀)이 없는 경우, 즉 제 5 도 (c)의 점선의 변조파 (G_U'),(G_V')에 대응한 제 5 도(d)의 점선의 인버터(4)의 출력전압의 반사이클의 전압시간곱(ET')은 (1)식을 정적분하여

여기에,

N = 0, 2, 4, … : 정의 반사이클

N = 1, 3, 5, … : 부의 반사이클

로 된다.

이 (8)식과 (9)식에 의해 인버터(4)의 출력전압의 정과 부의 각 반사이클간의 언배런스 양 ΔET'(=-스캔-)는 가감산수단(9)의 출력(f₀)이 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수(f_e)의 근방에서는 크기 │K'│로 주파수(f₀-f_e)로 변동 즉 비트(bit)한다.

이 크기 │K'│는 (8)식의 제 1 항에 대해서는 작아도 그의 주파수(f₀-f_e)가 작은 곳에서는 유도전동기(5)의 임피던스가 작게 되기 때문에 유도전동기(5)에 과대한 전류가 흘러 인버터(4)의 전류실패나 파손의 원인이 되고, 또 유도전동기(5)의 토오크도 크게 맥동하게 된다.

이것에 대하여 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)을 설정한 경우 즉, 제 5 도(c)의 실선의 변조파 (G_U'),(G_V')에 대응한 제 5 도(d)의 실선의 인버터(4)의 출력전압의 반사이클의 전압시간곱(ET)은 (1)식을 정적분하여

여기에,

N = 0, 2, 4, … : 정의 반사이클

N = 1, 3, 5, … : 부의 반사이클

이 된다.

이 (10)식은 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)과 출력주파수의 조정분(f₀)의 위상 차(α)를 0으로하면 제 2 항과 제 3 항이 없어져로 된다.

즉, 인버터(4)의 출력전압의 정과 부의 사이클의 언배런스량은 0으로 되고, 인버터(4)의 출력전압의 비트현상이 억제된다.

그래서, 특히 철도전차에서는 인버터에 사용되는 GTO 싸이리스터의 내압 이용율을 높이기 위해 전동차의 정격속도의 반분 정도의 주파수로 인버터를 최대 전압으로 포화시켜 그 이상의 속도에서는 주파수만을 조정하고 있다. 이 때문에 전동차의 정격속도의 반분 정도의 속도 이상에서는 인버터의 출력전압의 조정이 불가능한 1펄스 제어로 된다.

한편, 인버터의 출력주파수는 전속도 영역에 걸쳐 연속적으로 변화하게 된다.

따라서, 제 1 도의 교류전원(1)을 단상 50Hz로 하면 컨버터(2)의 정류리플은 100Hz이고, 이 주파수를 인버터(4)의 출력주파수가 통과하는 속도영역에서는 이미 인버터(4)의 출력주파수가 통과하는 속도영역에서는 이미 인버터(4)는 1펄스 제어(제 3 도의 f₀ f₁)에 들어있다.

이와같은 경우에는 상술한 원리에 의해, 컨버터(2)의 정류리플 주파수와 인버터(4)의 출력주파수 사이에서의 비트현상을 효과적으로 억제하여 3상 유도전동기를 구비하는 전기철도차량의 원활한 속도제어를 실현한다.

다음은 이상 언급한 방식의 유효성을 확인하기 위해 3상 유도전동기(5)의 용량이 130KW(정격 : 전압 1100V, 전류 86.7A, 주파수 75Hz)로 그의 슬립주파수지령(f_s)을 일정(3Hz)하게하고 인버터(4)의 입력전압(E)을 (1)식(직류분 E₀=1500V, 맥동률 K=6%, 맥동분 ΔE₀의 주파수 f_e=100Hz)으로 하여 대형 전자계산기에 의해 디지틀 시뮬레이션을 행한 결과에 대하여 이하 설명한다.

제 6 도는 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령(f₀)을 103Hz(3상 유도전동기(5)의 회전주파수 f_n=100Hz)로 한 경우의 시뮬레이션 결과이다.

제 6 도 (a)는 인버터(4)의 출력주파수의 조정분(Δf₀)이 없는 경우이다.

이것에 의해 상기와 같이 인버터(4)의 출력전압의 정과 부의 사이클의 언배런스에 의해 3상 유도전동기(5)의 전류가 주파수(f₀-f_e)=3Hz로 크게 비트하고, 또 3상 유도전동기(5)의 토오크도 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e(=100Hz)로 크게 맥동하고 있는 것을 알 수 있다. 제 6 도 (b)는 상기와 같이 인버터(4)의 출력 주파수지령(f)을 (2)식으로 α=0으로 하여 인버터(4)의 출력주파수 조정수단(14)의 출력(Δf₀)에 의해 조정한 경우이다.

이것에 의해 3상 유도전동기(5)의 전류의 비트현상은 거의 없어지고 또한, 3상 유도전동기의 토오크의 맥동은 다소 있으나 제 6 도 (a)에 비해서 대폭으로 작게 되어 있는 것을 알 수 있다.

제 6 도 (c)는 3상 유도전동기(5)의 토오크의 맥동을 더욱 작게 하기 위하여 (2)식의 α를 종종 바꾸어서 α=-5°로 한 경우이다.

이것에 의해 3상 유도전동기(5)의 전류는 제 6 도 (b)와 거의 변하지 않고 3상 유도전동기(5)의 토오크의 맥동이 거의 없어진 것을 알 수 있다.

즉, 3상 유도전동기(5)의 토오크의 맥동의 관점에서는 (2)식의 α를 적절히 설정하면 좋다는 것을 알았다.

그래서, 3상 유도전동기(5)의 전류 및 토오크에 관한 기호를 제 7 도와 같이 정의하여 즉, 인버터(4)의 입력전압(E)에 맥동분(ΔE₀)이 없는 경우의 3상 유도전동기(5)의 피크전류를 i_pn, 토오크의 평균치를 T_av(제 7 도 (a))로 하고, 또 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)에 의한 3상 유도전동기(5)의 피크전류의 증가분을 Δi_pb(=i_pb-i_pn), 토오크의 맥동분을 ΔT_b(제 7 도 (b))로 하여 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령(f₀)을 종종 바꾼 경우의 Δi_pb(i_pn)와 ΔT_b(T_av)의 시뮬레이션 결과를 제 8 도와 제 9 도에 각각 나타낸다.

제 8 도 및 제 9 도에서 유도전동기(5)의 피크전류의 증가분 Δi_pb(제 8 도) 및 토오크의 맥동분 ΔT_b(제 9 도)는 인버터(4)의 출력주파수의 조정분 Δf₀가 없는 경우 2점쇄선과 같이 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령 f₀≒인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수 f_e(=100Hz)의 곳에서 가장 크게 되는 것을 알 수 있다.

이 Δi_pb및 ΔT_b는 인버터(4)의 출력주파수지령(f)을 상술한 바와 같이 (2)식에서 α=0˚로 하여 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)에 의하여 조정하면, 일점쇄선(제 8 도),(제 9 도)와 같이 대폭으로 작아지지만, f₀와 f_e(=100Hz)의 차가 큰곳에서는 f₀≒f_e의 곳과 비교하여 다소 큰것을 알았다.

이것을 개선하기 위하여 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)을 보정하는 수단(16)을 설정하여 이 보정수단(16)의 출력보정계수(K_c)와 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)을 곱셈수단(17)에서 곱셈하여 인버터(4)의 출력주파수지령(f)을

(11)식과 같이 조정하도록 하여 α=0에서 K_c를 여러가지로 바꾸어서 시뮬레이션을 행하였다.

그 결과 K_c는 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수(f_e)를 3상 유도전동기(5)의 회전주파수(f_n)로서 나눗셈수단(161)에서 나누고 그 나눗셈수단(161)의 출력을 곱셈수단(162)으로서 2승 즉,

(12)식으로 하면 유도전동기(5)의 피크전류의 증가분(Δi_pb) 및 토오크의 맥동분(ΔT_b)은 제 8 도 및 제 9 도의 점선과 같이 개선되는 것을 알았다.

또한, 제 6 도에서 기술한 것과 같이, 토오크의 맥동분(ΔT_b)을 더욱 개선하기 위하여 (11)식, (12)식에서 α를 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령(f₀)에 대하여 제 9 도에 표시하는 것과 같이 변화시켰던 바 그 ΔT_b는 제 9 도의 실선과 같이 거의 생기지 않게 되었다.

이때 유도전동기(5)의 피크전류의 증가분(Δi_pb)은 제 8 도의 실선과 같이 별로 변화하지 않는다.

이상의 시뮬레이션 결과는 인버터(4)의 출력전압의 펄스수가 1펄스(제 5 도 참조), 즉 전압제어수단(13)의 출력(변조율) γ가 1개인 경우에서였으나 펄스수가 다펄스(γ＜1)의 경우라도 같은 결과(효과)를 얻을 수 있으며 이 경우에는 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)을 보정하는 수단(16)의 출력(보정계수) K_c가

(13)식이 되도록 곱셈수단(162)의 출력을 변조율(γ)로서 나눗셈수단(163)으로 나누면, K_c가 (12)식의 경우보다 효과적인 것을 시뮬레이션에서 확인하고 있다.

또한, 3상 유도전동기(5)의 기동시 및 저속시는 (12)식, (13)식에서 알 수 있는 바와같이 K_c가 너무 커지므로 K_c에 리미트를 정하는 것이 상책이다.

최후로 인버터(4)의 입력전압(E)의 직류분(E₀)의 검출수단(142)과 그 맥동분(ΔE₀)의 검출수단(141)의 일, 구체적인 예를 제 10 도에 나타낸다.

즉, 인버터(4)의 입력전압(E)의 직류분(E₀)의 검출수단(142)을 연산증폭기(OP2)와 저항(Re21),(Re22) 및 (Re23)과 콘덴서(C2)로 이루어지는 평활회로로서 그 이득(=Re23/Re21)을 1로 하고 시정수(Re23×C2)를 크게 설정한다.

또 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 검출수단(141)은 연산증폭기(OP1)와 저항(Re11)~(Re15) 및 콘덴서(C11),(C12)로서 이루어지는 밴드패스회로이다.

이 회로(141)의 이득 및 위상 특성은 제 11 도에 나타낸 바와 같이 인버터(4)의 입력전압(E)의 맥동분(ΔE₀)의 주파수(f_e)의 곳에서 이득이 1(입력 ΔE₀의 크기≒출력ΔE'₀의 크기)에서, 또한 입력 위상 즉, 맥동분(ΔE₀)의 인버터(4)의 출력주파수의 조정수단(14)의 출력(Δf₀)의 위상 차(α)가 제 9 도에서 기술한 것과 같이 인버터(4)의 출력주파수의 기준지령(f₀)에 대하여 적절한 값이 되도록 기준지령(f₀)의 크기에 따라 스위치(S₁)~(S₃)에 의하여 전환한다.

이상과 같이, 제 1 도의 실시예에 의하면 인버터(4)의 입력전압(E)에 포함되는 맥동분(ΔE₀)(컨버터(2)의 정류리플)에 기인하는 인버터(4)의 출력전압 및 3상 유도전동기(5)의 전류의 비트현상을 억제할 수 있으므로 3상 유도전동기(5)에 과대한 전류가 흐르는 일이 없어지고 인버터(4)의 전류실패나 파손을 방지할 수 있고, 또 3상 유도전동기(5)의 토오크 맥동도 억제되어 3상 유도전동기(5)를 원활히 운전할 수 있으므로 이를 적용한 전기철도의 속도를 원활하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제 1 도의 실시예의 설명은 인버터(4)의 출력전압의 펄스수가 1펄스(제 5 도 참조)의 경우를 대상으로 하였으나, 펄스수가 다펄스의 경우이라도 상술한 효과가 손실되지는 않는다.

본 발명에 의하면 인버터의 입력전압에 포함되는 맥동분(컨버터의 정류리플)에 기인하는 인버터의 출력전압 및 유도전동기의 전류 비트현상을 억제할 수 있으므로, ① 전동차에 적용되는 유도전동기에 과대한 전류가 흐르는 일이 없고 ② 인버터의 전류실패나 파손을 방지할 수 있으며 ③ 토오크 맥동도 억제할 수 있어 전기철도차량에 적용되는 유도전동기를 원활히 운전할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 단상교류를 수전하는 수단과, 상기 단상교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수의 교류로 변환하는 PWM 인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 전기철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와, 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그 출력주파수의 변화에 관련시켜 변화하도록 가변전압, 가변주파수(VVVF) 제어모드 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류압력전압에 포함되어 상기 단상교류의 2배의 주파수를 포함하는 주파수대역의 정류리플을 검출하는 수단 및 이 정류리플 검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 조정하는 수단을 구비하는 전기철도차량 제어시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가변전압, 가변주파수(VVVF) 제어모드는 인버터 출력전압의 각 반사이클에 포함되는 펄스수가 복수로 되고, 상기 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드는 인버터 출력전압의 각 반사이클에 포함되는 펄스수가 하나인 제어수단을 구비한 전기철도차량 제어시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터의 출력주파수를 조정하는 수단은 상기 인버터의 출력주파수의 증대에 수반하여 상기 정류리플의 크기에 대한 주파수 조정량을 감소시키는 수단을 구비한 전기철도차량 제어시스템.
4. 단상교류를 수전하는 수단과, 상기 단상교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수(VVVF)의 교류로 변환하는 PWM인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와, 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기의 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그의 출력주파수의 변화에 관련시켜 변화하도록 가변전압, 가변주파수(VVVF) 제어모드 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정잔압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류입력전압에 포함되는 정류리플을 검출하는 수단과, 상기 정류리플에 기인하는 상기 인버터의 출력전압의 소망하는 비트현상이 작아지도록 상기 정류리플 검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 조정하는 수단을 구비한 전기철도차량 제어시스템.
5. 교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수(VVVF)의 교류로 변환하는 PWM 인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와, 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수의 지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그의 출력주파수의 변화에 관련하여 변화하도록 가변전압, 가변주파수(VVVF) 제어모드 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류입력전압에 포함되는 상기 교류의 상수의 2배의 주파수를 포함하는 대역의 리플을 검출하는 수단과, 이 리플검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력을 조정하는 수단을 구비하는 전기철도차량 제어시스템.
6. 교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수(VVVF)의 교류로 변환하는 PWM 인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와, 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수의 지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그의 출력주파수의 변화에 관련하여 변화하도록 가변전압, 가변주파수(VVVF 제어모드 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류입력전압에 포함되는 상기 교류의 상수의 2배의 주파수를 포함하는 대역의 리플을 검출하는 수단과, 이 리플검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 조정하는 수단을 구비하는 전기철도차량 제어시스템.
7. 단상교류를 수전하는 수단과, 상기 단상교류를 직류로 변환하는 컨버터와, 이 컨버터의 직류출력을 가변전압, 가변주파수(VVVF)의 교류로 변환하는 PWM 인버터와, 이 인버터의 교류출력이 공급되어 철도차량을 구동하는 3상 유도전동기와 상기 인버터의 출력주파수를 지령하는 수단과, 그 주파수의 지령에 따라 상기 인버터의 출력주파수를 제어하는 수단과, 상기 인버터의 출력전압을 ⅰ) 그의 출력주파수의 변화에 관련하여 변화하도록 가변전압, 가변주파수 제어모드(VVVF) 및 ⅱ) 일정치가 되도록 일정전압, 가변주파수(CVVF) 제어모드의 양 모드로 제어하는 수단과, 상기 인버터의 직류입력전압에 포함하는 상기 정류리플을 검출하는 수단과, 이 리플검출수단의 출력의 위상을 상기 인버터의 출력주파수 또는 그의 상당값에 따라 조정하는 수단과, 상기 정류리플검출수단의 출력에 따라 상기 인버터의 출력을 조정하는 수단을 구비하는 전기철도차량 제어시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 위상 조정수단은 미리 준비된 복수의 다른 위상의 어느 것으로부터 인버터 출력주파수에 따라 하나의 위상을 선택하는 수단을 구비하는 전기철도차량 시스템.