[논문]전기철도 급전시스템에 응용되는 전력전자 및 제어기술

전기철도 급전시스템에 응용되는 전력전자 및 제어기술 원문보기

백병산 (현대중공업㈜ 기계전기연구소) , 김남해 (현대중공업㈜ 기계전기연구소)

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9kV 모선측으로 보내어 역사용 부하기기의 전원으로 활용되거나 계통으로 전송된다. 본 고에서는 모선측의 무효전 력을 보상하기 위하여 무효전력보상장치 (SVC : Static Var Compensator) 를 적용한 사례를 보여주고 있다.
본 고에서는 전기철도관련 전력전자 응용기술 중에서 차량용 급전설비 및 시스템에 응용되고 있는 기본기술, 적용기기의 원리와 실용화 현황 및 최신 적용기술 그리고 기술의 전망 등을 소개하고자 한다.

사용된 프로세서인 DSP TMS320C₃₁ 은 50MHz, 32비트 실수 연산을 수행하며, 。컴파일러를 지원하기 때문에 각종 호환용 제어 기능 및 정보관리 프로그램을。언어로 구현함으로써 기능 향상 및 변경이 요구될 경우 쉽게 구현할 수 있다. 둘째, 높은 신뢰성 제어 시스템을 확보하고자 고성능 DSP 와 EPLD등을 사용하여 집적화 시킴으로서 부품 수를 최소화하여 간단히 구성하였다. 이로써 잡음 등의 발생 부분과 고장 확률을 줄였다.
셋째, 자기 진단 기능시스템의 안정된 동작 수행을 위해 초기 전원인 가시 표준 데이터버스에 병렬로 접속되어 구동되는 DSP는 자기 고장 진단뿐만 아니라 다른 보드의 DSP 및 부분별 기능 검증을 수행한다. 이때, 하드웨어적인 면은 물론 이고 여러가지 제어 패턴 등 소프트웨어적인 면도 진단하며, 진단의 결과는 저장된다.
출력계통의 전압 및 전류를 d, q축으로 변환하여 유효전력 및 무효전력제어가 가능하게 한 제어알고리즘은 그림 5와 같다. 제어알고리즘을 구현하기 위하여 설계 . 제작하여 적용된 제어기는 아래 그림 6의 블록도로서 상세히 보이고 있다.
최신의 전력전자 제어기술과 전력용 반도체 소자인 IGBT 를 채용하여 설계. 제작한 회생용 인버터의 외관은 아래 그림 7과 같다.

제작하여 적용된 제어기는 아래 그림 6의 블록도로서 상세히 보이고 있다. 각 제어보드의 관계와 주요 제어기능을 함께 나타내었으며, 신뢰성 및 제어기능 확장성을 고려하여 완전 디지털 회로로 구성하고, 아날로그 신호부와 디지털 신호부를 완전 분리하였다. 또한 다양한 방법으로 시스템의 관리가 가능하도록 설계하였음을 알 수 있다.
넷째, 시스템 정보 관리측면을 살펴보면 시스템이 완전 디지털로 제어되기 때문에 모든 동작 정보는 메모리에 저장되어 관리된다. 검수자 및 관리자는 이러한 정보를 일반 컴퓨터와 통신을 이용하여 쉽게 전달받을 수 있다.
이상에서 전기철도 급전시스템에 대한 전력전자 응용기술에 대하여 전반적으로 살펴보았듯이 그 적용기술이 전력전자 기술을 응용하여 시스템화하는 종합기술로 광범위하게 걸쳐 있음을 알 수 있다.

거의 모든 면에서 전력용 반도체를 이용한 정지형이 우월 하지만 가격적인 측면에서 아직도 고가이다. 그러나 전력용 반도체 소자의 저가격화와 제조 및 제어기술과 이의 적용을 위한 주변기술이 급속도로 발전하고 있기 때문에 향후 그의 적용이 전기철도용 뿐 만이 아니라 전 산업분야에 확대될 것으로 예상된다.
교류전기철도의 급전시스템과 관련한 장래 기술의 전망으로서는 단상교류전철은 3상 전력계통에 전압의 불평형이나 특정 상에 전압변동을 발생시키므로 현재 각종 보상장치가 개발되어 적용되고 있지만, 기술의 진보에 따라 고성능의 보상장치의 개발로 이어질 것으로 전망된다. 또한 기계식 차단 기나 개폐기가 전력용 반도체소자를 이용한 정지형으로의 대체가 가속화 될 것으로 기대된다.
마지막으로 기존제품에 대한 기술의 전망으로서는 유지보수성 및 신뢰성 향상 등의 기술의 확대와 기능의 고기능화 및 저가격화 연구가 진행될 것으로 예상된다.
특히, 우리나라의 경우 현재 전력회사 및 철도운영회사의 민영화가 진행되고 있어 상기 기술된 전력품질기기의 개발 및 적용이 확대될 것으로 예상된다.

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