회생차량에서 직류전원단으로 회생되는 에너지를 교류전원측으로 반환하여 활용하기 위한 장치로서 사이리스터인버터가 널리 사용되고 있다 기존의 사이리스터 인버터는 단방향의 위상제어방식으로 출력의 역률제어가 불가능하고, 고조파 함유율이 높아 별도의 필터를 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 스위칭 소자로서 양방향 제어가 가능한 IGBT를 채용하여 Space vector PWM 제어를 함으로서 유효전력 및 무효전력 제어가 가능한 인버터를 개발하였다. 개발한 인버터는 상업용으로 실계통에 바로 적용이 가능하도록 경제성 및 신뢰성을 제고하여 전체 제어시스템을 디지털 형식으로 구현하였고, 저대역 필터를 내장하여 고조파 발생을 억제하였으며, 전체 부피를 콤팩트하게 하였다. 본 논문에서는 전기철도 직류급전계통에 적합한 회생 인버터의 설계기준, 기술사양, 전력회로, 인버터 및 계통연계 제어기법, 개발시스템, 시험결과 및 특성 등을 기술하였다.
회생차량에서 직류전원단으로 회생되는 에너지를 교류전원측으로 반환하여 활용하기 위한 장치로서 사이리스터 인버터가 널리 사용되고 있다 기존의 사이리스터 인버터는 단방향의 위상제어방식으로 출력의 역률제어가 불가능하고, 고조파 함유율이 높아 별도의 필터를 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 스위칭 소자로서 양방향 제어가 가능한 IGBT를 채용하여 Space vector PWM 제어를 함으로서 유효전력 및 무효전력 제어가 가능한 인버터를 개발하였다. 개발한 인버터는 상업용으로 실계통에 바로 적용이 가능하도록 경제성 및 신뢰성을 제고하여 전체 제어시스템을 디지털 형식으로 구현하였고, 저대역 필터를 내장하여 고조파 발생을 억제하였으며, 전체 부피를 콤팩트하게 하였다. 본 논문에서는 전기철도 직류급전계통에 적합한 회생 인버터의 설계기준, 기술사양, 전력회로, 인버터 및 계통연계 제어기법, 개발시스템, 시험결과 및 특성 등을 기술하였다.
As a device that returns surplus energy, regenerated from trains to d.c. source, to a.c. system and reuses it, the thyristor Inverter has been widely used. Because the conventional thyristor inverter is a unidirectional phase-controlled device, it Is Impossible to control the power factor of its out...
As a device that returns surplus energy, regenerated from trains to d.c. source, to a.c. system and reuses it, the thyristor Inverter has been widely used. Because the conventional thyristor inverter is a unidirectional phase-controlled device, it Is Impossible to control the power factor of its output. Moreover, harmonics emission is high and it needs to take a additional filter. In this paper, to solve the problems stated above, the inverter, which can control real and reactive power by adopting IGBT modules as switching elements and being controlled by means of space vector PWM, is developed. Considering high economical efficiency and reliability in order to apply to the system for commercial use, the developed inverter is equipped with fully digital control system and low pass filter, and reduces harmonics and has compact size. The detail description about the developed inverter is stated in various respects: design criteria, technical description, power circuits, control techniques, the developed system, test results, etc.
As a device that returns surplus energy, regenerated from trains to d.c. source, to a.c. system and reuses it, the thyristor Inverter has been widely used. Because the conventional thyristor inverter is a unidirectional phase-controlled device, it Is Impossible to control the power factor of its output. Moreover, harmonics emission is high and it needs to take a additional filter. In this paper, to solve the problems stated above, the inverter, which can control real and reactive power by adopting IGBT modules as switching elements and being controlled by means of space vector PWM, is developed. Considering high economical efficiency and reliability in order to apply to the system for commercial use, the developed inverter is equipped with fully digital control system and low pass filter, and reduces harmonics and has compact size. The detail description about the developed inverter is stated in various respects: design criteria, technical description, power circuits, control techniques, the developed system, test results, etc.
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문제 정의
본 논문에서는 전기철도 직류급전계통에 적합한 회생 인버터의 설계기준, 기술 사양, 전력 회로, 인버터 제어기법 등을 제시하고, 이를 바탕으로 실제 계통에 적용할 수 있는 제품을 제작 및 공인기관의 시험 결과 및 특성 등을 기술한다.
본 논문은 직류전기철도에서 회생 차량이 회생시키는 에너지를 활용하기 위한 기존의 사이리스터 인버터의 단점을 개선하기 위하여, 스위칭 소자로서 양방향 제어가 가능한 IGBT를 채용하여 Space-Vector PWM제 어를 함으로서 유효전력 및 무효전력 제어가 가능한 인버터를 개발하였다.
상기에서 기술된 시스템 모델링 및 제어기법에 따라 컴퓨터 모의를 통하여 나온 결과를 소개한다. 컴퓨터 모의는 자체 개발하여 사용 중인 시뮬레이션 프로그램을 이용하였다.
제안 방법
기존의 사이리스터 인버터는 단방향의 위상제어방식으로 출력의 역률 제어가 불가능하고, 고조파 함유율이 높아 별도의 필터를 설치해야 하는 단점을 가지고 있다.⑴⑵〔3〕 이러한 단점을 개선하기 위하여 스위칭 소자로서 양방향 제어가 가능한 IGBT를 채용하여 Space-Vector PWM 제어를 함으로서 유효전력 및 무효전력 제어가 가능한 인버터를 개발하였다. 본 설비를 채용할 경우 전기철도 직류급전계통의 경제성 및 신뢰도 제고를 도모할 수 있다.
경량전철 시험선용으로 사용한 전력용 반도체소자인 IGBT(1700V, 800A, EUPEC) 와 SVPWM 스위칭 방식을 포함한 디지털 제어 기술을 적용하여 개발. 제작한 회생 인버터의 기술사 양은 표 1과 같다.
기술한 바와 같이 직류전기철도 급전계통에 적합한 회생용 인버터의 토폴로지 제시, 기술기준 정립, 기술 사양 제시, 제어알고리즘을 제안하여 이를 바탕으로 실제 계통에 적용을 위한 제품을 제작하였고, 시험을 통하여 그 성능을 입증하였다.
둘째, 신뢰성이 높은 제어 시스템을 확보하고자 고성능 DSP와 EPLD 등을 사용하여 집적화시킴으로서 부품 수를 최소화하여 간단히 구성하였다. 이로써 잡음 등의 발생 부분과 고장 확률을 줄였다.
방열 설계는 발열량을 계산하여 수행되었으며, 열의 이동 경로를 등가화하여 열저항 값을 구한 후 이 열저 항 값보다 작은 값으로 설계한다. PWM 방식으로 동작하는 인버터에서 반도체 소자인 IGBT와 환류 다이 오드의 스위칭과 관련하여 발생하는 열은 IGBT의 정 손실(尸齢)과 동 손실(Rw) 그리고 환류 다이오드의 정손실(R>s) 과실( R浦로 구성된다.
무부하 상태에서는 약 900EV] 의 전압이 형성된다. 이에 회생 인버터는 직류 기준전압의 지령에 따라 모선으로 회생 동작을 개시하여 교류 출력을 모선으로 회생하는 시험을 하였다.
이 설비는 경량전철 시험선에 적용하기 위하여 시험선에 적합한 용량으로 설계. 제작되었고, 이를 인증시험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
성능/효과
디지털 제어기는 그림 8에서 상세하게 보여지고 있다. 각 제어 보드의 관계와 주요 제어기능을 함께 나타내었으며, 신뢰성 및 제어기능 확장성을 고려하여 완전 디지털 회로로 구성하고, 아날로그 신호 부와 디지털 신호 부를 완전 분리하였다. 또한 다양한 방법으로 시스템의 관리가 가능하도록 설계하였음을 알 수 있다.
개발된 시스템은 기존의 Thyristor 방식이 아닌 IGBT 방식을 채용하여 PWM 제어를 함으로써 높은 전압 안정성 및 이용률이 우수하고 단위 역률의 제어가 가능한 장점을 갖는다. 또한 출력 필터의 설계가 용이 하고 계통에 별도의 필터를 설치할 필요가 없다.
끝으로, 개발된 제품은 경량전철 시험선에 적합한 용량으로 설계.제작된 것으로 향후, 시험선 공사가 완료되면 설치하여 실증시험을 통하여 신뢰성을 확보할 계획이다.
넷째, 시스템 정보 관리 측면을 살펴보면 모든 동작 정보는 메모리에 저장되어 관리된다. 검수자 및 관리자는 이러한 정보를 일반 컴퓨터와 통신을 이용하여 쉽게 전달받을 수 있다.
셋째, 자기 진단 기능 시스템의 안정된 동작 수행을 위해 초기 전원 인가 시 표준 데이터버스에 병렬로 접속되어 구동되는 DSP는 자기 고장 진단뿐만 아니라 주변 기능도 진단한다. 이때, 하드웨어적인 면은 물론이고 여러 가지 제어 패턴 등 소프트웨어적인 면도 진단하며, 진단의 결과는 저장된다.
적용된 제어기의 특징을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 사용된 프로세서인 TMS320C31 은 50MHz, 32비트 실수 연산을 수행하며, C 컴파일러를 지원하기 때 문에 각종 호환용 제어 기능 및 정보관리 프로그램을 C언어로 구현함으로써 기능 향상 및 변경이 요구될 경우 쉽게 구현할 수 있다.
후속연구
끝으로, 개발된 제품은 경량전철 시험선에 적합한 용량으로 설계.제작된 것으로 향후, 시험선 공사가 완료되면 설치하여 실증시험을 통하여 신뢰성을 확보할 계획이다.
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