선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문은 IPM 스위칭 소자를 사용하여 교류전동 차 추진제어장치(Converter/Inverter)를 제시하였다. 구 동 회로와 보호기능을 내장된 대용량 IPM 반도체 소자를 사용하여 자연냉각 방식(Heatpipe)의 컨버터와 인버터 스택을 포함한 추진제어 장치의 하드웨어를 독자 설계, 제작하였으며, 2-병렬 PWM 컨버터의 제어, 벡터 제어와 슬립주파수 제어의 병용기법 등을 시스템에 적용하였다.
- 본 연구에서는 대용량 전압형 소자이면서 구동회로 와 센싱부 및 보호회로 등이 내장된 대용량 IPM (Intelligent Power Module) 소자를 사용한 교류 철도 차량용 추진제어장치를 제안하고자 한다. 시스템의 정격용량을 위해 2-병렬 구조로 설계된 단상 PWM 컨 버터는 직류 출력 전압을 기준치로 제어하며, 가선 전류를 정현적이며 단위 역률이 되도록 제어한다.
제안 방법
- 또한, VWF 인버터는 벡터 제어와 슬립주파수 제어의 두 가지 제어방법을 병용하는 제어기법을 적용하여 역행 및 제동 시 정 토크, 정 출력, 정 전압 제어와 응하중 제어, 재점착 제어 등을 수행한다. 개발된 추진제어장치 는 4대의 210[kW] 유도전동기를 이용하여 철도 차량용 추진제어장치에 적용되는 관련 규격의 각종 시험을 통해 성능 및 신뢰성을 확인한다.
- 본 논문은 IPM 스위칭 소자를 사용하여 교류전동 차 추진제어장치(Converter/Inverter)를 제시하였다. 구 동 회로와 보호기능을 내장된 대용량 IPM 반도체 소자를 사용하여 자연냉각 방식(Heatpipe)의 컨버터와 인버터 스택을 포함한 추진제어 장치의 하드웨어를 독자 설계, 제작하였으며, 2-병렬 PWM 컨버터의 제어, 벡터 제어와 슬립주파수 제어의 병용기법 등을 시스템에 적용하였다. 개발된 추진제어장치는 4대의 210[kW] 유도전 동기를 병렬구동하는 AC 전동차 구동시스템에 적용하여 시험한 결과, 성능 및 신뢰성에서 차량의 성능시험에 관한 기준'에 만족함을 확인 하였다.
- 각 구간별 구동 시간을 고려하여 계산하면 1개의 IPM에서 발생되는 손실은 5411W]이며 한 상당 2개의 IPM으로 구성되어 있으므로 IPM stack의 전체 손실은 l, 082[W]이다. 따라서, 인버터 스택은 고조파 성분을 고려한 연속 정격 1, GOO[W]의 히트파이프를 사용한 자연 냉각방식으로 설계한다.
- 2, 880[W]이다. 따라서, 컨버터 스택은 고조파 성분을 고려한 연속 정격 3, 200[W]의 히트파이프를 사용한 자연 냉각방식으로 주위 온도의 최고치인 40℃ 이하가 되도록 설계되어 IPM 소자의 최대 접합 온도인 125℃ 보다 25℃ 이상의 여유를 고려하여 신뢰성을 보장하도록 하였다.
- 시스템의 정격용량을 위해 2-병렬 구조로 설계된 단상 PWM 컨 버터는 직류 출력 전압을 기준치로 제어하며, 가선 전류를 정현적이며 단위 역률이 되도록 제어한다. 또한, VWF 인버터는 벡터 제어와 슬립주파수 제어의 두 가지 제어방법을 병용하는 제어기법을 적용하여 역행 및 제동 시 정 토크, 정 출력, 정 전압 제어와 응하중 제어, 재점착 제어 등을 수행한다. 개발된 추진제어장치 는 4대의 210[kW] 유도전동기를 이용하여 철도 차량용 추진제어장치에 적용되는 관련 규격의 각종 시험을 통해 성능 및 신뢰성을 확인한다.
- 즉, AC 25kV의 가선 전압, 주 회로 차단기인 MCB(Main Circuit Breaker), 주 변압기 (Main Transformer), 추진제어장치 (C/I), 견인전동기 (Traction motor)을 조합하여 시험한다. 또한, 실제 승객이 최대로 탑승한 만차(滿車) 시의 상태와 동일하게 만들기 위하여 전체 중량을 120[ton]의 시험 조건으로 하였다. 시험 항목 및 방법, 절차는 "도시철도 차량의 성능시험에 관한 기준”에 명시된 시험을 수행하였으며 세부 시험 항목은 표 5와 같다.
- 또한, 직류링크 전압이 컨버터에 의해 발생한 12아Hz]의 전압 리플에 의한 Beat를 억제하기 위하여 직류링크 전압을 검출하여 직류 성분과 리플 성분의 비에 의해 인버터 주파수를 변조하는 것으로 Beat를 저 감하는 Beatless 제어방식을 채용하였다.
- 벡터 제어에서 슬립 주파수 제어로 전환 시에 절환을 위해 필요한 조치는 그림 8에 보이는 슬립 주파수를 출력하는 PI 전류제어기의 적분기를 벡터 제어의 q-축 전류제어기에서 사용된 값으로 초기화하고, 또한 벡터 제어에서의 출력 전압을 반영하여 V/F 곡선을 조정하여 전압값의 연속성을 유지하도록 한다. 슬립 주파수 제어에서 벡터 제어로 절환 시에는 그림 7의 벡터 제어기의 d-와 q-축 PI 전류제어기를 초기화하고, V/F 곡선에 따라 자속제어기의 자속 기준을 조정하여 전압의 연속성을 유지한다.
- 전압형 소자인 IGBT가 개발되면서 기존 소자 대체품으로 주목받게 되었고 최근에는 대용량 IGBT를 채용 한 시스템이 적용되고 있다(2) 본 연구에서는 IGBT 소 자의 특성을 그대로 유지하면서 구동 회로와 센싱부, 보호회로가 내장된 3, 300V, 1.200A IPM 소자囲를 사용하여 시스템을 구성하였다. 추진제어장치에 사용되는 반도체 소자에 대한 전반적인 비교를 표 2에 나타내었으며 IPM 소자의 제어회로 블록 다이어그램은 그림 2와 같다.
- 제안된 교류 전동차용 추진제어장치를 현 차 시스템에 적용하여 그 효용성을 알아보았다. 시험을 위해 장착된 모습이 그림 11에 보인다.
- 조합시험 구성은 실제 전동차의 경우와 동일한 조건으로 구성하였다. 즉, AC 25kV의 가선 전압, 주 회로 차단기인 MCB(Main Circuit Breaker), 주 변압기 (Main Transformer), 추진제어장치 (C/I), 견인전동기 (Traction motor)을 조합하여 시험한다. 또한, 실제 승객이 최대로 탑승한 만차(滿車) 시의 상태와 동일하게 만들기 위하여 전체 중량을 120[ton]의 시험 조건으로 하였다.
- 집중제어방식은 제어 측면에서 볼 때 제어와 안정성 면에서 개별제어방식보다 불리하나, 회로 구성이 간단하고 중량 및 부피를 감소할 수 있으며 경제성과 유지보수가 뛰어난 장점이 있기 때문에 국내에서는 대부분 집중제어방식을 사용하고 있다. 추진제어장치의 용량을 산정하기 위해 TPS(Train Performance Simulation)를 통해 컨버터와 인버터, 견인전동기의 정격 및 최대용량을 산정하고 이를 통해 전력반도체 소자 및 주 회로를 구성하는 기 기의 용량을 산정한다. 전체 시스템의 회로 구성 및 사양은 각각 그림 1, 표 1과 같다.
- 출력전압의 선형제어가 가능한 저속영역에서는 벡터 제어를 사용하여 정밀한 순시 토크 제어가 가능하도록 하였다. 회전자 자속 각을 얻기 위해 전류 모델과 전압 모델을 결합한 자속 추정 방법을 사용하는 직접벡터제 어를 적용하였으며 제어 블럭도는 그림 7과 같다.
- 컨버터와 인버터 냉각기는 자연냉각방식으로 설계되어 강제냉각방식에 비해 비용 및 부피를 줄일 수 있으며 주행 풍을 고려하면 충분한 냉각성능을 발휘할 수 있다. 컨버터와 인버터 스택은 각각 3, 200[W], l, 600[W] 냉각기와 3, 300V/1, 200A IPM 소자, IPM 구 동용 power supply, dv/dt 보호를 위한 clamp capacitor, Busplate 등으로 구성하였으며 컨버터 스택을 그림 4에 예시하였다.
- 출력전압의 선형제어가 가능한 저속영역에서는 벡터 제어를 사용하여 정밀한 순시 토크 제어가 가능하도록 하였다. 회전자 자속 각을 얻기 위해 전류 모델과 전압 모델을 결합한 자속 추정 방법을 사용하는 직접벡터제 어를 적용하였으며 제어 블럭도는 그림 7과 같다. 저 속에서는 회전자 전류 모델로부터 추정된 자속이 선정되며 고속에서는 전압 모델로부터 추정된 자속이 선정되도록 한다.
대상 데이터
- 시험을 위해 장착된 모습이 그림 11에 보인다. 영업 운전 차량은 추진 제어장치를 장착한 동력차 3대와 부수차 3대의 6량 편성으로 구성되어 있다. 차량 전체의 공차(空車) 중량은
이론/모형
- 또한, 실제 승객이 최대로 탑승한 만차(滿車) 시의 상태와 동일하게 만들기 위하여 전체 중량을 120[ton]의 시험 조건으로 하였다. 시험 항목 및 방법, 절차는 "도시철도 차량의 성능시험에 관한 기준”에 명시된 시험을 수행하였으며 세부 시험 항목은 표 5와 같다.
- 저 속에서는 회전자 전류 모델로부터 추정된 자속이 선정되며 고속에서는 전압 모델로부터 추정된 자속이 선정되도록 한다. 전류제어를 위해서는 역기전력을 전향 보 상한동기 좌표계 PI 전류제어기와 공간 전압 벡터 PWM 기법을 사용하였다. 벡터 제어에서 슬립 주파수 제어로 제어 방법을 바꿀 때에 출력변수 변경으로 인한 과도현상 없이 부드럽게 전환될 수 있도록 전류제 어기의 출력인 d와 q 축 전압 髦, 吗;는 그림 8에 보이는 차원 일치(Dimension Matching) 블록에서 그 크기 V河g와 주파수 幻로 변환한다.
성능/효과
- 구 동 회로와 보호기능을 내장된 대용량 IPM 반도체 소자를 사용하여 자연냉각 방식(Heatpipe)의 컨버터와 인버터 스택을 포함한 추진제어 장치의 하드웨어를 독자 설계, 제작하였으며, 2-병렬 PWM 컨버터의 제어, 벡터 제어와 슬립주파수 제어의 병용기법 등을 시스템에 적용하였다. 개발된 추진제어장치는 4대의 210[kW] 유도전 동기를 병렬구동하는 AC 전동차 구동시스템에 적용하여 시험한 결과, 성능 및 신뢰성에서 차량의 성능시험에 관한 기준'에 만족함을 확인 하였다.
- 가속 및 감속 전 구간에 걸쳐 컨버터의 직류전압이 기준치인 l, 800[V]로 일정하게 제어됨을 알 수 있으며, 컨버터 1군과 2군의 전류제어 역시 거의 정현파에 가까운 입력전류로 제어된다. 또한, 2대의 PWM 컨버터의 스위칭 각 차이를 90도로 두어 운전함으로써 고조파 함유율이 감소함을 알 수 있다.
- 현 차 시스템에서 실시한 성능시험 역시 만족함을 알 수 있었으며 전체적인 시험 결과로 볼 때 전류 및 토 크 등이 지령치를 정확히 추종하고 전 구간에 걸쳐 안 정적인 제어가 이루어짐을 알 수 있다.
후속연구
- 제안된 교류전동차용 추진제어장치는 현재 전적으로 수입에 의존하는 국내 교류 전동차 추진제어장치를 대체할 수 있으며 향후 해외 전동차 시장에도 수출될 수 있으리라 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.