[논문]도시철도차량의 성능 향상을 위한 점착특성 기법에 관한 연구

김영춘; 전지용

문제 정의

본 연구는 견인전동기와 같이 광범위한 속도제어범위를 갖는 유도전동기의 구동에 벡터제어를 도입하고 등가의 실험장치에 의하여 점착제어에 관한 실험을 하였다.
본 연구에서는 공전속도의 크기를 낮추기 위하여 제안한 공전 궤환루프를 첨가한다.

가설 설정

(1) 차륜으로부터 레일에 전달되는 토크 정밀도의 향상.
공전속도는 검출이 가능한 것으로 가정하고 주전동기의 토크를 공전속도 Vs 에 대하여 &의 시간지연을 갖는 토크의 제어량을 제어하여 점착시스템이 vs 를 0으로 하는 응답을 얻게하는 점착특성을 얻는다. 응답특성은 v_s 에 대한 1차지연의 시정수 와 궤환이득의 2가지에 의하여 변화하며 재점착의 존재여부를 판단하여 그 크기를 정한다.

제안 방법

PWM 변조에 대하여 180[도]를 연속통전해야 하는 이 조건은 변조율을 r= 1로 하고 그림 1과 같이 자속제어기에 의하여 변조율에 제한을 하는 방법을 사용하였다.
계산된 두 축의 전압은 PWM변조를 위하여 극좌표의 벡터로 변환하며 전류의 진동을 억제하고 파형의 보상을 위하여 전류궤환 루프를 둔다. 또 전압벡터는 극좌표에 의한 벡터로 변환하여 PWM의 과변조를 하였으며 벡터의 크기에 의하여 자속을 설정하는 방법을 사용하였다.
벡터의 표현에서 동기속도로 회전하는 직각좌표로 연산된 전압벡터를 극좌표에 의한 형식으로 변환하고 r＜1의 영역에서는 r 에 비례하여 전압을 출력하는 특성을 갖도록 변조기를 설계한다. 극좌표로 표현한 전압벡터의 크기는 변조율에 관계하므로 전력반도체 소자가 180[도]를 연속 통전하는 최소의 벡터가 있게 된다.
본 연구에서는 동기영역에 있어서 연산된 전압벡터가 인버터의 출력전압과 항상 위상이 일치하도록 위상보정이 행해지는 PWM변조방법을 사용하였다. 전력반도체소자가 180도 구간을 연속하여 통전하는 과변조영역에서는 벡터제어의 요소가 주파수와 위상뿐이므로 이때를 고려하여 PWM방법을 극좌표에 의한 변조방법을 채택하였으며, 벡터제어의 적용에 있어서 데드타임에 의한 영향을 보상하기 위해 제어기의 불안정성을 수반하지 않도록 별도의 보상없이 전류 궤환루프에 의한 보상을 하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 두가지의 토크제어를 사용하였으며 우선 재점착을 얻기 위하여 식(3)과 같은 1차지연을 갖는 토크의 제어기능을 사용한다. 이것은 재점착을 위하여 알려진 일반적인 방법이며 비례상수 K와 시정수 & 의 적절한 선정으로 재점착의 특성을 갖도록 한다.
본 연구에서는 전압을 기준으로 하여 전압강하율을 사용한 연산을 하였으며 자속과 유기기전력, 전류와 슬립 및 권선저항과 전류의 궤환율들을 실험에 의하여 이들의 비율을 선정하였다. 제어 프로그램은 이들의 값을 변경하여 실험할 수 있도록 하였다.
그림 6은 제동시의 전동기의 전류와 제동토크를 측정한 것이다. 실험에 있어서 전자클러치의 전달토크가 한계점 부근에서 운전되기 때문에 구동토크를 낮추어 실험을 하였다.
인버터는 전력반도체소자가 낮은 변조율부터 180도 구간을 연속통전하는 범위까지 사용하는 PWM변조방법을 응용하였다. 저속영역에서 토크의 맥동과 전류파형에 영향을 주는 데드타임에 대한 보상은 낮은 스위칭 주파수를 사용하고 순시전류를 제어하는 루프를 두어 좋은 보상결과를 얻었다.
재점착제어에 있어서는 일반적으로 사용되는 공전속도의 1차지연에 의한 토크의 감소방법을 사용하고, 공전속도에 비례하여 토크를 낮추는 속도제어루프를 첨가하였다. 1차 지연만을 사용하여 토크를 감소시키는 방법과 비교하여 속도제어 루프가 추가되었을 때, 같은 조건에서 공전속도의 크기가 감소하고 가속도가 커짐이 관찰되었으며 점착특성을 향상시킬 수 있는 방법임을 실험으로 확인하였다.
정수선정을 위한 실험에 있어서 요구되는 전압의 크기가 되도록 자속과 유기기전력의 비율을 정하고 전류와 슬립 및 토크의 비례관계를 선정한다. 저속에서 저항강하율과 전류궤환의 이득을 정하며 반복적인 실험을 통하여 전류의 크기와 파형 및 토크를 관찰하여 전동기의 정수에 관련한 비율을 정하였다.
전력반도체소자가 180도 구간을 연속하여 통전하는 과변조영역에서는 벡터제어의 요소가 주파수와 위상뿐이므로 이때를 고려하여 PWM방법을 극좌표에 의한 변조방법을 채택하였으며, 벡터제어의 적용에 있어서 데드타임에 의한 영향을 보상하기 위해 제어기의 불안정성을 수반하지 않도록 별도의 보상없이 전류 궤환루프에 의한 보상을 하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제어 프로그램은 이들의 값을 변경하여 실험할 수 있도록 하였다. 정수선정을 위한 실험에 있어서 요구되는 전압의 크기가 되도록 자속과 유기기전력의 비율을 정하고 전류와 슬립 및 토크의 비례관계를 선정한다. 저속에서 저항강하율과 전류궤환의 이득을 정하며 반복적인 실험을 통하여 전류의 크기와 파형 및 토크를 관찰하여 전동기의 정수에 관련한 비율을 정하였다.

대상 데이터

실험장치는 견인전동기(200kW) 1대에 대하여 150분의 1로 축소된 등가의 장치로 설계되었다. 전동기는 산업용의 유도전동기를 사용하였다.
실제와 등가인 실험장치는 차량관성체와 전동기축과의 사이에 차륜관성이 있고 미끄러짐을 갖는 장치가 되어야 한다. 실험장치는 그림 4와 같은 구조로 하였고 전자클러치의 사용가능한 상대속도가 500[rpm]이내이기 때문에 차륜관성과 클러치사이에 10 : 1의 감속비를 갖는 감속기어를 사용하였다.
1로 축소된 등가의 장치로 설계되었다. 전동기는 산업용의 유도전동기를 사용하였다. 차륜과 레일은 차륜 자체의 관성을 가지고 있으며 레일과 미끄러지는 운동을 하는 시스템이다.

이론/모형

벡터 제어는 슬립주파수형의 간접벡터방법을 적용한다. 차량에 적용하는 인버터는 180도 통전상태인 과변조에서도 사용되어야 한다.

성능/효과

(1) 점착시스템은 전동기-등가차륜클러치-관성체로 이루어지는 차륜과 레일의 등가장치를 제작하고 실험하였으며 전류의 진동을 억제하기 위한 전류궤환루프는 저속영역에서의 데드타임에 의한 영향을 안정하게 보상하였으며 제안된 제어방법은 견인시스템에 대한 벡터제어의 적용이 가능한 제어방법임을 실험을 통하여 입증하였다.
(2) 제안된 시험법을 통해 공전을 검지하고 이 공전량을 1차 지연필터를 사용하여 토크를 감소시키는 일반적인 방법에 공전속도를 직접 제어하는 제어루프를 병행하여 새로운 제어법을 제시하였으며, 토크를 공전속도에 비례하여 제어하는 요소는 공전속도의 크기를 감소시키고 점착력을 향상시켜 가속을 크게 함이 실험을 통하여 입증하였다
(3) 차량정지에 이르기까지 회생 브레이크의 적용등이며 토크의 정밀성은 차량의 가감속특성과 공전 . 재점착제어의 성능을 좌우하므로 철도차량에 있어서 벡터제어의 효과는 크다고 할 수 있다.
1차 지연만을 사용하여 토크를 감소시키는 방법과 비교하여 속도제어 루프가 추가되었을 때, 같은 조건에서 공전속도의 크기가 감소하고 가속도가 커짐이 관찰되었으며 점착특성을 향상시킬 수 있는 방법임을 실험으로 확인하였다.
공전속도를 궤환한 점착제어는 개선된 특성을 보이고 있으나 궤환이득은 실험을 통한 조절이 필요함을 고찰할 수 있었다. 또 전자클러치의 동특성은 언급되지 않았으므로 실제차량의 조건과 얼마나 접근하는가 하는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.
응용하였다. 저속영역에서 토크의 맥동과 전류파형에 영향을 주는 데드타임에 대한 보상은 낮은 스위칭 주파수를 사용하고 순시전류를 제어하는 루프를 두어 좋은 보상결과를 얻었다. 전동기의 구동실험에 있어서는 정지할 때까지 회생제동이 가능함을 확인하였으며 벡터제어가 갖는 효과적인 결과를 확인하였다.
저속영역에서 토크의 맥동과 전류파형에 영향을 주는 데드타임에 대한 보상은 낮은 스위칭 주파수를 사용하고 순시전류를 제어하는 루프를 두어 좋은 보상결과를 얻었다. 전동기의 구동실험에 있어서는 정지할 때까지 회생제동이 가능함을 확인하였으며 벡터제어가 갖는 효과적인 결과를 확인하였다.
지연필터의 시정수를 임의로 하여 々를 2[sec]로 하였으며 필터의 이득 K를 조절하여 실험을 하였다. 필터의 이득이 커질수록 슬립속도의 크기가 작아짐을 관찰되었고 토크의 감소량이 커짐을 볼 수 있었다. 효과적인 재점착제어는 공전속도의 크기도 제어방법의 성능을 평가하는 한가지 요소이나, 토크의 감소량은 가속성능을 좌우하는 매우 중요한 요소로 관찰되었다.
필터의 이득이 커질수록 슬립속도의 크기가 작아짐을 관찰되었고 토크의 감소량이 커짐을 볼 수 있었다. 효과적인 재점착제어는 공전속도의 크기도 제어방법의 성능을 평가하는 한가지 요소이나, 토크의 감소량은 가속성능을 좌우하는 매우 중요한 요소로 관찰되었다. 그림 7의 경우에는 K를 0.

후속연구

(3) 점착특성을 향상시키기 위하여 사용되는 재점착제어의 기술은 차량의 성능을 높이는 매우 중요한 기술이므로, 이에 대하여 앞으로 실제차량의 견인시스템에 대한 직접적인 시도가 절실하며 더욱 실제적인 점착특성을 향상시키고 개선하는 방향으로 연구가 지속되어야 한다.

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