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동력 집중식 철도차량의 전력변환장치 전력품질 향상연구
A Study on Power Quality Improvement of Power Conversion System in Centralized-Power Type Electric Railway Vehicle 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.13 no.6 = no.61, 2010년, pp.559 - 564  

김재문 (한국철도대학 철도차량전기과) ,  윤차중 (한국철도공사) ,  이을재 (이경산전(주))

초록
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본 논문은 동력 집중식 철도차량에서 전력변환장치로서 객차용 전원공급장치의 전력품질을 향상시키기 위해 보완된 필터설계를 제안한다. 먼저, 필터설계를 위해 객차용 전원공급장치와 연결된 변압기의 출력전력 파형을 측정하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 스위칭 기법은 개선된 특정고조파 소거 펄스폭 변조이고 스위칭 주파수는 300Hz임을 추정하였다. 따라서 추정된 파라미터를 바탕으로 전력품질을 향상시키기 위해 필터를 설계하였다. 시뮬레이션 결과 전체적으로 고조파의 크기가 감소함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes an advanced filter design to improve power quality of a head electric power (HEP) as a power conversion unit in centralized-power type electric railway vehicle. First of all, we have measured waveform of output power of transformer connected HEP to design the filter. Throughout e...

주제어

#필터 설계   #객차용 전원공급장치   #특정고조파소거 펄스폭변조   #차단주파수  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 신형 전기기관차의 객차용 전원공급장치에 대한 출력전원의 품질을 분석하기 위해 현차시험을 수행하여 취득된 데이터를 근간으로 전력변환장치의 스위칭 기법을 추정하였다. 추정된 스위칭 기법이 현차시험을 통해 얻은 파형과 일치함을 확인하였으며, 시뮬레이션을 통해 출력 전원 품질을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다.
  • 본 논문은 동력 집중식 신형 전기기관차의 전력변환장치인 HEP의 전력품질을 분석하기 위해 현차시험을 하였다. 이를 통해 인버터 PWM 스위칭 기법 및 스위칭 주파수 등을 유추해 내었으며 인버터의 출력전압 개선을 위해 필터회로의 개선안을 제시하였다.
  • 그림 6(a), (b), (c)는 스위칭 소자의 게이트 신호들이며 그림 6(d), (e), (f)는 필터 전의 선간전압 파형을 보여준다. 주목할 점은 PWM에 사용된 스위칭 각이 일반적인 SHEPWM에서 구해지는 값이 아니라 전체적으로 고조파의 크기를 최소화하는 최소 리플전류 PWM (Minimum Ripple Current PWM) 방식에 근사한 점이다. 그림 7(a)는 시뮬레이션을 통해 구해진 출력 전압파형이며 그림 7(b)의 현차시험을 통해 측정된 전압 파형과 유사함을 보여준다.

가설 설정

  • 표 3은 현차시험을 통해 얻은 출력전압 파형과 상기의 가정을 조합하여 시뮬레이션을 반복적으로 수행하면서 측정된 파형과 가장 유사한 경우의 파라미터를 추정한 값이다. 특히 현차시험에서 부하가 자동으로 투입되어 출력전류의 변동률이 많았던 점과 전원공급장치의 GTO 소자로 구성되어 있어 출력전력이 최소한 100kVA를 초과한다고 가정하여 부하전류를 120A로 하였다. 그림 5와 같이 PSpice를 이용하여 전압 및 전류 파형에 대하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 스위칭 각의 계산과 고조파분석에 사용된 시뮬레이션 도구는 식 (4)을 이용하여 자체 제작된 프로그램이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
국내 철도산업의 현재 상황은? 국내 철도산업은 최근 침체기를 벗어나 '04년 경부선 고속철도차량(KTX) 상업운행과 더불어 대도시 및 지방자치단체를 중심으로 친환경 교통수단으로서 관심이 증대되고 있다. 또한 화석연료 사용에 따른 환경오염 발생과 연료비 상승에 따른 운영비용이 증가하면서 기존의 디젤엔진을 이용한 철도차량에서 전기를 이용한 전기 동력식 철도차량으로 대체되고 있으며, 이에 따른 전기차량 급전을 위해 전철화가 지속적으로 증가되고 있다.
전기기관차는 어떻게 개량화 및 유지보수가 이루어지고 있는가? 또한 화석연료 사용에 따른 환경오염 발생과 연료비 상승에 따른 운영비용이 증가하면서 기존의 디젤엔진을 이용한 철도차량에서 전기를 이용한 전기 동력식 철도차량으로 대체되고 있으며, 이에 따른 전기차량 급전을 위해 전철화가 지속적으로 증가되고 있다. 그러나 중앙선 등 국내 산업선인 경우 전철화 정책에 의해 해외에서 도입하여 운영 중인 전기기관차는 세부적인 자료가 거의 없어 전문지식을 갖춘 전문가와 철도차량 운영기관들이 운영경험에 의해 개량화 및 유지보수가 이루어지고 있다.
국내 철도산업에서 철도 차량의 추세는 어떠한가? 국내 철도산업은 최근 침체기를 벗어나 '04년 경부선 고속철도차량(KTX) 상업운행과 더불어 대도시 및 지방자치단체를 중심으로 친환경 교통수단으로서 관심이 증대되고 있다. 또한 화석연료 사용에 따른 환경오염 발생과 연료비 상승에 따른 운영비용이 증가하면서 기존의 디젤엔진을 이용한 철도차량에서 전기를 이용한 전기 동력식 철도차량으로 대체되고 있으며, 이에 따른 전기차량 급전을 위해 전철화가 지속적으로 증가되고 있다. 그러나 중앙선 등 국내 산업선인 경우 전철화 정책에 의해 해외에서 도입하여 운영 중인 전기기관차는 세부적인 자료가 거의 없어 전문지식을 갖춘 전문가와 철도차량 운영기관들이 운영경험에 의해 개량화 및 유지보수가 이루어지고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. D.S. Kim, K.R. Lee, et al. (2010) The THD measurement of HEP equipment power installed on 8200 series Electric locomotive, The Spring Conference on the Korean Society for Railway, Changwon, Korea. pp. 555-560. 

  2. C.J. Yun, E.J. Lee, et al. (2009) HEP equipment output Power quality in new model electric locomotive, The Autumn Conference on the Korean Society for Railway, Jeju, Korea. pp. 1108-1114. 

  3. J.M. Kim, E.J. Lee, C.J. Yun, et al. (2010) The Estimation on Switching Technique via Output Power Source Analysis of Power Conversion System in an Electric Railway Vehicle, KIEE, 59P(2), pp. 185-190. 

  4. S.H. Jeong, et al. (2007) A characteristic test of Auxiliary power supply for High Speed Rolling stock 350 experimental (HSR-350x), Journal of the Korean Society for Railway, 10(1), pp. 84-87. 

  5. M.H. Rashid (2004) Power Electronic Circuits, Devices, and Applications (3rd Edition), Prentice Hall. 

  6. A. Zuckerberger, A. Alexandrovitz (1986) Determination of Commutation Sequence with a View to Eliminating Harmonics in Microprocessor-Controlled PWM Voltage Inverter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, IE-33(3), pp. 262-270. 

    상세보기 crossref

  7. S.R. Bowes, P.R. Clark (1992) Transputer Based Optimal PWM Control of Inverter Drives, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 28(1), pp. 81-88. 

  8. S.R. Bowes, P.R. Clark (1992) Simple Microprocessor Implementation of New Regular-Sampled Harmonic Elimination PWM Techniques, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 28(1), pp. 89-95. 

  9. S.V. Araujo, A. Engler, B. Sahan, F. Antunes (2007) LCL filter design for grid-connected NPC inverter in offshore wind turbines, The 7th International Conference on Power Electronics, Daegu, Korea, pp. 1133-1138. 

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