[논문]8200호대 전기기관차 객차전원공급장치(HEP)의 출력전압품질향상을 위한 최적화된 PWM 방법

이을재; 이진국; 윤차중; 김재문

doi:10.5370/kiee.2013.62.11.1628

8200호대 전기기관차 객차전원공급장치(HEP)의 출력전압품질향상을 위한 최적화된 PWM 방법
A Study on Optimized PWM Strategy to Improve Output Voltage Quality of HEP System Boarded on 8200 Series Electric Locomotives 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.11, 2013년, pp.1628 - 1632

이을재 (E-Kyoung Systems Co., Ltd.) , 이진국 (Central R&D Center, WOOJIN Industrial Systems Co., Ltd.) , 윤차중 (R&D Center, KORAIL) , 김재문 (Department of Railroad Electrical and Electronics, Korea National University of Transportation)

Abstract ▼ AI-Helper

HEP(Head Electric Power) system, supplying 3-phase service power to the coach vehicles, is a kind of special auxiliary power equipment which is boarded on 8200 series electric locomotives in KORAIL. This equipment shares high voltage DC link with a main propulsion converter/inverter systems. It was difficult to use high frequency PWM technique so that GTO has been used as a power device same like the main power system. Due to low PWM frequency(300Hz) of HEP inverter, the output voltage has less power quality comparing to normal SIV(Static Inverter) system. In this paper, an optimal PWM strategy is presented for new IGBT type HEP inverter system. Several PWM techniques were investigated to improve output voltage quality under fixed lower filter inductance and not high PWM frequency. Finally PC simulations have been done to clarify its availability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GTO 소자의 단종에 따른 유지보수의 어려움이 급속히 증가함에 따라 주변환장치의 국산화를 고려한 새로운 HEP 장치용 최적회된 PWM 방법에 대하여 제안한다. 설계에서 고려될 사항은 첫 번째로 GTO 소자를 대전력 IGBT로 변경하여 적용함으로서 유지보수성을 증대시키는 것이다.

가설 설정

식 (5)는 K개의 α각을 사용하여 기본파를 제외하고 총 (K - 1)개의 특정고조파를 제거할 수 있음을 나타낸다. 3상 평형의 출력전압인 경우 3의 배수차 고조파는 발생하지 않는다. 따라서 예를 들어 4개의 α각을 사용하는 9펄스 출력의 경우 제거되는 고조파는 3개까지 제거가 가능하므로 3배수 고조파를 제외하면 5, 7, 11차의 고조파를 제거하는 것이 가능하다.
기존장치에서 사용된 필터의 계수가 워낙 커서 축소모델에 의해서는 정상적인 파형 검증이 어려우므로 논문에서는 주로 시뮬레이션을 통해 설계에 대한 검증을 수행하였다. 사용되는 소자 및 방열기기는 주변환장치와 동일한 것을 적용하는 것으로 가정하여 4.5kV/1200A IGBT를 2병렬로 구성하고 PWM 주파수는 최대 1kHz 미만으로 제한하였다.

제안 방법

기존장치에서 사용된 필터의 계수가 워낙 커서 축소모델에 의해서는 정상적인 파형 검증이 어려우므로 논문에서는 주로 시뮬레이션을 통해 설계에 대한 검증을 수행하였다. 사용되는 소자 및 방열기기는 주변환장치와 동일한 것을 적용하는 것으로 가정하여 4.
본 논문에서는 8200호대 전기기관차에 적용되는 객차전원 공급장치의 출력전압 품질향상과 필터캐패시터에 흐르는 무효전류의 크기를 감소시키기 위하여 필터 캐패시턴스의 값을 새롭게 선정하였고 저속의 PWM 주파수를 적용한 최적의 PWM 방안을 도출하였다. 여러 가지 PWM 방식의 정량적 비교를 위해 시뮬레이션을 실시하였고 선정된 필터계수를 적용한 출력전압의 왜곡율을 계산하였다.
시뮬레이션에서는 2.2절에서 설명한 특정고조파제거방식(SHEPWM)을 구현하여 전력회로에 적용하였다. 시뮬레이션을 위한 기초 파라메터는 표 2와 같이 선정된다.

데이터처리

본 논문에서는 8200호대 전기기관차에 적용되는 객차전원 공급장치의 출력전압 품질향상과 필터캐패시터에 흐르는 무효전류의 크기를 감소시키기 위하여 필터 캐패시턴스의 값을 새롭게 선정하였고 저속의 PWM 주파수를 적용한 최적의 PWM 방안을 도출하였다. 여러 가지 PWM 방식의 정량적 비교를 위해 시뮬레이션을 실시하였고 선정된 필터계수를 적용한 출력전압의 왜곡율을 계산하였다. 아래는 논문에서 얻어진 결과를 나타낸 것이다.
시뮬레이션을 위한 기초 파라메터는 표 2와 같이 선정된다. 최적화 PWM에 대한 검증은 동일한 주파수의 SPWM(Sine PWM) 및 SVPWM(Space vector PWM)을 적용한 출력전압파형 및 캐패시터 전류를 SHEPWM 방식과 비교하여 우수한 특성을 보이는 방식을 정량적으로 비교하였다. 시뮬레이션 툴은 전기전자회로의 설계에 많이 이용되는 PSpice를 사용하였으며 구성회로는 그림 4와 같다.

성능/효과

(1) 무효전류 저감 목적을 위해 기존의 1.77mF의 필터 캐패시턴스를 1.0mF로 40% 이상 감소하는 것이 가능하였다.
(2) SHEPWM 7 펄스 방식은 주파수는 낮으나 THD가 15%대로 적절하지 않다.
(3) SHEPWM 9 펄스 및 11 펄스의 경우 THD가 10% 미만으로 기존보다 전압품질을 개선 할 수 있었다.
(4) 특히 11 펄스의 경우 THD가 5%대로 매우 개선된 효과가 있으며 무효전류도 50% 이상 감소되었다.
(5) 낮은 PWM 주파수를 사용하는 경우 SHEPWM > SPWM > SVPWM 방식의 순으로 효과가 있음을 확인하였다.

후속연구

시뮬레이션 결과는 현재 제작중인 인버터장치에 적용될 예정이며 장치가 완성되는 대로 실제 부하실험을 통해 제안한 방법의 타당성을 다시 한번 확인할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	8200호대 전기기관차란?	90년대 후반부터 국내에 도입된 8200호대 전기기관차는 8000호대의 사이리스터 및 직류전동기 제어방식에서 탈피하여 GTO를 주요소자로 사용하고 벡터제어에 의한 유도전동기제어를 수행하는 고성능의 전기기관차이다. 이 전기기관차에는 기계실에 필요한 보조전력을 포함하여 객실용의 3상서비스전력을 공급하기 위한 HEP(Head Electric Power) 장치가 부착되어 있어서 별도의 발전차량을 이용하지 않아도 연결된 객실에 전원을 공급할 수 있는 특징이 있다.
	출력필터용 리액터의 특징은?	한편 출력필터용 리액터는 별도의 외부 리액터 없이 주변압기함 내에 설치된 보조변압기의 누설인덕턴스를 사용하므로 매우 낮다. 이를 보상하기 위한 대규모의 캐패시턴스는 무부하 상태에서도 수백 암페어의 무효전력을 발생시키므로 하부 부하장치의 오동작과 관련된 문제가 제기되고 있다[2].
	90년대 후반부터 국내에 도입된 8200호대 전기기관차의 특징은?	90년대 후반부터 국내에 도입된 8200호대 전기기관차는 8000호대의 사이리스터 및 직류전동기 제어방식에서 탈피하여 GTO를 주요소자로 사용하고 벡터제어에 의한 유도전동기제어를 수행하는 고성능의 전기기관차이다. 이 전기기관차에는 기계실에 필요한 보조전력을 포함하여 객실용의 3상서비스전력을 공급하기 위한 HEP(Head Electric Power) 장치가 부착되어 있어서 별도의 발전차량을 이용하지 않아도 연결된 객실에 전원을 공급할 수 있는 특징이 있다. HEP장치는 객실에 서비스 전원을 공급하는 것을 목적으로 설계 되었기 때문에 무가선 구간(Dead section)을 통과하더라도 지속적인 전원공급을 수행할 필요가 있었다.

참고문헌 (6)

J. M. Kim, et al, "The Estimation on Switching Technique via Output Power Source Analysis of Power Converter System in Electric Railway Vehicle ", KIEE, Vol. 59P, No. 2, pp. 185-190, 2010.
E. J. Lee, "Improving on the HEP Equipment Output Power Quality in new model electric locomotive", KORAIL Consultation Report, 2009.
M. H . RASHID, Power Electronic Circuits, Devices, and Applications (3rd Edition), Prentice Hall, 2004.
B. K. Bose, Mordern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, 2002.
S. R. Bowes and P. R. Clark, "Simple Microprocessor Implementation of New Regular-Sampled Harmonic Elimination PWM Techniques", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 28, No.1, pp. 89-95, Feb. 1992.
A. Zuckerberger and A. Alexandrovitz, "Determination of Commutation Sequence with a View to Eliminating Harmonics in Microprocessor- Controlled PWM Voltage Inverter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-33, No.3, pp. 262-270, Aug. 1986.

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