[논문]철도차량 추진시스템을 위한 FLI(Five-leg Inverter)의 성능 분석

임영설; 신덕호; 이준석; 이교범

doi:10.7782/jksr.2017.20.1.43

철도차량 추진시스템을 위한 FLI(Five-leg Inverter)의 성능 분석
Performance Analysis of a Five-leg Inverter for the Train Propulsion System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.20 no.1 = no.98, 2017년, pp.43 - 54

임영설 (Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 신덕호 (Railroad Safety Research Division, Korea Railroad Research Institute) , 이준석 (Railroad Safety Research Division, Korea Railroad Research Institute) , 이교범 (Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

초록
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본 논문에서는 철도차량 추진시스템을 위한 3-레그 인버터와 5-레그 인버터의 성능을 비교/분석하고 철도차량에 5-레그 인버터를 적용함에 있어 최적의 동작 조건을 제시한다. 5-레그 인버터는 두 대의 3-레그 인버터에 비해 2개의 스위치가 감소되며, 하나의 제어보드로 두 대의 3상 전동기를 독립적으로 제어할 수 있다. 이로 인해 두 대의 3-레그 인버터를 이용할 경우보다 시스템의 비용 감소와 소형화가 가능하다. 본 논문에서는 먼저 도시철도 차량에서 사용중인 유도전동기 제어 기법과 PWM 방법을 분석한다. 다음으로 5-레그 인버터의 기본 동작과 특징을 분석한다. 이러한 분석을 바탕으로 동일한 유도전동기 제어 기법과 PWM 방법을 3-레그 인버터와 5-레그 인버터에 적용했을 때 유도전동기의 속도와 토크 특성을 비교하고 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes the performance of two three-leg inverters and a five-leg inverter and proposes the optimal operation conditions in applying the five-leg inverter for the train propulsion system. The five-leg inverter offers a saving of two switches compared with the standard two three-leg inverters and it is possible to control two three-phase motors independently by using a control board. All of these features lead to a potential reduction in capital cost and miniaturization of system. In this paper, first, the analysis of the existing motor control method and PWM method for two-traction motor drive of urban railway is implemented. Next, the operation principle and performance of five-leg inverter is introduced. Through the analysis, when it applies the same motor control method and the same PWM method for three-leg inverter and five-leg inverter, the characteristic of motor's speed and torque is compared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 도시철도차량 구동을 위한 FLI의 적용에 대해 분석한다. FLI로 2대의 유도전동기를 구동할 경우 앞서 설명한 것처럼 2대의 유도전동기를 각각 독립적으로 제어 가능하다.
본 논문에서는 도시철도차량의 구동방식을 적용한 2대의 TLI와 1대의 FLI의 동작 특성을 비교 분석하였다. 1대의 FLI를 이용한 1C4M은 2대의 TLI를 이용한 2C4M과 비교하여 2개의 스위치를 절감할 수 있으며, 저속영역에서는 동일한 토크 특성을 보여준다.
본 논문에서는 현재 도시철도차량에 적용된 TLI 제어 기법을 FLI에 동일하게 적용함으로써 동작 특성을 분석하며, 이를 바탕으로 최적의 동작 조건을 제시한다. 2대의 TLI를 이용한 2C4M 구조와 FLI를 이용한 1C4M 구조의 비교분석을 통해 FLI의 우수성과 한계를 분석하고 철도차량 추진시스템에 적용을 위한 가이드라인을 제시한다.
본 절에서는 기존 도시철도차량에 적용된 TLI를 이용한 1C4M과 2C4M 구조에서 유도전동기 제어 기법과 인버터의 PWM 방법을 소개한다.

가설 설정

제어 기법의 적용을 위하여 비동기모드에서 스위칭주파수는 800[Hz]로 설정하였으며, 각 유도전동기의 부하는 500N·m, 관성모멘트는 15kg·m²으로 설정하였다. 철도차량의 동작 특성을 고려하여 시뮬레이션에서는 유도전동기가 모두 동일한 속도로 회전하는 것으로 모의하였다.

제안 방법

본 논문에서는 현재 도시철도차량에 적용된 TLI 제어 기법을 FLI에 동일하게 적용함으로써 동작 특성을 분석하며, 이를 바탕으로 최적의 동작 조건을 제시한다. 2대의 TLI를 이용한 2C4M 구조와 FLI를 이용한 1C4M 구조의 비교분석을 통해 FLI의 우수성과 한계를 분석하고 철도차량 추진시스템에 적용을 위한 가이드라인을 제시한다. FLI와 TLI의 비교를 위하여 제어 기법과 인버터의 용량, 유도전동기의 파라미터들은 동일하게 설정한 상태에서 시뮬레이션을 수행한다.
2대의 TLI를 이용한 2C4M 구조와 FLI를 이용한 1C4M 구조의 비교분석을 통해 FLI의 우수성과 한계를 분석하고 철도차량 추진시스템에 적용을 위한 가이드라인을 제시한다. FLI와 TLI의 비교를 위하여 제어 기법과 인버터의 용량, 유도전동기의 파라미터들은 동일하게 설정한 상태에서 시뮬레이션을 수행한다.
따라서 본 논문에서는 두 유도전동기가 동일한 파라미터를 갖고 동일한 속도에서 동일한 토크로 제어되는 경우(M1 = M2, ω1 = ω2)를 고려하여 분석한다.
5는 도시철도차량 구동을 위한 PWM 방법으로 선형변조범위, 과변조범위, 1펄스변조범위의 3가지 변조범위로 구분하며 각 변조범위에서의 샘플링주파수, 스위칭주파수의 변화를 나타낸다. 또한 선형변조범위에서는 일정한 스위칭 주파수를 갖는 비동기 PWM 방법을 수행하며, 고속영역에서는 출력 전압의 불평형을 방지하기 위해 반송파와 기본파의 시작점을 일치시켜주는 동기 PWM 방법을 수행한다[7-10].
본 논문에서는 FLI의 동작 특성을 확인하기 위한 시뮬레이션과 현재 도시철도차량에서 적용중인 제어 기법을 2대의 TLI와 1대의 FLI에 적용하여 4대의 유도전동기를 구동하는 시뮬레이션을 PSIM을 이용하여 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 유도전동기 파라미터는 Table 1과 같으며, 직류단 전압은 1500[V]로 설정하였다.
14는 속도제어시 각 유도전동기의 속도와 #의 파형을 나타내며, 각 유도전동기의 부하는 50N·m으로 설정하였다. 속도제어 시 유도전동기 2대의 속도는 200rpm으로 동일한 상태에서 t = 1s에 첫 번째 유도전동기의 지령속도를 600rpm으로 변화시켰으며, t = 1.2s에서 두 번째 유도전동기의 지령속도를 -200rpm으로 변화시켰다. 2대의 유도전동기는 속도변화 시 상호 간의 간섭이 없음을 확인할 수 있다.
제어 기법의 적용을 위하여 비동기모드에서 스위칭주파수는 800[Hz]로 설정하였으며, 각 유도전동기의 부하는 500N·m, 관성모멘트는 15kg·m2으로 설정하였다.
철도차량 구동을 위한 TLI와 FLI의 동작 특성을 비교분석하기 위하여 TLI는 Fig. 1(b)와 같이 2C4M 구조, FLI은 Fig. 2와 같이 1C4M구조에 도시철도차량에서 적용중인 제어 기법(저속: 벡터제어, 고속: V/f 일정제어) 및 PWM 방법을 동일하게 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 두 구성 모두 2개의 유도전동기그룹으로 나눠 제어되며 유도전동기그룹 내의 두 유도전동기는 동일하게 동작한다.

대상 데이터

1(b)와 같은 2대의 TLI를 이용한 2C4M 구조와 동일한 역할 수행이 가능하다. 2C4M 구조는 2대의 TLI가 필요함에 따라 총 12개의 스위치가 요구되지만 FLI를 이용한 1C4M구조는 총 10개의 스위치로 구성된다. 따라서 FLI를 이용할 경우 전체 시스템의 비용 감소 및 인버터의 소형화가 가능하다[11,12].

성능/효과

11의 형태로 나타난다. 이 때 각 레그전류의 최대값은 기본파 성분의 최대값을 나타내며 두 유도전동기 지령전압간의 위상차이 변화에 따라 나타나는 v_A, v_B, v_C, v_D, v_E의 최대값이 감소될수록 두 유도전동기가 FLI에 의해서 선형적으로 제어될 수 있는 영역이 증가한다는 것을 의미한다. 즉, 두 유도전동기의 위상차이가 30도, 90도, 150도일 때 FLI가 가장 넓은 선형변조범위를 가지며 그 값은 Fig.
2대의 유도전동기는 속도변화 시 상호 간의 간섭이 없음을 확인할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해 FLI에 연결된 2대의 유도전동기는 각각 독립적으로 제어가 가능함을 확인할 수 있다.
469이다. 저속영역에서는 TLI와 FLI가 동일한 성능으로 구동이 가능하며, FLI가 TLI에 비해 최대 토크를 유지할 수 있는 속도의 범위가 좁음을 확인할 수 있다.
10의 결과를 통해 FLI를 철도차량에 적용할 경우 iC를 다른 레그보다 같거나 작게 발생시키기 위해서는 두 유도전동기가 120도~240도의 위상차이를 가지고 회전해야 하며, 최대 선형변조범위를 갖기 위해서는 두 유도전동기가 30도, 90도, 150도, 210도, 270도, 330도의 위상차이를 가져야 한다. 종합하면 두 조건을 모두 만족하는 두 유도전동기의 위상차이는 150도, 210도이며, 이 조건이 FLI의 최적의 운전조건이라고 말할 수 있다. 하지만 선형변조범위의 증가가 크지 않다는 것과 전류조건은 스위치 정격과 관련이 있어 매우 중요한 요소라는 것을 고려하면 C-레그의 전류가 다른 레그의 전류보다 작거나 같도록 하는 두 유도전동기의 위상차이가 120도~240도일 때를 운전영역으로 선정하는 것이 바람직하다.

후속연구

1대의 FLI를 이용한 1C4M은 2대의 TLI를 이용한 2C4M과 비교하여 2개의 스위치를 절감할 수 있으며, 저속영역에서는 동일한 토크 특성을 보여준다. 또한 허용제어 관점에서 두 유도전동기그룹에 모두 연결된 C레그를 제외하고 하나의 유도전동기그룹의 구동시스템에 장애가 발생하여도 정상인 다른 유도전동기그룹 구동시스템을 이용하여 허용제어가 가능하기 때문에 철도차량의 허용제어 설계요구사항으로 인해 나타나는 인버터의 과설계 문제 해결에 대안이 될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 TLI 제어 기법을 적용한 실험 방향은 어떠한가?	본 논문에서는 현재 도시철도차량에 적용된 TLI 제어 기법을 FLI에 동일하게 적용함으로써 동작 특성을 분석하며, 이를 바탕으로 최적의 동작 조건을 제시한다. 2대의 TLI를 이용한 2C4M 구조와 FLI를 이용한 1C4M 구조의 비교분석을 통해 FLI의 우수성과 한계를 분석하고 철도차량 추진시스템에 적용을 위한 가이드라인을 제시한다. FLI와 TLI의 비교를 위하여 제어 기법과 인버터의 용량, 유도전동기의 파라미터들은 동일하게 설정한 상태에서 시뮬레이션을 수행한다.
	현재 철도차량의 인버터로 사용되는 것은 무엇인가?	현재 철도차량의 인버터는 정밀한 제어를 위해 펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation) 방법을 적용하고 있으며, 이를 바탕으로 유도전동기의 입력 전압의 크기와 주파수 제어가 가능한 가변전압 가변주파수(VVVF, Variable Voltage Variable Frequency) 전압형 인버터가 널리 사용되고 있다[4,5].
	저속영역과 고속영역에서의 차별화 된 PWM 기법을 사용하는 이유는 무엇인가?	유도전동기의 속도 증가에 의해 인버터의 기본파 주파수가 증가하는 고속영역에서는 기본파 한 주기 동안 인버터의 스위칭 펄스 수가 감소하는 현상이 나타난다. 이때 기본파와 반송파의 비동기로 인한 출력전압의 전압 불평형 문제가 발생할 수 있으며, 이를 위해 저속영역과 고속영역에서의 차별화 된 PWM 기법이 사용되고 있다[6-10].

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