[국내논문]모노레일 추진시스템용 고효율 수냉식 냉각구조 및 방법에 관한 연구 Study of the structure and method of high efficiency water cooling system for monorail propulsion system원문보기
모노레일은 전철의 최첨단 시스템을 적용하여 버스 규모의 크기로 운용할 수 있는 중소형 교통수단으로서 각 장치들에 대한 소형, 경량화가 무엇보다 중요하다. 세계 최초로 도입한 중앙 안내 방식의 도심관광형 월미모노레일 또한 소형, 경량화 된 장치들로 구성되어있으며, 특히 열이 많이 발생하는 추진 시스템(인버터, 모터)을 소형, 경량화 하기 위해 집중적인 연구와 시험이 이루어졌다. 본 연구에서는 고효율의 추진 시스템을 소형, 경량화 할 수 있는 수냉식 냉각 구조 및 방법에 관한 해법연구와 함께 에너지 절감에 효과적인 제어방식을 제시하였다.
모노레일은 전철의 최첨단 시스템을 적용하여 버스 규모의 크기로 운용할 수 있는 중소형 교통수단으로서 각 장치들에 대한 소형, 경량화가 무엇보다 중요하다. 세계 최초로 도입한 중앙 안내 방식의 도심관광형 월미모노레일 또한 소형, 경량화 된 장치들로 구성되어있으며, 특히 열이 많이 발생하는 추진 시스템(인버터, 모터)을 소형, 경량화 하기 위해 집중적인 연구와 시험이 이루어졌다. 본 연구에서는 고효율의 추진 시스템을 소형, 경량화 할 수 있는 수냉식 냉각 구조 및 방법에 관한 해법연구와 함께 에너지 절감에 효과적인 제어방식을 제시하였다.
Monorail, with the cutting edge technology from EMU system, is small to medium sized transportation solution with bus size capacity, and one of key factors is to minimize size and weight. The Wolmi urban tour monorail, which is a center guide type first ever introduced in the world, is also consists...
Monorail, with the cutting edge technology from EMU system, is small to medium sized transportation solution with bus size capacity, and one of key factors is to minimize size and weight. The Wolmi urban tour monorail, which is a center guide type first ever introduced in the world, is also consists minimizing size and weight of the propulsion system (inverter and motor), which generates considerable amount of heat. This study presents a solution of the structure and method of water cooling system of minimize the size and weight of high efficiency propulsion system, and an effective control method for energy saving.
Monorail, with the cutting edge technology from EMU system, is small to medium sized transportation solution with bus size capacity, and one of key factors is to minimize size and weight. The Wolmi urban tour monorail, which is a center guide type first ever introduced in the world, is also consists minimizing size and weight of the propulsion system (inverter and motor), which generates considerable amount of heat. This study presents a solution of the structure and method of water cooling system of minimize the size and weight of high efficiency propulsion system, and an effective control method for energy saving.
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가설 설정
① 프레임 표면 열전달은 무시할 만큼 작다.
② 전동기 부하측과 반부하측은 열적 대칭을 이룬다.
제안 방법
따라서 수냉식 냉각시스템은 앞서 설명한 바와 같이 공급과 회송이 반복적으로 이루어지면서 추진시스템을 냉각시키는 방식으로 설계되었다.
35t의 규소강판을 사용하고, 회전자 축은 합금강으로 제작되었다. 또한 영구자석은 NdFeB-SH급 이상의 등급을 사용하여 회전자 코어에 안전하게 고정시켰다.
수냉식 냉각시스템의 신뢰성을 검증하기 위해 도심형관광 월미 모노레일의 본선 주행조건에 따른 최고 성능으로 연속 20시간 기동하여 시험을 실시하였다.
냉각구조의 성능을 검증하기 위하여 견인전동기의 정격부하 100kW 시험을 실시하였다.
대상 데이터
그림5는 고정자 내부 사진이다. 고정자 코어는 두께 0.35t의 규소강판을 사용하며, 고정자 코일은 폴리아미드이미드동선(Poly amide imide Enameled copper wire) - AIW 절연동선을 사용하였다. 회전자의 코어는 두께 0.
35t의 규소강판을 사용하며, 고정자 코일은 폴리아미드이미드동선(Poly amide imide Enameled copper wire) - AIW 절연동선을 사용하였다. 회전자의 코어는 두께 0.35t의 규소강판을 사용하고, 회전자 축은 합금강으로 제작되었다. 또한 영구자석은 NdFeB-SH급 이상의 등급을 사용하여 회전자 코어에 안전하게 고정시켰다.
성능/효과
유한요소법을 이용하여 해석한 결과 정격출력 100kW에서 약 4%의 전기적 손실이 발생하는 것으로 확인 되었다.
약 4시간이 지난 후부터는 냉각수에 의해 냉각이 이루어지는 IGBT Stack, 견인전동기 프레임 및 고정자 권선이 일정한 온도를 유지하며 냉각이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 냉각수에 의해 냉각이 이루어지지 않는 충전 콘덴서 및 리액터 등의 온도도 포화된 것을 확인할 수 있었다.
약 4시간이 지난 후부터는 냉각수에 의해 냉각이 이루어지는 IGBT Stack, 견인전동기 프레임 및 고정자 권선이 일정한 온도를 유지하며 냉각이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 냉각수에 의해 냉각이 이루어지지 않는 충전 콘덴서 및 리액터 등의 온도도 포화된 것을 확인할 수 있었다.
그림11의 결과로 보아 정격출력으로 기동해도 문제가 없었다. 표4에서 보는봐와 같이 견인전동기 영구자석의 성능보증온도인 150℃와 IGBT Stack의 성능보증온도인 60℃보다 각각 약 40℃와 약 34℃의 여유를 갖고 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
추진제어장치에서 열에 가장 취약한 부분은 바로 스위칭 소자 즉, IGBT Stack이다. IGBT Stack의 발열량 계산은 IGBT의 도통손실 및 스위칭 손실, 환류 다이오드 도통 손실 및 스위칭 손실로 구분되고 각 특성 곡선에 따라 발열량이 결정되며, 추가적으로 제어변수인 스위칭 주파수와 역률, 변조지수, 주행패턴 등에 따라 발열량이 다르므로 시스템의 특성에 적합한 설계가 요구되어 진다. 아래의 계산식은 IGBT 및 환류 다이오드의 스위칭 손실과 도통 손실을 계산하는 식으로 여기서 PIC와 PIS는 각각 IGBT의 도통 손실과 스위칭 손실이며, PDC와 PDS는 환류 다이오드의 도통 손실과 스위칭 손실이다.
특히 국내 최초로 철도 차량에 적용한 대용량 BLDC모터를 비롯하여 벡터 제어 방식의 추진제어장치 내부에 수냉식 냉각 구조를 도입하고 성능이 우수한 냉각장치(Chiller)로 고효율의 냉각 시스템과 제어 방식을 구축한 것은 훌륭한 성과로서 좋은 평가를 받을 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 이러한 연구성과를 바탕으로 국내의 관련 기술을 한층 더 발전시키고 소형, 경량화 노력은 물론 용량을 확대하여 중대형 모노레일 개발 시기를 앞당김으로서 수입대체 효과를 높이고 기술 경쟁력 강화에 앞장서는 것이 남은 과제라 할 수 있을 것이다.
특히 국내 최초로 철도 차량에 적용한 대용량 BLDC모터를 비롯하여 벡터 제어 방식의 추진제어장치 내부에 수냉식 냉각 구조를 도입하고 성능이 우수한 냉각장치(Chiller)로 고효율의 냉각 시스템과 제어 방식을 구축한 것은 훌륭한 성과로서 좋은 평가를 받을 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 이러한 연구성과를 바탕으로 국내의 관련 기술을 한층 더 발전시키고 소형, 경량화 노력은 물론 용량을 확대하여 중대형 모노레일 개발 시기를 앞당김으로서 수입대체 효과를 높이고 기술 경쟁력 강화에 앞장서는 것이 남은 과제라 할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모노레일에서는 무엇이 중요한가?
모노레일은 전철의 최첨단 시스템을 적용하여 버스 규모의 크기로 운용할 수 있는 중소형 교통수단으로서 각 장치들에 대한 소형, 경량화가 무엇보다 중요하다. 세계 최초로 도입한 중앙 안내 방식의 도심관광형 월미모노레일 또한 소형, 경량화 된 장치들로 구성되어있으며, 특히 열이 많이 발생하는 추진 시스템(인버터, 모터)을 소형, 경량화 하기 위해 집중적인 연구와 시험이 이루어졌다.
장치들을 냉각시키는 방법은 공냉식과 수냉식 방법이 있는데, 공냉식 방법은 어떤 한계를 가지고 있는가?
공냉식 방법에서 장치의 발열은 모두 대기에 발산되기 때문에 반드시 고체면에서 공기의 열전달이 존재하며, 이 부분의 열저항이 병목되어 기술적인 해법을 찾는데 한계가 있다.
모노레일은 어떤 조건을 갖추고 있는 교통수단인가?
그 중 모노레일은 친환경적, 경제성, 효율성 등에서 최적의 조건을 갖추고 있고 전철의 최첨단 시스템이 적용되어있어 도심 내부의 수송용이나 도심 및 관광지의 투어용으로 적합하다는 평가를 받고 있다. 하지만 모노레일은 차량의 크기가 작기 때문에 각 장치들 특히, 추진 시스템의 소형, 경량화가 이루어져야 한다.
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