[논문]KTX 고속전철 추진제어시스템의 동기전동기 구동 동작특성 분석

윤차중; 박상운; 이은규

KTX 고속전철 추진제어시스템의 동기전동기 구동 동작특성 분석
Dynamic Characteristics Analysis on the Synchronous Motor for Propulsion System of KTX High Speed Train 원문보기

윤차중 (한국철도공사, 기술연구처) , 박상운 (한국철도공사, 기술연구처) , 이은규 ((주)우진산전 기술연구소)

This paper describes how to apply to commutate of thyristor efficiently. Thyristor is used for the high power system, as the research to secure domestic technology of the Current Source Inverter(CSI) for the synchronous motor operation which is used for the propulsion system of KTX. It has been composed to be available for the stable switching operation of the thyristor by supplementing problem of load commutation method, according to small Counter ElectricMotive Force(EMF) at low speed area of synchronous motor, via auxiliary commutation circuit using forced commutation method. We also have verified through the simulation using the Matlab.

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문제 정의

본 논문에서는 CSI를 이용한 동기 전동기의 구동 시스템에 대하여 연구를 수행하였다.

가설 설정

Capacitor C와 2개의 보조 Thyristor(Tp, Tn)로 구성된 Auxiliary Commutation circuit의 동작은 3구간으로 나누어서 설명할 수 있다. 그림 10에 보이는 것처럼 Thyristor T3과 T2가 도통하여 b상과 c상을 통해 Idc 전류가 흐르고 있고, Capacitor C의 전압은 충전되어 있다고 가정한다.

제안 방법

동기전동기의 Motoring 영역(90°<α<180°)과 Regenerative Braking 영역(0°<<90°)에서의 동작 특성을 보기위해 α=150°, α=90° (Power=0), α=30° 에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문의 시뮬레이션은 Matlab Simulink를 사용하여 수행하였다. 먼저 Load Commutation과 Forced Commutation 각각의 시뮬레이션을 수행하고, 마지막으로 두 가지 방법을 모두 사용한 전체의 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 동기전동기가 저속에서 운용되는 경우 별도의 보조 정류회로를 구성하여 강제 정류할 수 있도록 하는 회로를 구성하였고, 이를 Matlab을 활용하여 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
시뮬레이션을 구현하기 위해 4극 동기 전동기를 사용하였으며, 인버터의 입력 전류는 20A이고, Commutation Capacitor는 400uF, 초기 충전전압은 –35[V]로 설정하였다.
저속에서는 Forced Commutation을 이용하고 고속에서는 Load Commutation으로 동작하는 CSI를 사용하여 동기 전동기를 구동하는 시뮬레이션을 실행하였다. Self-Controlled Synchronous Motor Drive 기법을 적용하여 동기 전동기를 구동하였는데, 이 방식에서는 회전자의 위치 정보로부터 인버터 구동을 위한 Thyristor 점호 신호의 Sequence를 결정한다.

대상 데이터

Self-Controlled Synchronous Motor Drive에 대한 시뮬레이션 블록도는 그림 20과 같다. Forced Commutation 회로는 Third Harmonic Auxiliary Commutated Inverter를 사용하였다.
본 논문에서는 KTX의 주 인버터에서 채용하고 있는 간단한 Forced Commutation 회로를 사용하였다. 이 Forced Commutation 회로는 아래 그림9에 보이는 바와 같이 하나의 Commutation Capacitor C와 2개의 보조 Thyristor(Tp, Tn)로 구성된다.
시뮬레이션 조건으로 운전 주파수는 5Hz, 인버터의 입력 직류 전류는 20A이고, 3상 부하는 R-L과 역기전력으로 이루어져있다. 이 때 역기전력의 최대값은 20V이다.

데이터처리

현재 KTX 추진제어장치 특성에 따라 전류형 인버터의 출력단에 동기전동기의 회전에 따른 역기전력 특성을 이용한 Load Commutation을 사용하고, 동기 전동기의 저속과 기동시의 문제를 보완하기 위한 별도의 Auxiliary Commutation 회로를 구성한 Forced Commutation 방식을 사용하였다. 각 Commutation의 원리와 특성을 분석하고, Matlab을 이용한 시뮬레이션을 통하여 본 논문의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

4절에서 설명한 Commutation Capacitor C와 2개의 보조 Thyristor(Tp, Tn)로 구성된 Forced Commutation 회로를 가진 CSI(Third Harmonic Auxiliary Commutated Inverter)의 동작 특성을 알아보기 위해 Matlab Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 실행하였다. 시뮬레이션에 사용된 블록도는 그림 16과 같다.
저속에서는 Forced Commutation을 이용하고 고속에서는 Load Commutation으로 동작하는 CSI를 사용하여 동기 전동기를 구동하는 시뮬레이션을 실행하였다. Self-Controlled Synchronous Motor Drive 기법을 적용하여 동기 전동기를 구동하였는데, 이 방식에서는 회전자의 위치 정보로부터 인버터 구동을 위한 Thyristor 점호 신호의 Sequence를 결정한다. 이 경우 전동기의 속도에 따라 인버터의 출력 주파수가 자동적으로 변하게 된다.
본 논문의 시뮬레이션은 Matlab Simulink를 사용하여 수행하였다. 먼저 Load Commutation과 Forced Commutation 각각의 시뮬레이션을 수행하고, 마지막으로 두 가지 방법을 모두 사용한 전체의 시뮬레이션을 수행하였다.
현재 KTX 추진제어장치 특성에 따라 전류형 인버터의 출력단에 동기전동기의 회전에 따른 역기전력 특성을 이용한 Load Commutation을 사용하고, 동기 전동기의 저속과 기동시의 문제를 보완하기 위한 별도의 Auxiliary Commutation 회로를 구성한 Forced Commutation 방식을 사용하였다. 각 Commutation의 원리와 특성을 분석하고, Matlab을 이용한 시뮬레이션을 통하여 본 논문의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

45초에서 Forced Commutation에서 Load Commutation으로 전환됨을 볼 수 있다. Forced Commutation으로 동작시 Commutation 구간에서 출력 토크가 적어짐을 확인하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Thyristor는 각기 다른 Turn-Off 방식을 가지는데 이로인해, Load Commutation과 Forced Commutation는 어떻게 사용되는가?

Line Commutation은 전원 특성에 의해, Load Commutation은 부하 특성에 의해, Forced Commutation은 외부회로에 의해 Thyristor의 전류가 0이 되어 Turn-off가 된다. 이러한 특성으로 인해 Load Commutation은 진상 역률 운전이 가능한 동기 전동기에서 사용하고 Forced Commutation은 지상역률운전만 가능한 유도 전동기에서 사용하고 있다.

KTX 경부고속철도차량은 어느 회사로 부터 제작기술을 이전받았는가?

국내에서 운영 중인 KTX 경부고속철도차량은 프랑스 알스톰사로부터 제작기술을 이전 받아 조립 및 제작이 되었으며, 추진방식은 동력집중식의 동기 전동기를 사용하고 있다. 동기 전동기를 구동하기 위한 추진제어시스템은 대전력용에 적합한 Thyristor를 사용하여 전류형 인버터 방식을 사용하고 있다.

동기 전동기를 위한 추진제어 시스템은 어떤 방식인가?

국내에서 운영 중인 KTX 경부고속철도차량은 프랑스 알스톰사로부터 제작기술을 이전 받아 조립 및 제작이 되었으며, 추진방식은 동력집중식의 동기 전동기를 사용하고 있다. 동기 전동기를 구동하기 위한 추진제어시스템은 대전력용에 적합한 Thyristor를 사용하여 전류형 인버터 방식을 사용하고 있다. 하지만 대전력용에 사용되는 스위칭 소자인 Thyristor의 안정적인 구동을 위해서는 적절한 전류(Commutation, 轉流)방식이 요구된다.

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