부산도시철도 추진장치를 종합 제어하는 Chopper Gate Control Unit는 다수의 전자 전기부품, PCB, 전원공급기, 게이트회로증폭기, 프레온가스냉각기, 보호회로 등으로 구성되어 있는 주요장치로서 일본 미씨비시에서 생산된 제품을 사용하고 있다. 최근에는 초퍼장치의 고장 및 시험기 에러가 자주 발생하여 원인분석 결과 Chopper Gate Control Unit內 LPF(Lower Pass Filter)의 장기사용(약25년)으로 인한 노후화와 성능저하가 주요 원인이었음을 밝혀내고 물품구매를 위해 제작사에 문의 하였으나 이미 생산이 중단된 제품으로 별도 주문 제작시에는 고가의 비용이 발생한다. LPF는 몰딩처리가 되어있는 부품으로 수선이 불가하여 자체기술력으로 연구 개발하여 현재 부산도시철도 1호선 전동차에 13set를 적용하여 운영하고 있다. 본 논문에서는 연산 증폭기(OP Amp)와 저항, 콘덴서 등의 조합으로 자체개발한 능동필터인 Active LPF의 특성분석, 회로해석 및 설계, 다기능분석기, 스펙트럼분석기, 오실로스코프 등을 이용한 파형특성과 PS Pice 시뮬레이션 시험결과 등 개발에 관한 연구내용을 다루었다.
부산도시철도 추진장치를 종합 제어하는 Chopper Gate Control Unit는 다수의 전자 전기부품, PCB, 전원공급기, 게이트회로증폭기, 프레온가스냉각기, 보호회로 등으로 구성되어 있는 주요장치로서 일본 미씨비시에서 생산된 제품을 사용하고 있다. 최근에는 초퍼장치의 고장 및 시험기 에러가 자주 발생하여 원인분석 결과 Chopper Gate Control Unit內 LPF(Lower Pass Filter)의 장기사용(약25년)으로 인한 노후화와 성능저하가 주요 원인이었음을 밝혀내고 물품구매를 위해 제작사에 문의 하였으나 이미 생산이 중단된 제품으로 별도 주문 제작시에는 고가의 비용이 발생한다. LPF는 몰딩처리가 되어있는 부품으로 수선이 불가하여 자체기술력으로 연구 개발하여 현재 부산도시철도 1호선 전동차에 13set를 적용하여 운영하고 있다. 본 논문에서는 연산 증폭기(OP Amp)와 저항, 콘덴서 등의 조합으로 자체개발한 능동필터인 Active LPF의 특성분석, 회로해석 및 설계, 다기능분석기, 스펙트럼분석기, 오실로스코프 등을 이용한 파형특성과 PS Pice 시뮬레이션 시험결과 등 개발에 관한 연구내용을 다루었다.
This paper presents the research of Low Pass Filter(hereinafter called "LPF") which is the part of Chopper Gate Control Unit on the electric rolling stock. Chopper Gate Control Unit controling the propulsive equipments of electric rolling stock consists of several electronic parts, PCB, Power Supply...
This paper presents the research of Low Pass Filter(hereinafter called "LPF") which is the part of Chopper Gate Control Unit on the electric rolling stock. Chopper Gate Control Unit controling the propulsive equipments of electric rolling stock consists of several electronic parts, PCB, Power Supply, Gate Circuit Amp, Freon Cooling Device, and has been used the parts made by japan manufacturer Mitsubish. But these parts recently have been more broken down and slow down performance because of long-term use, deterioration. Most of the malfunctions are low performance of LPF. Furthermore, it is physically impossible to repair LPF. Because it is molding type part and no longer manufactured. Also it needs high cost for custom-building. Therefore, it is now making up for through self-developed LPF and operating on Busan metro 1st after on-board testing. This research performed the PS Pice simulation testing, analysis of self-developed LPF performance and the wave form characteristic by multi-function synthesizer, spectrum analyzer, oscilloscope.
This paper presents the research of Low Pass Filter(hereinafter called "LPF") which is the part of Chopper Gate Control Unit on the electric rolling stock. Chopper Gate Control Unit controling the propulsive equipments of electric rolling stock consists of several electronic parts, PCB, Power Supply, Gate Circuit Amp, Freon Cooling Device, and has been used the parts made by japan manufacturer Mitsubish. But these parts recently have been more broken down and slow down performance because of long-term use, deterioration. Most of the malfunctions are low performance of LPF. Furthermore, it is physically impossible to repair LPF. Because it is molding type part and no longer manufactured. Also it needs high cost for custom-building. Therefore, it is now making up for through self-developed LPF and operating on Busan metro 1st after on-board testing. This research performed the PS Pice simulation testing, analysis of self-developed LPF performance and the wave form characteristic by multi-function synthesizer, spectrum analyzer, oscilloscope.
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문제 정의
본 논문은 부산 1호선 도시철도용 초퍼차량의 핵심장치인 후레온탱크內의 사이리스터를 단속하여 역행과 회생을 종합제어하는 Chopper Gate Control Unit내의 저주파진동전류를 검지하는 Active Filter(LPF) 국산품 개발과 이에 따른 분석, 설계, 제작 성능시험을 실시하였고, 지속적인 현차시험으로 내열성, 내충격성을 증명하는 등 기존의 일본 제품과 동일한 조건 하에서 안정성 평가를 수행하였다.
가설 설정
11) 구동된 펄스신호는 D44 다이오드를 통하여 CRF4 Thyristor Gate에 인가된다.
6) LOG-84A PCB의 IC 7C 8입력 NAND Gate ⑥핀으로 입력되면 IC 7C ⑧ 출력은 "H"레벨(1)로 출력된다.
제안 방법
회로설계 및 제작 후에는 성능시험을 실시하여 신뢰성과 안정성을 더욱 향상시켰다. 또한 다기능분석기, 스펙트럼 분석기, 초퍼시험기, 현차시험 등을 이용한 시험을 통해서 최상의 필터기능을 유지하도록 제작하였다.
본 논문에서는 초퍼장치 고압회로부에 저주파(60㎐이하) 교류성분의 진동전류가 초퍼장치 주회로부에 유입하거나 발생하면 교류변류기(ACCT)에서 검출하고 초퍼게이트 제어유니트내의 LPF가 검지하여 보호회로부의 LFD(Low Frequency Detector)지령에 의한 고장계전기를 동작시켜 주ㆍ회로 차단으로 초퍼 장치를 보호하는 방법을 설명하고, 수동필터(Passive filter)와 능동필터(Active filter)의 차이점을 설명하면서 연산증폭기(OP Amp)와 저항, 콘덴서 등을 조합한 능동필터(Active filter)인 Active LPF(Lower Pass Filter)의 자체개발 추진내용과 특성분석, Active LPF 설계, 도면제작, 회로해석, 기존 일본제품과 자체 개발품의 특성을 비교하였으며 마지막으로 다기능분석기(Multi Function Synthesizer), 스펙트럼분석기(Spectrum analyzer), 오실로스코프(Oscilloscope), 등의 파형분석을 통한 성능을 확인하고 OR CAD와 PS Pice 시뮬레이션을 실시한 후 신뢰성과 안전성 확보를 위한 초퍼시험기 시험과 현차 적용 내용을 다루고자 한다.
이와 같이 60(㎐)차단주파수를 계산하여 능동필터인 Active low pass filter회로를 제작하여 신뢰성을 향상시켰다.
회로설계 및 제작 후에는 성능시험을 실시하여 신뢰성과 안정성을 더욱 향상시켰다. 또한 다기능분석기, 스펙트럼 분석기, 초퍼시험기, 현차시험 등을 이용한 시험을 통해서 최상의 필터기능을 유지하도록 제작하였다.
성능/효과
1년 6개월 동안의 현차시험 결과 외기 온도의 상승과 하강 및 부하의 변화 등의 가혹한 환경 하에서도 성능 저하가 발견되지 않았으며, 제품의 외관상 결함도 발견되지 않아 필터의 내구성 및 신뢰도가 우수하게 형성되어 있음을 증명하였다.
3) Active LPF에서 60HZ 이하의 주파수는 통과하고 LPF內 1, 2, 3, 4차 필터에 의해 60HZ 이상은 차단시킨다.
4) AC저주파 성분의 신호가 Input 단자로 입력되면 커플링콘덴서 C14를 통과한 교류 신호는 DC 7.5V로 Bias된 전압과 결합하여 OP1의 입력부의 Buffer회로로 입력된다.
본 논문에서 개발한 Active LPF(Low Pass Filter)는 fc 보다 높은 주파수는 전혀 통과하지 않고 낮은 주파수만 통과시키는 특성을 가지며. 차단주파수는 평탄(Flat)한 레벨에서 -3(dB) 아래의 주파수영역이다.
후속연구
이상과 같이 모든 성능시험을 완료하고 부산도시철도 1호선 전동차 13개편성에 적용하여 지금까지 1년 6개월간 운용하였으나 현재까지 성능저하나 또는 고장발생 등 고장 발생 등 별다른 이상이 없는 것으로 확인되고 있으며 향후 중수선 공정에 입장하는 전 편성에 확대 적용하여 운용하고자 한다.
향후 본 연구개발 결과를 바탕으로 제작한 LPF는 부산 도시철도 1호선의 사용 내구연한 연장을 목표로 진행중인 정밀진단 대수선과 관련하여 국산화에 따른 원활한 부품의 조달 및 구입비용 절감이 기대 되며, 이와 유사한 필터 회로에도 적용이 가능하여 향후 다른 부품의 고장발생시 대처능력 향상 및 국산화 개발능력을 확보하게 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Chopper Gate Control Unit는 무엇으로 구성되어 있는가?
도시철도용 초퍼차량의 핵심장치인 후레온 탱크내의 사이리스터를 단속하여 역행 및 회생제어를 종합 제어하는 Chopper Gate Control Unit는 많은 PCB, 센서, 전원공급기, 게이트회로증폭기, 프레온가스냉각기, 보호회로장치 등으로 구성되어 있다. 지금까지 부산 1호선 전동차 부품은 1983년 일본의 미씨비시에서 생산된 모델의 제품을 현재까지 사용하고 있으나 최근에 초퍼장치 부품의 장기사용과 노후화로 인하여 성능저하 및 고장이 빈번하게 발생하고 있으며 그 고장의 대부분이 Chopper Gate Control Unit內 하였으나 이미 생산이 중단된 제품으로 별도 주문․제작시에는 고가의 비용이 발생한다.
부산 1호선 전동차 부품이 가지고 있는 문제는 무엇인가?
도시철도용 초퍼차량의 핵심장치인 후레온 탱크내의 사이리스터를 단속하여 역행 및 회생제어를 종합 제어하는 Chopper Gate Control Unit는 많은 PCB, 센서, 전원공급기, 게이트회로증폭기, 프레온가스냉각기, 보호회로장치 등으로 구성되어 있다. 지금까지 부산 1호선 전동차 부품은 1983년 일본의 미씨비시에서 생산된 모델의 제품을 현재까지 사용하고 있으나 최근에 초퍼장치 부품의 장기사용과 노후화로 인하여 성능저하 및 고장이 빈번하게 발생하고 있으며 그 고장의 대부분이 Chopper Gate Control Unit內 하였으나 이미 생산이 중단된 제품으로 별도 주문․제작시에는 고가의 비용이 발생한다.
전자회로에서 Filter는 어떻게 구별되는가?
① HPF(High Pass Filter): 어느 주파수 이상의 대역을 통과시키는 Filter
② LPF(Low Pass Filter) : 어느 주파수 이하의 대역을 통과시키는 Filter
③ BPF(Band Pass Filter) : 특정주파수만 통과 Filter
④ BEF(Band Eliminator Filter) : 특정주파수만 제거하는 Filter
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