초록 ▼

◇ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
○ 컨버터 일체형 반도체변압기 및 영구자석 동기전동기 기반 추진시스템 개발 및 도시철도차량 적용을 위한 운영기술 개발
■ 전체 내용
□ 1세부
○ 도시철도차량용 컨버터 일체형 경량 반도체변압기 시스템 통합 및 운영기술 개발
- 도시철도차량 적용 반도체변압기 시스템 요구사항 도출 및 최적화 기술개발
- 반도체변압기 운영 인터페이스 기술개발
○ 컨버터 일체형 전력변환 및 제어기술 개발
- 반도체변압기 시스템 설계 및 특성해석 기술개발
- 반도

◇ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
○ 컨버터 일체형 반도체변압기 및 영구자석 동기전동기 기반 추진시스템 개발 및 도시철도차량 적용을 위한 운영기술 개발
■ 전체 내용
□ 1세부
○ 도시철도차량용 컨버터 일체형 경량 반도체변압기 시스템 통합 및 운영기술 개발
- 도시철도차량 적용 반도체변압기 시스템 요구사항 도출 및 최적화 기술개발
- 반도체변압기 운영 인터페이스 기술개발
○ 컨버터 일체형 전력변환 및 제어기술 개발
- 반도체변압기 시스템 설계 및 특성해석 기술개발
- 반도체변압기 절연/냉각/구조 설계 및 패키징 기술개발
- 반도체변압기 최적 제어기술 개발
- 반도체변압기 시험 및 실차적용 기술개발
○ 반도체변압기용 모듈 컨버터 제작 기술개발
- 전력반도체 구동 제어 기술개발
- 반도체스택 모듈화 기술개발
○ 반도체변압기용 고주파변압기 기술개발
- 고주파 변압기 설계 및 특성해석 기술개발
- 고주파 변압기 특고압 절연 및 손실 저감 기술개발
□ 2세부
○ 도시철도차량용 영구자석 동기전동기 기반 추진시스템 통합 및 운영기술개발
- 영구자석 동기전동기 기반 추진시스템 운영 인터페이스 기술개발
- 도시철도차량용 영구자석 동기전동기 해석 기술 및 최적화 기술 개발
- 영구자석 동기전동기 추진시스템 신뢰성 시험
○ 경량 고효율 영구자석 동기전동기 및 추진제어장치 설계
- 영구자석 동기전동기 및 구동 인버터 기본/상세 설계
- 영구자석 동기전동기 추진시스템 조합시험
- 영구자석 동기전동기 추진시스템 현차 설치 및 신뢰성 시험
○ 경량 고효율 영구자석 동기전동기 제작 기술 개발
- 영구자석 동기전동기 제작 기술 개발
- 영구자석 동기전동기 시제품 제작
- 영구자석 동기전동기 단품/조합 시험
○ 영구자석 동기전동기 추진제어 기술 개발
- 영구자석 동기전동기 추진제어 기술 개발
- 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 시제품 제작
- 인버터 단품/조합 시험

◇ 연구개발성과
□ 1세부
○ 도시철도차량용 컨버터 일체형 경량 반도체변압기
- 정격입력전압 : AC 25 kV
- 정격출력전압 : DC 1,500 V
- 정격출력 : 2,150 kW 이상
- 무게 : 4,000 kg 이하
- 고장시 비상운전 가능(Fail-safe 기능 탑재)
○ 도시철도 차량용 컨버터 일체형 경량 반도체변압기 현차시험 및 신뢰성 시험 결과
□ 2세부
○ 도시철도차량용 고효율 희토류 최적화형 영구자석 동기전동기
- 정격출력 : 210 kW
- 최대출력 : 300 kW 이상
- 정격효율 : 96 % 이상
- 출력밀도 : 0.7 kW/kg 이상(액티브 파트, 최대출력)
- 총중량 : 650 kg 이하
- 정토크 회생제동 : 80 km/h 이상
○ 도시철도차량용 희토류 최적화형 동기전동기 구동을 위한 추진인버터
- 정격출력 : 1200kW(300kW x 4모듈) 이상
- 정격효율 : 97 % 이상
- 제어정밀도 : 98% 이상
○ 영구자석 동기전동기 기반 추진시스템 도시철도차량 현차시험 및 신뢰성 시험 결과

◇ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ ‘21년 이후 도시철도 운영기관의 노후차량 대체를 위해 연간 200량 규모의 도시 철도차량 발주가 예상되는 바, 신규 차량 적용 시 정부에서 추진 중인 온실가스 저감 목표 달성에 기여 가능
○ 반도체변압기, 영구자석 동기전동기 최적 설계ㆍ제작 기술 확보 및 성능검증 경험을 바탕으로 국내 시장을 넘어 해외로 진출할 수 있는 수준의 기술경쟁력 확보
○ 전기에너지가 동력원인 추진시스템을 사용하는 철도 외 타산업에도 일부 변형 등을 통해 활용 가능
○ 기존 차량의 견인전동기 교체 수요 발생시, 본 과제 성과물(견인전동기)의 인터페이스 변경 등을 통해 대응이 가능
○ 철도차량 제작업체 및 부품제작업체 등 기술 수요처에 기술 이전을 통한 수출 경쟁력 확보
○ 용량 증대 연구를 통한 고속철도 및 전기기관차 등에 적용하므로서 철도선진국 수준의 철도차량 추진기술 확보

(출처 : 요 약 문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 7
• 표목차 ... 9
• 그림목차 ... 14
• I. 연구개발과제의 개요 ... 29
• 1. 연구개발 최종 목표 ... 29
• 2. 연구개발 세부 목표 ... 29
• 3. 연구개발 범위 ... 29
• II. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 31
• 1. 반도체변압기 요구사양 도출 ... 31
• 1.1. 운영기관 의견검토 ... 31
• 1.2. 요구사양 도출 ... 32
• 2. 반도체변압기 시스템 인터페이스 ... 33
• 2.1. 적용대상차량 검토 ... 33
• 2.2. 시스템 기본설계 ... 44
• 3. 반도체변압기 기본설계안 ... 46
• 3.1. 정격출력 ... 46
• 3.2. 절연전압 ... 47
• 3.3. 스위칭 주파수 ... 51
• 3.4. 기타 사양 ... 53
• 3.5. 기본설계서 ... 54
• 3.6. 기본설계(회로/구조) 도면 ... 56
• 4. 고주파변압기 기본설계안 ... 60
• 4.1. 구조설계 ... 60
• 4.2. 사양 설계 ... 61
• 4.3. 주파수 설계 ... 63
• 4.4. 권선 배치 설계 ... 64
• 4.5. 최종사양 ... 64
• 5. 반도체변압기 기술기준(안) 작성 ... 67
• 5.1. 인터페이스 사양 ... 67
• 5.2. 기술기준(안) 검토 ... 77
• 5.3. 기술기준(안) 수립 ... 80
• 6. 반도체변압기 시스템 조합 성능시험 기준 ... 85
• 6.1. 단계별 시험 요구사항 ... 85
• 6.2. 추진시스템 조합시험 ... 85
• 6.3. 반도체변압기 조합시험 실시 방안 ... 86
• 7. 반도체변압기 상세설계안 ... 88
• 7.1. 상세설계서 ... 88
• 7.2. 제작사양서 ... 96
• 7.3. 상세설계(회로/구조) 도면 ... 97
• 8. 반도체변압기 시작품 제작 및 자체시험 ... 102
• 8.1. 시작품제작 ... 102
• 8.2. 절연전압 ... 113
• 8.3. 스위칭주파수 ... 122
• 8.4. 중량 ... 124
• 8.5. 기타 사양(맥동, 효율, 크기 등) ... 127
• 9. 고주파변압기 상세설계안 도출 ... 132
• 9.1. 상세설계(회로/구조) 도면 ... 132
• 9.2. 전자계 해석 ... 134
• 9.3. 시제품 제작 ... 135
• 9.4. 제작 신뢰성 검증 ... 138
• 10. 고주파변압기 형식시험(1차 시제품) ... 139
• 11. 고효율 추진장치 운영적합성 ... 141
• 11.1. 신뢰성 시험 절차서 ... 141
• 11.2. 운영적합성 검토 보고서 ... 144
• 12. 반도체변압기 구성품 및 조합시험 ... 155
• 12.1. 구성품/조합시험 성능시험절차서 ... 155
• 12.2. 구성품/조합 시험 ... 169
• 13. 반도체변압기 설계 보완 및 시제품 인증시험 ... 181
• 13.1. 보완설계안 ... 181
• 13.2. 시제품(단품시험용) 제작 ... 213
• 13.3. 단품 인증시험 ... 215
• 14. 종합인터페이스 조합시험 및 현차시험용 추가 제작 ... 217
• 14.1. 종합인터페이스 조합시험 인증시험 ... 217
• 14.2. 시제품 제작(신뢰성 시험용) ... 220
• 14.3. 신뢰성 시험 계획 ... 221
• 15. 고주파변압기 설계 보완 및 시제품 제작 ... 223
• 15.1. 도면(전기/구조) 보완 ... 223
• 15.2. 전자계 해석 보완 ... 225
• 15.3. 신뢰성 검증 ... 226
• 15.4. 2차 시제품 제작 ... 226
• 16. 고주파변압기 형식 인증시험 및 현차시험용 추가 제작 ... 229
• 16.1. 형식시험 ... 229
• 16.2. 시제품 제작(신뢰성 시험용) ... 229
• 17. 반도체변압기 신뢰성 시험 ... 251
• 17.1. 신뢰성 시험 절차서 ... 251
• 17.2. 시제품 차량 설치 ... 256
• 17.3. 신뢰성 시험 결과 ... 259
• 18. 반도체변압기 유지보수 ... 270
• 18.1. 상세설계서 ... 270
• 18.2. 반도체변압기용 모듈 ... 275
• 18.3. 반도체변압기용 고주파변압기 ... 278
• 18.4. 반도체변압기용 제어기 ... 282
• 19. 영구자석 동기전동기 및 인버터 요구사양 도출 ... 286
• 19.1. 적용 대상차량 검토 개요 ... 286
• 19.2. 대상 차량 추진시스템 분석 ... 287
• 19.3. 영구자석 동기전동기 요구사양 ... 292
• 19.4. 구동용 인버터 요구사양 ... 294
• 20. 영구자석 동기전동기 1차 모델 설계, 제작 및 시험 ... 296
• 20.1. 1차 모델 기본설계안 ... 296
• 20.2. 1차 모델 상세설계안 ... 304
• 20.4. 1차 모델 자체시험 ... 325
• 20.5. 1차 모델 보완설계안 ... 329
• 20.6. 1차 모델 보완 시제품 제작 ... 342
• 20.7. 1차 모델 보완 시제품 단품 인증시험 ... 353
• 21. 영구자석 동기전동기 2차 모델 설계, 제작 및 시험 ... 360
• 21.1. 2차 모델 기본 설계안(최대 토크 정격 5% 증가, 역기전력 제한 완화) ... 360
• 21.2. 2차 모델 상세 설계안 ... 366
• 21.3. 2차 모델 시제품 제작 ... 368
• 21.4. 2차 모델 자체시험 ... 372
• 22. 영구자석 동기전동기 3차 모델 ... 374
• 22.1. 3차 모델 기본 설계안 ... 374
• 22.2. 3차 모델 상세 설계안 ... 380
• 22.3. 3차 모델 단품 인증시험 ... 382
• 23. 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 설계 ... 393
• 23.1. 주회로 소자 용량 계산 ... 393
• 23.2. 소자냉각 계산 ... 393
• 23.3. 추진제어장치 제어기 설계 ... 398
• 23.4. 영구자석 동기 전동기 벡터 제어 ... 405
• 23.5. 고속운전 약계자 운전제어 ... 412
• 23.6. 비트리스 제어 ... 414
• 23.7. 회로도 및 인터페이스 설계 ... 419
• 23.8. 추진제어장치의 설계 ... 421
• 23.9. 추진제어장치 보완설계 ... 426
• 24. 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 제작 ... 430
• 24.1. 주요 구성품 제작 ... 430
• 24.2. 추진인버터 제작 ... 432
• 25. 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 단품시험 ... 433
• 25.1. 구성품 자체시험 ... 433
• 25.2. 경부하 자체시험 ... 436
• 25.3. 영구자석 동기전동기 및 추진제어장치 자체 조합시험 ... 437
• 25.4. 형식 시험 절차서 ... 439
• 25.5. 형식 시험 결과 ... 449
• 26. 영구자석 동기전동기 추진시스템 기술기준안 ... 475
• 26.1. 기술기준 분석 ... 475
• 26.2. 영구자석 동기전동기 기술기준안 특별 요구사항 ... 475
• 27. 영구자석 동기전동기 추진시스템 운영적합성 검토 ... 484
• 28. 영구자석 동기전동기 추진시스템 현차 설치 ... 497
• 28.1. 추진시스템 시제품 취부성 확인 ... 497
• 28.2. 추진시스템 현차 설치 ... 498
• 29. 영구자석 동기전동기 추진시스템 현차 시운전 및 신뢰성 시험 ... 503
• 29.1. 영구자석 동기전동기 현차 시운전 ... 503
• 29.2. 신뢰성 시험 절차서 ... 507
• 29.3. 신뢰성 시험 결과 ... 515
• 29.4. 반도체 변압기-추진시스템 조합시험 ... 519
• 30. 영구자석 동기전동기 추진시스템 유지보수 방안 ... 522
• 30.1. 영구자석 동기전동기 유지보수절차서 ... 522
• 30.2. 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 유지보수절차서 ... 530
• III. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 544
• 1. 연구수행 결과 ... 544
• 1.1. 정성적 연구개발성과 ... 544
• 1.2. 정량적 연구개발성과 ... 547
• 1.3. 세부 정량적 연구개발성과 ... 547
• 1.4. 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 552
• 2. 목표 달성 수준 ... 553
• IV. 목표 미달 시 원인분석 ... 560
• 1. 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 560
• 2. 자체 보완활동 ... 560
• 3. 연구개발 과정의 성실성 ... 561
• 4. 연구개발의 한계에 대한 시사점 및 관련 연구 시 고려사항 ... 561
• V. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 563
• VI. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 565
• 1. 연구성과 총괄 ... 565
• 2. 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 569
• 3. 사업화를 위한 연구성과 활용계획 ... 579
• 끝페이지 ... 581