KR20150129438A

KR20150129438A - 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치

Info

Publication number: KR20150129438A
Application number: KR1020140056407A
Authority: KR
Inventors: 박건태; 차사열; 하동원
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-20
Also published as: KR101580301B1

Abstract

본 발명은 DC링크 공유형 고속전철용 추진제어장치를 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 고속전철용 추진제어장치의 인버터를 복수로 구성한 후 복수로 구성되는 인버터가 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하도록 구성하거나, 또는 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하는 복수의 인버터부에 각각 포함되는 전력스택의 입출력 단자를 병렬 구성한 것이며, 이에따라 각각의 인버터가 복수의 전동기를 개별적으로 구동시킬 수 있도록 하고, 특히 추진제어장치의 전력회로를 위상별로 운용시 인버터에서 모듈형 IGBT로 이루어진 전력스택을 이중화시켜 복수의 전동기에 대한 개별적인 제어가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하고, 복수로 이루어지는 인버터의 확장을 통해 인버터 1대로 구성되어 복수의 전동기를 병렬로 구동시킬 수 있도록 하는 등 고속전철용 추진제어장치의 성능을 개선한 것이다.

Description

디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치{Propulsion control device for high speed train of DC link sharing type}

본 발명은 고속전철용 추진제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력반도체소자로 4500V/1200A급 모듈형 IGBT를 이용하여 2800VDC 2.5MW급의 컨버터/인버터부의 추진제어장치를 구성함에 있어, 디씨링크(DC-Link)의 공유를 통해 인버터부를 다단으로 확장 구성하고, 확장 구성되는 복수의 인버터부가 각각 독립적으로 복수의 전동기를 개별 구동시킬 수 있도록 하는 한편, 전력회로를 위상별로 운용시 확장 구성되는 인버터부에서 모듈형 IGBT로 이루어진 전력스택을 이중화시킬 수 있도록 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고속전철은 컨버터-인버터부로 이루어진 추진제어장치를 구비하고 있으며, 상기 추진제어장치에 의해 전동기에 공급되는 전류를 제어함으로써 전동기를 구동하는 추진력을 발생시키는 것으로, 이러한 추진제어장치는 등록특허공보 제 10-1109698 호(등록일 2012.01.18), 등록특허공보 제 10-1234503 호(등록일 2013.02.07)에 개시되어 있는 것이다.

즉, 고속전철용 추진제어장치는 첨부된 도 1 내지 도 3에서와 같이, 충전회로(1), 주컨택터(C1,C2), 컨버터부(2), 디씨 링크단(DC Link)(+P,-P), 초퍼부(3), 인버터부(4), 제어기(5), IFU(Interface Unit)(6), 냉각팬용 인버터(VTI: Ventilation Inverter)(7)로 구성되는 것이다.

상기 충전회로(1)는 충전저항(R3)과 충전용 컨택터(C3)로 구성되는 것으로, 이는 초기 충전시 충전저항(R3)과 충전용 컨택터(C3)로 DC링크단(+P,-P)의 필터커패시터(8a,8b)에 DC 전압이 충전되도록 한 것이다.

상기 주컨택터(C1,C2)는 상기 컨버터부(2)에 포함되는 1군의 컨버터(2a)와 2군의 컨버터(2b)에 각각 1개씩 구성되며, 이는 초기 충전 이후 주(Main) 에너지를 공급하기 위하여 폐로(Close Circuit)를 형성하고 차단시 개로(Open Circuit)를 형성하는 것이다.

상기 컨버터부(2)를 이루는 1,2군의 컨버터(2a)(2b)는 단상 컨버터 2병렬 구성으로, 1군 컨버터(2a)의 전력스택 구성은 2개의 스택으로 구성되며, 2군 컨버터(2b)의 전력스택 구성은 2개의 스택으로 구성되어, 1,2군의 컨버터(2a)(2b)가 병렬 연결되어 컨버터부(2)를 형성하도록 한 것이다.

이때, 상기 1,2군의 컨버터(2a)(2b)는 단상 1400Vac를 DC링크단(+P,-P)의 Vdc 전압인 2800Vdc로 변환 및 일정하게 유지되도록 스위칭 동작을 하게 된다.

상기 컨버터부(2)의 출력인 DC링크단(+P,-P)에는 필터커패시터(FC: Filter Capacitor)(8a,8b)와 자연방전저항(R6)이 연결 구성된다.

상기 필터커패시터(8a,8b)의 용량은 총 24000uF이며, 1개의 용량은 6000uF로서, 총 4개로 병렬 연결되어 있으며, 에너지의 충전과 방전의 반복에 따라 DC링크단(+P,-P) 전압인 Vdc 전압의 평활화 및 자연방전을 위하여 자연방전저항(R6)을 통하여 충전된 에너지를 방전시킨다.

상기 초퍼부(3)는 초퍼스택(3a)과 제동저항(R5)으로 구성되는데, 상기 초퍼부(3)는 전동기(IM1,IM2)가 회생되는 모드로 동작할 경우 등 상승되는 Vdc 전압을 일정전압 이하로 제어되도록 하기 위하여 스위칭 동작을 하는 것이다.

상기 인버터부(4)는 병렬의 IGBT(IG1,IG2,IG3,IG4)로 이루어진 U,V,W상의 3개의 전력스택(4a)(4b)(4c)으로 구성되며, 2800Vdc 전압을 3상 2183Vac로 변환하여 전동기(IM1,IM2)에 에너지가 공급되도록 스위칭 동작을 하는 것이다.

상기 제어기(5)는 충전회로(1), 컨버터부(2), 초퍼부(3), 인버터부(4)의 제어를 목적으로 랙(Rack) 형식으로 구성되며, 여러 개의 인쇄회로기판이 랙 형식으로 구성되어 컨버터/인버터부의 각종 제어를 위해 동작하는 것이다.

상기 IFU(6)는 각종 시퀀스 및 신호 전달을 위하여 필요한 릴레이 등으로 구성되는 것으로, 이는 제어기(5) 및 최종 부품간의 신호 전송을 위하여 필요한 릴레이 등으로 구성되면서 신호의 송/수신시 동작하게 되는 것이다.

냉각팬용 인버터(VTI)(7)는 도면에는 도시하지 않았지만 전력스택용 냉각팬과 모터블럭 내부의 냉각팬 및 전동기 냉각용 냉각팬에 전원을 공급할 목적으로 구성되며, 컨버터/인버터부의 냉각을 위해 Vdc 전압인 670Vdc를 입력받아 모드별로 정해진 주파수로 가변되는 3상(U,V,W)의 380V/60Hz로 동작이 이루어지는 것이다.

즉, 주변압기(9)를 통해 가선전압 AC 25,000V로부터 감소된 AC 1,400V를 컨버터부(2)가 DC 2,800V로 변환하고, 인버터부(4)를 통해 DC 2,800V를 AC 0 ~ 2,183V로 변환하여 열차 운행속도와 운전지령에 따라 가변하여 전동기(IM1,IM2)에 전압을 공급하게 되는 것으로, 고속전철용 추진제어장치는 MCB(Main Circuit Breaker)를 투입한 후 주변압기(9)를 통해 가선전압 AC 25,000V로부터 감소된 AC 1,400V가 복수의 컨버터부(2)에 입력하면, 상기 컨버터부(2)는 입력된 AC 1,400V를 DC 2,800V로 승압시켜 DC링크에 에너지를 공급하게 된다.

여기서, 상기 컨버터부(2)는 직류전압 제어를 수행하므로, DC링크단(+P,-P)의 전압은 2,800V로 유지되고, 상기 DC링크단(+P,-P)의 전압이 2,800V로 유지되는 것이 확인될 때, 상기 인버터부(4)는 DC 2,800V를 AC 0 ~ 2,183V로 변환한 후 이를 열차 운행속도와 운전지령에 따라 가변하여 전동기(IM1,IM2)에 각각 전압을 공급하게 되는 것이다.

이때, 첨부된 도 2에서와 같이, 고속전철용 추진제어장치의 전력회로는 복수의 컨버터부(2)와 초퍼부(3) 및 인버터부(4)로 구성하게 되는데, 복수의 상기 컨버터부(2)는 1,2군으로 이루어지는 단상 컨버터(2a)(2b)를 2-병렬로 구성한 것이고, 상기 1군과 2군의 컨버터(2a)(2b)는 각각 2개의 전력스택으로 구성한 것이며, 상기 인버터부(4)는 U,V,W상의 3개 전력스택(4a)(4b)(4c)으로 구성되는 것이다.

그러나, 첨부된 도 2에서와 같이, 종래 고속전철용 추진제어장치는 하나의 인버터부(4)로 복수의 전동기(IM1,IM2)를 병렬 구동 및 제어할 수 밖에 없는 것으로, 이는 첨부된 도 3에서와 같이 구성된 U,V,W상의 전력스택(400)은 2개의 입력단(+)(-)과 하나의 출력단(O)을 가지므로, 상기 전력스택(400)을 이중화시킬 수 없게 되면서 고속전철용 추진제어장치의 전력회로를 위상별로 운영하지 못하고, 이에따라 복수의 전동기를 각각 독립적으로 개별 제어하지 못하는 단점이 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 고속전철용 추진제어장치의 인버터를 복수로 구성한 후 복수로 구성되는 인버터가 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하도록 구성함으로써, 각각의 인버터가 독립적으로 복수의 전동기를 개별 구동시킬 수 있도록 하고, 특히 추진제어장치의 전력회로를 위상별로 운용시 인버터에서 모듈형 IGBT로 이루어진 전력스택을 이중화시켜 복수의 전동기에 대한 개별적인 제어가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 DC링크 공유형 고속전철용 추진제어장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하는 복수의 인버터부에 각각 포함되는 전력스택의 입출력 단자를 병렬 구성하여, 복수로 이루어지는 인버터의 확장을 통해 복수의 전동기를 개별적으로 구동시킬 수 있도록 하는 등 고속전철용 추진제어장치의 성능을 개선하려는데 또 다른 목적이 있는 것이다.

상기 목적달성을 위한 본 발명 DC링크 공유형 고속전철용 추진제어장치는, 2개의 전력스택으로 각각 구성되는 1,2군의 컨버터가 병렬 연결되고, 주변압기를 통해 가선전압이 감소된 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환하여 일정전압으로 유지되도록 하는 DC링크단(+P,-P)으로 출력하는 컨버터부; 전동기(IM1,IM2)가 회생되는 모드로 동작할 경우 등 상승되는 DC링크단(+P,-P)의 Vdc 전압을 일정전압 이하로 제어하는 초퍼부; 상기 컨버터부에 의해 일정전압 이하로 제어되어 DC링크단(+P,-P)으로 출력되는 직류전압을 충전하고 이를 방전하는 필터커패시터; 상기 필터커패시터로부터 방전되는 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환한 후 이를 제 1,2 전동기에 공급하여, 상기 제 1,2 전동기를 구동시키는 인버터부; 를 포함하는 추진제어장치를 구성하되, 상기 인버터부는 3상(U,V,W)의 전력스택으로 이루어지며, DC링크단(+P,-P)을 공유하는 1,2군의 인버터로 구성하고, 상기 1,2군의 인버터가 상기 제 1 전동기와 제 2 전동기를 각각 독립적으로 개별 구동시키도록, 상기 DC링크단(+P 또는 -P)에 퓨즈를 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.

또한, 상기 1,2군 인버터를 이루는 전력스택에는 상기 제 1 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1 입력단(+)과, 퓨즈가 연결되는 제 2 입력단(-1) 및, 상기 제 1 전동기에 연결되는 제 1 출력단(O1)을 구성하고, 상기 제 2 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1A 입력단(+)과, 퓨즈가 연결되는 제 2A 입력단(-2) 및, 상기 제 2 전동기에 연결되는 제 1A 출력단(O2)을 구성한 것이다.

또한, 상기 1,2군 인버터를 이루는 전력스택에는 상기 제 1 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11 입력단(-)과, 퓨즈가 연결되는 제 12 입력단(+1) 및, 상기 제 1 전동기에 연결되는 제 1 출력단(O1)을 구성하고, 상기 제 2 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11A 입력단(-)과, 퓨즈가 연결되는 제 12A 입력단(+2) 및, 상기 제 2 전동기에 연결되는 제 1A 출력단(O2)을 구성한 것이다.

또한, 상기 1군의 인버터는 3상(U1,V1,W1)의 IGBT를 구성하고, 상기 2군의 인버터에는 3상(U2,V2,W2)의 IGBT를 구성하되, 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은 위상별 운영이 가능하도록 상기 1군의 인버터에 구성되는 3상(U1,V1,W1)의 IGBT와, 상기 2군의 인버터에 구성되는 3상(U2,V2,W2)의 IGBT들을 교차하여 구성한 것이다.

또한, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,U2)을 구성하는 제 1 전력스택과, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; V1,V2)을 구성하는 제 2 전력스택; 및, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; W1,W2)을 구성하는 제 3 전력스택; 을 포함하여 구성하는 것이다.

또한, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 11 전력스택과, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들와 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; W1,W2)을 구성하는 제 12 전력스택; 및, 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; U2,V2)을 구성하는 제 13 전력스택; 을 포함하여 구성하는 것이다.

또한, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 111 전력스택과, 1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; W1,U2)을 구성하는 제 112 전력스택; 및, 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; V2,W2)을 구성하는 제 113 전력스택; 을 포함하여 구성하는 것이다.

또한, 상기 1,2군 인버터의 전력스택에는, 상기 IGBT들의 구동을 위한 게이트 드라이브 유니트와, 상기 IGBT들의 스위칭동작중 턴-오프시 안정적인 턴-오프 동작을 위한 스너버 커패시터를 각각 연결 구성한 것이다.

이와 같이, 본 발명은 고속전철용 추진제어장치의 인버터를 복수로 구성한 후 복수로 구성되는 인버터가 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하도록 구성하거나, 또는 DC링크의 (+)단 또는 (-)단을 공유하는 복수의 인버터부에 각각 포함되는 전력스택의 입출력 단자를 병렬 구성한 것으로, 이를 통해 각각의 인버터가 복수의 전동기를 개별적으로 구동시킬 수 있도록 하고, 특히 추진제어장치의 전력회로를 위상별로 운용시 인버터에서 모듈형 IGBT로 이루어진 전력스택을 이중화시켜 복수의 전동기에 대한 개별적인 제어가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하고, 복수로 이루어지는 인버터의 확장을 통해 인버터 1대로 구성하여 복수의 전동기를 병렬로 구동시킬 수 있도록 하는 등 고속전철용 추진제어장치의 성능을 개선하는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

도 1은 종래 고속전철용 추진제어장치의 전체 전력 회로도.
도 2는 종래 고속전철용 추진제어장치에 대한 개략적인 블럭 구성도.
도 3은 종래 복수의 전동기를 병렬로 구동시키는 인버터용 전력스택의 블럭 구성도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 고속전철용 추진제어장치의 개략적인 블럭 구성도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 인버터용 전력스택의 블럭 구성도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유한 1,2군의 인버터용 IGBT들을 위상별로 교차 구성하는 상태들을 보인 3상(U,V,W) 전력스택의 구성도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예로 DC링크단(+P)을 공유하는 복수의 인버터를 확장을 통해 인버터 1대로 구성되어 복수의 전동기를 병렬로 구동 제어하는 확장형 인버터용 전력스택의 블럭 구성도.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예로 DC링크단(-P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 고속전철용 추진제어장치의 개략적인 블럭 구성도.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예로 DC링크단(-P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 인버터용 전력스택의 블럭 구성도.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 제 3 실시예로 DC링크단(-P)을 공유한 1,2군의 인버터용 IGBT들을 위상별로 교차 구성하는 상태들을 보인 3상(U,V,W) 전력스택의 구성도.
도 15는 본 발명의 제 4 실시예로 DC링크단(-P)을 공유하는 복수의 인버터를 확장을 통해 인버터 1대로 구성되어 복수의 전동기를 병렬로 구동 제어하는 확장형 인버터용 전력스택의 블럭 구성도.
도 16은 본 발명의 실시예로 1,2군 컨버터의 입력전류 및, DC링크단(+P 또는 -P)을 공유한 복수의 전동기를 개별 구동시키는 1,2군 인버터의 출력 선간전압 파형도.
도 17은 본 발명의 실시예로 1,2군 컨버터의 입력전류 및, DC링크단(+P 또는 -P)을 공유한 복수의 전동기 중 하나의 전동기만을 구동시키는 1군 인버터의 출력전류 파형도.
도 18은 본 발명의 실시예로 1,2군 컨버터의 입력전류 및, DC링크단(+P 또는 -P)을 공유한 복수의 전동기 중 하나의 전동기만을 구동시키는 2군 인버터의 출력전류 파형도.
도 19는 본 발명의 실시예로 1군 컨버터의 입력전류 및, DC링크단(+P 또는 -P)을 공유한 복수의 전동기 중 하나의 전동기만을 구동시키는 1군 인버터의 출력전류 파형도.
도 20은 본 발명의 실시예로 2군 컨버터의 입력전류 및, DC링크단(+P 또는 -P)을 공유한 복수의 전동기 중 하나의 전동기만을 구동시키는 2군 인버터의 출력전류 파형도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 고속전철용 추진제어장치의 개략적인 블럭 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유하여 복수의 전동기를 독립적으로 개별 구동시키는 인버터용 전력스택의 블럭 구성도이며, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제 1 실시예로 DC링크단(+P)을 공유한 1,2군의 인버터용 IGBT들을 위상별로 교차 구성하는 상태들을 보인 3상(U,V,W) 전력스택의 구성도를 보인 것이다.

첨부된 도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고속전철용 추진제어장치는, 2개의 전력스택으로 각각 구성되는 1,2군의 컨버터(10A)(10B)가 병렬 연결되고 주변압기(9)를 통해 가선전압이 감소된 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환하여 DC링크단(+P,-P)으로 출력하는 컨버터부(10)와, 상기 컨버터부(10)의 출력인 DC링크단(+P,-P)의 Vdc전압이 전동기(IM1,IM2)가 회생되는 모드로 동작할 경우 등 상승되는 DC링크단(+P,-P)의 Vdc전압을 일정전압 이하로 제어하는 초퍼부(20)와, 상기 컨버터부(10)에 의해 일정전압 이하로 제어되어 DC링크단(+P,-P)으로 출력되는 직류전압을 충전하고 이를 방전시키는 필터커패시터(30)와, 상기 필터커패시터(30)로부터 방전되는 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환한 후 이를 제 1,2 전동기(IM1,IM2)에 공급하여 상기 제 1,2 전동기(IM1,IM2)를 구동 제어하는 인버터부(40)를 포함하되, 상기 인버터부(40)는 3상(U,V,W)의 전력스택(400)으로 각각 구성되어 상기 제 1 전동기(IM1)와 제 2 전동기(IM2)를 각각 독립적으로 개별 구동 제어하도록 1,2군의 인버터(40A)(40B)로 구성하여둔 것이다.

이때, 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (+)단은 DC링크단(+P)을 공유하도록 구성하고, 상기 제 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (-)단은 각각 퓨즈(50)가 연결되는 다른 DC링크단(-P)에 분리 연결하여둔 것이다.

여기서, 상기 1군 인버터(40A)는 3상(U1,V1,W1)의 IGBT(IG1,IG2,IG3,IG4, IG5,IG6)로 구성되면서, 각 IGBT(IG1,IG2,IG3,IG4,IG5,IG6)에는 게이트 드라이브 유니트(GDU)와, 상기 IGBT(IG1,IG2,IG3,IG4,IG5,IG6)들의 스위칭동작중 턴-오프시 안정적인 턴-오프 동작을 위한 스너버 커패시터(SC1)를 연결 구성하도록 하였다.

또한, 상기 2군 인버터(40B)는 3상(U2,V2,W2)의 IGBT(IG11,IG12,IG13, IG14,IG15,IG16)로 구성되면서, 각 IGBT(IG11,IG12,IG13,IG14,IG15,IG16)에는 게이트 드라이브 유니트(GDU)와, 상기 IGBT(IG11,IG12,IG13,IG14,IG15,IG16)들의 스위칭동작중 턴-오프시 안정적인 턴-오프 동작을 위한 스너버 커패시터(SC2)를 연결하여둔 것이다.

여기서, 상기 설명과 같이 본 발명의 제 1 실시예에서는 DC링크단(+P)의 공유를 통해 복수의 1,2군 인버터(40A)(40B)를 구성하는 것에 대하여 설명하였지만, 상기 인버터는 DC링크단(+P)을 공유하는 다단으로 확장 구성할 수도 있는 것이다.

첨부된 도 5에서와 같이, 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)를 이루는 전력스택(400a)에는 상기 제 1 전동기(IM1)를 개별 구동 제어하도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1 입력단(+), 퓨즈(50)가 연결되는 제 2 입력단(-1), 그리고 상기 제 1 전동기(IM1)에 연결되는 제 1 출력단(O1)이 구성됨은 물론, 상기 제 2 전동기(IM2)를 개별 구동 제어하도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1A 입력단(+), 퓨즈(50)가 연결되는 제 2A 입력단(-2), 그리고 상기 제 2 전동기(IM2)에 연결되는 제 1A 출력단(O2)이 구성되는 것이다.

한편, 3상(U1,V1,W1)의 IGBT(IG1,IG2,IG3,IG4,IG5,IG6)로 구성되는 상기 1군 인버터(40A)와, 3상(U2,V2,W2)의 IGBT(IG11,IG12,IG13,IG14,IG15,IG16)로 구성되는 상기 2군 인버터(40A)는 상기 DC링크단(+P)의 공유를 통해 첨부된 도 6 내지 도 8에서와 같이, 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)를 동시에 개별 구동시키거나 또는 교대로 개별 구동시키도록 IGBT들의 교차 구성을 통해 3상(U,V,W)의 전력스택을 구성하는 한편, 상기와 같이 구성되는 3상(U,V,W)의 전력스택을 위상별로 운용하도록 구성할 수도 있는 것이다.

즉, 첨부된 도 6에서와 같이, 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은 1군 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG1,IG2)과 2군 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG11,IG12)로 하나의 상(U; U1,U2)을 구성하는 제 1 전력스택(PS1)과, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG3,IG4)과 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG13,IG14)로 다른 하나의 상(V; V1,V2)을 구성하는 제 2 전력스택(PS2)과, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG5,IG6)과 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG15,IG16)로 또 다른 하나의 상(W; W1,W2)을 구성하는 제 3 전력스택(PS3)을 구성할 수 있는 것이다.

또한, 첨부된 도 7에서와 같이, 1,2군의 인버터(40A)(40B)에 포함되는 IGBT들을 교차 구성하게 되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG1,IG2,IG3,IG4)로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 11 전력스택(PS11)과, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG5,IG6)와 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG15,IG16)로 다른 하나의 상(V; W1,W2)을 구성하는 제 12 전력스택(PS12), 그리고 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG11,IG12,IG13,IG14)로 또 다른 하나의 상(W; U2,V2)을 구성하는 제 13 전력스택(PS13)으로 구성할 수도 있는 것이다.

또한, 첨부된 도 8에서와 같이, 1,2군의 인버터(40A)(40B)에 포함되는 IGBT들을 교차 구성하게 되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG1,IG2,IG3,IG4)로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 111 전력스택(PS111)과, 1군의 인버터(40A)에 포함되는 IGBT들(IG5,IG6)와 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG11,IG12)로 다른 하나의 상(V; W1,U2)을 구성하는 제 112 전력스택(PS112), 그리고 2군의 인버터(40B)에 포함되는 IGBT들(IG13,IG14,IG15,IG16)로 또 다른 하나의 상(W; V2,W2)을 구성하는 제 113 전력스택(PS113)으로 구성할 수도 있는 것이다.

여기서, 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)에 포함되는 IGBT들의 교차 구성을 통해 전력스택의 위상별 운용이 가능하도록 첨부된 도 6 내지 도 8과 같이 예시적으로 설명하였지만, 상기 IGBT들에 대한 교차 구성은 전력스택의 위상별 운용의 변경에 따라 다양하게 변경할 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 DC링크 공유형 고속전철용 추진제어장치는 첨부된 도 4 내지 도 8에서와 같이, 우선 주변압기(9)를 통해 가선전압(예; AC 25,000V)로부터 감소된 교류전압(AC 1,400V)이 1,2군 컨버터(10A)(10B)를 포함하는 컨버터부(10)에 입력되면, 상기 컨버터부(10)는 입력된 교류전압(예; AC 1,400V)를 직류전압(예; DC 2,800V)으로 승압시킨 후 이를 일정전압(예; DC 2,800V)으로 제어 및 유지되도록 하여 DC링크단(+P,-P)으로 출력하게 된다.

이때, 상기 DC링크단(+P)에는 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (+)단이 공유되어 있고, 또 다른 DC링크단(-P)에는 퓨즈(50)를 통해 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (-)단이 분리 연결되어 있는 바,

상기 1군 인버터(40A)는 상기 DC링크단(+P,-P)의 전압이 일정전압(예; 2,800V)을 유지하는 것으로 확인될 때, 직류전압(예; DC 2,800V)을 3상(U,V,W)의 교류전압(예; 2183Vac)으로 변환한 후 이를 열차 운행속도와 운전지령에 따라 가변하여 제 1 전동기(IM1)에 교류전압(예; 정격 2800VDC/500Arms, 최대 4500V/1200A)을 공급하게 되고, 이에따라 상기 제 1 전동기(IM1)는 상기 1군 인버터(40A)에 의해 개별 구동이 이루어질 수 있는 것이다.

한편, 상기 2군 인버터(40B)는 상기 DC링크단(+P,-P)의 전압이 일정전압(예; 2,800V)을 유지하는 것으로 확인될 때, 직류전압(예; DC 2,800V)을 3상(U,V,W)의 교류전압(예; 2183Vac)으로 변환한 후 이를 열차 운행속도와 운전지령에 따라 가변하여 제 2 전동기(IM2)에 교류전압(예; 정격 2800VDC/500Arms, 최대 4500V/1200A)을 공급하게 되면서, 상기 제 2 전동기(IM2)는 상기 2군 인버터(40B)에 의해 개별 구동이 이루어질 수 있는 것이다.

여기서, 상기 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)는 각각 DC링크단(+P)을 공유하는 1,2군 인버터(40A)(40B)에 의해 개별 구동이 가능하게 되므로, 첨부된 도 16 내지 도 20에서와 같이 상기 제 1 전동기(IM1)와 제 2 전동기(IM2)는 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)에 의해 동시에 구동할 수 있음은 물론, 교대로 구동될 수도 있게 되는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 제 1 실시예는, 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (+)단은 DC링크단(+P1)을 공유하고, 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (-)단은 퓨즈(50)를 통해 서로 분리 구성함으로써, 1군 인버터(40A)와 2군 인버터(40B)가 각각 제 1 전동기(IM1)와 제 2 전동기(IM2)를 개별 구동시키면서, 상기 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)의 구동이 선택적으로 이루어질 수 있는 것이며, 또한 1,2군 인버터(40A)(40B)의 IGBT들에 대한 3상(U,V,W)의 전력스택(PS1,PS2,PS3)(PS11,PS12,PS13)(PS111,PS112,PS113)을 구성시, IGBT들의 각 상별 교차 구성으로부터 상기 전력스택(PS1,PS2,PS3) (PS11,PS12,PS13)(PS111,PS112,PS113)을 위상별로 운용할 수 있게 되면서, 상기 전력스택(PS1,PS2,PS3)(PS11,PS12,PS13)(PS111,PS112,PS113)을 호환 사용이 가능한 확장형 전력스택으로 이중화시킬 수도 있는 것이다.

한편, 첨부된 도 9는 1,2군 인버터(40A)(40B)를 이루는 전력스택(400a)을 확장하는 본 발명의 제 2 실시예로, DC링크단(+P)을 공유하는 상태에서, 제 2 입력단(-1)과 제 2A 입력단(-2)을 병렬로 연결 구성하고, 제 1 출력단(O1)과 제 1A 출력단(O2)을 병렬로 연결 구성함으로써, 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)를 포함하는 인버터부(40)가 인버터 1대로 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)를 병렬로 구동 제어할 수 있도록 한 것이며, 이하 본 발명의 제 1 실시예에서와 동일부분에 대하여는 동일부호로서 그 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

한편, 첨부된 도 10 내지 도 14는 본 발명의 제 3 실시예로, 이는 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (-)단은 DC링크단(-P)을 공유하도록 구성하고, 상기 제 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (+)단은 각각 퓨즈(50)가 연결되는 다른 DC링크단(+P)에 분리 연결하여둔 것이다.

이에따라, 본 발명의 제 3 실시예는, 1,2군 인버터(40A)(40B)를 이루는 전력스택(400a)에는 제 1 전동기(IM1)를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11 입력단(-)과, 퓨즈(50)가 연결되는 제 12 입력단(+1) 및, 상기 제 1 전동기(IM1)에 연결되는 제 1 출력단(O1)을 구성하는 한편, 제 2 전동기(IM2)를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11A 입력단(-)과, 퓨즈(50)가 연결되는 제 12A 입력단(+2) 및, 상기 제 2 전동기(IM2)에 연결되는 제 1A 출력단(O2)을 구성하여둔 것이다.

즉, 본 발명의 제 3 실시예는 첨부된 도 10 내지 도 14에서와 같이, 우선 주변압기(9)를 통해 가선전압(예; AC 25,000V)로부터 감소된 교류전압(AC 1,400V)이 1,2군 컨버터(10A)(10B)를 포함하는 컨버터부(10)에 입력되면, 상기 컨버터부(10)는 입력된 교류전압(예; AC 1,400V)를 직류전압(예; DC 2,800V)으로 승압시킨 후 이를 일정전압(예; DC 2,800V)으로 제어 및 유지되도록 하여 DC링크단(+P,-P)으로 출력하게 된다.

이때, 상기 DC링크단(-P)에는 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (-)단이 공유되어 있고, 또 다른 DC링크단(+P)에는 퓨즈(50)를 통해 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)의 (+)단이 분리 연결되어 있는 바,

여기서, 상기 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)는 각각 DC링크단(-P)을 공유하는 1,2군 인버터(40A)(40B)에 의해 개별 구동이 가능하게 되므로, 첨부된 도 16 내지 도 20에서와 같이 상기 제 1 전동기(IM1)와 제 2 전동기(IM2)는 상기 1,2군 인버터(40A)(40B)에 의해 동시에 구동할 수 있음은 물론, 교대로 구동될 수도 있게 되는 것이다.

이하 본 발명의 제 1 실시예에서와 그 작용효과는 동일하므로 본 발명의 제 1 실시예인 첨부된 도 4 내지 도 8에서와 동일부분에 대하여는 동일부호로서 그 중복되는 설명은 생략하였다.

한편, 첨부된 도 15는 인버터용 전력스택(400a)을 확장하는 본 발명의 제 4 실시예로, 이는 DC링크단(-P)을 공유하는 상태에서, 제 12 입력단(+1)과 제 12A 입력단(+2)을 병렬로 연결 구성하고, 제 1 출력단(O1)과 제 1A 출력단(O2)을 병렬 연결 구성함으로써, 인버터부(40)가 인버터 1대로 제 1,2 전동기(IM1)(IM2)를 병렬로 구동 제어할 수 있도록 한 것이며, 이하 본 발명의 제 3 실시예에서와 동일부분에 대하여는 동일부호로서 그 중복되는 설명은 생략하였다.

본 발명 DC링크 공유형 고속전철용 추진제어장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

10; 컨버터부 10A; 1군 컨버터
10B; 2군 컨버터 20; 초퍼부
30; 필터커패시터 40; 인버터부
40A; 1군 인버터 40B; 2군 인버터
50; 퓨즈 400a; 인버터용 전력스택

Claims

2개의 전력스택으로 각각 구성되는 1,2군의 컨버터가 병렬 연결되고, 주변압기를 통해 가선전압이 감소된 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환하여 일정전압으로 유지되도록 하는 DC링크단(+P,-P)으로 출력하는 컨버터부; 전동기(IM1,IM2)가 회생되는 모드로 동작할 경우 등 상승되는 DC링크단(+P,-P)의 Vdc 전압을 일정전압 이하로 제어하는 초퍼부; 상기 컨버터부에 의해 일정전압 이하로 제어되어 DC링크단(+P,-P)으로 출력되는 직류전압을 충전하고 이를 방전하는 필터커패시터; 상기 필터커패시터로부터 방전되는 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환한 후 이를 제 1,2 전동기에 공급하여, 상기 제 1,2 전동기를 구동시키는 인버터부; 를 포함하는 추진제어장치를 구성하되,
상기 인버터부는 3상(U,V,W)의 전력스택으로 이루어지며, DC링크단(+P,-P)을 공유하는 1,2군의 인버터로 구성하고,
상기 1,2군의 인버터가 상기 제 1 전동기와 제 2 전동기를 각각 독립적으로 개별 구동시키도록, 상기 DC링크단(+P 또는 -P)에 퓨즈를 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 1,2군 인버터를 이루는 전력스택에는,
상기 제 1 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1 입력단(+)과, 퓨즈가 연결되는 제 2 입력단(-1) 및, 상기 제 1 전동기에 연결되는 제 1 출력단(O1)을 구성하고,
상기 제 2 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(+P)을 공유하는 제 1A 입력단(+)과, 퓨즈가 연결되는 제 2A 입력단(-2) 및, 상기 제 2 전동기에 연결되는 제 1A 출력단(O2)을 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 1,2군 인버터를 이루는 전력스택에는,
상기 제 1 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11 입력단(-)과, 퓨즈가 연결되는 제 12 입력단(+1) 및, 상기 제 1 전동기에 연결되는 제 1 출력단(O1)을 구성하고,
상기 제 2 전동기를 개별 구동시키도록 상기 DC링크단(-P)을 공유하는 제 11A 입력단(-)과, 퓨즈가 연결되는 제 12A 입력단(+2) 및, 상기 제 2 전동기에 연결되는 제 1A 출력단(O2)을 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 1군의 인버터는 3상(U1,V1,W1)의 IGBT를 구성하고, 상기 2군의 인버터에는 3상(U2,V2,W2)의 IGBT를 구성하되, 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은 위상별 운영이 가능하도록 상기 1군의 인버터에 구성되는 3상(U1,V1,W1)의 IGBT와, 상기 2군의 인버터에 구성되는 3상(U2,V2,W2)의 IGBT들을 교차하여 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 4 항에 있어서, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,U2)을 구성하는 제 1 전력스택과,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; V1,V2)을 구성하는 제 2 전력스택; 및,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; W1,W2)을 구성하는 제 3 전력스택; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 4 항에 있어서, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 11 전력스택과,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들와 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; W1,W2)을 구성하는 제 12 전력스택; 및,
2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; U2,V2)을 구성하는 제 13 전력스택; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 4 항에 있어서, 교차 구성되는 상기 3상(U,V,W)의 전력스택은,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 하나의 상(U; U1,V1)을 구성하는 제 111 전력스택과,
1군의 인버터에 포함되는 IGBT들과 2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 다른 하나의 상(V; W1,U2)을 구성하는 제 112 전력스택; 및,
2군의 인버터에 포함되는 IGBT들로 또 다른 하나의 상(W; V2,W2)을 구성하는 제 113 전력스택; 을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 4 항에 있어서, 상기 1,2군 인버터의 전력스택에는,
상기 IGBT들의 구동을 위한 게이트 드라이브 유니트와, 상기 IGBT들의 스위칭동작중 턴-오프시 안정적인 턴-오프 동작을 위한 스너버 커패시터를 각각 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 2 항에 있어서,
상기 1,2군 인버터를 포함하는 인버터부가 인버터 1대로 확장되어 제 1,2 전동기를 병렬로 구동시키도록 상기 1,2군 인버터가 DC링크단(+P)을 공유하는 상태에서,
상기 1군 인버터의 제 2 입력단(-1)과 상기 2군 인버터의 제 2A 입력단(-2)을 연결하여 병렬 구성하고,
상기 1군 인버터의 제 1 출력단(O1)과 상기 2군 인버터의 제 1A 출력단(O2)을 연결하여 병렬 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.
제 3 항에 있어서,
상기 1,2군 인버터를 포함하는 인버터부가 인버터 1대로 확장되어 제 1,2 전동기를 병렬로 구동시키도록 상기 1,2군 인버터가 DC링크단(-P)을 공유하는 상태에서,
상기 1군 인버터의 제 12 입력단(+1)과 상기 2군 인버터의 제 12A 입력단(+2)을 연결하여 병렬 구성하고,
상기 1군 인버터의 제 1 출력단(O1)과 상기 2군 인버터의 제 1A 출력단(O2)을 연결하여 병렬 구성하는 것을 특징으로 하는 디씨링크 공유형 고속전철용 추진제어장치.