KR20180019379A - Integrated power conversion apparatus for electric railway vehicle and electric railway vehicle including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기철도차량의 전력변환장치 및 이를 구비하는 전기철도차량에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion apparatus for an electric railway vehicle and an electric railway vehicle having the same.
도시철도는 도시교통의 원활한 소통을 위하여 도시교통권역에서 건설·운영하는 철도·모노레일·노면전차(路面電車), 선형유도전동기(線形誘導電動機), 자기부상열차(磁氣浮上列車) 등 궤도에 의한 교통시설 및 교통수단을 말한다. 이러한 도시철도는 대부분 전동차(electric multiple unit)인 전기철도차량으로 운영되며, 이를 도시철도차량이라고 지칭한다. 참고로, 전동차는 궤도 위에 전차선을 가설하고 가선(catenary, 전력공급용 전선)으로부터 전원을 공급받아 운행하는 동력분산식 동차이며, 일명으로 전기동차라고도 한다.The city railway is a railway, monorail, street tram, linear induction motor, magnetic levitation train, etc. which are constructed and operated in the urban traffic area for smooth communication of city traffic. Transportation facilities and means of transportation. Most of these urban railways are operated by electric railway vehicles, which are electric multiple units, and they are called urban railway vehicles. For reference, a train is a power distribution type vehicle that runs on catenary (power supply line) by installing a catenary on a track and is also called an electric vehicle.
전동차의 운행을 위해서는 전력변환장치가 필수적이다. 특히, 도시철도차량의 경우 전력변환장치로서 추진력을 만들기 위한 추진제어장치 및 추진력을 제외하고 차량에서 요구되는 전원(제어기, 냉난방기, 냉각팬, 공기압축기, 승객편의기기 등)을 공급하는 보조전원장치를 필요로 한다.A power conversion device is essential for the operation of electric trains. Particularly, in the case of an urban railway vehicle, a propulsion control device for generating propulsion force as a power conversion device, and an auxiliary power supply device for supplying power (controller, cooling fan, cooling fan, air compressor, .
이러한, 전력변환장치는 요구되는 기능에 따라 제어 방법을 달리하는데, 추진제어장치는 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency; VVVF) 제어를 하고 보조전원장치는 고정전압 고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency; CVCF) 제어를 수행한다.The power conversion apparatus has a control method according to a required function. The propulsion control apparatus controls a variable voltage variable frequency (VVVF), and the auxiliary power unit controls a constant voltage constant frequency (VSS). CVCF) control.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제 10-0683590 호(발명의 명칭: 고속철도차량의 브이브이브이에프 인버터 및 보조 컨버터진단 시스템)는, VVVF 인버터들의 출력전압을 검출하는 VVVF 인버터 전압 검출부; VVVF 인버터들에 흐르는 전류를 검출하는 VVVF 인버터전류 검출부; VVVF 인버터 전압/전류 검출부로부터 검출되는 VVVF 인버터의 전압 및 전류를 직류전압으로 변환시켜 주는 제 1 신호변환기; 보조 컨버터들의 출력전압을 검출하는 보조 컨버터 전압 검출부; 보조 컨버터들에 흐르는 전류를 검출하는 보조 컨버터 전류 검출부; 보조 컨버터 전압/전류 검출부로부터 검출되는 보조 컨버터의 전압 및 전류를 직류전압으로 변환시켜 주는 제 2 신호변환기; 철도차량의 주행 중 차륜의 회전수에 부응하는 펄스신호를 발생하는 속도센서; 속도 검출 펄스의 주파수를 전압으로 변환하여 주는 주파수/전압 변환부; 아날로그의 철도차량 속도전압을 디지털신호로 변환시켜 주는 A/D 변환부; 철도차량의 현재 주행속도를 검출하는 차속 검출부; 펄스를 계수하는 카운터; 펄스수에 대비되는 철도차량의 주행거리를 산출하여 그 위치를 검출하는 위치정보 검출부; TCN 통신의 WTB를 통해 차량에 설치된 각종 전장품들에 대한 정보들을 통합하여 입력받는 게이트 웨이부; 및 각부의 출력신호를 실시간으로 입력받아 기억함과 동시에 특정 VVVF 인버터 또는 보조 컨버터에서 고장 발생시 그 시점에서의 속도와 위치 정보를 포함하여 추진, 제동, 가선전압, 제동압, 견인력, 제동력 등과 같은 각종 전장품의 상태 정보와 함께 해당 VVVF 인버터 또는 보조 컨버터의 고장상태 정보를 기억 및 출력하는 컴퓨터를 포함하는 고속철도차량의 브이브이브이에프 인버터 및 보조 컨버터 진단 시스템을 개시하고 있다. In this connection, Korean Patent Registration No. 10-0683590 entitled V-VW inverter and auxiliary converter diagnosis system of a high-speed railway vehicle includes a VVVF inverter voltage detector for detecting an output voltage of VVVF inverters; A VVVF inverter current detector for detecting a current flowing through the VVVF inverters; A first signal converter for converting the voltage and current of the VVVF inverter detected by the VVVF inverter voltage / current detector into a DC voltage; An auxiliary converter voltage detector for detecting an output voltage of the auxiliary converters; An auxiliary converter current detector for detecting a current flowing through the auxiliary converters; A second signal converter for converting the voltage and current of the auxiliary converter detected by the auxiliary converter voltage / current detecting unit into a DC voltage; A speed sensor for generating a pulse signal corresponding to the number of revolutions of the wheel during running of the railway vehicle; A frequency / voltage converter for converting the frequency of the speed detection pulse into a voltage; An A / D converter for converting an analog railway speed voltage into a digital signal; A vehicle speed detector for detecting a current running speed of the railway vehicle; A counter for counting pulses; A position information detecting unit for calculating a travel distance of the railway car in comparison with the number of pulses and detecting the position of the railroad car; A gateway unit for receiving and inputting information on various electric devices installed in the vehicle through the WTB of the TCN communication; And various parts such as propulsion, braking, wire voltage, braking pressure, traction force, braking force, etc., including the speed and position information at the time of occurrence of a fault in a specific VVVF inverter or auxiliary converter, And a computer for storing and outputting the failure status information of the corresponding VVVF inverter or the auxiliary converter together with the status information of the VVVF inverter or the auxiliary converter.
일반적으로, 도시철도차량은 운행의 안전성을 확보하기 위하여 편성 구성 차량의 50% 이상을 추진제어장치(즉, 추진제어인버터)가 장착된 모터카(일명, 'M-car')로 구성하고 있으며, 추진 전력 이외의 전원을 안정적으로 공급하기 위하여 보조전원장치 또한 복수개 이상을 탑재하고 있다. 따라서, 최소 2대 이상의 보조전원장치를 객차에 취부해야하므로 순수한 객차의 비율은 20% 정도로 운용되고 있다. 이에 따라, 기존의 도시철도차량의 전력변환장치 및 그 편성 조성 방식은, 편성 전체의 중량을 증가시키고, 편성 구성의 운영 가변폭이 제한적이라는 문제점이 있으며, 순수 객차 이외의 객차에서 전력변환장치에 의한 인체 유해성도 간과할 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 복수의 보조전원장치는 다른 보조전원장치가 고장일 경우 필요한 최소한의 전원을 공급하여야하므로, 보조전원장치의 요구되는 용량이 점점 더 증가되고 있는 문제도 있다. 또한, 경량 전철의 경우 전장품(電裝品)을 설치할 수 있는 공간이 중/대형 철도차량에 비해 제약이 많아 추진제어장치 및 보조전원장치를 각각 철도 차량에 효율적으로 배치하는데 어려움이 있었다.Generally, in an urban railway vehicle, in order to ensure safety of operation, at least 50% of the knitted construction vehicles are formed of a motor car (aka, 'M-car') equipped with a propulsion control device In order to supply power other than propulsion power, a plurality of auxiliary power supplies are also installed. Therefore, at least two auxiliary power units must be mounted on the carriage, so that the ratio of pure carriages is about 20%. Accordingly, the power conversion apparatus and its knitting composition system of the existing urban railway vehicle have a problem that the weight of the entire knitting is increased and the operating variable width of the knitting configuration is limited. In addition, There is a problem that the harmfulness of the human body caused by it can not be overlooked. In addition, since a plurality of auxiliary power supplies are required to supply the minimum necessary power in the event that another auxiliary power source fails, there is also a problem that the required capacity of the auxiliary power source is increasing more and more. In addition, in the case of a light railroad, there is a restriction in installing an electric device in a space compared to a medium / large-sized railroad vehicle, and thus it has been difficult to efficiently arrange the propulsion control device and the auxiliary power supply device in railroad cars.
본 발명의 일 실시예는 철도차량의 열차 편성 구성의 자유도를 향상시킬 수 있는 전기철도차량 통합형 전력변환장치 및 이를 구비한 전기철도차량을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electric railway vehicle integrated power conversion apparatus and an electric railway vehicle having the railway vehicle integrated type power conversion apparatus capable of improving the degree of freedom of a railway train configuration of a railway vehicle.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.It is to be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may be present.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 도시철도차량 통합형 전력변환장치는, 가선(catenary)으로부터 전원을 입력받는 공용 전원 회로; 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어에 따라 구동하는 추진제어장치; 및 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 고정전압고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency, CVCF)에 따라 구동하는 보조전원장치를 포함한다. 이때, 추진제어장치 및 보조전원장치는 상기 공용 전원회로에 병렬 접속된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an integrated power system for an urban railway vehicle, including: a common power supply circuit for receiving power from a catenary; A propulsion control device connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven in accordance with a variable voltage variable frequency (VVVF) control; And an auxiliary power supply connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven according to a constant voltage constant frequency (CVCF). At this time, the propulsion control device and the auxiliary power supply device are connected in parallel to the common power supply circuit.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 복수의 차량이 연결되어 편성된 전기철도차량은, 상기 복수의 차량 중 둘 이상의 차량은, 가선(catenary)으로부터 전원을 입력받는 공용 전원 회로; 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어에 따라 구동하는 추진제어장치; 및 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 고정전압고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency, CVCF)에 따라 구동하는 보조전원장치를 포함한다. 이때, 추진제어장치 및 보조전원장치는 상기 공용 전원회로에 병렬 접속된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electric railway vehicle in which a plurality of vehicles are connected and knitted, wherein at least two of the plurality of vehicles include a common power source circuit for receiving power from a catenary; A propulsion control device connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven in accordance with a variable voltage variable frequency (VVVF) control; And an auxiliary power supply connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven according to a constant voltage constant frequency (CVCF). At this time, the propulsion control device and the auxiliary power supply device are connected in parallel to the common power supply circuit.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 도시철도차량과 같은 전기철도차량에 추진제어장치 및 보조전원장치가 입력단(즉, 전원단)을 공통으로 사용하는 통합형 전력변환장치를 제공함으로써, 하나의 열차 차량에 추진제어장치 및 보조전원장치를 함께 배치할 수 있다.According to any one of the above-mentioned objects of the present invention, there is provided an integrated power conversion device in which a propulsion control device and an auxiliary power source device commonly use an input terminal (i.e., a power source terminal) in an electric railway vehicle such as an urban railway vehicle , The propulsion control device and the auxiliary power supply can be arranged together in one train vehicle.
즉, 전기철도차량의 추진제어장치와 보조전원장치가 하드웨어적으로 동일한 입력단을 공유하도록 함으로써 열차 차량 내 공간적 배치가 용이해지고, 편성 차량이 경량화되며, 구성 부품이 감소됨에 따라 유지 보수가 간편해지는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 전기철도차량에 통합형 전력변환장치를 설치함으로써 1량에 추진제어장치와 보조전원장치가 한꺼번에 취부되어 1량 편성 운행까지 가능할 뿐만 아니라, 차량 운영 편성 구성의 자유도가 극대화되어 해당 노선 상황(예: 혼잡시간대)에 따라 가변 편성 운영 등에 적합한 편성 구성이 용이해지는 효과를 기대할 수 있다.That is, since the propulsion control device of the electric railway vehicle and the auxiliary power supply device share the same input terminal in hardware, the spatial arrangement in the train vehicle is facilitated, the knitted vehicle becomes lightweight, and the maintenance is simplified as the component parts are reduced Can be expected. In addition, by installing the integrated power conversion device in the electric railway vehicle, the propulsion control device and the auxiliary power source device can be mounted at the same time in one unit, so that the one-car train operation can be performed and the freedom of the configuration of the vehicle operation configuration is maximized. : Congestion time zone), it is possible to expect an effect of facilitating the configuration of knitting that is suitable for variable knitting operation.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 통합형 전력변환장치를 사용함에 따라 철도 차량 내 공간적 부담없이 다수의 보조전원장치를 취부할 수 있어, 다수의 보조전원장치가 공동으로 부하를 분담하도록 제어함으로써 보조전원장치의 설계 용량을 저감할 수 있다.Further, according to any one of the tasks of the present invention, a plurality of auxiliary power devices can be mounted without the spatial burden in the railway vehicle by using the integrated power conversion device, so that a plurality of auxiliary power devices share the load So that the design capacity of the auxiliary power supply device can be reduced.
또한, 통합형 전력변환장치에서 추진제어장치의 회생에너지가 레일 측으로 돌려보내지는 것이 아니라, 동일 입력단에 접속된 보조전원장치로 공급됨으로써 회생에너지 활용을 극대화할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.In addition, in the integrated power conversion apparatus, the regenerative energy of the propulsion control apparatus is not returned to the rail side but is supplied to the auxiliary power supply apparatus connected to the same input end, thereby maximizing the utilization of the regenerative energy.
도 1은 일반적인 전기철도차량의 전력변환장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기철도차량의 통합형 전력변환장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치가 구비된 전기철도차량의 편성 조성 시 전장품 배치 방식을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view showing a configuration of a power conversion apparatus of a general electric railway vehicle.
2 is a block diagram illustrating the configuration of an integrated power conversion apparatus of an electric railway vehicle according to an embodiment of the present invention.
3 is a detailed block diagram of an integrated power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a method of arranging electrical components in knitting of an electric railway vehicle equipped with an integrated power conversion device according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "including" an element, it is to be understood that the element may include other elements as well as other elements, And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명에 따른 전기철도차량의 통합형 전력변환장치 및 이를 구비한 전기철도차량을 설명하기에 앞서, 일반적인 전기철도차량의 전력변환장치의 구성에 대해서 설명하도록 한다.Before describing an integrated power conversion apparatus for an electric railway vehicle and an electric railway vehicle having the same according to the present invention, the configuration of a power conversion apparatus of a general electric railway vehicle will be described.
도 1은 일반적인 전기철도차량의 전력변환장치의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a configuration of a power conversion apparatus of a general electric railway vehicle.
기존의 전기철도차량의 전력변환장치는 추진제어장치와 보조전원장치가 각각 분리된 장치로서, 전기철도차량에 추진제어장치와 보조전원장치가 별도로 구비된다. 즉, 전기철도차량이 복수의 열차 차량을 연결하여 편성될 경우, 동력차에는 추진제어장치가 취부되고, 객차 등에는 보조전원장치가 취부될 수 있다. 따라서, 하나의 열차 차량 당 추진제어장치 또는 보조전원장치가 설치되며, 이 두 장치는 동시에 설치되지 않는다.The power conversion apparatus of an existing electric railway vehicle is a device in which the propulsion control device and the auxiliary power source device are separated from each other, and the propulsion control device and the auxiliary power source device are separately provided in the electric railway vehicle. That is, when the electric railway vehicle is knitted by connecting a plurality of train cars, the propulsion control device may be mounted on the power train, and the auxiliary power source device may be mounted on the passenger train. Therefore, a propulsion control device or an auxiliary power source device is installed for each train vehicle, and these two devices are not installed at the same time.
구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 기존의 전기철도차량의 전력변환장치는, 가선 전압을 인가받아 직류단으로 전달하는 입력단(P10)을 포함하는 추진제어장치를 포함한다. 또한, 추진제어장치의 입력단(P10)과 별개로, 가선 전압을 따로 인가받아 직류단으로 전달하는 입력단(P20)을 포함하는 보조전원장치를 포함한다.Specifically, as shown in FIG. 1, a conventional electric railway vehicle power conversion apparatus includes a propulsion control apparatus including an input terminal P10 for receiving a line voltage and delivering it to a DC stage. And an auxiliary power supply unit including an input terminal P20 separately receiving a line voltage and transferring the line voltage to the DC stage separately from the input terminal P10 of the propulsion control apparatus.
참고로, 추진제어장치 및 보조전원장치의 제어 방법은 서로 상이하나, 두 장치의 입력단은 하드웨어적으로 거의 유사한 구조를 가지고 있다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 추진제어장치의 입력단(P10)과 보조전원장치의 입력단(P20)은 동일한 설계를 가질 수 있다.For reference, the control methods of the propulsion control device and the auxiliary power supply device are different from each other, but the input terminals of the two devices have almost the same hardware structure. That is, as shown in FIG. 1, the input terminal P10 of the propulsion control device and the input terminal P20 of the auxiliary power supply device may have the same design.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기철도차량의 통합형 전력변환장치 및 그 전기철도차량에 대해서 상세히 설명하되, 전기철도차량이 직류전원을 사용하는 도시철도차량인 것을 예로서 설명하도록 한다.Hereinafter, an integrated power conversion apparatus and an electric railway vehicle of an electric railway vehicle according to an embodiment of the present invention will be described in detail, and an electric railway vehicle is an urban railway vehicle using a DC power source.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기철도차량의 통합형 전력변환장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치의 세부 구성을 나타낸 도면이다.2 is a block diagram illustrating the configuration of an integrated power conversion apparatus of an electric railway vehicle according to an embodiment of the present invention. 3 is a detailed block diagram of an integrated power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)는 복수의 차량으로 편성된 전기철도차량의 적어도 하나의 차량에 취부되는 것으로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 추진제어장치(200)와 보조전원장치(300) 각각의 가선 전원 입력단으로서 공통으로 사용되는 공용 전원 회로(100)를 포함한다. 이처럼, 본발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(10)는 추진제어장치(200)와 보조전원장치(300)가 입력단의 하드웨어 부분을 공유하여 직류단의 전원을 같이 사용하는 일체형 전력변환장치이다.The integrated
이때, 추진제어장치(200)는 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency; VVVF) 제어를 하는 VVVF 인버터를 주요 구성 요소로 포함할 수 있으며, 보조전원장치(300)는 고정전압 고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency; CVCF) 제어를 하는 정지형 인터버(SIV)를 주요 구성 요소로 포함할 수 있다.In this case, the
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 가선 전원 입력단인 공용 전원 회로(100)는 충전 접촉기/주회로 접촉기(110), 필터 리액터(120), 및 필터 커패시터(130)를 포함한다. 그리고 직류단인, 추진제어장치(200)는 과전압 방지회로(210) 및 견인전동기 구동 인버터부(220)를 포함하며, 보조전원장치(300)는 보조전원 공급용 인버터부(310)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)는, 전기철도차량에서 각 차량이 다른 차량에 설치된 통합형 전력변환장치의 보조전원장치들과의 부하 분담을 할 수 있도록, 보조전원장치(300)의 출력을 제어하는 보조전원장치 출력 제어기(320)를 더 포함할 수 있다.3, the common
참고로, 이하에서는 전기철도차량이 운행되기 위한 각종 구성들 및 그 동작을 설명하도록 한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)는 도 3에 도시된 바와 같은 구성들뿐만 아니라, 아래에서 설명할 전기철도차량 운행을 위한 구성 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.Hereinafter, various configurations and operation of an electric railway vehicle will be described. The integrated
직류용 도시철도차량에서, 가선 전압은 고속차단기(HSCB) 등을 통하여 인가된다. 이때, 기설정된 철도차량의 기동 시퀀스에 따라 충전 접촉기(110)가 온(ON)되면 충전이 개시된다. 이를 통해 직류단으로 인가될 전압이 확립되면 주회로 접촉기(110)가 온(ON)되어 직류단으로의 전원을 인가하는 동작을 수행한다. 또한, 가선 전원의 노이즈를 필터링하기 위하여 필터 리액터(120)와 필터 커패시터(130)가 입력단에 포함된다.In direct current urban railway vehicles, the line voltage is applied through a high speed circuit breaker (HSCB) or the like. At this time, when the
좀 더 구체적으로 설명하자면, 전기철도차량을 운행하는 기관사가 집전장치를 전차선에 붙이면, 메인퓨즈 후방에 위치한 전력변환장치의 전압검지장치에 의해 고속차단기(HSCB)의 동작 가능 신호가 전송된다. 그리고 가선 전압이 HSCB를 통해 인가되면, 방전된 필터 커패시터(130)가 급격히 충전되는 것을 방지하기 위해 충전 접촉기(110)가 온(ON) 된다. 이때, 충전 접촉기(110)의 후단에는 필터 커패시터 충전저항(FCCR)이 포함될 수 있으며, 이를 통해 인가된 전압을 약화하여 느리게 충전이 진행되도록 하여 커패시터에 대한 보호작용을 할 수 있다. 이때, 필터 커패시터(130)는 전차선이나 고압 모선으로부터 발생한 맥류 성분이나 노이즈를 제거해주는 역할을 한다. 필터 리액터(120)는, 충전 접촉기(110)와 필터 커패시터(130) 사이의 직렬 연결 소자로서, 필터 커패시터(130)와 유사한 역할을 한다. 필터 리액터(120) 및 필터 커패시터(130)는 둘 다 전기의 전압 변화율을 완화하여 회로 장치를 보호하는 역할을 할 수 있다. 그리고, 전압검지장치를 통해 필터 커패시터(130)에 충전되는 전압이 감시되면서 충전이 완료되면, 전력변환장치 제어기에 신호가 전송되어 충전 접촉기(110)가 차단되고 주회로 접촉기(110)가 온(ON)된다. 이때, 필터 커패시터(130)가 충전되어있으므로 인가 전류가 직류단으로 급하게 인가되지 않게 된다.More specifically, when an engineer operating an electric railway vehicle attaches the current collecting device to the electric cable, an operational signal of the high speed circuit breaker (HSCB) is transmitted by the voltage detecting device of the electric power conversion device located behind the main fuse. When the line voltage is applied through the HSCB, the
다시 도 3으로 돌아가서, 직류단인 추진제어장치(200)의 과전압 방지회로(210)는 과전압보호동작을 처리한다. 이때, 과전압 방지회로(210)는 전력변환장치 제어기가 과전압 보호 신호를 보내오면 내부의 전력반도체(IGBT)의 게이트에 신호를 보내어 과전압 보호 저항을 통하여 과전압으로 발생한 에너지를 열에너지로 소모하게 하는 역할을 한다.3, the
견인전동기 구동 인버터부(220)는 견인전동기를 구동시키는 전압을 출력한다. 즉, 견인전동기 구동 인버터부(220)는 직류단 전압 확립이 검지되면 기관사의 운전 명령에 따라 기동하여 VVVF 제어를 수행한다. 참고로, 견인전동기는 대차 또는 차체 하부(고속전철용)에 장착되어 추진제어장치(즉, 견인전동기 구동 인버터부(220))로부터 전기적인 에너지를 공급받아 차량을 구동시키는 장치이다.The traction motor
보조전원장치(300)의 보조전원 공급용 인버터부(310)는 직류단 전압이 확립되면 기동 시퀀스의 이상 유무를 점검한 후 별도의 시작 명령 없이 기동하여 동작한다.The auxiliary power
예를 들어, 보조전원장치(300)는 공기압축기, 조명기기, 냉난방장치, 표시기장치, 차량 제어전원 등에 대한 전원(즉, 보조전원)으로 사용되는 일정한 전압/주파수의 전원 및 직류전원을 공급할 수 있다. 그리고, 보조전원장치(300)는 차량의 종합제어장치(TCMS)와 연계하여 동작 상태 모니터링 및 고장감시 기능을 처리할 수 있다.For example, the
좀 더 구체적으로 설명하자면, 보조전원장치(300)는 정지형 인버터(SIV)로 구현될 수 있으며, 고정 출력을 갖는다. 보조전원장치(300)는 삼상교류를 만들기 위한 중성선이 연결되어있으며 정류기를 통한 직류를 출력하는 단자를 가질 수 있다. 그리고 보조전원장치(300)는 높은 부하를 담당하며, 종합제어장치(TCMS)는 차상신호보안장치, 제동작용장치 및 기타 장치의 제어기에 전원을 공급하기 위한 단자를 포함할 수 있다. 또한, 보조전원장치(300)는 방송 및 표시기를 가동하며, 충전기, 보조공기압축기, 무전기, 공기브레이크전자변, 전자식 제동장치부품, 접촉기를 운용하기 위한 직류전원을 포함할 수 있다. 참고로, 종합제어장치(TCMS)는 중앙 집중식 임베디드 컴퓨터 시스템으로서, 차상에 설치된 하부기기 정보를 수집해 운전자가 필요한 정보를 모니터에 표시하고, 하부기기들을 제어하며 그 상태를 시험하여 결과를 기록한다.More specifically, the
이상에서와같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 추진제어장치(200)와 보조전원장치(300)는 직류단의 전원을 공유하여 사용하기 때문에 회생에너지 활용률이 극대화 된다. 즉, 기존 철도차량의 경우 추진제어장치의 회생 제동으로 인하여 발생되는 회생 에너지가 가선을 통하여 해당 차량 또는 다른 차량이 이용하게 되어 불필요한 전력손실이 발생하였다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)는 직류단으로 전원을 공급하는 공용 전원 회로(100)를 추진제어장치(200) 및 보조제어장치(300)가 공유하기 때문에, 추진제어장치(200)에서 발생되는 회생에너지를 바로 보조전원장치(300)가 사용할 수 있게 되어 손실을 최소화하고 효율을 최대화할 수 있다.As described above, since the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치가 구비된 전기철도차량의 편성 조성 시 전장품 배치 방식을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a method of arranging electrical components in knitting of an electric railway vehicle equipped with an integrated power conversion device according to an embodiment of the present invention.
도 4의 (a)는 통합형 전력변환장치(10)가 아닌 추진제어장치와 보조전원장치가 분리되어 구비되는 전기철도차량의 편성의 예를 나타냈다. 그리고 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)가 구비된 전기철도차량의 편성의 예를 나타냈다. 이때, 도 4의 (a) 및 (b)에서는 두 전기철도차량 편성을 용이하게 비교하기 위하여 동일하게 10량 1편성의 전기철도차량을 도시하였다.4 (a) shows an example of the combination of an electric railway vehicle in which the propulsion control device and the auxiliary power source device are provided separately from the integrated
참고로, 도 4의 (a) 및 (b)에서는 전기철도차량의 차량들이 각각, 팬터그래프, 추진제어인버터, 견인전동기가 탑재된 'M'차', 추진제어인버터 및 견인전동기만이 탑재된 'M차', 보조전원장치(SIV), 공기압축기, 축전지, 제어실 등을 갖춘 'Tc차', 그리고 아무 기기도 탑재되지 않는 객차인 'T차' 중 어느 하나로 구성된 것을 예로서 나타냈다.4 (a) and 4 (b), the vehicles of the electric railway vehicle are equipped with a pantograph, a propulsion control inverter, an 'M' car equipped with a traction motor, a propulsion control inverter, T car 'equipped with an M-car, an auxiliary power unit (SIV), an air compressor, a battery, a control room, etc., and a T car which is not equipped with any equipment.
도 4의 (a)에서와 같이, 통합형 전력변환장치(10)를 사용하지 않는 도시철도차량의 경우 50%의 동력차와 보조전원장치가 취부된 객차 그리고 나머지 20% 정도의 순수 객차로 편성이 구성된다. 이에 비해, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)를 설치한 도시철도차량의 경우, 50%의 동력차와 50%의 순수 객차로 편성을 구성할 수 있으며, 이에 따라 편성 구성 시 운영할 수 있는 가변폭이 증대된다.As shown in FIG. 4 (a), in the case of an urban railway vehicle that does not use the integrated
한편, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 추진제어장치 및 보조전원장치를 별도로 사용하는 도시철도차량의 편성 구성의 경우, 전원 공급의 안정성을 유지하기 위하여 복수의 보조전원장치를 해당 차량에 각각 설치하였다. 예를 들어, 도 4의 (a)의 철도차량에서, 1대의 보조전원장치(SIV)가 전원을 공급해야 하는 부하는 최대 4량 정도이다. 이때, 1대의 보조전원장치(SIV)가 고장일 경우 해당 장치를 전기적으로 분리하고, 연장급전 접촉기를 사용하여 나머지 1대의 보조전원장치(SIV)가 필요한 최소한의 전원을 공급한다. 따라서, 보조전원장치의 용량의 증대가 지속적으로 요구된다. 구체적으로, 전기철도차량의 운용 중 어느 하나의 기기의 입력저전압, 입력과전압, 입력과전류, 출력과전압, 출력저전압, 과부하 등에 의한 보호회로동작 및 기관사의 강제적인 정지명령 등이 발생될 경우, 보조전원장치(300)의 운용이 중지될 수 있다. 이러한 경우 다른 보조전원장치(300)에서 전원을 끌어다 쓰게 하는것을 연장급전이라고 한다. 참고로, 보조전원장치(SIV)의 출력모선의 양단을 연결하여 위의 동작을 실시하게 하는 연장급전 접촉기는 일반적으로 'T차'에 취부된다.Meanwhile, as shown in FIG. 4A, in the case of the knitting configuration of an urban railway vehicle in which the propulsion control device and the auxiliary power source device are separately used, in order to maintain the stability of power supply, Respectively. For example, in the railway vehicle shown in Fig. 4A, the load on which one auxiliary power source unit (SIV) is to supply power is about four in amount. At this time, if one auxiliary power unit (SIV) fails, the corresponding unit is electrically disconnected and the remaining one auxiliary power unit (SIV) is supplied with the minimum power using an extended feed contactor. Therefore, an increase in the capacity of the auxiliary power source device is continuously required. Specifically, when an operation of a protection circuit by an input low voltage, an input overvoltage, an input overcurrent, an output overvoltage, an output undervoltage, an overload and the like of any one of the apparatuses during the operation of an electric railway vehicle and an instruction for forcibly stopping the engine are generated, The operation of the
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력변환장치(10)에서는 보조전원장치(300)가 안정적으로 전원을 공급하면서도, 고장시 나머지 보조전원장치가 부담하게 되는 부하를 경감시키기 위하여 부하 수요를 복수의 통합형 전력변환장치(10)가 공동으로 분담한다.However, in the integrated
도 4의 (b)에서와 같이, 통합형 전력변환장치(10)인 "VVVF/SIV"가 구비된 도시철도차량에서는, 정상상태에서 하나의 보조전원장치(SIV)가 담당하는 부하 차량이 2량 정도이다. 이러한 경우, 1대의 보조전원장치(SIV)가 고장일 경우에도 나머지 보조전원장치들이 해당 부하를 공동으로 분담하므로 용량 증가에 대한 부담이 경감된다. 결과적으로, 보조전원장치(300)의 용량을 하향시키는 것이 가능하다. 즉, 도 4의 (b)에서와 같이 도시철도차량의 10량 편성의 경우, 5대의 통합형 전력변환장치(VVVF/SIV)가 설치되고, 각 차량에서 요구되는 보조전원장치 부하를 5대가 분담하여 동작하며, 그 중 1대가 고장일 경우 나머지 4대가 부하를 분담하게 된다. 따라서, 이상 상태가 발생 되더라도, 각 통합형 전력변환장치(10) 별로 25%의 부하가 증가 될 뿐이다.As shown in FIG. 4 (b), in an urban railway vehicle equipped with "VVVF / SIV" as the integrated
이상에서와 같은 보조전원 부하 분담에 따른 개별동작을 위해서, 통합형 전력변환장치(10)는 보조전원장치 출력 제어기(320)를 포함한다.For the separate operation according to the auxiliary power load sharing as described above, the
구체적으로, 전기철도차량의 복수의 차량에 각각 설치된 통합형 전력변환장치(10)의 보조전원장치(300)에 기동 순번이 부여된다. 그리고, 복수의 보조전원장치(300) 중 기설정된 마스터 보조전원장치(300)가 기동하여 동작한 후, 편성에 설치된 나머지 보조전원장치(300)들이 부하 전압을 모니터링하여 출력전압의 위상을 동기화할 수 있도록 기동하여 동작한다.Concretely, the auxiliary
이를 위하여 보조전원장치 출력 제어기(320)는 전기철도차량에 설치된 각 보조전원장치(300)의 기동 순번 및 마스터 여부를 관리하고, 전기철도차량의 부하 전압 및 부하전류를 실시간으로 모니터링한다. 그리고 보조전원장치 출력 제어기(320)는 상기 모니터링의 결과에 따라 임의의 보조전원장치(300)의 정지에 따른 부하변동을 검출한다. 이에 따라, 적어도 하나의 보조전원장치(300)의 정지가 검출되면, 보조전원장치 출력 제어기(320)는 정지된 보조전원장치(300)를 전기적으로 분리하고, 부하 측에 직접적으로 부하 전류를 변동시켜 상기 정지된 보조전원장치(300)의 부하를 나머지 보조전원장치(300)들이 분산하여 분담하도록 제어한다. 이때, 보조전원장치 출력 제어기(320)는 부하를 분담할 나머지 보조전원장치(300)들의 출력 전압을 마스터 보조전원장치(300)의 위상과 동기화하여 기동시킨다.To this end, the auxiliary power
이상에서는, 앞서 도 2에 도시된 보조전원장치 출력 제어기(320)가 복수의 열차 차량에 각각 설치된 통합형 전력변환장치(10)의 보조전원장치(300)와 모두 연결된 하나의 제어기로 구현된 것을 설명하였다.In the above description, it is explained that the auxiliary power
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보조전원장치 출력 제어기(320)는 각 통합형 전력변환장치(10)에 개별적으로 포함되어 내부의 보조전원장치(300)에 연결되도록 구성될 수도 있다.According to another embodiment of the present invention, the auxiliary power
이때, 보조전원장치 출력 제어기(320)는 다른 열차 차량 중 적어도 하나의 보조전원장치(300)의 정지 여부를 실시간으로 검출하고, 다른 보조전원장치(300)의 정지 상태가 검출되면 연장급전 접촉기(ESK)를 온(ON)시켜 정지된 보조전원장치(300) 측으로 기설정된 용량의 전원이 제공되도록 제어한다. 참고로, 보조전원장치(300)가 직접 부하측에 제공하거나 연장급전 접촉기(ESK)를 통해 제공하는 전원 용량은 전기철도차량의 편성 구성에 따른 통합형 전력변환장치(10)의 개수 및 설치 위치 등의 조건에 따라 변경될 수 있다.At this time, the auxiliary power
그리고. 보조전원장치 출력 제어기(320)는 다른 열차 차량에 설치된 통합형 전력변환장치(10)들과 연결되어 다른 보조전원장치(300)의 정지 여부 정보를 수신하거나, 부하 전압을 지속적으로 모니터링하여 다른 보조전원장치(300)의 정지 여부를 검출할 수 있다. 보조전원장치 출력 제어기(320)는 담당하는 보조전원장치(300)의 정지 여부를 검출하여 다른 보조전원장치 출력 제어기(320)들로 제공할 수 있다.And. The auxiliary power
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. .
10: 통합형 전력변환장치
100: 공용 전원 회로
200: 추진제어장치
300: 보조전원장치10: Integrated power converter
100: Common power supply circuit
200: Propulsion control device
300: Auxiliary power supply
Claims (6)
가선(catenary)으로부터 전원을 입력받는 공용 전원 회로;
상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어에 따라 구동하는 추진제어장치; 및
상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 고정전압고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency, CVCF)에 따라 구동하는 보조전원장치를 포함하며,
상기 추진제어장치 및 보조전원장치는 상기 공용 전원회로에 병렬 접속된 전기철도차량 통합형 전력변환장치.
1. An electric railway vehicle integrated power conversion apparatus comprising:
A common power supply circuit for receiving power from a catenary;
A propulsion control device connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven in accordance with a variable voltage variable frequency (VVVF) control; And
And an auxiliary power supply connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven according to a constant voltage constant frequency (CVCF)
Wherein the propulsion control device and the auxiliary power supply device are connected in parallel to the common power supply circuit.
상기 공용 전원 회로는,
상기 가선으로부터 전압이 인가되면 온(ON)되어 직렬 연결된 필터 커패시터로의 충전을 개시하는 충전 접촉기;
상기 충전 접촉기와 상기 필터 커패시터 사이에 직렬 연결되어 노이즈를 필터링하는 필터 리액터; 및
상기 필터 커패시터가 충전이 완료되면 온(ON)되어 상기 추진제어장치 또는 상기 보조전원장치로 전원을 인가하는 주회로 접촉기를 포함하는 전기철도차량 통합형 전력변환장치.
The method according to claim 1,
The common power supply circuit includes:
A charge contactor that is turned on when a voltage is applied from the guard wire to initiate charging to a series-connected filter capacitor;
A filter reactor serially connected between the charge contactor and the filter capacitor to filter noise; And
And a main circuit contactor which is turned on when the charging of the filter capacitor is completed and applies power to the propulsion control device or the auxiliary power supply device.
상기 추진제어장치로부터 발생된 회생에너지는 상기 보조전원장치로 공급되는 전기철도차량 통합형 전력변환장치.
The method according to claim 1,
And the regenerative energy generated from the propulsion control device is supplied to the auxiliary power source device.
상기 복수의 차량 중 둘 이상의 차량은,
가선(catenary)으로부터 전원을 입력받는 공용 전원 회로; 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어에 따라 구동하는 추진제어장치;
및 상기 공용 전원 회로의 출력단에 접속되며, 고정전압고정주파수(Constant Voltage Constant Frequency, CVCF)에 따라 구동하는 보조전원장치를 포함하며,
상기 추진제어장치 및 보조전원장치는 상기 공용 전원회로에 병렬 접속된 것인 전기철도차량.
In an electric railway vehicle in which a plurality of vehicles are connected and knitted,
Wherein at least two of the plurality of vehicles have the same configuration,
A common power supply circuit for receiving power from a catenary; A propulsion control device connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven in accordance with a variable voltage variable frequency (VVVF) control;
And an auxiliary power supply connected to an output terminal of the common power supply circuit and driven according to a constant voltage constant frequency (CVCF)
Wherein the propulsion control device and the auxiliary power supply device are connected in parallel to the common power supply circuit.
상기 복수의 차량 중 둘 이상의 차량에 포함된 각각의 상기 보조전원장치 중 기설정된 마스터 보조전원장치가 기동한 후 나머지 보조전원장치가 부하전압을 모니터링하여 출력전압의 위상이 동기화되도록 기동하는 전기철도차량.
5. The method of claim 4,
Wherein the main auxiliary power supply unit of each of the auxiliary power supply units included in two or more of the plurality of vehicles starts up and then the remaining auxiliary power supply unit monitors the load voltage to start up the phase of the output voltage to be synchronized, .
상기 각각의 보조전원장치 중 적어도 하나의 보조전원장치가 정지될 경우 나머지 보조전원장치가 부하전압를 분산하여 분담하는 전기철도차량.6. The method of claim 5,
Wherein when at least one of the auxiliary power supplies is stopped, the remaining auxiliary power supplies distribute and share the load voltage.
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