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서라 남
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1 2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A 호대전기기관차의신형보조전원장치개발 A New Development of Auxiliary Power System for 8200 Series Electric Locomotives 이을재 *, 안병권 *, 정진욱 **, 윤차중 ** Eul-Jae Lee *, Byung-Gyun Ahn *, Jin-Uk Jung **, Cha-Jung Yoon ** Abstract In this paper, a new development for an auxiliary power system of 8200 series electric locomotives which is running in KORAIL is presented. In the new development, the power conversion circuits were designed can be disassembled by the each module unit, as differ from that conventional old system was a complex batch system. New auxiliary power system is possible to be departed as a control parts, a block of filter capacitor unit, each gate driver unit and IGBTs during on boarded situation to provide easy maintenance ability while the systems malfunctioning. New fast DSC(digital signal controller) control system is designed for improving of the calculation power and a PLL method for the synchronization of input AC voltage was newly developed as well. Several simulations have been experimented for the evaluation and a target system is building up now to compare the performances clarification. Keywords : Electric locomotives, Auxiliary power system, IGBTs 초록본논문에서는 8200 호대전기기관차에적용되는신형보조전원장치의개발에대하여설명하였다. 기존장치의문제점인일체형전력회로에의한유지보수의어려움을개선하기위하여전력회로를단위모듈로분리가가능하도록설계하였다. 개발된보조전원장치의주요부분인제어부, 필터캐패시터블록, GDU 및 IGBT 장치는차상에서분리가가능하므로고장시빠른유지보수가가능하다. 제어부의성능개선을위하여전력회로제어전용의 DSC 를적용하였으며교류입력전원의동기를위한새로운방식의 PLL 기법을적용하였다. 장치의검증을위하여다양한시뮬레이션을시행하였고시제품을제작하여기존장치와의비교를진행중이다. 주요어 : 전기기관차, 보조전원장치, IGBT 1. 서론석탄등지하자원을운송하는국내산업선의경우전철화정책에의하여해외에서전기기관차를도입하여운영하고있다. 그러나해외에서도입된철도차량인경우원천제작사가해외회사인관계로공개된기술자료가거의없다. 이에따라대부분기술이전이나유지보수에따른기술적사항이제대로이루어지지않아국내전문가들의전문적지식과철도차량운영기관들의운영경험에의해개량화및유지보수가이루어지고있다 [1,2]. 교신저자 : 이경산전주식회사 (euljae@e-kyoung.com) * 이경산전주식회사 ** 한국철도공사 (Korail)

현재철도공사 (Korail) 에서운영중인 8200호대전기기관차에적용된보조전원장치는원천제작사가 Siemens로일부물량에대한단순조립만기술습득의차원으로국내에서수행되었다. 이장치는 2대의 80kVA급컨버터 / 인버터장치가하나의외함에장착된형태로기계실내부의각종송풍장치, 공기압축기및트랜스포머의오일필터용전동기등을구동하는목적으로사용된다.

특히제어기를포함하여필터캐패시터, 버스바, 반도체소자, GDU, 센서장치및방열기가하나의스택으로조립된전력변환회로는간단한고장의경우에도스택을완전히분해해야하므로정확한설계도면도없는현실에서국내수리가사실상불가능하다. 본논문에서는유지보수성이결여된기존의보조전원장치를대신할수있는신형국산화보조전원장치의개발에대하여설명하였다.

2 현재철도공사 (Korail) 에서운영중인 8200호대전기기관차에적용된보조전원장치는원천제작사가 Siemens로일부물량에대한단순조립만기술습득의차원으로국내에서수행되었다. 이장치는 2대의 80kVA급컨버터 / 인버터장치가하나의외함에장착된형태로기계실내부의각종송풍장치, 공기압축기및트랜스포머의오일필터용전동기등을구동하는목적으로사용된다. 장치는강제공냉식방식을채택하고있으나출력용량에비하여상당히컴팩트한구조로설계된것이특징이다. 현안문제사항으로는초창기 IGBT를적용한설계로인하여전력반도체스택부의고장이빈번히발생하는점과제어기를포함하여모든전력제어장치가하나의단일구조로이루어져차상에서분해하는것이매우어려운점이다. 특히제어기를포함하여필터캐패시터, 버스바, 반도체소자, GDU, 센서장치및방열기가하나의스택으로조립된전력변환회로는간단한고장의경우에도스택을완전히분해해야하므로정확한설계도면도없는현실에서국내수리가사실상불가능하다. 본논문에서는유지보수성이결여된기존의보조전원장치를대신할수있는신형국산화보조전원장치의개발에대하여설명하였다. 신형보조전원장치는기존장치와는달리차상에서신속한유지보수가가능하도록모듈구조의단위부품형식으로설계가되었고출력의크기도기존보다증대된 90kVA 2중방식으로확대하였다. 한편제어의성능을향상시키기위하여전력변환기전용의 DSC(Digital signal controller) 를적용하였고신뢰성있는입력전압의동기를위한새로운방식의 PLL(Phase locked loop) 기법도개발하였다. 2. 본론 2.1 기존장치고찰그림 1은원천제작사 (Siemens) 에서제작한 8200호대전기기관차용보조전원장치전력스택의형상이다. 좌측의그림은전력스택의버스바부분으로캐패시터와 IGBT가일체형으로구성되어있음을볼수있으며우측그림은전체적인구성, 특히 IGBT와방열기, 일체형 GDU 및제어기부분을나타낸것이다. Bus plate GDU PCB Fig. 1 Outlooks for present system (left: all in one type Bus-plate, right: IGBT&GDU) 장치의입력은차량의주변압기 2차권선이며단상교류전압 334V이다. 출력은 3상의 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 로정격일때 80kVA 440V/60.0Hz이다. 장치의

3 전력회로는전형적인 4상한 C/I 구조로 IGBT로구성된컨버터와인버터가하나의 DC Link를공유한다. 단상교류입력이므로그림 1에서처럼 DC 평활을위한캐패시터의크기가크며평판으로이루어진버스바를사용하여기생인덕턴스를최소화하고있다. 유지보수의관점에서이장치의가장큰문제점은전력회로가사진에서와같이일체형으로묶여있어서사소한고장에도전력회로를완전히해체하지않으면고장부에대한접근이어려운점이다. 전력변환기의경우주변환소자인 IGBT 모듈의고장빈도가가장높다. 하지만이장치의경우분해가쉽지않으므로차상에서수리가불가능하다. 따라서스택을분리하여실험실로옮겨야하는데좁은차상에서무거운스택을분리하여이동하는것이쉽지않다. 한편장치가설계된시점은 90년대중반으로초기버전의 IGBT가사용되어열손실이많이발생한다. 대부분의 IGBT 고장은지속적인고온동작이원인이되어발생하는 Latch 현상에의한암단락전류 (Short-through) 및내구연한에따른내부열화가주원인으로알려져있다. 본장치에서도 IGBT의고장이가장많이발생하는것으로보고되고있으므로이부분에대한개선이필요하다. 2.2 신형보조전원장치의설계 전력회로설계 Table 1 Design specification of new 90kVA into 2 auxiliary power system Power circuits Converter Inverter Specification of 90kVA AUX. Power System Parameter Content Remarks Topology 4Q PWM converter Boost Frequency range 60Hz(47~65Hz) PF 0.97 Rated input 334V/270A 90kW Input voltage range 254V/354A~360V/250A Output voltage 620VDC/145A Topology 6 pulse PWM inverter SVPWM Frequency range 0~60.0Hz 0~440V Rated output 3ph, 440V/118A/60.0Hz 90kVA@PF=0.85(lag) 그림 2는기존장치의문제점을해소하기위해새롭게설계된보조전원장치의전력회로를나타낸것이다. 장치의구성은기존과동일하게 4상한 C/I 구조이나스택의구성방식은유지보수를고려하여몇개의하위모듈로쉽게분리가가능하도록설계하였다. 기존장치를대체하여사용되는장치이므로크기는기존과동일하게설계하였다. 정격용량의경우특별히증대할필요는없으나부하증설을대비하여기존장치보다 10kVA 증대한 90kVA 용량으로하였다. IGBT 선정의과정에서는취급이단순하고특정회사의형상으로고정되는것을피하기위하여 62mm 급 IGBT를주회로소자로적용하였다. 4세대 IGBT를사용하므로기존장치에비하여열손실이감소되지만방열성능의관점에서소자의바닥면적이가장넓은 62mm급 IGBT가유리한장점이있다. 표 1에장치의설계사양에대하여표기하였다.

2.2.1 구조설계기존보조전원장치에서유지보수성을낮추는주요원인중의하나는방열기위에배치된 IGBT와전원장치가포함된게이트구동용 PCB (GDU)

이에따라새로제작되는장치에서는고장빈도가높은전력반도체와 GDU 장치가쉽게분리되는구조로방열기위에부품을배치하였다.

6kW의변환손실이발생하였고컨버터의스위칭주파수가상향되었음에도기존장치의약 87% 수준의손실이발생하는것으로추정된다. Fig.

3 Structuring diagram of PWM power stack Fig.

4 2.2.1 구조설계기존보조전원장치에서유지보수성을낮추는주요원인중의하나는방열기위에배치된 IGBT와전원장치가포함된게이트구동용 PCB (GDU) 이다. 특히게이트구동용 PCB는방열기면적의 2/3에해당하는하나의단일장치로구성되어분리가어려울뿐만아니라사소한고장에도수리가어려운단점이있다. 이에따라새로제작되는장치에서는고장빈도가높은전력반도체와 GDU 장치가쉽게분리되는구조로방열기위에부품을배치하였다. 방열기는 Fan에의한강제냉각방식이므로자연냉각방식에비하여자유도가높다. 전력회로에대한열손실계산을수행한결과정격에서약 1.6kW의변환손실이발생하였고컨버터의스위칭주파수가상향되었음에도기존장치의약 87% 수준의손실이발생하는것으로추정된다. Fig. 2 Block diagram of new 90kVA into 2 auxiliary power system Fig. 3 Structuring diagram of PWM power stack Fig. 4 Comparison between existing and new GDU PCB allocation 2.3 MA 필터를이용한새로운위상동기화기법제안 ALL Pass Filter(APF) 를이용한 PLL 기법일반적으로많이사용되는단상교류전원의동기화를위한 PLL 기법은크게무적용방식,

제로점검출방식 (ZCD), 저역통과필터 (LPF) 에의한지연방식, 전역필터 (APF) 방식등이알려져있다.

그림 5는입력전압인 Vi(sin ) 와 APF 방식에의하여발생된 Vi(cos ) 를나타낸시뮬레이션파형이며그림 6은

5 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(cos ) synthesized by APF method Fig.

2.2 MA(Moving average) Filter 를이용한 PLL 방식제안 Fig.

Fig. 8 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(PLL) synthesized by MAF

5 제로점검출방식 (ZCD), 저역통과필터 (LPF) 에의한지연방식, 전역필터 (APF) 방식등이알려져있다. 이중에서 APF 방식은프로세서의향상된연산능력을이용하여왜곡이최소화된비교적정확한지연파형을얻을수있으므로최근의컨버터방식에서는대부분이방식이채택되고있다. 그림 5는입력전압인 Vi(sin ) 와 APF 방식에의하여발생된 Vi(cos ) 를나타낸시뮬레이션파형이며그림 6은 PLL에의하여합성된입력전압정보를나타낸것이다. Fig. 5 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(cos ) synthesized by APF method Fig. 6 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(PLL) synthesized by APF method MA(Moving average) Filter 를이용한 PLL 방식제안 Fig. 7 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(cos ) synthesized by MAF method(proposed) Fig. 8 Simulation waveform of Vi(sin ) and Vi(PLL) synthesized by MAF method(proposed) Fig. 9 Control flow diagram of proposed MAF PLL method Fig. 10 Simple concept of MAF APF 방식을이용한 PLL 기법은미리지연하고자하는위상각을지정하여야하는데이과정에서입력주파수가고정되는한계가있다. 또한다소복잡한삼각함수를사용하여야하고이를다시이산식으로변환해야하므로통상오프라인으로각각의변수를구한후제어기 DSP에서는단순화된이산식연산을수행한다. 따라서입력주파수가심하게변화하는방식이나노이

방식이므로주파수가변동하는경우나노이즈환경하에서도강인한입력동기화특성을갖게되는장점이있다.

결론본논문에서는철도공사에서운용중인 8200호대전기기관차의신형보조전원장치개발에대하여설명하였다.

새로운방식의 PLL 방식을적용하여노이즈가많은운영환경에서도안정적인동작을도모하였으며컨버터와인버터에대해서는시뮬레이션을실시하여동작특성을파악하고성능개선을시행하였다.

6 즈가많이입력되는환경에서의적용은쉽지않다. 반면제안하는 MA 필터방식은입력전압의실시간평균값으로부터 Cosine 정보를획득하는일종의적응제어 (Adaptive control) 방식이므로주파수가변동하는경우나노이즈환경하에서도강인한입력동기화특성을갖게되는장점이있다. 그림 7과 8은제안된 PLL 기법에의하여구해진 Vi(cos) 과합성된 Vi(PLL) 파형을나타낸것이며그림 9는제안된 PLL 기법의제어흐름도, 그림 10은 MA 필터의개념을표현한것이다. 3. 결론본논문에서는철도공사에서운용중인 8200호대전기기관차의신형보조전원장치개발에대하여설명하였다. 기존장치에서결여된유지보수성을향상시키기위하여손쉬운분리가가능한전력스택을개발하였으며이와함께소자의정격을재계산하여전력회로의신뢰성을향상시켰다. 한편고장발생시차상에서신속한수리가가능하도록스택의구성품을모듈화하였다. 새로운방식의 PLL 방식을적용하여노이즈가많은운영환경에서도안정적인동작을도모하였으며컨버터와인버터에대해서는시뮬레이션을실시하여동작특성을파악하고성능개선을시행하였다. 특히컨버터부의동작주파수를상향하여기존에비하여고품질의전류입력이가능할것으로예상하며이로인하여입력역률도향상될것이다. 장치는현재전체조립이완료되었고단위부품시험을종료하면성능비교를위한현차시험을시행할예정이다. Fig. 9 Assembled 90kVA into 2 new auxiliary power system 참고문헌 (1) MUHAMMAD H. RASHID (2007), POWER ELECTRONICS HANDBOOK, Academic Press, USA (2) 철도인재개발원 (2006), 전기기관차의구조및기능, 삼성종합인쇄 ( 한국철도공사 ) (3) 한국철도공사 ( ), 전기기관차 (8200호대) 추진시스템성능향상기술개발, 철도기술연구사업연차실적보고서, 국토부 / 국토교통과학진흥원

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1_12-53(김동희)_.hwp 본논문은 2012년전력전자학술대회우수추천논문임 Cascaded BuckBoost 컨버터를 이용한 태양광 모듈 집적형 저전압 배터리 충전 장치 개발 472 강압이 가능한 토폴로지를 이용한 연구도 진행되었지만 제어 알고리즘의 용의성과 구조의 간단함 때문에 BuckBoost 컨버터 또는 Sepic 컨버터를 이용하여 연구 가 진행되었다[10][13]. 태양광 발전