2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A096 VVVF 전동차추진제어장치전력변환소자변경적용에관한연구 A study on the change of power conversion element for propulsion control system of VVVF Type EMU 이상오 *, 김태도 *, 박시영 *, 전진형 *, 김현철 *, 김택주 *, 고윤권 *, 임동원 ** Sang Oh Lee *, Tae Do Kim *, See Young Park *, Jin Hyeong Jeon *, Hyun Cheol Kim * Taeg Ju Kim *, Yun Gwon Go *, Dong Won Lim ** Abstract Propulsion control apparatus of GTO Type in VVVF train that is operating in Seoul Metro has experienced many difficulties in maintenance to a decrease in performance and elements discontinued due to the long-term use of more than 20 years. Propulsion control system, large, is divided into the controller unit and the semiconductor STACK, especially semiconductor STACK trend in the exchange of propulsion control device system in the current enormous cost to increase failure to degradation of the cooling performance of the GTO element failure and refrigerant leakage It has been carried out. Existing controller unit in terms of the efficiency of the replacement cost of the power semiconductor STACK failure is increasing use by changing the GTO Type the IGBT Type, research is underway to improve the train propulsion control system It is. In this study, an attempt is made to ensure the two compatibility issues are resolved to train stability and operational efficiency during operation of the existing controller unit due to such characteristics and Switching speed difference of the power semiconductor element of. Keywords : Propulsion control system, Semiconductor devices, GTO, IGBT 초록서울메트로에서운용중인 VVVF 전동차중 GTO Type 의추진제어장치는 20 년이상의장기사용에따른성능저하및소자단종으로유지보수에많은어려움을겪고있다. 추진제어장치는크게제어기유니트와반도체 STACK 으로구분되며, 특히반도체 STACK 은 GTO 소자불량및냉매누설에의한냉각성능저하로고장이증가하는추세로현재막대한비용으로추진제어장치시스템교체가이루어지고있다. 교체비용의효율성측면에서기존제어기유니트는사용하고고장이증가하고있는전력반도체 STACK 을 GTO Type 에서 IGBT Type 으로변경하여전동차추진제어장치를개량하는연구가진행중에있다. 본연구는 2 종류의전력반도체소자의특성및 Switching 속도차이등으로인해발생하는기존제어기유니트와의호환성문제를해결하여전동차운행시안정성과운용효율성을확보하고자하였다. 주요어 : 추진제어장치, 전력반도체소자, GTO, IGBT 1. 서론 현재서울메트로에서운용중인 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 전동차중 GTO(G ate Turn-off Thyristor) Type의추진제어장치는 20년이상의장기사용으로인한노후화로시스템성능저하및전력반도체소자단종에따른자재수급곤란으로유지보수에많은어려움을겪고있다. 이에안정적인차량운용과원활한유지보수를위하여도시철도운영기관
에서는 GTO Type의전력반도체에주변회로를단순화시키고, 운영효율성이뛰어난최신의전력반도체인 IGBT(Insulated gate bipolar mode transistor) 가적용된추진제어장치로의개량사업을진행중에있다. 하지만추진제어장치전체시스템의교체에는막대한비용이발생되고있어예산투입이어려운실정이다. 이러한교체비용및유지보수성등전동차운용상의문제점을해결하고자, 서울메트로 4호선현대 VVVF 전동차추진제어장치에대하여, 국내최초로기존의제어유니트는사용하고 GTO STACK을 IGBT STACK으로개량하는연구를진행중에있다. 본논문에서는추진제어장치의전력반도체를 GTO에서 IGBT로변경시전력반도체구동판넬인 Gate Drive Panel과주변회로의변경및 2종류의전력반도체소자동작특성에의해기존제어유니트와의호환성에서발생된문제점을해결하고, 현차시험을통해산출된시험결과에대해고찰하고자한다. 교신저자 : 서울메트로 (joeun5@seoulmetro.co.kr) * 서울메트로 ** 이건산전기술연구소 2. 본론 2.1 개발품의시스템구성 Fig. 1은기존전동차추진제어장치에서사용중인 GTO Stack의 VVVF 인버터와본연구로개발된 IGBT Stack의 VVVF 인버터의주회로를나타낸다. (a) Inverter of GTO Stack (b) Inverter of IGBT Stack Fig. 1 The Circuit Diagram of Propulsion Control Systems IGBT Stack은스너버회로가불필요하므로, STACK 구성품및주회로가 GTO Stack에비해단순화되었으며, Stack 제작품은 GTO Stack Type의추진제어장치가사용되는전동차와
호환성유지를위하여동일한구조의 Heat Pipe 방식의냉각구조를적용하여제작하였다. 또한 IGBT를구동하는 GDU(Gate Drive Unit) 는 Stack 내 IGBT Module에장착하여구조적으로단순화시켰으며, GDU와 IGBT간케이블을없애노이즈발생요소를줄였다. 주요구성요소인 STACK과 Gate Drive Panel에대한변경은 Table.1과같다. 이외에도 IGBT Type에서는 Power Supply의소형화및 Anode Reactor, Snubber and Reset Resistor, Reset Diode등주변제어장치가불필요하게되어시스템운용적측면에서효율성이향상되었다. Table. 1 The change of Major equipments GTO Type IGBT Type STACK PCB Panel of Gate Drive Unit 2.2 개발품의현차시험 2.2.1 인버터동작개발품인 IGBT Stack이적용된인버터를서울메트로 4호선현대 VVVF 전동차의추진제어장치에취부하여기존제어유니트와함께현차시험을시행하였으나, 역행초기시 IGBT STACK 취부차량에서차체떨림과충격현상이발생하였다. 이러한문제점을해결하기위해인버터의동작에따른 GTO와 IGBT 전력반도체소자간의차이점과전동차시스템에서확인하여야할부분등에대해고찰하였다. VVVF 인버터는 Fig.2와같이 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에의해동작하며, 상간전압의펄스폭에의해유도전동기 (Induction Motor) 가동작한다. Fig.2에서보는것과같이상간전압은미세한스위칭 (Switching) 펄스 (Pulse) 폭에민감하게반응하므로, 제어유니트에서보내주는신호와실제두전력반도체소자의특성차이로인한 Switching On/Off Time의특성차이가유도전동기동작에도크게영향을미친다.
Fig. 2 Out-put waveform of Inverter by PWM Modulation 실제 GTO Stack 인버터와 IGBT Stack 인버터의스위칭파형대비 U상-GND간의전압을측정하여비교한결과는 Fig.3의파형과같다. (a) Inverter of GTO Stack (b) Inverter of IGBT Stack Fig. 3 Operation waveforms of the switching signal ratio power element for GTO / IGBT stack Inverter GTO Stack 인버터는스위칭 Off 후지연시간을가지고 U-G 전압이 Off 되지만, IGBT Stack 인버터는스위칭신호와동일하게 Off됨을알수있다. 따라서 GTO Stack 인버터와 IGBT Stack 인버터의스위칭동작특성의차이를없애기위한방안을모색하여현차시험을진행하였다. 2.2.2 GDU의게이트저항사용에의한 IGBT Stack 인터페이스 GDU의 Gate 단자에직렬로제한저항을사용하여 IGBT 소자의 Switching On Time시기울기를주어 U-G 전압이 GTO Type 의 Switching 펄스폭과유사하게나타날수있도록하여시험을진행하였다.
Fig 5 Operation in accordance with the resistance of GDU gate terminal Gate 단자에저항을사용하여시험진행시출력전류치가급변하는헌팅 (Hunting) 현상은확연히줄었으나, 전동차의초기역행시전류제한효과만있을뿐시험차량에서발생하는떨림이나충격현상이해소되지는않았다. 2.2.3 인터페이스보드에의한 IGBT Switching On/Off Time 보상 이러한 GTO Stack 인버터와 IGBT Stack 인버터간의동작호환성을위해제어유니트와 GDU 사이에인터페이스보드를제작하여설치하였다. Fig.6은인터페이스보드를설치한블록도이다. Fig. 6 Block Diagram of Interface Board 인터페이스보드는 IGBT 소자의 Switching On/Off Time을프로그램에의해 GTO 소자와유사하거나동일하게동작시키기위해일련의프로세스로처리하도록되어있다. 인터페이스보드를적용하여 DV(Direct Current) 전동차의차량기지구내시운전및본선시운전을시행한결과, 전동차의떨림및충격현상이사라지는것을확인할수있었다.
DV 구간본선시운전을시행한시험전동차 (1 편성 10 량 ) 의동력차량구성은 Fig.7 와같다. Fig. 7 Arrangement of propulsion control system 인터페이스보드사용으로인해 GTO 소자의 Switching 동작특성을 IGBT 소자가적용된 Stack에프로그램을입력하여 GTO 소자와유사하거나동일하게동작할수있도록하였다. 3. 결론 (Conclusion) 기존추진제어장치의제어유니트를사용하면서발생된 GTO Stack과 IGBT Stack 간의 Switching 특성차이에의한차량떨림및충격현상은 IGBT Inverter Stack 에인터페이스보드를적용하여본선시운전을시행한결과양호한성능을확인하였으며, 향후 ADV(Alternating Direct Current) 전동차에서시행예정인 IGBT C/I (Converter/Inverter) Stack 개발품의성능검증시가선전압변동에의한 Converter STACK의출력전압 (FC) 및부하변동에따른 Inverter Stack의모터출력전류등을 GTO Type 과 IGBT Type을비교측정하며안정적인시스템을구성하기위한추가적인성능검증연구가필요하다. 참고문헌 [1] 4 호선현대 VVVF 전동차정비지침서 (1993), 서울메트로