A Study on Powering Characteristic on Speed Variation of Propulsion System of Prototype 8200 Electric Locomotive

축소형 8200호대 전기기관차 추진시스템의 속도변화에 따른 역행특성 연구

Abstract

This paper study on powering characteristic on speed variation of propulsion system of prototype 8200 electric locomotive propulsion system through simulation modeling. For this purpose, it being applied in the field of railway IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) elements are used. Converter was performed PLL (Phase-Locked Loop) control method that is used to control the phase and output voltage, and the inverter was carried an indirect vector control method to control the speed of traction motor. The results of simulation by modeling and experimental unit, we was confirmed that converter is controlled a unity power factor and output voltage by reference voltage. Also traction motor was controlled by indirect vector control and SVPWM inverter switching method very well.

1. 서 론

국내 철도분야에서 여객 수송 및 화물을 운송하는 중추적 역할을 하는 전기기관차는 철도차량의 노후화가 진행되고 있다. 특히 8200호대 전기기관차는 국외에서 도입된 차량으로 유지보수에 따른 핵심기술을 제대로 확보하고 있지 않아 차량 유지보수에 많은 어려움이 있다[1-2]. 따라서 최근 반도체 소자의 발달 및 마이크로프로세서 등 전력전자 기술이 발전됨에 따라 경량화 및 융합기술을 적용한 시스템 개발이 이루어지고 있다. 8200호대 전기기관차인 경우 노후화 및 부품 단종에 따른 유지보수 비용 증가로 신뢰성을 기반으로 국산화 개발을 추진하고 있다. 8200호대 전기기관차 추진시스템의 주요장치인 전력변환장치는 주회로 전력용 소자로 GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터를 적용하고 있다.

본 논문은 8200호대 전기기관차 추진시스템의 축소형 모델링 통해 시뮬레이션을 수행하였으며, 하드웨어 제작 및 실험을 통해 시뮬레이션 결과와 비교분석하여 속도변화에 따른 역행특성을 분석하였다. 이를 위해 철도분야에 많이 적용되고 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 사용하였다. 컨버터는 PLL(Phase-Locked Loop) 기법을 사용하여 위상 및 출력측 전압제어를 수행하였으며, 인버터 는 간접벡터를 통한 속도제어를 하였다.

 

2. 본 론

2.1 8200호대 전기기관차 추진시스템

추진시스템은 그림 1과 같이 크게 컨버터와 인버터로 이루어진 전력변환장치와 견인전동기인 유도전동기, 제어시스템으로 구분된다. 추진시스템의 전력변환장치는 주변압기 2차측 권선으로부터 교류전압을 직류전압으로 바꾸는 GTO 소자를 적용한 4상한 컨버터(4QS)와 컨버터 출력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 견인전동기인 유도전동기를 구동하 는 유니트 장치로 구성된다. 또한 컨버터 출력은 HEP(Head Electric Power) 장치에도 공급한다. 전기기관차에는 2개의 대차(Bogie)가 있어 1개의 대차에 전력변환장치 1 유니트가 소요된다. 1개의 대차 내에 2개 견인전동기 제어 전원을 공급하는 1C1M 구조이다[2].

그림 18200호대 전기기관차 주회로도 Fig. 1 The Main Circuit for the 8200 Electric Locomotives

본 논문에서는 GTO 소자를 적용하고 있는 4상한 컨버터와 인버터, 유도전동기로 이루어진 1 유니트에 대해 그림 1에서 보듯이 IGBT 소자와 DSP를 컨버터와 인버터에 적용하였으며, 컨버터에는 위상제어 및 출력 전압제어를 위해 PLL 기법을, 인버터에는 속도제어를 위해 간접벡터제어방식을 적용하였다.

2.2 축소형 추진시스템

그림 28200호대 전기기관차 축소형 모델 하드웨어 구성도 Fig. 2 Configuration diagram of prototype 8200 Electric Locomotive Hardware

4상한 컨버터(4QS)는 철도차량 역행모드(力行, Powering mode)에서 전차선 전압이 양의 반주기와 음의 반주기별로 스위칭 동작상태에 따라 순차적으로 각각 4 개의 모드로 구분된다. 컨버터 입력전압 Vc는 식 (1)과 같이 스위칭 함수 SA 와 출력전압 Vdc에 의해 결정된다. 컨버터의 스위칭 함수 SA는 스위칭 동작에 따라 −1, 0, 1의 값을 갖는다[3].

컨버터 출력전류는 식 (2)와 같이 스위칭 함수 SA 입력 전류 is에 의해 결정된다.

한편 AC/DC 컨버터에서 사용하는 계통 전원의 주파수와 위상 정보는 전체 시스템 제어에 매우 중요하다. 그러나 국내 전기철도에 공급되는 단상교류 전원과 같이 단상인 전차선 전압의 위상 및 주파수 검출이 어렵다. 따라서 가상 2상 방식을 사용하여 전차선 교류전압의 주파수와 위상을 검출해야 한다[4].

본 논문에서는 구현이 간단하고 우수한 성능을 갖는 필터 방식과 동기좌표계를 사용한 PLL 방법을 사용하였다. 그림 3에서 보듯이 필터방식과 동기 좌표계를 사용한 PLL은 2상 전압 발생기와 위상 제어기로 나눌 수 있다.

그림 3필터방식과 동기좌표계를 사용한 PLL Fig. 3 A Filter Method and a Synchronous Reference Frame Based PLL

그림 3의 2상 전압 발생기는 1차 저역통과필터(LPF)를 사용하게 되면 단상 교류전압(Vin)을 받아 전압과 위상차가 π/2 신호를 발생한다. 입력 전압(Vin)이 Vin = Esin(wt)일 때 차단주파수 wc가 추정 각주파수()인 1차 LPF를 거치면 w≅인 E/ sin(wct−π/4) 경우가 된다. 그러므로 , 는 식 (3), 식 (4)와 같이 된다.

동기좌표계 위상 제어기는 2상 전압 발생기에서 구한 와 를 이용하여 추정각주파수 (), 추정위상(), 추정진폭()을 발생하는 부분이다. 는 식 5와 같이 동기 좌표계로 변환한다.

= Ecosθ, = Esinθ이므로, 와 θ의 오차가 작은 경우에는 아래와 같은 식으로 근사화되어 를 0으로 제어하면 추정 위상각 는 θ에 일치하게 된다.

축소형 8200호대 전기기관차의 인버터는 출력전압과 주파수를 순시로 가변하면서 견인전동기인 유도전동기를 구동함으로써 역행 및 회생제동이 이루어진다.

본 논문에서는 그림 4와 같이 3상 인버터 유도전동기에 많이 적용되고 있는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 간접벡터 제어방식 구현을 통해 속도제어를 구현하였다.

그림 4추진시스템용 3상 인버터 제어블록 다이어그램 Fig. 4 The control block diagram of three phase inverter for propulsion system

자속의 회전각을 알아내는 방법 중 간접 벡터 제어방식은 기준 토크 전류나 자속 전류로부터 슬립 각속도를 계산하고, 이에 회전자 속도를 더하여 간접적으로 구한 회전자 자속의 순시속도가 동기 각속도 ωe되도록 하여 회전 자속이 d축에만 존재하도록 하면 벡터 제어조건 q축 회전 자속 는 식 (8)과 같다[5-6].

d−q변수로부터 표현된 토크와 자속의 관계식은 식 (9)와 같이 얻을 수 있으며, 토크식은 식 (10)과 같다.

여기서, 는 고정자 q축 전류 및 토크성분 전류, Lr는 회전자 자기 인덕턴스, Lm는 자화인덕턴스, 는 회전자 전류, Te는 동기좌표계 토크, P는 극수, 는 회전자 쇄교 자속

식 (10)에서 토크는 자속이 일정할 경우 토크성분 전류에 비례함을 알 수 있다. 유도전동기의 동기 좌표계에서는 q축 자속은 0이고 d축 자속은 일정한 값을 가진다. 이러한 조건을 이용하면 식 (11)과 같이 슬립 관계식을 얻는다.

여기서, ωref는 속도 명령, ωr은 전동기 실제속도, ωsl는 슬립 각속도, Rr는 회전자 저항, Tr = Lr / Rr회전자 시정 수, 는 d축 전류 및 자속성분 전류

식 (11)에서 ωsl은 속도 오차가 된다. 따라서 ωsl를 와 로 부터 계산하여 ωr과 더해지면 원하는 속도제어를 할 수 있다.

 

3. 시뮬레이션

3[kW]급 축소형 8200호대 추진시스템 모델은 그림 2에서 보여준다. 4상한 컨버터(4QS)와 3상 인버터로 구성되어 견 인전동기를 구동한다. 표 1은 시뮬레이션을 위해 사용된 파라미터 값을 보여준다.

표 1시뮬레이션 및 실험에 적용된 파라미터 Table 1 The Parameter used simulation and Experiment

그림 5(a)는 컨버터 출력전압의 파형이며 전압제어를 통해 기준전압 380[V]로 제어되고 있음을 확인할 수 있다. 입력전압 220[V]는 컨버터의 스위칭소자가 동작을 하지 않으면 일반적인 다이오드 정류회로가 되어 입력전압 최대값인 ×220[V]가 컨버터 출력측 커패시터에 인가되며 초기 기동시 돌입전류를 막기 위해 PI제어기의 적분이득 값을 조정하여 완만한 기울기로 기준전압에 추종하도록 제어하였다.

그림 5컨버터 입출력 특성 Fig. 5 Characteristic of Converter Input and Output

그림 5(b)와 (c)는 컨버터 입력측 전압과 전류파형을 보여준다. 컨버터 초기 기동시 입력전류가 상승하면서 정상상 태에 도달함을 확인할 수 있다. 그림 5(d)는 그림 5(b)와 (C)를 확대한 파형으로 PLL제어기법에 의해 전류의 위상이 전압과 동상으로 제어함을 확인할 수 있다.

한편 축소형 추진시스템의 인버터 스위칭 기법 구현은 SVPWM 제어를 하였으며, 견인전동기인 3상 유도전동기의 속도제어는 간접벡터제어 방법으로 하였다. 0.15초 되는 시점에서 기준 속도를 0⇒300[rpm]으로 0.65초 되는 시점에서 600[rpm]으로, 1.2초가 되는 시점에서 1000[rpm] 상승시키면서 역행 모드 (Powering mode)를 구현하였으며, 1.7초 되는 시점에서 1000[rpm]⇒ −500[rpm]으로 견인전동기 속도를 역회전하여 응답특성을 고찰하였다.

그림 6(a)는 기준속도 변화에 대한 실제속도 응답특성을 보여준다. 견인전동기가 속도를 증가시키면서 주행하는 역행모드를 분석해보면 기준속도에 따라 실제속도가 추종함을 확인할 수 있으며, 그림 6(b)와 (c)는 속도변화에 따라 회전자각의 주파수가 변하고 상전류는 과도상태에서 크기가 순간적으로 10[A까지 커졌다가 작아지는 특성을 보인다. 또한 정역회전에 따른 상전류 위상이 반전됨을 확인할 수 있다.

그림 6기준 속도에 대한 견인전동기의 속도, 회전자각, 상전류 Fig. 6 Real speed, Phase current and Rotor angle of traction motor by reference speed

한편 그림 6(b)의 회전자각은 π에서 −π의 범위에서 출력을 내며, 1.7초에 기준속도를 −500[rpm] 으로 변경하여 역회전을 시작하면 회전자각 파형이 정상적인 출력이 나오지 않다가 정상상태인 −500[rpm]에 도달했을 때 회전자각은 정회전의 반대파형이 출력된다.

그림 7은 실제 속도에 따른 q축 전류 파형을 보여준다. 0[rpm]⇒600[rpm]⇒ −600[rpm]으로 정회전을 하다가 역회전 하도록 기준속도의 변화를 주었다. 0[rpm]⇒600[rpm] 변경 시 q축 전류는 (+) 방향임을 확인할 수 있었고 600[rpm]⇒ −600[rpm]으로 변경 시 q축 전류는 (−) 방향으로 출력되었다가 다시 0으로 제어됨을 확인할 수 있다.

그림 7실제 속도에 따른 q축 전류 Fig. 7 q axis Current by reference speed

 

4. 축소형 모델 하드웨어 실험

그림 8은 8200호대 전기기관차 축소형 모델 하드웨어 구성도를 보여준다. 제어용 보드DSP TMS28335 모델을 사용하였다. 1:1 변압기를 이용하여 계통전압과 전력변환장치를 절연하였으며 스위칭소자로는 IGBT를 이용하여 실험을 진행하였다. 축소형 모델의 파라미터는 표 1에 명시된 값으로 제작하였다.

그림 8축소형 8200호대 전기기관차 추진시스템의 전력변환장치 Fig. 8 Power conversion unit of propulsion for prototype 8200 electric locomotive

그림 9(a)는 컨버터 출력전압으로 기준전압 380[V]까지 5초의 시간이 소요된다. 이는 급작스러운 동작으로 인해 컨 버터의 각 소자들이 손상을 입는 것을 방지하기 위해 완만한 기울기로 기준전압을 추종하도록 제어했기 때문이다. 또한 그림 9(b)는 컨버터의 입력측 전압과 전류 파형으로 PLL제어를 통해 입력전압과 전류가 동상으로 제어됨을 확인할 수 있다.

그림 9컨버터 출력 전압 및 입력 전압, 전류 Fig. 9 Output Voltage and Input Voltage, Current of Converter

한편 그림 10은 기준 속도에 따른 견인전동기의 속도 및 회전자각, 상전류이다. 기준속도를 0⇒300[rpm]⇒600[rpm]⇒1000[rpm] 정회전으로 상승하다 −600[rpm]으로 역회전 기준속도를 적용한 파형이다.

그림 10기준 속도에 대한 견인전동기의 속도, 회전자각, 상전류 Fig. 10 Real speed, Phase current and Rotor angle of traction motor by reference speed

변화에 따라 실제속도가 추종할 때 회전자각 및 상전류는 속도 상승에 따라 주파수도 상승한다. 그림 11은 600[rpm]⇒ −600[rpm]으로 기준속도를 변화했을 때 파형으로 그림 11(a)를 보면 정회전에서 역회전으로 기준속도 변화시 실제 속도가 0이 되는 시점부터 회전자각이 정회전과 반대로 방향으로 출력되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 그림 11(b)의 전류도 정상상태에서는 3[A]정도 출력되고 실제 속도가 0이 되는 시점에서 과도상태를 보이다가 정상 출력을 내고 있다.

그림 11속도변화에 따른 회전자각 및 a상 전류 Fig. 11 Rotor Angle and a-phase Current by Speed Change

한편 그림 12는 실제 속도에 따른 q축 전류를 보여준다. 정회전으로 기동 시 기준속도가 600[rpm] 증가하여 실제 속도가 추종하는 범위까지 q축 전류는 상승한다. 그리고 정상상태에 도달할 때 다시 감소한다. 역회전일 경우 기준속도가 −600[rpm]으로 설정될 때 실제 속도가 감소하며 0이 되는 시점부터 q축 전류가 (−)의 방향으로 상승하였다.

그림 12실제 속도에 따른 q축 전류 Fig. 12 q axis Current by reference speed

 

5. 결 론

본 논문은 8200호대 전기기관차 추진시스템을 축소형으로 모델링하고 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 컨버터 및 인버터 제어에 따른 응답특성을 분석하였다. 시뮬레이션과 동일하게 PLL을 통한 단위역률 1로 제어됨은 물론 컨버터 출력 전압은 380[V]로 전압제어가 잘 이루어짐을 알 수 있었다. 또한 인버터부에서는 간접벡터제어 및 SVPWM 스위칭 방법을 적용한 결과 실제속도가 기준속도를 잘 추종하고 속도 가감속시 토크분 전류의 방향변화를 통해 역행이 잘 이루지고 있음을 확인할 수 있었다.