The Analysis of Strength and Driving Characteristic according to Design of Traction Motor for 8200 Electric Locomotive Series

8200호대 전기기관차 견인전동기의 설계에 따른 강도 및 운전특성 해석

Abstract

In this paper, The strength and driving characteristics of it were investigated according to developing the traction motor for 8200 electric locomotive series. For this purpose, Flux density strength was analyzed and then structural strength was investigated such as a stator frame, design of the rotor shaft bearing according to the design process. In addition, the traction motor operating point was analyzed according to slip frequency variation at a power source frequency. As the results of analysis on torque-speed characteristic curve, we was confirmed that traction motor was controlled as torque control prior to motor speed 1610[rpm], power control between 1610[rpm] and 2500[rpm] and breakdown torque control more than motor speed 2500[rpm].

1. 서 론

여객 수송 및 화물을 운송하는 전기기관차는 철도분야에서 중추적 역할을 담당하고 있으나, 디젤기관차에서 전기기관차로 대체되어 운행되고 있는 초기 전기기관차인 경우 노후화가 진행되고 있다. 특히 국외에서 도입된 8200호대 전기기관차는 기술이전이 이루어지지 않아 주요부품인 경우 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 유지보수에 따른 핵심기술을 제대로 확보하고 있지 않아 차량 유지보수에 많은 어려움이 있다[1, 2].

한편 최근 반도체 소자의 발달 및 마이크로프로세서 등 전력 전자 기술이 발전됨에 따라 철도산업 분야에 경량화 및 융합기술을 적용한 시스템 개발이 이루어지고 있다. 8200호대 전기기관차인 경우 노후화 및 부품 단종에 따른 유지보수의 어려움으로 신뢰성을 기반으로 국산화 개발을 추진하고 있다. 8200호대 전기기관차 추진시스템의 주요장치인 전력변환장치는 주회로 전력용 소자로 GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터를 적용하고 있다[3].

본 논문은 현재 전기기관차에 적용되고 있는 견인전동기인 유도전동기와 비교하여 동등 이상의 견인전동기 개발품에 대한 운전 특성을 해석하였다. 이를 위해 견인전동기 설계 프로세스에 따른 회전자 및 고정자 프레임, 베어링 강도해석을 수행하였다. 그리고 임의의 주파수에서 슬립 변화에 따른 토크 특성곡선을 통해 견인전동기 운전점 특성을 고찰하였다.

 

2. 본 론

2.1 8200호대 전8200호대 전기기관차 추진시스템

8200호대 전기기관차 추진시스템은 그림 1과 같이 크게 GTO 소자를 적용하여 주변압기 교류전압을 직류로 변환하는 4상한(4QS)컨버터와 컨버터 출력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하는 인버터, 차륜을 구동하는 견인전동기인 유도전동기, 제어시스템으로 구분된다. 전기기관차에는 2개의 대차(Bogie)가 있고 1개의 대차에 2개 견인전동기 제어 전원을 공급하는 1C1M 구조이다[2].

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

본 논문에서는 8200대에서 사용되고 있는 견인전동기인 유도 전동기 개발에 앞서 기계적 전기적 특성을 분석하고자 한다.

2.2 기존 8200호대 적용된 견인전동기

견인전동기는 4극 3상 유도전동기로 8200호대 전기기관차를 구동하는 가능을 갖는다. 일반적으로 유도전동기는 간단한 구조로 취급과 운전이 쉬운 기기로 고정자와 회전자로 되어 있지만 8200호대 전기기관차 견인에 동력을 기관차 차축 전달하기 위한 동력전달 시스템은 전동기, 멤브레인 커플링, 기어박스부로 되어 있다. 그리고 견인전동기는 크게 고정자와 회전자로 되어 있고 회전자에는 축, 베어링으로 구성되어있다. 또한 전동기에는 속도 검출용 센서를 취부 하여 속도를 제어 운전하게 되어있다. 그림 2는 견인전동기가 멤브레인 커플링과 기어박스와 결합된 구조를 보여준다. 커플링부는 견인전동기의 부하측 베어링 쉴드(Bearing Shield)부에 결합되어 차축에 동력을 전달하게 된다[4].

그림 28200호대 전기기관차 견인전동기 커플링 구조 Fig. 2 The Coupling Structure of Traction Motor for the 8200 Electric Locomotives

한편 8200호대 기관차에 사용되고 있는 견인전동기와 동등이상의 성능을 갖는 견인전동기를 개발하기 위해 3D 치수 측정을 하고 분해하여 내부 코아 및 코일 치수를 도면화하였다. 사용되고 있는 견인전동기의 외피는 주철이 아닌 주강으로 진동에 견디도록 기계적 강도를 향상한 재질로 제작되었음을 확인하였다. 그림 3은 기존품 외형에 대한 실측 사진을 보여준다.

그림 3기존 8200호대 전기기관차 견인전동기 사진 Fig. 3 The Photograph of Conventional Traction Motor for the 8200 Electric Locomotives Series

2.3 개발품 8200호대 견인전동기 설계 및 해석

개발품 견인전동기는 4극 3상 유도전동기로 8200호대 전기기관차를 구동하는 가능을 갖는 기기로 현재 사용되고 있는 기존품과 인터페이스 측면에서 호환성을 고려하여 유사한 구조이다. 다만, 그림 4와 같이 냉각 기능을 향상시키기 위해 프레임 역할을 하는 고정자 외피에 공기 방산 창 및 코어 외경부에 리브형의 톱니 모양으로 개선한 것이 큰 차이점이다. 회전자에는 축, 베어링으로 구성되어 있고 속도 검출용 센서 및 축 전류 방지 기능을 하는 브러시가 취부되어 있다.

그림 48200호대 전기기관차 견인전동기 고정자 기본 설계 Fig. 4 The Stator Concept Design of Traction Motor for the 8200 Electric Locomotives Series

2.3.1 견인전동기 설계 프로세스

개발하고자 하는 견인전동기 설계 프로세스는 그림 5와 같다. 우선 현재 사용하고 있는 기존품 분석 및 개선점을 도출하여 기존품의 성능보다 동등 이상이 되도록 사전분석 및 관련 기준, 수요자 요구사항 등 반영하였다. 전기설계에 의한 전기장 배분이 되는 철심 코어와 코일 설계가 되면 구조적 기계 설계를 하여 동력 전달체인 축과 축을 지지하는 베어링, 베어링을 보호하는 브라켓 등 부속품 설계를 한다. 이때 유한요소법에 의한 전자계 및 강도 등 해석을 통해 최적설계가 이루어진다[4].

그림 5견인전동기 기본 설계 프로세스 Fig. 5 The Process of Concept Design for the Traction Motor

2.3.2 설계 해석

견인전동기인 유도전동기 해석을 위해 모델사양은 고정자 및 회전자의 재질, 길이 및 직경, 권선 등은 표 1과 같고 견인전동기의 운전 조건은 표 2와 같다[5, 6].

표 1견인전동기 해석 파라미터 Table 1 Analysis Parameters for the Traction Motor

표 2견인전동기 운전 조건 Table 2 Operating Conditions for the Traction Motor

고정자의 전자계 해석을 위해 메쉬 모델(Mesh Model)은 Maxwell 16.0 프로그램을 사용하였고 메쉬 요소수는 19,400개로 하였다. 그림 6(a)은 메쉬 요소수에 따른 고정자 모델을 보여주고 있으며, 그림 6(b)는 최대자속이 1.6T이하로 해석한 결과의 자속밀도 분포도로 일부 치 및 슬롯에서 최대자속까지 분포됨을 볼 수 있다. 최대자속 1.8T이하로 해석해도 큰 차이를 보이지 않았다.

그림 6견인전동기 고정자 해석 Fig. 6 The Analysis of Stator for the Traction Motor

한편 고정자와 회전자를 보호하고 기계적 강도, 공기 냉각 유로 및 기구적 진동에 대해 구조설계를 하였다. 그림 7과 같이 고정자의 경우 프레임의 설계에 대해 유한요소 해석결과를 보여준다. 해석결과 프레임을 고정하는 점에서 가해지는 최대 강도크기가 3.65e+6[N/m2]로 고정자 설계에 따른 프레임 강도 범위 내에 존재한다.

그림 7견인전동기 고정자 프레임 강도해석 Fig. 7 The Strength Analysis of Stator Frame for the Traction Motor

그림 8견인전동기 회전자 축 강도해석 Fig. 8 The Strength Analysis of Rotor Axis for the Traction Motor

또한 회전자 설계에 따른 고려해야 될 부품이 베어링으로 베어링의 온도와 수명 항목이다. 기존 베어링 규격인 NU219와 축과의 관계를 해석하고 이에 대한 성능향상으로 설계하였다. 축의 크기와 재질은 현재 사용하고 있는 견인전동기와 동등 수준 또는 이상으로 하기 위해 축계 응력분포를 분석하여 크기를 증가시켰고 베어링은 전기기관차 운행에 따른 가진주파수 등을 고려하여 최대 허용 하중의 22.8%(NU219)에서 25.2%(NU320)로 강도를 약 3% 개선하여 베어링 규격을 U320으로 하였다.

2.3.3 운전점 특성 해석

견인전동기인 유도전동기 설계를 기반으로 전원주파수(fs)에 따른 운전점 특성을 해석하였다. 표 3은 전원주파수 53.99[Hz]에서 슬립변화에 따른 속도, 상전압 및 상전류, 효율, 역률 등을 보여준다.

표 3전원주파수 53.99[Hz]에서의 슬립 데이터 Table 3 Slip Data at Source Frequency 53.99[Hz]

전원주파수 53.99[Hz]에서 슬립 변화를 0∼1까지 주었을 때 견인전동기 속도가 1619.81[rpm]∼0[rpm]까지 변한다. 이때 상전압은 1079.65[V]로 일정하지만, 상전류는 176.65[A]에서 3272.27[A]까지 변한다. 뿐만 아니라 효율과 역율도 변하게 되는데 슬립(Slip)이 0.006056에서 견인전동기 속도는 1610[rpm]이 되고 토크는 7843.973[Nm], 최대효율 0.9810, 역율 0.8404이므로 전원주파수 3.99[Hz]에서는 1610[rpm]일 때 운전점이 된다. 그림 9는 표 3에 대한 토크변화, 효율, 역율 추이곡선을 보여주고 그림9(c)는 자속밀도 분포를 나타낸다.

그림 9표 3에 대한 특성곡선 및 자속밀도 분포 Fig. 9 The Distribution of Flux Density and Characteristic Curve on Table 3

그림 10은 견인전동기 1610[rpm]일 때 토크 및 상전류 파형을 보여준다. 토크값은 843.97[Nm]로 일정하고 리플율은 15.51[%]을 보인다. 이때 상전류는 실효값 519.89[A]이며, 그림10(c)는 자속분포의 상태를 나타낸다.

그림 10견인전동기 속도 1610[rpm]일 때 토크, 상전류 및 자속 분포 Fig. 10 The Torque, Phase Current and Flux Distribution in case of the Traction Motor Speed 1610[rpm]

표 4는 전원주파수 76.27[Hz]에서 슬립변화에 따른 속도, 상전압 및 상전류, 효율, 역률 등 을 보여준다.

표 4전원주파수 76.27[Hz]에서의 슬립 데이터 Table 4 Slip Data at Source Frequency 76.27[Hz]

표 3과 동일한 방법으로 전원주파수 76.27[Hz]에서 슬립 변화를 0∼1까지 주었을 때 견인전동기 속도가 2288[rpm]∼0[rpm] 까지 변한다. 이때 상전압은 1079.65[V]로 일정하지만, 상전류는 84.28[A]에서 2041.6[A]까지 변한다. 또한 효율과 역율도 따라서 변하게 되는데 슬립(Slip)이 0.00658에서 견인전동기 속도는 2273[rpm]이 되고 토크는 575.319[Nm], 최대효율 0.9801, 역율 0.8508이므로 전원주파수 76.27[Hz]에서는 2273[rpm]일 때가 운전점이 된다. 그림 11은 표 4에 대한 토크변화, 효율, 역율 추이 곡선을 보여주고 그림 11(c)는 자속밀도 분포를 나타낸다.

그림 11표 4에 대한 특성곡선 및 자속밀도 분포 Fig. 11 Distribution of Flux Density and Characteristic Curve on Table 4

표 5는 표 3∼표 4와 마찬가지로 임의의 전원주파수에서 슬립 변화를 주었을 때 효율 및 역율 등을 통해 운전점을 나타낸 것을 보여준다. 여기서 보여주는 전원주파수는 83.92[Hz], 100.66[Hz], 133.77[Hz]이며 이에 따른 각각의 슬립에서 효율과 역율 추이곡선이다. 속도가 증가할수록 토크가 작아짐을 볼 수 있다.

표 5전원주파수 변화에 대한 토크, 효율, 역율 추이곡선 Table 5 Trace curve Torque, Efficiency, PF on Source Frequency variation

한편 표 6은 견인전동기 구동을 위해 인가하는 전원주파수에 대한 운전점에서 회전자속도, 상전압, 상전류, 토크 데이터를 보여준다. 각각의 전원주파수에서 슬립을 0∼1로 변화하면서 최대 효율과 역률을 갖는 운전점을 추적하였다. 일례로 표 6에서 보면 전원주파수 100.66{Hz]에서 슬립 0∼1사이를 변하면서 효율과 역률이 최대로 높을 때 슬립이 0.00656으로 상전압은 1079.65[V], 상전류는 470.11[A], 토크는 3670.65[Nm]이다.

표 6전원주파수에 대한 운전점에서 회전자속도, 상전압, 상전류, 토크 데이터 Table 6 Rotor Speed, Phase Voltage, Phase Current and Torque data at Operating point on Source Frequency

일반적으로 유도전동기를 견인전동기로 사용하는 경우 속도에 따라 정 토크, 정 전력, 특성 영역으로 구분되는데 표 6을 기준으로 각각의 전원주파수에서의 견인전동기에 대한 특성곡선을 그림 12에서 보여준다. 그림 12(a)는 표 3 ∼ 표 5에서 보듯이 일정 전원주파수에서 슬립변화에 따른 운전점을 보여준다. 각각의 운전점을 추이곡선으로 나타내면 견인전동기 속도변화에 따른 토크값의 변화를 나타낼 수 있다. 그림 12(b)는 속도 변화에 따른 전력, 전압, 전류값을 보여준다. 견인전동기 속도 1610[rpm]이전 에는 정토크로 운전하다가 1610[rpm]∼2500[rpm] 사이에는 정출력 제어영역, 그 이후에는 특성영역으로 넘어가서는 상전압은 일정하지만 상전류가 줄어들기 시작하면서 출력도 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서 8200호대 전기기관차의 열차저항 특성과의 관계를 통해 균형속도 범위내에서 운행이 이루어지도록 한다.

그림 12견인전동기 특성곡선 Fig. 12 Characteristic Curve of the Traction Motor

 

3. 결 론

본 논문은 8200호대 전기기관차 추진시스템 개발에 따른 견인전 동기를 개발하기에 앞서 전자장 특성을 고찰하였다. 이를 위해 설계 프로세스에 따른 고정자 프레임, 회전자 설계에서의 축 베어링 등 구조적 강도 및 자속밀도 세기를 해석하였다. 또한 전원주파수(fs)에 따른 견인전동기 운전점 특성을 해석하였다. 각각의 전원주파수에서 슬립변화에 따른 속도, 상전압 및 상전류, 효율, 역률 등을 통해 견인 전동기 운전점을 고찰한 결과, 1610[rpm]이전까지는 정토크 제어영역으로 7843.97[Nm], 1610[rpm]∼2500[rpm] 사이에는 정출력 제어영역으로 토크는 속도에 따라 떨어지지만 출력은 1322∼1327[kW]가 됨을 알 수 있었다. 2500[rpm] 이후에는 특성영역으로 토크 및 출력이 속도에 따라 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.