직류전기철도에서는 교류를 직류전압으로 변환해 전기차에 공급하기 위한 정류장치로서 다이오드를 이용한 「실리콘 정류기」가 주류를 이루고 있다. 실리콘 정류기는 직류전압제어를 실행할 수 없다는 단점이 있지만, 구성이 간단하고 신뢰성이 높기 때문에 직류전기철도에 적합한 정류장치로 널리 사용되고 있다. 2005년 8월에 개업한 쓰쿠바 익스프레스(Tsukuba Express, 일본의 수도권 신도시 철도 노선)에서는 세계 최초로 「PWM(Pulse Width Modu-lation: 펄스 폭 변조) 컨버터」를 정류장치로 채용했다. 본고에서는 PWM 컨버터의 채용경위 및 동작원리, 특장점 등에 대해 해설한다.
전력회생 PWM 컨버터의 필요성쓰쿠바 익스프레스(TX: Tsukuba Express)는 도쿄도의 아키하바라(秋葉原)와 이바라키현(茨城縣) 쓰쿠바시를 최단 45분 만에 잇는 선로이다. 이 루트의 연장선상에는 기상청의 지자기 관측소(Geomagnetic Observatory , 地磁氣觀測所, 이바리키현 이시오카시 소재)가 있어 1913년부터 지자기 관측을 실시해 오고 있으며, 지구 규모의 지자기 변동을 감시하는 데 있어 중요한 역할을 담당하고 있다. 지자기 교란을 일으키는 요인 중 하나로서 직류전기철도의 레일에서 대지로 누설되는 누설전류가 있으며, 이것이 광범위하고 대량일수록 그 영향이 현저해진다. 쓰쿠바 익스프레스 건설에 있어서는 그 계획 단계에서 건설 주체인 일본철도건설공단(현재, 철도건설·운수시설정비지원기구)에 의해 지자기 교란 대책위원회가 설치되어 각종 다양한 방식의 비교·검토를 통해 다음과 같은 대책이 결정되었다.
(1) 전기방식은 교·직류 전환방식으로 하여 아키하바라(秋葉原)에서 이바라키현(茨城縣)의 모리야역(守谷 ) 근방까지는 직류궤전으로 하고, 모리야역에서 쓰쿠바까지는 교류궤전으로 한다.
(2) 직류 변전소는 정전압 제어 방식으로 한다.
[그림 1]에 정전압 제어 방식을 채용했을 시의 효과에 대해 설명한다. 다이오드 정류기에 있어서 변전소 간에 전기차가 존재하는 경우, 정류기의 출력전압은 송출전류에 반비례하여 저하된다. 송출전압의 저하로 인해 가장 가까운 인접 변전소로부터 이전 변전소의 전압도 저하되기 때문에 인접 변전소 이외에도 대지 누설전류가 흐르게 된다. 이에 직류전압을 제어할 수 있는 PWM 컨버터를 채용함으로써 모든 변전소는 정전압 제어가 가능해지고, 변전소 간에 전압차가 없는 경우 전기차의 가장 가까운 인접 변전소에만 전류가 공급되어 다른 변전소로의 횡류 전류는 억제된다. 결과적으로 레일 전위의 상승이 억제되어 누설전류가 저감되게 된다.
전력회생 PWM 컨버터의 구성 및 특징
<동작원리>
자기 소호소자를 사용한 PWM 정류기는 전원전압의 크기와 위상에 관계없이 임의의 전압을 발생시킬 수 있다. 이에 따라 전압의 진폭값(크기)과 위상을 연속적으로 바꾸어 무효전력제어(역률제어)와 유효전력제어(전기차의 역행(力行: 가속운전), 회생제어)를 독립적으로 그리고 자유롭게 제어할 수 있다. 역률1로 전기차가 역행(가속운전), 회생했을 시의 출력전압 벡터도를 [그림 2]에 나타냈다. PWM 컨버터를 등가회로로 표현하면 계통전압 Vs에 대해 연계 임피던스 X와 컨버터 전압원 Vi로 표현할 수 있다. 컨버터 전압원은 임의의 전압을 출력할 수 있기 때문에 [그림 2](c)의 역행(力行) 모드와 (d)의 회생 모드에서 나타난 것과 같이 컨버터 전압 Vi를 출력함으로써 각각 역행전류와 회생전류를 자유자재로 통류할 수 있다.
<특장점>
PWM 컨버터는 이하의 특징을 가지고 있다.
(1) 1대의 변환장치로 전기차의 역행 및 회생동작에 대응 가능전원전압에 있어 임의의 위상으로 전압 입출력이 가능하기 때문에 역행에서 회생까지 자유롭게 전력을 출력할 수 있다. 회생차(回生車)의 에너지를 유효하게 이용하기 위해 전력을 계통에 되돌리는 경우라도 장치의 추가 없이 실현 가능하다.
(2) 수전계통에 유출하는 고조파가 적다PWM 펄스 수 및 인버터를 다중 구성화함으로써 저차 고조파를 저감시킬 수 있다.
(3) 역률제어 가능전원전압에 대해 임의의 전압 크기를 출력할 수 있기 때문에 임의의 역률로 운전 가능하며, 다이오드 정류기의 경우 역률 개선을 위한 진상 콘덴서의 설치가 불필요하다.
(4) 출력전압제어의 제어정밀도 및 응답이 좋다PWM 펄스 수에 따라 출력전압을 자유자재로 변화시킬 수 있기 때문에 사이리스터식 컨버터에 비해 고속제어 및 고정밀 제어를 실현할 수 있다.
PWM 컨버터의 사양
쓰쿠바 익스프레스 장치로 채용한 PWM 컨버터는 직류 정격전압이 1500V, 장치용량이 4500kW(아키하바라 변전소만 3000kW)이기 때문에 스위칭 소자로 3.3kV 정격의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 적용한 다중 컨버터 방식을 채용하여 대용량화 및 고조파의 저감을 동시에 실현했다. 대표적인 구성 예를 [그림 3]에, 주요 사양을 [표 1]에 나타냈다.
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