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A Study on the Development of Propulsion Control Simulator for Maintenance Training of Railway Vehicle
A Study on the Development of Propulsion Control Simulator for Maintenance Training of Railway Vehicle
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Oct, 64(10): 1528-1534
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : August 07, 2015
  • Accepted : September 11, 2015
  • Published : October 01, 2015
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보 성 김
KORAIL, Korea
노 건 정
Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation, Korea
재 문 김
Corresponding Author : Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea E-mail :goldmoon@ut.ac.kr

Abstract
This paper designed the railway vehicle running device with a proto-type for the railway vehicle maintenance training and developed a propulsion control device simulator equipped the imitation steering wheel. In addition, this paper applied a multi-thread technology in order to implement the staged fault and the propulsion control device protected operation test and an implementation of the failure that occur in actual rail vehicle and confirm the validity as the propulsion control device simulator for the maintenance training.
Keywords
1. 서 론
일반적으로 철도차량은 고속주행에 따른 주행 중력때문에 반복적인 충격이 발생하여 열화가 복합되어 발생하게 되고 각 부품과 구성품의 내구성도 내적 요인과 외적 요인에 따라 변하기 때문에 고장 현상이 다르게 나타난다. 고장으로 인한 손실을 예방하기 위하여 철도차량에 대한 유지보수가 필요하다. 그 중에서도 철도차량의 안정적인 운행과 밀접한 추진제어장치의 유지보수는 매우 중요하다. 추진제어장치 유지보수는 각 장치의 구조, 기능 및 특성을 정확하게 이해하고 이를 활용한 유지보수가 이루어져야 한다. 따라서 추진제어장치 유지보수 실무능력 향상을 위해서는 반복 교육을 통한 학습효과를 위한 유지보수 훈련용 추진제어 장치 시뮬레이터가 필요하다 [1] .
본 논문에서는 철도차량 유지보수 훈련을 위하여 철도차량 주행장치를 축소형으로 설계하고 모의운전대 등을 갖춘 추진제어장치 시뮬레이터를 개발하였다. 또한 모의고장 및 추진제어장치 보호동작을 구현하여 유지보수 훈련을 위한 추진제어장치 시뮬레이터의 타당성을 확인하였다.
2. 본 론
- 2.1 추진제어장치 유지보수 개요
유지보수는 어떤 시스템에 대해 요구되는 기능을 정상 범위 내의 조건으로 복원시키거나 이러한 범위 이내로 유지하도록 하는 것이다. 따라서 철도차량 측면에서 유지보수의 역할은 차량과 장비를 열차로 편성하여 사용 중 고장이 발생하거나 부품의 마모 및 파손 등으로 인해 장비의 성능이나 품질이 저하되어 계속 사용하기가 불가능한 때 검사, 부품교체 등을 통하여 그 기능과 성능을 원래의 상태로 복원시켜 정상적인 동작을 하도록 한다. 이러한 차량과 장비의 기능과 성능의 유지에는 고장의 원인을 제거하는 것도 포함된다. 따라서 철도차량의 운행 중 고장의 원인 규명이나 고장의 재발 방지대책의 수립과 실행도 중요하다 [2 , 3] .
철도차량은 사용목적에 따라 동력차, 객차, 화차 등으로 구분하고, 동력원에 따라 전기차량, 디젤차량으로 구분한다. 또한 운용측면에 따라 고속차량, 간선차량, 전동차량, 일반차량으로 구분하여 관리하기도 한다. 최근에는 차상컴퓨터를 포함한 IT기술이 적용되어 철도차량의 특성에 맞는 과학적인 정비주기 및 방법을 정하여 유지보수를 시행하는 것이 매우 중요하게 되었다 [4 - 6] .
- 2.2 추진제어장치 고장 조치
추진제어장치 고장 등과 같이 철도차량 운행 중 고장이 발생할 경우 승객의 안전확보를 최우선한다. 고장 발생시 차종별 응급조치 매뉴얼에 따라 응급조치를 수행하게 된다.
응급조치 매뉴얼은 운영기관, 차량 종류에 따라 응급조치 내용을 달리하며, 코레일의 경우 차량 종류가 동일하더라도 노선별, 제작년도에 따라 응급조치 요령이 조금씩 상이하다. 고장 원인에 따라 고장 현상이 다르게 나타나며, 동일한 고장 현상이더라도 고장 원인의 결합이나 다른 장치에 영향을 미치는 경우가 실제 차량에서 매우 빈번하게 발생하고 있다. 따라서 차량고장 발생시 기술지원을 하는 응급조치 요원에게는 응급조치에 대한 교육을, 차량사업소에서 고장 차량에 대하여 유지보수 작업을 시행하는 차량관리원에게는 고장조치에 대한 교육을 강화할 필요가 있다. 광역철도에서 운영되는 철도차량 추진제어장치에서 서브시스템인 전력변환장치의 고장시 일반적인 고장조치는 표 1 과 같다.
전력변환장치 고장시 조치Table 1Action of power conversion unit failure
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전력변환장치 고장시 조치 Table 1 Action of power conversion unit failure
- 2.3 유지보수용 추진제어장치 시뮬레이터 시스템
추진제어장치 시뮬레이터는 철도차량 유지보수 실무능력을 향상시킬 수 있도록 기계적 메커니즘인 축소형 철도차량 주행장치, 전기적 메커니즘인 전력변환장치와 이를 제어하는 모의운전대 등으로 하드웨어를 구성하였다. 또한 각 장치의 제어 및 모니터링, 모의고장 구현을 통한 유지보수 훈련을 진행할 수 있도록 설계하였다.
추진제어장치 시뮬레이터는 그림 1 과 같이 전원공급장치, 모의 운전대, 전력변환장치, 축소형 철도차량 주행장치, 에뮬레이터, 대형 모니터로 나눌 수 있다. 철도차량 추진제어장치와 같이 단상 교류 전원이 주차단기와 주변압기를 거쳐 PWM 컨버터에 전원을 공급하는 방식으로 구성하였다. 모의운전대는 추진제어장치의 조작이 철도차량과 유사하도록 구현하고, 운용 중 발생되는 모든 사항에 대하여 모니터링을 할 수 있도록 구성하였다. 에뮬레이터는 차량의 기동시퀀스, 정지 시퀀스, 보호동작 시퀀스가 가능하며, 특히 보호동작 시퀀스는 추진제어장치 보호동작과 연계하여 고장 발생 시 현상과 조치 방법을 훈련 할 수 있도록 구현하였다 [7] .
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추진제어시스템 시뮬레이터 구성도 Fig. 1 Propulsion control system simulator configuration
축소형 철도차량 주행장치는 철도차량 견인특성을 모의할 수 있도록 하였으며, 승객수에 따른 부하량을 반영할 수 있도록 구성하였다.
- 2.3.1 전력변환장치 구성
그림 2 는 전력변환장치의 회로로 철도차량 시스템을 모의하기 위하여 4대의 전동기로 구성하고, 철도차량 시스템에 따라 1C1M, 1C2M, 1C4M 제어가 가능하도록 설계하였다. 입력과 출력 상태를 측정 할 수 있도록 별도의 측정 단자를 설치하여 유지보수 훈련 중 발생할 수 있는 안전사고를 방지하도록 하였다 [8 , 9] .
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전력변환장치(C/I) 회로 Fig. 2 Power conversion device (C/I) circuit
전력변환장치는 크게 컨버터, 인버터, 과전압방전 사이리스터(Over Voltage Discharging Thyristor, OVCRf) 유닛, 제어기부로 구현하였다. 컨버터는 교류 380[V], 60[Hz]을 PWM제어를 통하여 직류 540[V]로 변환하고, 인버터는 직류 540[V]를 변환하여 3상 교류 전원을 유도전동기에 공급하여 토크와 속도를 제어한다. 이 때 PWM제어를 하며 반송파 주파수는 비동기 모드에서 154[Hz]∼700[Hz]이고, 동기 모드에서는 출력 기본 주파수의 3 또는 1배이다 [10] .
OVCRf 유닛은 필터 커패시터 전압이 일정 전압 이상 상승하면 내부기기의 보호를 위한 과전압 보호장치로 사이리스터를 동작시켜 보호한다. 방전저항(Over Voltage Resistor, OVRe)은 OVCRf의 후단에 연결되어 과전압 보호동작시 전원을 방전시킨다.
충전저항(Charging Resistor for FC, CRe)은 전력변환장치 전원 투입시 필터 커패시터의 급충전을 방지하기 위하여 사용된다. 교류 검출기(‘AC’ Potential Transformer, ACPT)는 컨버터 입력부인 단상 교류전압을 검출하여 제어기에 그 값을 입력시킨다. 직류 검출기(‘DC’ Potential Transformer, DCPT)는 인버터 입력단의 직류전압을 검출하여 제어기에 그 값을 입력시킨다. 안전을 위해 제어전원 OFF시 필터 커패시터 충전 전하는 저항을 통하여 방전하도록 설계하였다.
제어기는 32bit 마이크로프로세서를 탑재한 고성능 제어장치로서 벡터제어와 데이터 연산 및 기록을 수행하며, 전원공급장치를 포함하여 총 15종의 보드와 마더 보드로 이루어진다. 제어카드는 전압, 전류, 속도 신호 등을 입력받으며 필터회로와 절연형 증폭기를 통하여 절연시킨 후 보드에 입력된다.
추진제어장치 시뮬레이터의 보호동작 모의시험과 연계하여 제어 보드의 RS232 통신 포트를 이용하여 전력변환장치 고장기록을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하였다. 에뮬레이터 제어대에는 유지보수 소속에서 사용하고 있는 분석 프로그램을 설치하여 RS232 통신으로 에뮬레이터 PC에 전송하여 대형 모니터로 확인할 수 있도록 하였다.
- 2.3.2 축소형 철도차량 주행장치
축소모형을 설계하기 위하여 전동기 한 대당 등가관성, 차량무게에 의한 수직항력 및 전동기 출력은 일정한 비로 축소하고, 전동기의 회전각속도에 대한 차량바퀴의 선속도의 비는 같도록 한다. 축소모형의 기본사양은 표 2 와 같다.
축소형 철도차량 주행장치 사양Table 2Prototype railway vehicle running device spec.
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축소형 철도차량 주행장치 사양 Table 2 Prototype railway vehicle running device spec.
그림 3 은 제작된 축소형 철도차량 주행장치(전동기부)를 나타낸다. 전동기는 1.5[kW] 4극 유도전동기를 사용하고 관성부하와 연계되며, 관성부하에는 안전을 고려하여 비상시 정지시킬 수 있는 기계적인 제동시스템을 적용하였다. 또한, 속도 검출이 가능하도록 엔코더가 설치되어 있고, 전자클러치를 이용하여 부하량을 선택할 수 있도록 하였다.
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축소형 철도차량 주행장치 Fig. 3 Prototype railroad driving device
또한 축소모형의 전동기 1대의 수직항력은 표 3 의 실제 철도차량과 축소모형과의 축소 비율을 통하여 구할 수 있다.
실제 차량과 축소모형 비교Table 3Comparison of actual scale model vehicles and prototype
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실제 차량과 축소모형 비교 Table 3 Comparison of actual scale model vehicles and prototype
1.5㎾ 전동기의 정격 토크가 Te =4.1[Ν·m]이므로, 전동기로부터 큰 원판에 전달되는 토크는 식 (1)과 같으며, 이를 통해 실제 철도차량 시스템에서 전동기로부터 선로에 전달되는 정격토크는 7780[ Nm ]이다.
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한편 실제 철도차량에서 차량 1대가 감당하는 무게가 대략 60[ton] 정도이고 축소모형에서 전동기 1대의 수직항력은 식 (2)와 같다.
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여기서, Tt 은 차량 1대당 분담 무게, Rm 은 전동기 수량, RT 은 선로 전달 토크 축소비율 이다.
3. 하드웨어 실험
철도차량 유지보수 실무능력 향상을 위하여 개발된 유지보수 훈련용 시뮬레이터의 모의고장 구현 및 추진제어장치 보호동작 실험을 수행하였다.
- 3.1 추진제어장치 시뮬레이터 실험
추진제어장치 컨버터 입력은 그림 4 에서와 같이 변압기를 통하여 공급되는 교류 380[V], 60[Hz]가 인가된다.
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컨버터 입력 전압 Fig. 4 Input voltage of converter
그림 5 는 UV, VW, WU상 선간 전압 파형으로 스위칭 소자가 200 [Hz]로 동작함으로써 120° 위상차를 갖고 출력됨을 알 수 있다.
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인버터 선간전압 Fig. 5 Line voltage of inverter
- 3.2 모의 고장에 따른 구현
그림 6 은 추진제어장치 운용 프로그램에서 모의고장의 일례로 축전지 전압 공급 불량에 대한 모의고장을 구현하는 화면을 나타내었다. 고장원인은 축전지접촉기 불량에 해당된다. 뿐만 아니라 팬터그래프 상승불능, 주회로차단기 투입불능도 동일한 시뮬레이터 프로그램 제어화면에 나타난다. 여기에 나타난 고장 항목을 통해 유지보수훈련을 수행한다.
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축전지 모의고장 발생 화면 Fig. 6 Battery failure simulation screen
- 3.2.1 팬터그래프(Pan) 상승 불능
추진제어장치 운용 프로그램에서 팬터그래프(Pantograph, 이하 Pan) 상승 불능 모의고장을 발생시키면 고장이 화면상에 나타나고 고장원인은 팬터그래프 계전기코일 불량에 해당된다. 화면에서 고장발생을 클릭하면 고장 이벤트가 생성되어 에뮬레이터로 이벤트 데이터를 전송하고 에뮬레이터는 해당 이벤트에 해당하는 항목을 PLC 제어를 통하여 모의운전대를 제어하게 된다.
그림 7 은 팬터그래프 상승 불능 모의고장 구현 상태를 보여주고 있다. 철도차량 기동시퀀스와 동일하게 주간제어기 Key를 ON시키면 축전지 전압이 가압되면서 모의운전대에 전압이 나타나고 TCMS가 활성화됨을 알 수 있다. 차량 기동을 위하여 모의운전대 모니터의 보조공기압축기 투입스위치를 동작시키고 Pan 상승스위치(PanUS)를 조작하더라도 PanUS 램프가 점등되지 않고, Pan이 상승 되지 않는 것을 TCSM 화면을 통하여 확인할 수 있다.
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팬터그래프 상승 불능 모의고장 구현 Fig. 7 Pantograph rise inability failure
- 3.2.2 주회로차단기(MCB) 투입 불능
추진제어장치 운용 프로그램에서 MCB 투입 불능 코드를 발생시키면 고장이 발생하고 고장원인은 주회로차단기 유지계전기(‘MCB’ Holding Relay) 코일 불량에 해당된다. 화면에서 고장발생을 클릭하면 에뮬레이터는 해당 이벤트에 해당하는 항목을 PLC 제어를 통하여 모의운전대를 제어하게 된다. 철도차량 기동시퀀스와 동일하게 주간제어기 Key를 ON시키고 축전지 전압 상태 및 TCMS 활성화 상태를 확인한 후 모의운전대 모니터의 ACMCS를 동작시키고 PanUS를 조작하여 Pan를 상승시킨다.
그림 8 는 Pan 상승 이후 MCB 투입 불능에 대한 모의고장 구현을 보여주고 있다. Pan 상승은 전원 표시등(ACV) 점등과 TCMS 화면에 나타나는 Pan 상승 상태로 확인할 수 있다. Pan 상승 상태를 확인 후 MCB 투입을 위하여 주회로 차단기 투입스위치(‘MCB’ Control Switch)를 조작하더라도 램프가 점등되지 않고 모의운전대 MCB 투입 표시등도 점등되지 않는 것을 확인할 수 있다.
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MCB 투입 불능 모의고장 구현 Fig. 8 MCB input inability failure
이에 대한 문제해결은 에뮬레이터 제어대에 설치된 운용 프로그램에서 모의고장에 대하여 강제 문제해결을 클릭한다. 또한 유지보수 담당자가 고장현상을 분석하여 대형 모니터 화면의 도면 선택화면에서 고장 원인에 해당하는 도면을 선택하고 현재 발생하고 있는 고장현상을 클릭하여 고장원인을 점검하여야만 문제해결이 되는 방식을 적용하였다. 이렇게 고장원인에 따른 고장현상 및 해당 도면을 선택 후 분석하여 문제를 해결함으로써 유지보수자의 고장조치 실무능력 향상과 고장조치 시간이 단축할 수 있다.
- 3.3 추진제어장치 보호동작 모의시험
- 3.3.1 견인전동기 과부하(IMOL) 고장코드 시험
견인전동기 과부하(IMOL) 고장코드는 견인전동기 U, V, W상의 전류가 2[ms] 이상 설정 값을 초과하여 발생되었을 경우 IMOL 보호동작하여 견인전동기 과부하 검지로 인해 컨버터/인버터 게이트를 Off하고 전력변환장치 중고장을 나타내는 CIFR를 점등시킨다. IMOL 고장코드 발생 유발 예상 원인은 다음과 같다.
  • ① 공전/활주 발생 이후, 재 점착으로 인한 모터 전류의 급격한 변화
  • ② 속도센서 신호 라인에 일시적인 외부 노이즈 유입 등으로 인한 일시적인 견인전동기 회전자 주파수 인식 오류
  • ③ 전력변환장치 인버터의 IGBT 게이트 신호의 일시적인 제어 오류
  • ④ 전력변환장치 인버터 출력단과 견인전동기 간 주회로의 단락 발생
  • ⑤ 견인전동기 전류 검지 센서 결함
그림 9 는 모의운전대 화면으로 IMOL 고장코드를 발생시킬 경우, IMOL 고장코드와 CIFR 고장코드가 나타나고 FAULT 등이 점등 되는 것을 알 수 있다. IMOL 고장은 주간제어기 P4단으로 운행 중 고장이 발생하면 MCB가 차단되지 않고, 인버터 게이트 Off로 인버터 출력전류 및 모터 전류를 차단하여 더 이상 과부하가 걸리지 않도록 제어하므로 전압 및 전류가 0으로 나타남을 알 수 있다.
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IMOL 보호동작 모의시험 (모의운전대) Fig. 9 IMOL protection operation simulation (simulated steering wheel)
그림 10 은 추진제어장치의 출력파형으로 (a)파워링, (b)인버터 입력전류, (c)인버터 출력전류로 주간제어기 P4단으로 운행 중 고장이 발생하면 파워링 신호는 MCB가 차단되지 않았기 때문에 계속 인가되고, 인버터 게이트 Off로 인버터 출력전류가 차단되는 것을 확인할 수 있다.
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IMOL 보호동작 모의시험 출력 Fig. 10 IMOL protection operation simulation output
- 3.3.2 상단락(CFD) 고장코드 시험
추진제어장치 보호동작 상단락(CFD) 고장코드는 IGBT 소자 고장이나, IGBT 게이트 명령신호와 피드백 신호가 서로 불일치일 경우 CFD 보호동작을 하며, CFD 검지로 인해 컨버터/인버터 Gate Off → 주접촉기 Off → MCB 개방 → OVCRf 동작 → DC 링크 충전 전압 방전 → CIFR 점등한다. 고장코드 해소 기준은 Reset 스위치 취급이 금지되며, 유니트 개방스위치(VCOS)를 취급하여 고장대차를 개방하고, 차단된 MCB를 재투입하여 운행한다. CFD 고장코드 발생 예상 원인은 ① IGBT 소자 결함 ② IGBT Gate 회로 결함③ 광케이블 결함이라 할 수 있다.
그림 11 은 모의운전대 화면으로 CFD 고장코드를 발생 시킬 경우, CFD, OVCRf, CIFR 고장코드가 나타나고 FAULT 등이 점등 되는 것을 알 수 있다. CFD 고장은 주간제어기 P4단으로 운행 중 고장이 발생하면 인버터 Gate Off로 인버터 출력전류 및 모터 전류를 차단하고, 다른 기기에 영향을 주지 않도록 MCB를 개방하는 것을 알 수 있다.
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CFD 보호동작 모의시험 (모의운전대) Fig. 11 CFD protection operation simulation (simulated steering wheel)
그림 12 는 추진제어장치의 출력파형으로 (a)파워링, (b)인버터 입력전류, (c)인버터 출력전류로 주간제어기 P4단으로 운행 중 고장이 발생하면 인버터 게이트 Off로 인버터 출력전류 및 모터 전류가 개방되고, 파워링 신호는 MCB 개방 후 개방되는 것을 확인할 수 있다.
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CFD 보호동작 모의시험 출력 파형 Fig. 12 CFD protection operation simulation output
4. 결 론
추진제어장치의 고장은 열차 운행에 치명적인 영향을 미치게 됨으로 이에 대한 유지보수 훈련이 필요가 필요하다.
본 논문에서는 철도차량의 전기적, 기계적 메커니즘을 수반하는 장치 중 신뢰성이 매우 요구되는 추진제어장치의 유지보수 훈련을 위하여 추진제어장치 시뮬레이터를 개발하였다. 실제 철도차량에서 발생하는 고장을 구현하였고, 추진제어장치 보호동작 모의시험을 통하여 고장 원인에 따라 보호동작 및 파형의 차이점을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 추진제어장치의 특성을 이해하고 고장조치 및 유지보수 훈련으로 고장조치 시간 단축 및 유지보수 실무능력이 향상 될 것이다.
BIO
김 보 성 (Bo-Sung Kim)
2015년 한국교통대 교통대학원 교통시스템 공학과 졸업(석사). 94년 서울지방철도청 발령. 2010년~2015년 6월 한국철도공사 인재개발원. 2015년 7월~현재 한국철도공사 구로차량사업소 차량관리팀장 근무
E-mail : kbos999@korail.com
정 노 건 (No-Geon Jung)
2012년 한국철도대 철도차량전기과 졸업. 2015년 한국교통대 교통대학원 교통시스템공학과 졸업(석사). 현재 동 대학원 교통시스템공학과 박사과정
김 재 문 (Jae-Moon Kim)
1994년 성균관대 전기공학과 졸업. 2000년 2월 동 대학원 졸업(공박). 2000년∼2004년 현대모비스(주) 기술연구소 선임연구원. 2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문위원, 2004년 3월∼현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과/철도전기전자공학과 교수
E-mail : goldmoon@ut.ac.kr
References
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Chang Chin-Young 2015 "A Study on Traction Induction Motor Propulsion Control System for Slip/Slide Reduction in Rolling Stock", Doctor Thesis