Measuring Power Dissipation for Urban Maglev Vehicle

도시형 자기부상열차 전력 측정

Measuring Power Dissipation for Urban Maglev Vehicle

○ 박 정 웅* 김 봉 섭* 이 장 열* 김 행 구**

Abstract

This paper deals with analysis of measuring power dissipation when Maglev is running. With the various running scenarios for Maglev, power dissipation was measured and a comparative analysis of it and wheel-on rails were carried out. The purpose of this paper is to confirm the efficiency and economics on operation of Maglev and reflect detail design later. When the running scenarios of Maglev are the status of landing on and levitation, running at rated acceleration and deceleration and according to changes of velocity, the power dissipation was measured. The measured results are analyzed considering with apparent electric power and active power, reactive power and power factor etc. Due to the limited test track condition, it is very limited to compare and analyze Maglev and general trains. Nevertheless, It is a task of great significance to identify the efficiency and economics on operating Maglev through the results of measuring power dissipation. In the future, measuring power dissipation through more various scenarios will be carried out, and the results will be reflected the design.

1. 서 론 최근 계속되는 원유가의 상승은 대중교통의 역할증대를 요구하고 있으며 생활수준의 향상에 따른 자 동차의 계속적인 증가는 도시 내 자동차 주행속도를 계속 저하시키고 있다. 이러한 이유로 도심에서 운 행할 수 있는 안전성 및 친환경성이 보장된 새로운 교통수단이 요구되어 왔다. 이를 배경으로 바퀴 없 이 선로 위를 부상하여 이동이 가능한 저소음, 저진동, 무분진의 환경친화적인 도시형 자기부상열차는 새로운 대중교통 시스템의 하나로 제안되어 연구가 진행되어 왔으며 현재 상용화 단계에 진입하였다. 현재 도시형 자기부상열차는 실용화 단계에 진입하였지만 운행 시 소비되는 전력에 대한 연구 및 측 정 등 참고자료가 부족한 실정이다. 이에 따라 향 후 운용에 있어 대한 효율성 및 경제성을 확보하고 소비전력 측정결과 분석에 대한 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다. 본 논문은 상용화 단계에 진입한 도시형 자기부상열차 운행 시 소비되는 전력 측정결과 분석에 대한 것이다. 도시형 자기부상열차의 다양한 운행조건을 설정하여 소비전력을 측정함으로서 동종의 열차와 소비전력을 비교 분석하고, 운용에 대한 효율성 및 경제성을 확인해 보기 위한 것이다. 또한 소비전력을 측정함으로서 당초 설계목표와 비교 분석함으로서 추후 상세설계에 반영하기 위함이다. 만 차 조건인 상태에서 시험 측정하였으며 전력 전용 측정기기를 사용하여 부상 및 착지, 정격가속 및 감속, 시험선 전 구간 주행 시 피상전력 및 유효전력, 무효전력, 역률 등의 측정결과를 도출하여 분석하 고자 한다. 또한 속도변화에 따른 소비전력 변화를 비교분석 하고자 한다. †교신저자, 박정웅 E-mail : [email protected] * 책임저자, 김봉섭. 한국기계연구원 자기부상연구실 **현대로템(주) 기술연구소

그림 2. 도시형 자기부상열차 전력공급결선도 그림 3. 지상전원용 변압기 그림 4. 지상전원용 정류기 표 1 도시형 자기부상열차 의 일반사항 항 목 내 용 열 차 편 성 2량(Mc1-Mc2) 차 량 중 량 공 차 20 ton/량 만 차 26.5 ton/량 설 계 최 고 속 도 110 km/h 최 고 운 행 속 도 80～100 km/h 최 대 가 속 도 4.0 km/h/s 구 배 등 판 능 력 70 ‰ 그림 1. 도시형 자기부상열차 사진 2. 자기부상열차 전력측정 2.1 차량 및 전력 설비사양 2.1.1 차량의 일반사양 시험에 투입된 도시형 자기부상 열차의 일반 사양은 표1과 같으며 그림1은 시험에 투입된 차량을 나 타내고 있다. 2.1.2 전력설비사양 가선 방식은 일반적으로 열차운전의 빈도와 그의 단위소비 전력의 대소에 따라 생기는 전압강하, 전 력손실, 전선의 온도 상승 등에 의하여 결정되는 것으로 본 시험선로에는 자기부상열차의 특성, 시공의 용이성, 경제성, 유지보수성 등을 종합하여 궤도의 양쪽 측면에 가선을 설치하였다. 가선 전압은 시험선로 내 주 변전소로부터 3Φ 4W, 6.6kV, 60Hz의 전압을 지상전원용 변압기로 수전 받아 정류기 입력에 공급하게 된다. 이는 다시 지상전원용 정류기를 거쳐 DC 1500V로 변환하여 자기부 상열차에 공급하게 되며 주 전원으로 사용한다 그림2는 전력공급 단선 결선도를 나타내며 그림3과 그림 4는 지상 전원용 변압기와 정류기를 보여주고 있다.

그림 5. 회생제동을 위한 설비 그림 6.승객230명조건(Wight=15000kg적재) 그림 7. 배전반 연결 결선도 그림 8. 배전반 연결 결선도 2.2 시험조건 신뢰성 있는 측정 결과를 얻기 위하여 상용화 되었을 경우와 같은 다양한 운행조건과 안정된 환경조 건을 적용하여 실험을 수행하며 시험조건을 차량조건과 설계조건으로 선정하여 조건이 충족된 상태에서 실험을 수행하였다. 2.2.1 차량조건 (1) 2량 1편성 기본으로 실험하며 운행중 이상이 발생되지 않도록 충분히 정비 되어야 한다. (2) 부상계 및 추진계는 만차 조건에 부합하여야 하며 안정적인 상태이어야 한다. 2.2.2 설비조건 (1) 시험선 궤도, 전차선, 분기기등 조건이 이상이 없는 상태이어야 한다. (2) 가선전압이 정상적으로 공급되어야 한다. (3) 회생제동 장치가 제동력을 확보할 수 있어야 한다. 회생제동 저항장치는 열차의 제동 시 발생하는 회생전력으로 인한 과전압을 저항단에서 열로 소모시켜 차 량에 공급되는 전압을 안정화 하는데 있다. 그림5는 실험에 활용된 회생제동 설비를 보여주며 그림6는 만 차조건 충족 상태를 나타내고 있다. 2.3 측정기기 구성 2.3.1 측정기기 결선체계 변전실 6600V에서 CT:300/5, PT:6600:110를 거쳐 열차에 공급되는 전류와 전압을 측정하였다. 그림 7에서 소비전력을 측정하기 위하여 배전반에 연결한 결선과 그림8.에서 측정기기 결선체계를 보여주고 있 다. 2.3.2 소비전력 측정기기

본 실험에 사용된 소비전력 측정기기는 데이터를 측정및 분석하여 피상전력 및 유효전력, 무효전력, 역률 등의 측정결과를 실시간으로 모니터링 하는 장치로 이루어져 있다. 그림9는 소비전력 측정기기 모 니터링 화면을 나타내고 있으며 본 실험의 경우 200ms 단위로 데이터 측정이 이루어 졌다. 그림 9. 소비전력 측정 장치 모니터링 화면 2.4 소비전력 측정 결과 전력 전용 측정기기를 사용하여 부상 및 착지, 정격가속 및 감속, 시험선 전 구간 주행 시 피상전력 및 유효전력, 무효전력, 역률 등의 측정결과를 도출하여 분석하였다. 피상전력은 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력, 전원에서 공급되는 전력으로써 다음과 같 이 나타낼 수 있다. Pa=VI=I2Z [VA] 유효전력은 전원에서 공급되어 부하에서 유효하게 이용되는 전력, 전원에서 부하로 실제 소비되는 전 력을 말하면 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

P=VI cos θ=I2 R [W]

무효전력은 실제로는 아무런 일을 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용될 수 없는 전력, 실제로 아무 런 일도 할 수 없는 전력으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Pr=VI sin θ =I2 X [Var]

역률은 피상전력 중에서 유효전력으로 사용되는 비율로써 다음과 같이 나타낼 수 있다. cos  _  _   유효·무효·피상 전력 사이의 관계식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 



    2.4.1 부상상태의 소비전력 측정 자기 부상열차의 부상상태의 소비전력을 측정한 것으로서 에어컨이 가동상태이며 평균값은 표2와 같다. 그림10은 차량 부상 및 착지를 반복하는 그래프로써 차량이 부상시 일정 공극에 도달하는 상태를 비교 하기 위함이다.

표 2. 부상상태 소비전력 평균값 유효전력 P[kW] 무효전력Q [kVAr] 피상전력S [kVAr] 평 균 48.2035 40.6961 63.0853 그림 10. 부상 및 착지 상태 소비전력측정 그래프 표 3. 차량 주행 중 Notch =0 상태 평균값 유효전력 P[kW] 무효전력 Q[kVAr] 피상전력 S[kVAr] 평 균 49.185 41.220 64.1745 그림 11. 차량 주행 타행상태 소비전력측정 그래프 그림 12. 정격최대가속 및 감속 상태 속도변화 그림 13. 정격최대가속 및 정격감속 소비전력 변화 2.4.2 차량 가속 후 타행상태 차량 주행 중 타행상태의 소비전력 평균값을 측정한 것으로 부상상태의 소비전력 결과값과 크게 차이 를 나타내지 않음을 알 수 있다. 그림11은 차량 주행 중 타행상태의 전력을 나타내주는 그래프로써 차 량이 주행 중 부상제어 상태를 유지하기 위하여 약간의 변화가 있음을 확인 할 수 있다. 2.3.3 정격최대가속 및 최대감속 상태 소비전력 측정 그림12는 정격최대가속 후 정격최대감속을 실험한 결과 노치변화 및 속도 데이터 그래프를 나타낸다. 최대속도 50.4[km/h]로서 시험조건을 충족됨을 확인할 수 있다. 그림13는 정격최대가속 후 정격최대감속을 실험한 결과 그래프로 속도증가에 비례하여 소비전력도 증 가함을 알 수 있다. 노치지령이 P4일때 최대소비전력이 피상전력 1511[kVA] 유효전력 1063[kW] 무효전 력 1073k[VAR]을 나타내었다. 이때의 최대 속도는 50.36[km/h]임을 확인 하였다.

표 4. 시험선 전 구간 왕복주행 소비전력 평균 유 효 전 력 P[kW] 무 효 전 력 Q[kVAr] 피 상 전 력 S[kVAr] 1회 왕복평균 11.963 10.796 16.119 1시간 전체 평균 100.385 90.598 135.270 그림 16.시험선 전 구간 주행시 소비전력 변화 2.3.4 시험선 전 구간 주행시 소비전력 측정 시험선 전 구간 총연장은 1.3km이며 최대구배 6%,최소 곡선 반경 60m이며 그림14에서 시험선 전 구 간 개략도를 나타내고 있다. 그림 14. 시험선 전 구간 개략도 그림 15. 시험선 전 구간 주행시 속도변화 그림15는 전 구간 왕복 운행 시 속도변화와 노치지령을 나타내는 그래프로써 이는 직선주행구간과 곡 선주행구간의 속도를 확인할 수 있다. 이의 최대속도는 46km/h, 표정속도는 20.65km/h이다. 또한 전 구 간 1회 왕복 운행 시 소요 시간은 약 6분40초(400s)정도 임을 알 수 있다. 전 구간 1회왕복 운행시 소비전력 평균값은 유효전력 11.963[kW]임을 확인할 수 있다. 도표4에서 1회 왕복 평균값과 1시간 전체 평균값을 도출해 표로 나타내었다. 전 구간 왕복운행시의 소비전력 변화를 나타낸 그래프로서 속도증가에 비례하여 소비전력도 증가함을 확인 하였다.

3. 결론 자기부상 열차는 궤도 위를 일정 공극을 유지한 상태에서 선형유도 전동기로 추진하는 방식으로 기 존 일반 철도방식과 크게 차이를 나타내므로 일반 철도차량과의 비교하는데 어려움이 있다. 본 시험 목적에 따라 부상상태, 타행상태 및 전 구간 주행 시험 및 측정을 하여 결과를 도출하였다. 측정시험 결과 자기부상 열차 방식에 있어서 전력소비에 대한 경제성과 효율성을 확인 할 수 있는 중 요한 자료 및 속도 변화에 따른 소비전력 변화 자료를 구축 할 수 있었으며, 유사 차종과의 비교를 위 하여 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다, 기존 방식과의 비교는 추후 자료가 확보되는 대로 지속 적인 연구를 수행할 것이다. 참고문헌 1. 김동성 외, “시스템 성능개선 및 시험평가”, 지식경제부 중기거점기술개발사업 보고서, 2006. 08 2. “1핵심시스템엔지니어링통합1단계 실적보고서”, 국토해양부, 도시형자기부상열차실용화사업, 2009.07 3. “2핵심차량개발과제 1단계 실적보고서”, 국토해양부, 도시형자기부상열차실용화사업, 2009.07 4. “3핵심시설 및 종합시운전1단계 실적보고서”, 국토해양부, 도시형자기부상열차실용화사업, 2009.07