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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김철호, 윤수환
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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현재 도시철도 5호선 전동차의 추진장치(VVVF, Inverter Module) 는 GTO등 전력 반도체 소자를 이용 교류유도전동기의 속도 및 토크를 제어 하거나 전동차의 객실서비스 전원 및 제어 전원을 공급하고 있다.[1]
GTO 등의 전력반도체는 ON, OFF 스위칭 시 많은 열을 발산하고 특히 3상 380V 전압의 왜율을 최소화시키기 위해 설치한 보조 전원 변압기가 높은 열을 발산하기 때문에 인버터 박스 내 냉각장치를 이용 적정온도를 유지하여 Inverter Module과 각종 PCB를 보호 하여야 한다.
이 추진장치를 냉각하는 방식으로 강제 송풍 냉각방식, 냉매식 자연냉각, 자연냉각 등의 방식이 사용되고 있다.
도시철도 전동차 5호선은 강제 송풍방식을 이용 인버터함 내 온도를 적정히 유지하고 있으나, 외부 공기를 강제로 흡입하여 열교환기를 거쳐 내부공기와 외부공기로 구분되어 외부공기는 냉각 후 함 외부로 배출되고 내부공기는 계속 순환하는 구조이므로 외부공기를 흡입하는 과정에서 터널 내 오염된 공기를 지속적으로 흡입함에 따라 오염된 먼지, 쇳가루 등 일부가 인버터 함에 축적되어 고장을 유발시키고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 강제 송풍 냉각시스템에서 밀폐식 히트펌프 냉각시스템으로 개선하여 인버터 함에 외부공기 유입을 원천봉쇄하고 내부에서 생성된 냉각공기를 내부순환 시키는 구조로 개선하여 효율적인 인버터 냉각과 외부 먼지 차단으로 인버터 성능 향상 및 전동차 고장을 예방하고 8%의 에너지 절감에도 기여할 수 있는 새로운 냉각시스템을 개발하고 전동차 현차 취부 시험을 통해 성능을 평가하여 인버터 시스템의 안정적인 운용에 이바지 하고자 한다.
본 연구에서는 밀폐식 히트펌프 냉각시스템을 개발 제작하여 전동차에 취부하고 본선 영업 운행 시 인버터함의 온도측정을 통해 설계사양과 일치할 수있는 온도 구현에 최대한 노력하였고 1, 2차 수정을 거쳐 설계사양에 근접한 냉각효과를 얻을 수 있었다. 향후 전동차 개조 시 이 시스템을 활용할 수 있도록 연구를 지속하여 전동차 안전운행에 최선을 다하고자 한다.
GTO 등의 전력반도체는 ON, OFF 스위칭 시 많은 열을 발산하고 특히 3상 380V 전압의 왜율을 최소화시키기 위해 설치한 보조 전원 변압기가 높은 열을 발산하기 때문에 인버터 박스 내 냉각장치를 이용 적정온도를 유지하여 Inverter Module과 각종 PCB를 보호 하여야 한다.
이 추진장치를 냉각하는 방식으로 강제 송풍 냉각방식, 냉매식 자연냉각, 자연냉각 등의 방식이 사용되고 있다.
도시철도 전동차 5호선은 강제 송풍방식을 이용 인버터함 내 온도를 적정히 유지하고 있으나, 외부 공기를 강제로 흡입하여 열교환기를 거쳐 내부공기와 외부공기로 구분되어 외부공기는 냉각 후 함 외부로 배출되고 내부공기는 계속 순환하는 구조이므로 외부공기를 흡입하는 과정에서 터널 내 오염된 공기를 지속적으로 흡입함에 따라 오염된 먼지, 쇳가루 등 일부가 인버터 함에 축적되어 고장을 유발시키고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 강제 송풍 냉각시스템에서 밀폐식 히트펌프 냉각시스템으로 개선하여 인버터 함에 외부공기 유입을 원천봉쇄하고 내부에서 생성된 냉각공기를 내부순환 시키는 구조로 개선하여 효율적인 인버터 냉각과 외부 먼지 차단으로 인버터 성능 향상 및 전동차 고장을 예방하고 8%의 에너지 절감에도 기여할 수 있는 새로운 냉각시스템을 개발하고 전동차 현차 취부 시험을 통해 성능을 평가하여 인버터 시스템의 안정적인 운용에 이바지 하고자 한다.
본 연구에서는 밀폐식 히트펌프 냉각시스템을 개발 제작하여 전동차에 취부하고 본선 영업 운행 시 인버터함의 온도측정을 통해 설계사양과 일치할 수있는 온도 구현에 최대한 노력하였고 1, 2차 수정을 거쳐 설계사양에 근접한 냉각효과를 얻을 수 있었다. 향후 전동차 개조 시 이 시스템을 활용할 수 있도록 연구를 지속하여 전동차 안전운행에 최선을 다하고자 한다.
목차
요 약 ⅰ기 호 표 ⅱ표 목 차 ⅲ그 림 목 차 ⅲⅠ. 서 론 1Ⅱ. 현재 도시철도 인버터 강제송풍 냉각시스템 소개 및 문제점 31. 인버터 박스(Inverter Box) 32. 강제 송풍 냉각시스템 구조 53. 강제 송풍 냉각시스템 문제점 7Ⅲ. 밀폐식 히트펌프 냉각시스템 개발 및 실험 81. 최초 기본 설계 82. 내부 냉각 공기 순환 메커니즘 93. 기본설계에 의한 냉각 시스템 구축 114. 냉각 사이클 125. 성능시험 146. 현차 취부 시험 167. 인버터 박스 내부 온도 센서 부착 178. 전동차 영업운행 시 인버터 박스 내부 온도 측정 189. 인버터 박스 내 온도상승에 따른 시스템 2차 설계 2010. 2차 설계 후 최종 밀폐식 히프펌프 냉각시스템 사양 2211. 2차 설계에 의한 주요 부품 변경 2312. 2차 최종 설계에 의한 냉각 시스템 구축 2613. 현차 취부 후 인버터 박스 온도 측정 28Ⅳ. 실험 결과 분석 291. 1, 2차 설계 사양에 따른 온도측정 결과 비교 분석 292. 1, 2차 온도 측정 후 인버터 박스 내 최고 온도 변화 분석 32Ⅴ. 보조변압기 냉각유로 내에서의 유동 특성분석을 위한 CFD(전산유체해석) 해석 331. 보조변압기 냉각공기 흐름 해석의 목적 332. 보조변압기 냉각유로의 형상재원 및 환경조건 333. 수치해석 연구를 위한 해석기법 및 조건 344. 해석적 연구를 위한 주요변수 및 범위 375. 연구결과 분석 및 고찰 38Ⅵ. 결론 44참 고 문 헌 45Abstract 46감사의 글 47
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