오효석
(Hyo-Seok Oh)
1iD
박태용
(Tae-Yong Park)
1
최용은
(Yong-Eun Choi)
1
김재문
(Jae-Moon Kim)
†iD
-
(Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation,
Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
High-speed railway vehicles, propulsion control system, control card, tripod unbalance, fault detection
1. 서 론
고속철도(KTX)가 개통되고, 이후 국내 기술로 개발된 KTX-산천이 2010년 3월에 운행을 시작하였다. 열차를 고속 운행시키기 위해서는 속력에
적합한 형태로 차량의 무게와 형상을 설계해야 하며, 이에 적합한 추진력을 확보해야한다. KTX 차량의 동력을 담당하는 추진제어장치는 양쪽 끝의 동력차
및 동력 객차에 장착되어 있으며, 2개의 견인전동기와 유닛으로 구성된다(1)(2).
최근 3년간 고속철도차량의 고장 분석결과 추진제어장치 차단이 2020년 615건, 2021년 584건, 2022년 604건이 발생되었으며, 이 중에서
2020년 제어카드 고장 및 오류가 30[%]를 차지하였으나, 제어카드의 고장 수리 시 육안으로 고장을 판별하기 어려운 실정이다. 또한 제어카드의
유지보수는 부적합 카드가 판별되지 않으면 의심되는 제어카드를 다른 추진제어장치의 제어카드와 교체 후 추적 및 관리를 위해 모니터링을 실시한다. 고속철도차량
추진제어장치의 제어카드 고장이 높은 비율을 차지하고 있으나, 제어카드에 대한 주기검수 항목은 필터 교환만 명시되어있다. 또한, 실제 고장이 아닌 제어카드의
오검지로 인해 고장으로 판단되어 열차운행에 영향을 미쳐 고객 불편을 초래하고 경우가 존재한다. 이러한 문제를 탈피하기 위해 제어카드의 개선이 반드시
필요하다.
본 논문에서는 운행 중 발생하는 추진제어장치의 고장 중 트리포드에 발생하는 제어카드 오류로 인한 고장 검지 원인을 분석하였다. 또한, 제어카드 고장
검지에 대한 신뢰성을 높이기 위해 제어카드 회로를 개선하여 현차 시험에 적용하였다.
2. 고속철도차량 추진제어장치
그림 1은 추진제어장치의 구조로 견인력을 담당하는 동력장치이며, 양측 동력객차 및 동력차에 탑재되어있다. 1개의 추진제어장치는 2개의 견인전동기와 유닛으로
구성되며, 편성당 총 6개(각 동력차에 2개, 각 동력객차에 1개)가 있어 설계상 2개의 추진제어장치 차단 시에도 정시운전이 가능하다. 추진제어장치의
주요장치로는 역률개선장치, 견인 컨버터, 평활 리액터, 견인 인버터, 여자 초퍼, 제동 초퍼 등이 있다(3)(4).
그림 1 추진제어장치 회로
Fig. 1 Propulsion control circuit
한편 추진제어장치 제어카드는 MCU(Micro Controller Unit)를 갖춘 9개의 카드와 냉각송풍을 담당하는 기타 카드들로 구성되어 있다.
각 MCU들은 이중계로 구성된 CAN 통신으로 내부 네트워트로 연결되어있으며, 제어카드들은 제어 기능 외에도 해당 장치 보호를 위해 고장 검지 및
처리를 한다. 제어카드들은 담당장치의 상태를 지속적으로 확인하고, 변화에 따라 열차 상태를 판별하고, 제어를 수행하도록 한다(5). 그러나, 고속철도차량의 제어카드는 장기간 사용으로 인한 납땜 균열, 산화, 전도성 분진 및 성능부족 등의 문제로 고속철도차량 운행 중 서비스
고장이 빈번히 발생하고 있다. 그 중 추진제어장치 제어카드의 고장 및 오류로 인해 열차 운행에 미치는 영향이 매우 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해
신뢰성 높은 제어카드 설계 및 유지보수가 요구된다.
3. 추진제어장치 고장 오검지 사례
3.1 동력전달장치
동력전달장치는 열차의 전후 동력차와 동력객차에 위치하며, 한 편성당 6대가 설치되며, 2쌍의 감속구동장치로 구성된다. 감속구동장치는 그림 2와 같이 회전력을 발생하는 구동모터, 1차/2차 감속장치와 감속장치를 연결해 주는 트리포드 축 등으로 구성된다. 고속철도차량은 짧은 역간 거리와 급
곡선구간에서 잦은 가감속으로 인해 감속구동장치 및 트리포드와 같은 내부 구성품의 수명이 단축된다.
그림 2 고속철도차량 동력전달장치 구조
Fig. 2 Structure of power transmission system for high-speed railway vehicle
트리포드(Tripod)는 한 편성당 12개가 설치되고, 동력전달장치의 모터 감속장치(MRU, Motor Reduction Unit)와 차축기어감속장치(ARU,
Axle Reduction Unit) 사이에 조립되어 구동토크와 제동토크를 전달한다. 열차의 비상제동 시 트리포드 축에 상용제동 때보다 큰 15[kN]의
제동력이 전달된다. 견인력과 제동력의 균형이 어긋나면 트리포드에 부착된 불균형 센서에 의해 공압 제동을 제어하고 전기적 신호로 인해 견인전동기를 제어하게
된다. 그러나 트리포드 축에 과토크가 전달되면 추진제어창치 등을 보호하기 위해 주축의 퓨즈부가 단락되어 동력이 차단된다.
그림 3은 트리포드 축의 구조로 2개의 카르단 조인트 및 본체로 구성되어 있다. 열차에 사용된 트리포드 축은 크게 1차 감속장치에 결합되는 미끄럼 조인트
부, 2차 감속장치에 결합되는 고정 조인트 부로 나눌 수 있다. 동력은 감속기를 거쳐 트리포드 입력기어, 조립체, 출력기어 및 차축 순으로 전달되어
열차의 추진력 및 제동력이 가해진다. 이 과정에서 동력전달장치 축은 차체와 대차의 상대운동 및 변위가 발생하며, 이 문제를 해결하기 위한 동력전달
축이 트리포드이다. 트리포드는 양단 조인트를 통해 1차 감속기와 2차 감속기의 전달방향이 일치하지않은 경우에도 회전이 가능하다. 또한 트리포드는 축
방향으로 움직임이 자유로우므로, 대차와 차체의 상대 변위차가 발생하더라도 회전력을 수용할 수 있다. 따라서 동력전달과정은 견인전동기 → 1차 감속장치
→ 트리포드 → 2차 감속장치→ 윤축 → 차륜으로 연결되어 차량에 추진력 혹은 견인력을 전달하게 된다.
그림 3 트리포드 축 구조
Fig. 3 Tripod axle structure
트리포드 축은 전동기의 회전력을 차륜에 부드럽게 전달하며, 선로와 차륜사이의 진동과 충격을 전동기에 전달되지 못하도록 하여 고속열차용 전동기를 보다
효율적으로 사용할 수 있도록 한다. 따라서 운행 중 트리포드 불균형 검지 시 승객의 안전을 위하여 40[km/h] 또는 80[km/h] 이하로 운행하도록
제한하게 된다.
3.2 트리포드 불균형 오검지
그림 4는 트리포드 불균형 고장 처리 블록도로, ESB3 카드는 트리포드의 상태를 검지하는 카드이다. 검지된 데이터는 ESB3 회로와 ESL3 카드를 거쳐
ESL2 카드로 전달된다. 이 후 ESL2 카드는 트리포드 불균형을 판단하고 출력값을 ESB2 카드로 전달한다. 또한 ESL3 카드를 통해 차량속도가
10[km/h] 이상일 경우 트리포트의 고장 데이터를 저장 및 카운트하며 트리포드 고장 검지 역할을 수행한다.
그림 4 트리포드 불균형 고장처리 블록도
Fig. 4 Tripod unbalance fault handling block diagram
그림 5 고속철도차량 추진제어장치 제어랙
Fig. 5 High-speed railway vehicle propulsion control rack
그림 5는 트리포드 정상상태에서의 추진제어장치 DIAL 카드 LED 6 적색 점등한 경우로, ESL2에 의한 트리포드 불균형 오검지를 의미한다. 그러나 여분의
ESL2 카드로 교환 시에도 LED 6의 변화가 없음을 확인하였다. 이는 트리포드 상태를 검지하는 ESB3 카드 입력신호 노이즈에 의해 ESL2 카드에서
트리포드 불균형으로 판별했기 때문이다. 본 논문에서 트리포드 불균형이 발생한 차량을 대상으로 현차 시험을 하였다.
4. 제어카드 개선 및 현차시험
4.1 트리포드 불균형 검지 계측시험
그림 6은 트리포드 불균형 검지 분석을 위한 ESB3 카드의 회로 및 계측 포인트이다. 차량 정지상태에서 계측하였으며, 제어카드 정상동작을 위해 가상의 속도
신호를 인가하여 트리포드 불균형 검지 최저동작 전압을 계측하였다. 또한, 견인상태에서 ESB3 카드 입력단에 전압을 인가하여 추진제어장치에서 고장
검지 시 ESB3, ESL3, ESL2, ESB2 카드들의 신호를 계측하였다.
그림 6 트리포드 불균형 계측시험
Fig. 6 Tripod unbalance measurement test
표 1 ESB3 기존 회로 트리포드 불균형 시험 : 8[V] 인가
Table 1 ESB3 existing circuit tripod unbalance test :8[V]
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데이터
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동작전압
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검지 후 전압
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추진제어장치 고장 검지
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0[V]
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5[V]
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ESB3 트리포드 불균형 센서 입력
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8[V]
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7.6[V]
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ESB3 트리포드 불균형 센서 출력
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2.2[V]
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2.6[V]
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ESL3 트리포드 불균형 검지 입력
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2.2[V]
|
2.7[V]
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|
ESL2 트리포드 불균형 검지 출력
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13.7[V]
|
0.9[V]
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|
ESB2 트리포드 불균형 검지 출력
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13.9[V]
|
0.3[V]
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|
가상 차량 속도
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13.87[km/h]
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그림 7 ESB3 기존 회로 트리포드 불균형 시험(8[V]) [x:100ms/div.]
Fig. 7 ESB3 existing circuit tripod unbalance test (8[V])
표 1과 그림 7은 트리포드 불균형 시험결과로 ESB3 카드 입력전압에 따른 출력전압을 나타낸 것이다. ESB3 카드 인가전압을 점차 높여 계측시험을 진행하였으며,
8[V]부터 트리포드 불균형이 검지되었다. 또한 ESL2 출력전압, ESB2 입력전압은 트리포드 불균형을 인지하여 전압이 감소되며, 불균형 검지 후
추진제어장치 고장 검지 신호가 발생되었다. 이는 KTX 운행 시 노이즈성으로 발생될 수 있는 저전압으로 ESB3 제어카드의 트리포드 불균형 검지 입력
전압이 8[V] 이상의 노이즈 발생 시 고장 오검지가 발생할 수 있다는 것을 의미한다.
표 2와 그림 8은 ESB3 제어카드에 30[V]의 전압을 인가한 트리포드 불균형 시험결과로 30[V]의 전압 인가에 따라 ESB3 출력전압, ESL3 입력전압의
변화로 트리포드 불균형이 검지되는 것을 확인할 수 있었다. 8[V] 전압인가 결과와 동일하게 ESL2 출력전압, ESB2 입력전압은 트리포드 불균형을
인지 시 전압이 감소되며, 불균형 검지 후에 추진제어장치 고장검지 신호를 발생하였다.
시험을 통하여 동력을 전달하는 트리포드의 고장 및 파손은 추진제어장치 제어카드 중 트리포드 상태를 검지하는 ESB3 제어카드의 입력 신호 오류로 인하여
오검지를 할 수 있으며, 운행 중 발생하는 8[V] 이상의 노이즈 전압이 원인이 될 수 있다.
표 2 ESB3 기존 회로 트리포드 불균형 시험 : 30[V] 인가
Table 2 ESB3 existing circuit Tripod unbalance test: 30[V]
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데이터
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동작전압
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검지 후 전압
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추진제어장치 고장 검지
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0[V]
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5[V]
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ESB3 트리포드 불균형 센서 입력
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30[V]
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30.4[V]
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|
ESB3 트리포드 불균형 센서 출력
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5.7[V]
|
5.5[V]
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|
ESL3 트리포드 불균형 검지 입력
|
5.6[V]
|
5.9[V]
|
|
ESL2 트리포드 불균형 검지 출력
|
14.2[V]
|
1.0[V]
|
|
ESB2 트리포드 불균형 검지 출력
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14.0[V]
|
0.9[V]
|
|
가상 차량 속도
|
13.67[km/h]
|
그림 8 ESB3 기존 회로 트리포드 불균형 시험(30[V]) [x:100ms/div.]
Fig. 8 ESB3 existing circuit tripod unbalance test (30[V])
4.2 ESB3 제어카드 개선 회로 시뮬레이션
본 논문에서는 노이즈 전압에 의한 트리포드 불균형 오검지 현상 방지를 위해서 ESB3 카드 불균형 검지 동작 입력 최저 전압을 8[V]보다 상승시킬
수 있도록 회로를 개선하였다. 그림 9는 ESB3 제어카드 개선 전, 후 회로로 기존 다이오드와 3.3[kΩ]의 저항으로 연결된 불균형 검지 신호 입력 회로에 제너다이오드와 4.7[kΩ]의
저항으로 변경 후 입력전압을 15[V], 50[V]로 변경하여 시뮬레이션을 수행하였다.
그림 9 ESB3 제어카드 개선 전, 후 시뮬레이션 회로
Fig. 9 Simulation circuit before and after improvement of ESB3 control card
그림 10은 ESB3 제어카드 개선 전, 후 시뮬레이션 결과 그래프로 트리포드 검지 입력전압이 15[V]일 경우 출력전압이 개선 전에는 8[V]로 측정되었으나,
개선 후에는 1[V]가 출력되는 것을 확인하였다. 또한 입력전압이 50[V]의 경우는 개선 전, 후 출력전압에 변화가 없다. 이는 트리포드 불균형
검지 정상 입력신호 범위이므로 정확한 출력전압에 따라 검지 동작이 이루어져야 하기 때문이다.
그림 10 ESB3 제어카드 시뮬레이션 출력 파형
Fig. 10 Simulation output waveform of ESB3 control card
4.3 ESB3 제어카드 개선 회로 현차시험
그림 11은 개선된 ESB3 제어카드 트리포드 불균형 검지 회로로 개전 전 현차시험과 동일하게 차량 정지상태에서 가상의 속도신호를 인가 후 트리포드 불균형
검지 최저 동작 전압을 계측하기 위하여 0[V]부터 트리포드 불균형을 검지 시까지 시험하였다.
그림 11 개선된 ESB3 제어카드 트리포드 불균형 검지 회로
Fig. 11 Improved Tripod unbalanced detection circuit of ESB3
표 3 ESB3 개선 회로 트리포드 불균형 시험 : 24[V] 인가
Table 3 ESB3 improvement circuit tripod unbalance test: 24[V]
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데이터
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동작전압
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검지 후 전압
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추진제어장치 고장 검지
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0[V]
|
5[V]
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ESB3 트리포드 불균형 센서 입력
|
24[V]
|
23.6[V]
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|
ESB3 트리포드 불균형 센서 출력
|
2.4[V]
|
2.4[V]
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|
ESL3 트리포드 불균형 검지 입력
|
2.2[V]
|
2.8[V]
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|
ESL2 트리포드 불균형 검지 출력
|
14.2[V]
|
0.7[V]
|
|
ESB2 트리포드 불균형 검지 출력
|
14.1[V]
|
1.1[V]
|
|
가상 차량 속도
|
13.87[km/h]
|
그림 12 ESB3 개선 회로 트리포드 불균형 시험(24[V])[x:100ms/div.]
Fig. 12 ESB3 improvement circuit tripford unbalance test (24[V])
표 3과 그림 12는 개선품을 적용한 트리포드 불균형 시험 결과로 ESB3, ESL3, ESL2, ESB2 입력전압에 따른 출력전압을 나타낸 것이다. 개선 전에는 ESB3
제어카드에 8[V]의 전압 인가 후 트리포드 불균형이 검지되었으나, 개선된 ESB3 제어카드에서는 0~23[V]까지 트리포드 불균형을 검지하지 못하였다.
ESB3 제어카드는 트리포드 24[V] 입력전압으로 ESL2 출력전압, ESB2 입력전압은 트리포드 불균형을 인지하여 전압이 감소되며, 불균형 검지
후 추진제어장치 고장검지 신호를 발생하게 된다. 따라서 노이즈성으로 발생될 수 있는 전압(0~23[V])에서 ESB3 제어카드의 트리포드 불균형 검지
오류를 제거할 수 있으며, 입력전압이 24[V] 이상의 검지 정상전압으로 트리포드 불균형을 검지할 수 있다는 것을 의미한다.
표 4 ESB3 개선 회로 트리포드 불균형 시험 : 30[V] 인가
Table 4 ESB3 improvement circuit Tripod unbalance test: 30[V]
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데이터
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동작전압
|
검지 후 전압
|
|
추진제어장치 고장 검지
|
0[V]
|
5[V]
|
|
ESB3 트리포드 불균형 센서 입력
|
30[V]
|
30.2[V]
|
|
ESB3 트리포드 불균형 센서 출력
|
3.0[V]
|
3.2[V]
|
|
ESL3 트리포드 불균형 검지 입력
|
3.2[V]
|
3.1[V]
|
|
ESL2 트리포드 불균형 검지 출력
|
14.0[V]
|
0.8[V]
|
|
ESB2 트리포드 불균형 검지 출력
|
13.7[V]
|
1.0[V]
|
|
가상 차량 속도
|
13.87[km/h]
|
그림 13 ESB3 개선 회로 트리포드 불균형 시험(30[V])[x:100ms/div.]
Fig. 13 ESB3 improvement circuit tripod unbalance test (24[V])
표 4와 그림 13은 ESB3 제어카드에 30[V]의 전압을 인가한 트리포드 불균형 시험 결과로 ESB3 제어카드에 30[V]의 전압 인가 후 ESB3 출력전압, ESL3
입력전압의 변화로 트리포드 불균형이 검지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 24[V] 전압인가 결과와 동일하게 ESL2 출력전압, ESB2 입력전압은
트리포드 불균형을 인지하여 전압이 감소되며, 불균형 검지 후에 추진제어장치 고장검지 신호를 발생하였다.
위 시험을 통하여 추진제어장치 제어카드 중 트리포드 불균형을 검지하는 ESB3 제어카드의 개선을 통하여 트리포드 불균형 오검지 발생 수를 감소시킬
수 있다.
5. 결 론
300[km/h] 이상으로 주행하는 고속철도차량은 고속주행을 위해서는 고출력의 동력이 필요하며, 동력을 공급하는 추진제어장치는 매우 중요하다. 고속철도차량의
추진제어장치는 차종별로 출력과 제어방식이 다르지만, 고장으로 인한 영향은 운행에 매우 치명적이다. 추진제어장치의 제어카드는 주기검수 항목에 포함되어
있지 않으며, 수명주기도 없어 고장 발생 시 예비품으로 교체하여 고장 수리를 진행하고 있다. 또한, 열차 운행 중 실제 고장이 아닌 제어카드의 오검지로
인해 열차운행 문제 및 고장률을 높이고 있다. 이 중 트리포드 불균형을 검지한 열차를 대상으로 ESB3 제어카드로 유기되는 저전압 노이즈로 트리포드
불균형을 오검지할 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서는 추진제어장치의 고장 중 제어카드 오검지를 최소화하기 위해 ESB3 제어카드의
회로를 개선하였으며, 제안된 개선 회로를 현차시험에 적용하여 고장 오검지 개선 효과에 대해 검증하였다.
Acknowledgements
본 연구는 2023년도 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 철도차량 스마트 유지보수 기술개발사업 중 ‘철도차량 주요장치 자가상태진단 및 유지보수 지원시스템
개발’ 과제의 지원을 받아 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
References
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of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Annual Conference, pp. 38-46
Journal of KSR, 2005, A Study on the Supply and Quality Management Counterplans for
the KTX Spare Parts
Tae-Yong Park, 2018, A Study on the Maintenance Improvement for KTX motorblock trouble
cause analysis, Ajou University Master's Thesi, pp. 6-22
Ki-Sok KANG, Jin-Kyu KIM, 2009, Action to improve ‘lack of performance' of KTX motor
bloc, Korean Society for Railway conference, pp. 1139-1163
Tae-Yong Park, 2023, A Study on Preventive Maintenance Guidelines for High-Speed Railway
Vehicle Motor Block Control Cards, Korea National University of Transportation
저자소개
2020년 인덕대학교 메카트로닉스공학과 졸업.
2022년 한국교통대학교 교통시스템공학과 졸업(공학석사).
현재 한국교통대학교 교통정책시스템공학과 박사과정
2018 아주대학교 교통-ITS 대학원 졸업(석사).
2023년 한국교통대학교 교통정책시스템공학과 졸업(공학박사) 현재 철도공사 인재개발원 고속차량 교수
2019년 광주대학교 전기전자공학과 졸업.
2022년 한국교통대학교 교통시스템공학과 졸업(공학석사).
현재 한국교통대학교 교통정책시스템공학과 박사과정
2000년 2월 성균관대 일반대학원 전기공학과 졸업(공박).
2000년∼2004년 현대모비스㈜ 기술연구소 선임연구원.
2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문 위원,
2004년 3월∼2012년 2월 한국철도대 철도차량전기과 부교수
2013년 3월∼현재 한국교통대 교통시스템공학과 정교수