KR100417116B1 - 철도차량의 와이퍼 전원공급장치 - Google Patents

철도차량의 와이퍼 전원공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기구동 방식의 와이퍼 시스템에 전원을 공급하기 위한 철도차량의 와이퍼 전원공급장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 장치는, 소정 주파수의 PWM신호를 발생하기 위한 PWM 발생기; 일차측 권선에 직류전원이 연결되고 이차측 권선으로 전압을 유기하기 위한 변압기; 변압기의 일차측 권선에 연결되어 PWM신호에 따라 온/오프되어 직류전원을 스위칭하는 스위칭소자; 및 변압기의 이차측 권선에 유기된 교류전압을 정류하여 직류전압을 제공하는 적어도 하나 이상의 정류기로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따르면 철도차량의 와이퍼 시스템에 요구되는 전원을 안정되게 공급함으로써 와이퍼의 동작 성능을 향상시키고 전력을 절감할 수 있으며, 특히 10 KHz 이상의 주파수에서 동작시킬 경우 정교한 출력 파형을 얻을 수 있다. 더욱이 효율적인 방열 설계로 동작 가능한 온도범위를 넓힐 수 있고, 전자파 장애에 대처할 수 있도록 되어 있다.

Description

철도차량의 와이퍼 전원공급장치{A power supply of wiper for a railway vehicle}
본 발명은 철도차량의 와이퍼 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기구동 방식의 와이퍼 시스템에 전원을 공급하기 위한 철도차량의 와이퍼 전원공급장치에 관한 것이다.
일반적으로, 철도차량의 운전실에는 와이퍼 시스템이 구비되어 운전실의 전면에 위치된 유리창을 닦을 수 있도록 되어 있다. 이러한 와이퍼 시스템은 와이퍼를 작동시키는 동력에 따라 공압식과 전기식으로 구분되는데, 전기식 와이퍼는 구동모터에 의해 와이퍼를 작동할 수 있도록 되어 있다. 그리고 와이퍼의 작동속도는 구동모터에 인가된 전압의 크기에 따라 달라지므로, 통상 직류전원을 사용하는 전동차량에서 종래의 와이퍼 전원공급장치는 저항기를 이용하여 강제적으로 다양한 전압을 생성한 후 운전자의 조작에 따라 해당 전압을 인가하여 구동모터를 작동시키도록 되어 있다. 예컨대, 하이(HI), 미들(MID), 로우(LOW)로 구분된 3단의 전압을 제공하여 속도를 3단으로 제어하였다.
그런데 이와 같이 저항기를 이용하여 와어퍼 구동용 전압을 생성할 경우에 저항기에서 발생되는 열에 의해 에너지 손실이 발생하게 되고, 전자파 장애를 일으키며, 장비의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 철도차량의 주전원인 직류(DC) 전원을 교류(AC)화한 후 다시 직류(DC)로 정류하여 안정적으로 와이퍼 구동전원을 제공할 수 있는 철도차량의 와이퍼 전원공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 철도차량의 와이퍼 시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 전원공급장치의 구성을 도시한 블럭도,
도 3은 도 2에 도시된 PWM 발생기의 세부 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 전원공급장치의 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 전원공급장치에 사용되는 방열판의 예,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 전원공급장치의 동작 파형도.
☞도면의 주요부분에 대한 부호의 설명☜
110: 전원공급장치 111: 레귤레이터
112: PWM 발생기 113: 스위칭소자
114: 변압기 115,116: 정류기
120: 와이퍼 스위치 130: 와이퍼 구동모터
140: 와이퍼 구동메커니즘
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 철도차량의 와이퍼 구동모터에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치에 있어서, 소정 주파수의 PWM신호를 발생하기 위한 PWM 발생기; 일차측 권선에 직류전원이 연결되고 이차측 권선으로 전압을 유기하기 위한 변압기; 상기 변압기의 일차측 권선에 연결되어 상기 PWM신호에 따라 온/오프되어 상기 직류전원을 스위칭하는 스위칭소자; 및 상기 변압기의 이차측 권선에 유기된 교류전압을 정류하여 직류전압을 제공하는 적어도 하나 이상의 정류기로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 철도차량의 와이퍼 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명이 적용되는 와이퍼 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 직류전원을입력받아 교류전원으로 변환한 후 다시 다양한 직류전원을 제공하는 와이퍼 전원공급장치(110)와, 운전자의 조작에 따라 선택된 전압을 와이퍼 구동모터(130)에 인가하기 위한 와이퍼 스위치(120), 와이퍼 스위치를 통해 연결된 직류전원에 의해 동작하는 와이퍼 구동모터(130), 와이퍼 구동모터(130)의 회전에 따라 와이퍼 블레이드를 왕복시켜 유리창을 닦는 와이퍼 구동 메커니즘(140)으로 구성된다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 통상 와이퍼 시스템에는 와셔 액을 분출하기 위한 와셔 시스템이 포함되는데, 와셔 시스템은 와셔 스위치와, 와셔 스위치를 통해 전원이 연결되면 작동하는 와셔 펌프 모터와 와셔 펌프의 작동에 따라 와셔 액을 분출하는 와셔 액 분출 메커니즘으로 구성된다.
도 1을 참조하면, 와이퍼 구동모터(130)는 와이퍼 오프(OFF)시 구동상태에 따라 회로를 개폐시켜 일정 위치에서 정지시켜주는 캠플레이트 스위치를 포함하고 있고, 와이퍼 스위치(120)의 조작에 따라 오프(OFF), 고속(HI), 혹은 저속(LOW)으로 와이퍼 구동 메커니즘(140)을 구동하여 와이퍼 블레이드로 유리창을 닦게 한다. 본 발명의 실시예에서는 고속(HI)과 저속(LOW) 2단으로만 설명하였으나 고속, 중속, 저속 등 3단으로 할 수도 있고, 4단 이상으로 할 수도 있다. 또한 도면에는 도시되지 않았으나 와셔 펌프모터는 와셔 스위치가 온되면, 와셔액 분출 메커니즘을 통해 와셔 액을 유리창에 분출하여 와이퍼 작업시 유리창이 깨끗하게 닦일 수 있게 한다.
이와 같은 와이퍼 시스템에서 와이퍼 구동모터에 요구되는 전원을 공급하기 위한 본 발명의 와이퍼 전원공급장치(110)는 도 2에 도시된 바와 같이,레귤레이터(111)와, PMW발생기(112), 스위칭소자(113), 변압기(114), 정류기(115,116)로 구성된다.
도 2를 참조하면, 레귤레이터(111)는 철도차량에서 사용되는 직류(DC) 전원을 입력받아 회로소자에서 요구되는 안정된 직류전압을 제공하고, PWM발생기(112)는 스위칭 소자(113)를 제어하기 위한 PWM신호를 발생하며, 스위칭 소자(113)는 PWM발생기(112)의 제어신호에 따라 직류(DC) 전원을 스위칭하여 변압기(114)의 2차측에 교류전압을 유기시킨다. 변압기(114)의 2차측에 유기된 교류전압은 권선비에 의해 그 크기를 가변할 수 있고, 정류기(115,116)는 변압기(114)의 2차측에 유기된 교류전압을 다시 정류하여 와이퍼 구동모터에서 필요로하는 직류전압을 제공한다. 본 발명의 실시예에서 변압기의 2차측에서는 2개의 교류전압이 유기되고, 정류기(115,116)에 의해 각각 정류된 후 서로 다른 2개의 직류전압을 제공한다. 2개의 전압중 높은 전압이 하이(HI)단자로 출력되어 와이퍼의 구동속도를 상대적으로 빠르게 하고, 낮은 전압은 로우(LOW)단자로 출력된다. 본 발명의 실시예에서는 하이(HI)와 로우(LOW) 2단계의 속도만을 설명하였으나 변압기(114)의 2차측에 3개의 교류전압을 유기시켜 하이(HI), 미들(MID), 로우(LOW) 3단으로 속도를 제어할 수도 있다. 그리고 필요에 따라 교류를 그대로 출력하여 사용할 수도 있다.
이와 같이 직류를 교류로 변환하는 인버터는 구형파 인버터와 PWM 인버터가 있으나 구형파 인버터는 정교한 사인파의 생성이 불가능하므로 본 발명에서는 PWM인버터를 사용하여 정교한 사인파를 생성한다. 그리고 이와 같은 PWM 인버터 기능을 위해 PWM신호를 발생하는 PWM 발생기(112)는 도 3에 도시된 바와 같이, 사인파를 발생하는 사인파 발생기(301)와 삼각파를 발생하는 삼각파발생기(302), 사인파와 삼각파를 비교하여 PWM신호를 발생하는 비교기(303), 및 비교기(303)의 출력을 위상 시프트하고 증폭하는 쉬프트 증폭기(304)로 구성된다.
도 3을 참조하면, 사인파 발생기(301)는 정현파(sine)를 발생하는데, 외부의 가변저항을 이용하여 주파수를 가변할 수 있다. 삼각파 발생기(302)는 PWM신호를 발생하기 위하여 삼각파를 발생하고, 비교기(303)와 쉬프트 증폭기(304)는 사인파와 삼각파를 비교하여 PWM신호를 발생한다. 이때 쉬프트 증폭기(304)에 의해 필요시 위상을 조정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전원공급장치의 회로도이다.
본 발명에 따라 와이퍼 구동모터에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치의 일 실시예는 변압기(404)의 일차측이 중간탭에 직류전원(V1)이 연결되는 2개의 권선으로 되어 있고, 변압기(404)의 2차측에 중간탭이 접지로 연결되어 있는 2개의 권선으로 되어 있다.
그리고 변압기(404)의 일차측 각 권선에는 스위칭 소자(Q1,Q2)를 거쳐 접지와 연결되어 있고, 각 스위칭 소자(Q1,Q2)는 게이트가 PWM 발생기(402)에 연결되어 PWM 신호에 따라 온/오프된다. PWM 발생기(402)는 레귤레이터에 의해 생성된 안정된 V2 전원으로 동작하며, 가변저항(VR1)을 통해 주파수를 조절할 수 있도록 되어 있다.
변압기(404)의 2차측 각 권선에는 스위칭 소자의 온/오프에 의해 교류전압이 유기되고, 이 교류전압은 각 정류기(406,407)에 의해 정류되어 직류전압을 제공한다. 여기서, 정류기(406,407)는 다이오드(D1,D2)와 평활 커패시터, 저항등의 회로소자로 구현된다.
한편, 각 스위칭 소자(Q1,Q2)는 FET나 IGBT 등 전력반도체 소자로 구현되고, 내부에 다이오드가 구현되어 있으며, 회로소자를 보호하기 위하여 바리스터(TN1,TN2)가 병렬로 연결되어 있다. 그리고 스위칭 소자(Q1,Q2)는 동작시에 열이 많이 발생하므로 안정된 동작을 위해 도 5에 도시된 바와 같은 방열판에 부착하여 사용한다.
도 5를 참조하면, 스위칭 소자(502)는 방열판(504)에 밀착되어 설치되어 있고, 방열판(504)은 방열효과를 증가시키기 위해 날개판(506)이 다수 설치되어 있다. 따라서 본 발명의 장치는 대략 -55℃~+150℃에 이르는 넓은 온도범위에서 안정되게 동작할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 전원공급장치의 동작 파형도로서, 도 6은 1Khz 주파수 인가시 파형이고, 도 7은 10KHz 인가시 파형이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상측은 PWM신호를 만들기 위하여 입력측에 들어가는 삼각파를 보여주고, 하측은 출력 정현파를 보여준다.
PWM주파수를 가변한 주파수별 출력 파형을 비교해 보면, 1KHz로 하였을 경우 출력이 불완전한 정현파를 하고 있으나, 10KHz로 할 경우에는 출력이 어느 정도 안정된 정현파(sine) 형상을 하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 완전한 정현파를 구현하기 위해서는 10KHz 이상의 적정한 스위칭 주파수가 요구되는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 철도차량의 와이퍼 시스템에 요구되는 전원을 안정되게 공급함으로써 와이퍼의 동작 성능을 향상시키고 전력을 절감할 수 있으며, 특히 10 KHz 이상의 주파수에서 동작시킬 경우 정교한 출력 파형을 얻을 수 있다. 더욱이 효율적인 방열 설계로 동작 가능한 온도범위를 넓힐 수 있고, 전자파 장애에 대처할 수 있도록 되어 있다.

Claims (3)

  1. 철도차량의 와이퍼 구동모터에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치에 있어서,
    소정 주파수의 PWM신호를 발생하기 위한 PWM 발생기;
    일차측 권선에 직류전원이 연결되고 이차측 권선으로 전압을 유기하기 위한 변압기;
    상기 변압기의 일차측 권선에 연결되어 상기 PWM신호에 따라 온/오프되어 상기 직류전원을 스위칭하는 스위칭소자; 및
    상기 변압기의 이차측 권선에 유기된 교류전압을 정류하여 직류전압을 제공하는 적어도 하나 이상의 정류기로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량의 와이퍼 전원공급장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PWM발생기는,
    사인파를 발생하기 위한 사인파 발생기와, 삼각파를 발생하기 위하 삼각파 발생기와, 상기 사인파 발생기의 사인파와 상기 삼각파 발생기의 삼각파를 비교하여 PWM신호를 발생하는 비교기와, 상기 비교기의 출력을 증폭 및 위상 시프트하기 위한 시프트 증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량의 와이퍼 전원공급장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭소자는 FET나 IGBT로 구현되고, 날개가 달린 방열판에 설치되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 와이퍼 전원공급장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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