| 3차년도 |
○ 컨버터 일체형 경량 반도체 변압기 및 영구자석 동기전동기 현차시험용 시제품 제작 및 단품시험
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○ 1세부 - 주관연구기관(한국철도기술연구원): 1) 철도차량 운영기관 전문가 자문 추진 2) 철도차량 운영기관 요구조건 검토 3) 운영기관 및 산업계, 학계 의견이 반영된 요구사양 도출 및 인터페이스 사양 검토 4) 참여기관 인터페이스분석에 따른 요구사양 구현 방안 설정 5) 수요처 의견을 반영한 실차적용 반도체변압기 신뢰성 관리계획 수립 - 공동연구기관(㈜효성): 1) 최신 기술동향 및 적용사례 조사 (1) 도시철도차량용 컨버터 일체형 주변압기 관련 선행기술 조사 및 분석 (2) 관련 논문, 특허, 제품 기술 세부 분석 (3) 기존 도시철도차량 변압기 사양 및 성능평가지표에 따른 반도체변압기 사양 정립 2) 핵심요소기술 분석 및 방식 선정 연구 (1) Topology 구성별 특성 분석 (2) 도시철도차량에 적합한 반도체변압기 전력변환회로 설계 (3) 핵심 요소기술에 따른 특성 비교 분석 및 참여기관간 추진방향 설정 (4) 전력변환 토폴로지 설정에 다른 시스템 제어전략 수립 3) 기본설계 검토 및 proto 설계안 도출 (1) 전력변환 모듈/제어기 기본 설계 (2) 제어 알고리즘 및 해석 모델 구축 (3) 특성 해석 및 성능 분석 (4) AC/DC 모듈컨버터 직렬구조 및 절연형 DC/DC컨버터 병렬구조 설계안 구축 (5) 절연 및 배선/인터페이스 요구사항 검토 및 분석 (6) 패키징 시스템 기본 설계 (7) 절연/차폐 최적화 연구 (8) Proto 설계안 도출 - 공동연구기관(㈜브이씨텍) 1) 적용 대상 전동차의 운영 요구조건에 맞는 개발요소 분석 (1) 적용 대상 차량에 따른 요구 사양 확인 (2) 용량 및 요구사양서 도출 2) 모듈 하드웨어 성능 기본설계안 및 최적화 기술 검토 (1) 해석 및 기술검토를 통한 시스템 최적화 (2) 시스템 성능 확보를 위한 시스템 요구 성능 예측 (3) 시스템 인터페이스 회로도면 작성 (4) 주요 구성부 상세 설계, 단위부품 선정 및 구매/발주 - 공동연구기관(국제전기㈜) 1) 자료 조사 (1) 관련규격검토 (2) 요구사양서 검토 2) 기본 설계 (1) 전기 및 구조도면 설계 (2) 3D 모델링작업 3) 부품 검토 및 선정 4) 기본설계 단계 신뢰성 검증 ○ 2세부 - 협동연구기관(한국철도기술연구원): 1) 도시철도용 경량 고효율 전동기 추진시스템 요구사양 및 인터페이스 사항 도출 (1) 철도차량 운영기관 전문가 자문 추진 (2) 철도차량 운영기관 요구조건 검토 (3) 운영처 및 산업계, 학계 의견이 반영된 요구사양 도출 및 차량인터페이스 사양 검토 (4) 수요처 의견을 반영한 실차적용 추진시스템 신뢰성 관리계획 수립 2) 전동기 해석 및 최적화 기법 연구 (1) 극상수, 권선법, 고정자 및 회전자 크기, 자석 배치 등 기본제한 조건 결정을 위한 전동기 해석 결과 확보 (2) 상세설계 단계를 위한 해석 및 최적화 방안 연구 - 공동연구기관(현대로템(주)): 1) 요구사양 도출 (1) 적용 대상 전동기 및 추진제어장치 용량산정 (2) 용량 계산서 2) 기본설계안 도출 (1) 견인전동기 기본설계 검토 (2) 견인전동기 기본설계안 도출 (3) 추진제어장치 기본설계 검토 (4) 추진제어장치 기본설계안 도출 - 공동연구기관((주)맥시스): 1) 동기전동기 1차 시제품 기본설계의 제작공정 개발 (1) 회전자 자석배열의 조립 구조 검토 (2) 냉각에 따른 동기전동기 내부구조의 서브 조립단계 구분 (3) 동기전동기 총조립 공정 검토 (4) 회전자, 고정자 제작 지그 설계 2) 동기전동기용 회전자, 고정자 제작 지그 부품제작 - 공동연구기관((주)브이씨텍): 1) 영구자석 동기전동기 추진 인버터 설계 요구 조건 도출 (1) 요구사양 검토 및 확정 (2) 신뢰성 확보를 위한 시험절차 및 기준서 작성 2) 영구자석 동기전동기 추진 인버터 제어기 및 기타 PCB 설계도면 작성 (1) 제어기 하드웨어 요구사양 검토 (2) 주 제어기 및 각종 보드류 설계도면작성 (3) PCB A/W 및 초도품 제작 3) 영구자석 동기전동기 추진 인버터 설계
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
○ 기술적 측면 - 첨단 기술을 접목한 고효율, 고안정성으로 차별화된 추진시스템 핵심기술 확보 - 철도차량의 핵심 부품인 추진시스템 기술개발 기획으로 철도분야 수출경쟁력을 향상시키기 위한 핵심 기술 확보 및 국가 기술 경쟁력 확보 전략 수립 - 10량 1편성 기준, 기존의 주변압기/컨버터/인버터/전동기로 구성된 추진시스템 대비 약 10톤을 절감할 수 있을 것으로 기대되며, 철도차량 축중 감소에 따른 차량(차륜, 베어링 등)/인프라(궤도, 노반 등) 유지보수성이 향상될 것으로 기대 - 컨버터 일체형 주변압기에 의해 기존 주변압기를 대체 하여 경량화 된 차량 및 전력시스템 구성이 가능. 선진국 주도의 주변압기 기술 종속 탈피 및 독자적 기술 확보 가능
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적ㆍ산업적 측면 - 반도체변압기 및 영구자석 동기전동기 적용시, 도시철도 운영기관에서 사용하는 전체 전력량의 최대 약 3.6% 수준의 절감 효과를 가져올 것으로 기대(‘15년 기준) * 금액으로 환산시 최대 약 120억원 수준의 전기세 절감 가능 - 컨버터 일체형 경량 반도체변압기는 기존 주변압기 대비 가볍고, 유지보수성이 우수하며, 비상운전 가능 등 기술적 우위를 갖는 선진적 기술로서, 향후 확보된 기술을 기초로 해외진출 추진이 가능할 것으로 기대 - 전동기의 자기회로 최적 설계법/최적 권선법과 관련된 연구를 통해 핵심설계 기술을 확보 가능할 것으로 기대되며, 확보된 핵심기술의 변형 등을 통해 타 산업에서도 활용이 가능할 것으로 예상됨○ 사회적 측면 - 고속철도/일반철도/도시철도 등 철도차량 공통의 핵심기술 개발로 철도차량의 운행 안정성 향상 위한 기술대안 확보 및 철도교통 서비스 경쟁력 확보 - 영구자석 동기전동기 및 인버터 추진시스템을 철도차량에 적용시 전력변환 회로의 고장에 의한 추진시스템 안전성이 증대되며 고주파 노이즈 저감에 의한 소음 및 진동 저감 가능
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| 활용방안 |
○ ‘21년 이후 도시철도 운영기관의 노후차량 대체를 위해 연간 200량 규모의 도시철도차량 발주가 예상되는 바, 신규 차량 적용 시 정부에서 추진 중인 온실가스 저감 목표 달성에 기여 가능○ 반도체변압기, 영구자석 동기전동기 최적 설계ㆍ제작 기술 확보 및 성능검증 경험을 바탕으로 국내 시장을 넘어 해외로 진출할 수 있는 수준의 기술경쟁력 확보○ 전기에너지가 동력원인 추진시스템을 사용하는 철도 외 타산업에도 일부 변형 등을 통해 활용 가능○ 기존 차량의 견인전동기 교체 수요 발생시, 본 과제 성과물(견인전동기)의 인터페이스 변경 등을 통해 대응이 가능○ 철도차량 제작업체 및 부품제작업체 등 기술 수요처에 기술 이전을 통한 수출 경쟁력 확보○ 용량 증대 연구를 통한 고속철도 및 전기기관차 등에 적용하므로서 철도선진국 수준의 철도차량 추진기술 확보
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