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과제기본정보

도시철도차량 내부전원 안정화를 위한 고효율/고신뢰성 CMSB 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 21TBIP-C160864-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 화학공정 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 통신 | None | None 과제유형 개발
과제명 도시철도차량 내부전원 안정화를 위한 고효율/고신뢰성 CMSB 개발
주관연구기관 (주)이건산전
총괄연구 책임자 성명 강태규
소속 (주)이건산전 직위 부장
전화번호 031-534-2876 FAX 031-534-2879
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 200,000,000 13,333,333 120,000,000 133,333,333 333,333,333
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 [도시철도차량 내부전원 안전화를 위한 고효율/고신뢰성 CMSB 시스템 개발]
1. 내부전원 고조파 저감을 위한 CMSB용 고신뢰성 전력변환 토폴로지 및 제어기 개발
2. CMSB용 고효율 영구자석동기전동기 적용 및 제어기술 개발
3. 현차시험을 통한 신뢰성 검증

[시장니즈]
○ 철도차량 제작사와 운영사의 니즈를 반영한 CMSB 성능개선 요구
- 철도차량 제작사(수요처)에서 선형부하 측성을 갖는 CMSB를 요구하고 있으며, 기술 적용을 통한 요구사항 달성이 확실하게 예측됨에 따라 빠른 연구개발을 통한 당면한 문제 해결
- 보조전원장치와 연결된 비선형 부하(다이오드정류기)는 보조전원장치 출력전압 왜곡을 악화시키며, 보조전원장치 부하 중 CMSB는 용량이 매우 크며 다이오드 정류기를 사용하기 때문에 출력전압 왜곡에 큰 영향을 줌. 특히 최근 적용되고 있는 공진형 보조전원장치는 출력단 임피던스가 낮아 비선형 부하로 인한 출력전압 왜곡에 더욱 취약한 형태임
- CMSB의 비선형부하 특성을 보조전원장치가 감당하기 위해서는 매우 큰 출력필터(인덕터) 설치가 필요하며, 보조전원장치 제작비용증가, 차량무게증가로 인한 소비에너지 증가 등 철도차량 제작사와 운영사 모두 해당 문제에 대한 고심 중
- 사례1: D사의 서울2호선 24량 공진형 보조전원장치 적용 차량 문제 발생
- 사례2: W사의 5,7호선 336량 공진형 보조전원장치 적용 차량 문제 발생
○ 비엔나 정류기 적용으로 인한 CMSB의 낮아지는 신뢰성 개선 필요
- 다이오드 정류기가 적용된 CMSB와 비교하여 비엔나 정류기가 적용된 CMSB는 낮은 신뢰성을 갖기 때문에 기술이전 특허인 고장진단 및 허용제어 기술을 적용하여 CMSB의 신뢰성을 확보하는 연구가 필요
- 비엔나 정류기의 허용제어기술은 현재 연구실 수준의 실험장치를 통해 성능만 검증된 기술로 CMSB에 적합하도록 기술 최적화가 필요함
○ CMSB 소형화 및 영구자석동기전동기 적용을 통한 효율 향상 필요
- CMSB에 영구자석동기전동기를 적용하기 위해서는 기존 유도전동기 제어방법을 그대로 적용할 수 없어 영구자석동기전동기 구동을 위한 추가적인 연구가 필요하며, 연구내용에 있어 비용절감을 위해 최소한의 센서를 적용한 CMSB용 영구자석동기전동기 구동 기술 개발이 필요함
- CMSB 내부 구성이 변경되는 만큼 내부 모듈 설계부터 외함설계까지 소형화를 위한 연구가 필요함
최종목표 ○ 최종목표: 도시철도차량 내부전원 안전화를 위한 고효율/고신뢰성 CMSB 시스템 개발

○ 1단계 개발 목표: 비엔나 정류기와 영구자석동기전동기를 적용한 CMSB 제작 및 성능시험
- 주관연구기관(이건산전):
(1차년도): CMSB 사양선정 및 하드웨어 기본설계 완료
(2차년도): CMSB 상세설계/제작 및 조합시험을 통한 성능검증
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):
(1차년도): 철도차량용 신규 CMSB 인증 요구사항 도출
(2차년도): 신규 CMSB 인증시험 방안 및 사양서(안) 작성
- 공동연구기관(단국대학교):
(1차년도): CMSB용 전력변환장치 선정 및 제어알고리즘 개발
(2차년도): CMSB용 제어알고리즘 실험 검증

○ 2간뎨 개발 목표: 신규 CMSB 공인인증시험 및 차량시험
- 주관연구기관(이건산전): (1차년도): CMSB 차량 시험을 통한 신뢰성 확보
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):(1차년도): CMSB 공인인증시험 및 차량시험 지원
- 공동연구기관(단국대학교): (1차년도): CMSB 전력변환장치 고장 허용제어 알고리즘 적용
연구내용 및 범위 1단계 개발 내용 및 범위
- 주관연구기관(이건산전)
(1차년도): 1. CMSB 사양선정
2. CMSB용 고효율 전동기 설계
3. CMSM용 제어기 하드웨어 설계
4. CMSB 성능검증을 위한 시험 장치 설계
5. 데이터 수집 및 분석을 통한 CMSB 동작 프로파일 제시
(2차년도): 1. CMSB용 전력변환장치 상세설계 및 제작
2. CMSB용 고효율전동기 제작
3. CMSB용 제어기 하드웨어 제작
4. CMSB 성능검증을 위한 시험장치 제작
5. CMSB 조합시험을 통한 성능검증6. CMSB 차량탑재 계획 수집
- 공동연구기관(한국철도기술연구원)
(1차년도): 1. 기존 CMSB 인증 요구사항 조사
2. 신규 CMSB 인증 요구사항 도출
(2차년도): 1. 기존 CMSB 인증시험 현황 조사
2. 신규 CMSB 인증시험 방안 및 사양서(안) 작성
- 공동연구기관(단국대학교)
(1차년도): 1. CMSB용 전력변환토폴로지(비엔나 정류기) 분석 및 선정
2. CMSB 전체 제어알고리즘 시뮬레이션 검증
(2차년도): 1. CMSB용 제어기 펌웨어 개발
2. CMSB 제어알고리즘 실험 검증 및 성능시험 지원

2단계 개발 내용 및 범위
- 주관연구기관(이건산전):
(1차년도): 1. CMSB 단품 공인인증시험
2. CMSB 차량 설치 및 데이터 수집
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):
(1차년도): 1. CMSB 공인인증시험 지원
2. CMSB 차량시험 지원
- 공동연구기관(단국대학교):
(1차년도): 1. CMSB 전력변환장치 허용제어 알고리즘 개발
2. CMSB 전력변환장치 허용제어 알고리즘 시험 검증


연구개발과제의 단계별 목표

- (1단계) 비엔나 정류기와 영구자석동기전동기를 적용한 CMSB 제작 및 성능시험
1. CMSB 효율 (전동기제외): > 92 %
2. CMSB의 AC전류 역률 : > 0.99 pf
3. CMSB의 AC전류 전고조파 왜율 : < 5 %
4. 소음 < 60 db
5. CMSB 부피 (전동기제외): 0.261 m3
6. CMSB 무게 (전동기제외): 94.5 kg
- (2단계) CMSB 차량 시험을 통한 신뢰성 확보
1. 반도체 스위치 고장진단 및 허용제어 적용
2. 차량시험: 500 h
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 - 주관연구기관(이건산전):
CMSB 사양선정 및 하드웨어 기본설계 완료
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):
철도차량용 신규 CMSB 인증 요구사항 도출
- 공동연구기관(단국대학교):
CMSB용 전력변환장치 선정 및 제어알고리즘 개발 		- 주관연구기관(이건산전)
1. CMSB 사양선정
2. CMSB용 고효율 전동기 설계
3. CMSM용 제어기 하드웨어 설계
4. CMSB 성능검증을 위한 시험 장치 설계
5. 수집데이터 수집 및 분석을 통한 CMSB 동작 프로파일 제시

- 공동연구기관(한국철도기술연구원)
1. 기존 CMSB 인증 요구사항 조사
2. 신규 CMSB 인증 요구사항 도출

- 공동연구기관(단국대학교)
1. CMSB용 전력변환토폴로지(비엔나 정류기) 분석 및 선정
2. CMSB 전체 제어알고리즘 시뮬레이션 검증
연구성과 기술적 기대성과 ○ 철도차량의 안전에 가장 핵심적인 제동에 필요한 압축공기를 생성하는 장치인 CMSB의 선도기술을 보유한다는 것은, 철도차량의 안전에 기여할 수 있는 핵심기술을 보유
○ 고성능, 고효율, 저손실을 구현한 CMSB의 설계 및 제작기술을 보유한다는 것은 삼상모터를 구동하는 산업용 인버터 또는 소각장, 제철소등에 사용되는 전기로용 인버터의 설계 제작에 연구개발성과를 활용함으로, 대전력을 사용하는 산업의 전력설비 안정화, 효율 향상, 에너지 비용감소로 인하여 산업전반에 걸친 비용감소 기대
○ 고성능, 고효율, 저손실을 구현한 철도차량 CMSB를 사용함으로 CMSB의 안정화, 내구성 상승, 유지보수 비용 절감, 철도차량 운영비용의 감소를 기대
○ 철도차량의 보조전원장치(SIV)의 왜율 상승 및 부하량 개선으로 보조전원장치의 경량화 및 안정화 기대
○ 보조전원장치의 안정화로 인하여 보조전원장치의 전원을 사용하는 철도차량의 각종 제어장치 및 표시기, 등화장치, 냉난방장치 등의 안정화 및 내구성 향상 기대
○ 보조전원장치의 안정화로 인하여 보조전원장치의 전원을 사용하는 철도차량의 각종 제어장치 및 표시기, 등화장치, 냉난방장치 등의 안정화 및 내구성 향상 기대
사회 경제적 파급효과 ○ 철도차량 보조전원장치 기술과 시너지효과 기대
- 경량화/소형화 장점을 갖는 공진형 보조전원장치에서 발생할 수 있는 문제를 CMSB가 상호 보완적으로 해결함에 따라 국내/외 철도차량 보조전원장치 시장에 보조전원장치 전장품 업체와 패키지형태의 납품과 판매가 가능함
활용방안 ○ 고성능, 고효율, 저손실을 구현한 CMSB의 설계, 제작 전문업체로 성장 할 수 있는 계기를 마련함으로 CMSB 기술선도 기업 및 타 산업 분야의 신규 시장을 지속적으로 개척하여 매출신장과 강소 중소기업이 될 수 있는 계기
○ 연구개발 성과를 활용하여 철도차량외 산업용 인버터 등 타 산업계로의 인버터 제작 납품
○ 운영중인 전동차의 유지보수품 적용 제안 및 납품
○ 신조전동차에 적용 제안 및 납품
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 공기압축기 모터제어박스 비엔나정류기 정류기 신뢰성 공기압축기
영문 CMSB(compressor motor starting box) Vienna Rectifier Rectifier Reliability CM(compressor motor)
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