| 연구개발개요 |
○ 국내 고속철도 차량의 추진시스템은 AC 25kV 가선전압을 입력으로 하여 강압하는 주변압기, AC전압을 DC전압으로 정류하고 견인전동기를 구동하는 추진제어장치로 구성되어 있음 - 고속철도 차량의 구성부품 가운데 추진시스템은 차량 전체 중량의 약 30%, 차량 설치 기기의 50%의 부피를 차지하고 있으므로 추진시스템의 소형 경량화가 중요 - 25kV/60Hz 입력용 주변압기는 60Hz로 구동 주파수가 낮아 전력변환을 위한 큰 자화 인덕턴스가 요구되므로 불가피하게 크고 무거움 - 기존 동력 분산식 철도차량(HEMU-430X 기준)에 적용되는 4.4MVA 주변압기는 3.7톤, 컨버터는 개당 2.5톤이므로, 주변압기와 컨버터를 포함하는 추진시스템의 전력밀도는 약 0.5 MVA/ton 수준으로 낮음 ○ 기존 고속철도에 사용되는 주변압기는 권선형 유입식 변압기를 사용하므로 여러 근본적인 문제가 존재 - 주변압기는 오일을 이용하여 절연 및 냉각하므로, 정기적인 유지보수 비용 발생, 절연유 오염으로 인한 변압기 수명 단축, 전력 품질 저하, 누유에 의한 환경 문제 등이 있음 - 또한, 4MVA 이상의 대전력, 25kV급 특고압 환경하에 구동하는 주변압기는 단순 수동소자로만 구성되어 있어 절연파괴 및 과전류와 같은 사고상황에서 능동적으로 대처하지 못한다는 단점이 있음○ 해외 철도 선진기업은 반도체 변압기 관련 핵심기술 확보 완료 및 상용화 목표로 연구개발 진행 중임 - ABB, Alstom, Siemens, Bombardier 등 철도 선진기업은 SiC, GaN 등 차세대 전력반도체 소자를 활용하여 반도체 변압기 관련 자체기술을 보유 중임 - 우리나라의 경우, 반도체 변압기 관련한 기술을 지속적으로 개발중에 있으나, 실질적으로 철도차량 환경과 같은 어플리케이션에 적용할 수 있는 상용화 기술 단계까지 도달하지 못함 - 철도차량과 같은 협소한 공간내 설치, 진동 및 절연, 효율 및 유지보수 편의성 등이 모두 고려된 최적 컨버터 일체형과 변압기 적용을 위한 연구 추진 필요○ 철도차량의 주전력 변압기는 분산형 고속철도 시장의 성장과 함께 그 수요가 지속적으로 증가하고 있음 - 세계 고속철도시장은 2021년 112.06억 유로 (약 14.3조원)의 규모로 시장이 빠르게 성장하고 있으며, 기존 유입식 변압기의 단점을 원천적으로 해결한 반도체 변압기의 필요성이 지속적으로 대두되고 있음 - 고속철도차량 추진시스템에 반도체 변압기를 적용하여 철도차량의 경량화 및 고효율화를 달성함으로써, 차량 에너지의 90% 이상을 사용하는 추진시스템의 에너지 효율 향상 및 고속철도의 속도를 추가로 증가시킬 수 있는 장점이 있음
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| 연구내용 및 범위 |
□ 전체 연구내용 ○ 반도체 변압기용 고주파 변압기 기술 개발 - 고주파 변압기 소형 경량화 설계 및 특성 해석 - 고주파 변압기 특고압 절연 및 방열 해석 ○ 컨버터 일체형 전력변환 모듈 제어 및 통합 제어기술 개발 - 반도체 변압기 시스템 설계 및 특성 해석 - 반도체 변압기 모듈 제어기술 개발 - 반도체 변압기 시스템 통합 제어기술 개발 ○ 특고압 절연, 냉각, EMC를 위한 모듈 패키징 기술 개발 - 반도체 변압기 특고압 절연 및 최적 냉각 구조 설계 - 고주파 스위칭 노이즈 및 통신 간섭 EMC 설계 - 고속철도차량 적용 가능한 패키징 기구 설계 ○ 고속철도용 반도체 변압기 시스템 통합 운용 기술 개발 - 고속철도 적용 반도체 변압기 시스템 요구사항 도출 및 최적화 연구 - 반도체 변압기 운영 시퀀스 및 적용 알고리즘 연구 - 반도체 변압기의 차량간 인터페이스 적용 연구 - 고장 시나리오 분석 및 신뢰성 향상 기술 연구□ 연차별 연구내용 및 범위 ○ 1차년: 고속철도차량 특성 분석, 반도체 변압기 기본 설계 완료 - 철도차량용 반도체 변압기 선행기술 검토 및 분석 - 반도체 변압기 토폴로지 선정 및 시뮬레이션을 통한 성능 검증 - 반도체 변압기 기본 설계를 통한 소자 및 파라미터 선정 완료 - 반도체 변압기 1차 설계안 도출, 모듈 시작품 제작을 위한 소자 발주 - 고속철도차량 운영 시나리오 분석 및 요구사항 도출 ○ 2차년: 반도체 변압기 상세 설계, 모듈 시작품 제작 및 기초 성능 검증 완료 - 1차 모듈 프로토타입 제작 및 성능 검증 - 1차 모듈의 보완 사항 적용한 2차 모듈 설계 및 제작 - 고속철도 차량용 반도체 변압기 운영 시퀀스 시뮬레이션 검증 및 분석 - 반도체 변압기 전체 시스템 최종 설계안 도출 및 제작 ○ 3차년: 반도체 변압기 전체 시스템 제작, 성능 검증 및 구성품 시험 완료 - 반도체 변압기 시스템 인터페이스 성능 검증 및 부하 시험 - 고장 시나리오 상황하 최적 운용 알고리즘 적용 검증을 통한 신뢰성 확보 ○ 4차년: 전동기 종합 인터페이스 성능 시험 - 동기전동기와의 종합 인터페이스 성능 시험 - 고속철도차량 부착 가능한 환경시험용 반도체 변압기 시스템 1세트 제작 ○ 5차년: 환경 시험 및 현차 적합성 최종 시험 - 반도체 변압기 환경 시험 (진동, 방수, EMC 등) - 반도체 변압기 현차 적합성 검증
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