KR100796783B1 - 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템 및 그 운용방법 - Google Patents

Abstract

본원발명은 비접촉식 전력전송시스템에 관한 것으로서, 본원발명은,

이동식 부하에 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위한 전원공급시스템을 구성함에 있어서,

첫째, 선형유도변압기의 1차트랙 및 1차트랙권선을 다중으로 구성하고, 1차트랙 및 1차트랙권선이 다중방식으로 2차픽업코아 및 2차픽업권선과 결합할 수 있도록 함으로서, 1차트랙권선과 2차픽업권선의 효율적인 결합을 도모하여 전자기적 결합특성을 개선하는 한편, 불필요한 자기 저항을 줄이는 데 그 특징이 있고,

둘째, 상기 1차트랙권선의 전단에 인버터를 설치하고, 상기 인버터의 후단과 전단 사이에는 공진주파수 추적감시부를 추가로 배치하여 구성하여 상기 공진주파수 추적감시부로 하여금 인버터의 후단에서 출력되는 공진주파수를 실시간으로 추적·감시하여 위상차를 재조정한 후, 이를 다시 인버터의 전단으로 피드백시켜 제공토록 함으로서,

이동부하를 따라 이동하는 2차권선의 영향으로 인해 수시로 변화하는 공진주파수에 맞추어 스위칭주파수를 자동으로 조절(공진점을 조절)할 수 있도록 하여, 공진주파수의 변화에도 불구하고 항상 0전류 스위칭이 이루어질 수 있도록 함과 동시에, 스위칭주파수와 공진주파수의 위상의 불일치에 따른 손실의 발생이 최소화될 수 있도록 하는 데 그 특징이 있다.

다중권선, 비접촉식 전력전송시스템, 공진주파수 추적감시시스템, 공진점, 트랙, 트랙권선, 픽업코아, 픽업권선, 위상비교, 스위칭주파수, 선형유도변압기, 공극, 자기저항

Description

다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템 및 그 운용방법 { A power system using multiple primary winding contactless transformer and the control method thereof }

도1은 팬터그래프 집전기의 결합구조도

도2는 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 구성도

도3은 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 블럭도

도4는 일반적인 선형변압기의 등가 모델

도5는 일반적인 선형변압기의 등가회로 모델

도6은 본원발명이 적용될 수 있는 환경을 제공하는 비접촉식 전력전송시스템의 구성도

도7은 1차, 2차 권선위치의 변화에 따라 변화된 인덕턴스의 산출결과

도8은 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 개략적인 블럭도

도9는 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 상세블럭도

도10은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치도 (전체)

도11은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치도 (1차, 2차 권선)

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 인버터 20 1차트랙

30 1차트랙권선 40 1차공극

50 2차픽업권선 60 2차픽업코아

70 2차공극 80 컨버터

100 인버터 200 1차트랙코아

300 1차트랙권선 400 1차공극

500 2차픽업권선 600 2차픽업코아

700 2차공극 800 컨버터

900 공진주파수 추적감시부

910 제로크로싱부(zerocrossing부)

920 위상비교부 930 루프필터부

940 전압제어발진부 950 게이트드라이브부

전기·전자장치는 전기를 에너지원으로 하여 작동되는 장치를 말한다.

전기·전자장치를 작동시키기 위해서는 장치를 가동시키는데 필요한 에너지 원인 전력의 공급이 반드시 필요하며, 상기 전력의 공급은 장치가 스스로 자체 발전하여 조달하지 않는 한 외부로부터 공급받지 않으면 안된다.

따라서 상기 전기·전자장치가 외부로부터 전력을 공급받기 위해서는 외부의 전력공급설비로부터 장치로 전력을 전달해 주기 위한 전력전달수단이 반드시 필요하게 된다.

상기 전기·전자장치를 장치의 이동 여부에 따라 분류하면 고정식 전기·전자장치와 이동식 전기·전자장치로 나눌 수가 있다. 고정식 전기·전자장치는 일정한 장소에 고정·설치되어 작동되는 전기·전자장치를 말하며, 이동식 전기·전자장치는 장치가 수시로 이동하면서 작동되는 전기·전자장치를 말한다.

한편, 상기 전기·전자장치에 전력을 공급하는 난이도 측면에서 살펴볼 때,

고정식 전기·전자장치는 일정한 장소에서 스위치 등의 면접촉(고정 면접촉방식)에 의해 부동의 상태로 전력을 공급받기 때문에 전력공급에 큰 문제가 없고,

이동식 전기·전자장치 중 비교적 가까운 거리를 이동하면서 저전력을 소비하는 장치의 경우에는 전력을 공급하기 위한 전선을 사용하거나 축전지를 사용하여 이동부하에 전력을 공급할 수 있으므로 쉽게 전력공급의 문제를 해결할 수 있지만,

장거리를 끊임없이 이동하면서 대전력을 소비하는 이동식 전기·전자장치의 경우에는 부하가 항상 이동하면서 대전력을 공급받아야만 하는 관계로 전력의 전달 체계에 많은 문제가 발생한다.

예를 들어 전기기관차 혹은 전기동차 등과 같이 모노레일이나 전기철도 위에서 지속적으로 이동하면서 대규모의 전력을 소모하는 이동부하의 경우, 전력을 공급받는 이동부하(전기기관차 혹은 전기동차 등) 그 자체가 계속해서 움직이기 때문에 고정식 전기·전자 장치와 같이 고정 면접촉방식으로 전력을 공급받는 것이 불가능하고, 사용전력의 규모가 대단히 크기 때문에 상용전력을 축전지로 대체하는 것도 불가능하다.

이 때문에 전기차량(전기기관차나 전기동차 등)과 같이 끊임없이 이동하는 이동부하에 전력을 공급할 경우에는 전력공급선(전력선)과 전력수급장치 간에 팬터그래프라는 특수한 집전장치를 개재시키고, 전력공급선과 팬터그래프간의 면접촉(이동 면접촉방식)을 통해서 이동중인 부하에 전력을 공급하게 된다. (도1 참조)

그러나, 상기와 같은 이동 면접촉방식에 의해 고속으로 이동하는 부하에 전력을 공급하는 것은 다음과 같은 문제가 있다.

① 이동 상태에서의 전기적 접촉은 접촉부의 전기저항을 증대시켜 주울열에 의한 접촉부의 과열을 야기함으로서 전력의 낭비를 초래한다.

② 급전선의 수평 유지에 어려움이 있어 이동부하가 고속으로 이동할 경우 전기차량의 팬터그래프와 급전선간에 반복적인 단속현상이 나타남으로서 아-크가 발생에 함에 따라 급전선과 팬터그래프의 훼손을 초래하며, 아울러 급전선의 단선과 같은 대형 전력사고를 유발하게 된다.

③ 팬터그래프의 폭은 한정되어 있는 데 반해 외력에 의해 유동되는 팬터그래프의 폭은 더욱 커짐에 따라 급전선으로부터 팬터그래프가 이탈되는 현상이 나타나며, 이로 인해 전력의 공급이 중단되는 사고가 발생함으로서 전력공급의 품질이 저하됨과 동시에 전력공급 시스템의 불안정성이 증가한다.

④급전선과 팬터그래프간에 발생하는 마찰열에 의해 급전선과 팬터그래프의 마모가 심할 뿐만 아니라 공중으로 가설되는 전력선이 환경과 미관을 크게 해치며, 급전선을 가설하는 데 많은 초기 투자비가 요구된다.

위와 같은 이동 면접촉방식의 문제점을 개선하기 위하여 최근 비접촉식 전력전송시스템이 개발되어 부분적으로 활용되고 있다.

비접촉식 전력전송시스템은 공극에 의해 1차와 2차가 분리된 상태에서 1차트랙권선(30)에 가해지는 전력이 Ampere 와 Faraday 법칙에 따른 전자유도현상에 의하여 2차픽업권선(50)으로 전달되는 선형유도변압기의 원리를 전력전송시스템에 이 용한 것이다.

이를 보다 자세히 설명하면, 비접촉식 전력전송시스템은,

1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)를 공극에 의해 분리시키고, 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)에 각각 권선을 감은 다음, 상기 1차트랙권선(30)에 수십 KHz의 고주파 전류를 흘려주면, 1차트랙권선(30)에 상기 주파수에 해당되는 만큼의 1차전류가 교번되어 흐르게 되고, 상기 1차교번전류에 의해 발생한 교번자속이 1차트랙(20) 및 2차픽업코아(60)를 타고 흐르면서 2차픽업권선(50)과 쇄교하여 2차픽업권선(50)에 유도전류를 흐르게 하는 선형유도변압기의 원리를 급전시스템에 적용한 것으로서,

전자유도현상을 이용하여 1차트랙권선(30)에 가해지는 에너지를 비접촉방식에 의해 2차픽업권선(50)으로 전달함으로서 전력전달체계에 있어서 기계적인 접촉을 배제할 수 있도록 된 전력전송시스템을 말한다.

위와 같은 원리에 따르면 1차트랙권선(30)과 2차픽업권선(50)의 공간적 분리가 가능해 지기 때문에 직접적인 면접촉방식에 의하지 않더라도 이동하는 부하에 전원을 공급할 수 있게 되어 기존의 접촉식 전력공급방법이 갖는 많은 문제들을 일거에 해결할 수 있게 된다.

<종래의 기술>

그러나 위와 같은 많은 장점이 있음에도 불구하고 기존의 비접촉식 전력전송시스템은 현재 이동식 전기전자장치에 그다지 널리 활용되지 못하고 있다.

그 이유는 종래의 비접촉식 전력전송시스템이 다음과 같은 문제들을 가지고 있어 그의 실용화를 저해하고 있기 때문이다.

현재 개발되어 활용되고 있는 비접촉식 전력전송시스템의 구성은 두 가지로 나누어 설명될 수 있다.

<종래의 기술 1>

먼저 종래의 기술1을 도2 및 도3을 참조하여 설명한다.

도2는 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 외부 형상도이고, 도3은 도2의 구성을 블록다이아그램으로 표시한 것이다.

종래의 비접촉식 전력전송시스템은,

상기 1차트랙권선(30)의 전단에 설치되며, 공급된 상용전원을 직류로 정류한 후, 이를 스위칭하여 수십khz의 고주파로 변환해서 1차트랙권선(30)으로 공급하는 기능을 수행하는 인버터(10)와;

이동하는 전기차량(이동부하)의 이동경로를 따라 설치된 상태에서, 1차트랙권선(30)을 감아 지지하는 한편, 1차트랙권선(30)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하는 1차트랙(20)과;

상기 1차트랙(20)의 주위에 감기어져 지지된 상태에서 상기 인버터(10)로부터 공급되는 교번전류를 공급받아 자속을 발생시키는 1차트랙권선(30)과;

상기 1차트랙(20)의 중앙에 형성되어 2차픽업코아(60)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 1차공극(40)과;

2차픽업코아(60)에 의해 감겨져 지지된 상태에서 이동차량과 함께 상기 1차공극(40)을 따라 이동하면서, 1차트랙권선(30)에 흐르는 교번전류에 의해 발생된 교번자속을 쇄교하여 이동부하에 필요한 기전력을 유기시키는 2차픽업권선(50)과;

상기 2차픽업권선(50)을 감아 지지한 상태에서 이동차량에 부착되어 이동차량과 함께 상기 1차공극(40)을 따라 이동하면서 2차픽업권선(50)이 계속하여 자속을 쇄교할 수 있도록 하는 한편, 상기 1차트랙권선(30)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하는 2차픽업코아(60)와;

상기 2차픽업코아(60)의 중앙 양측에 형성되어 상기 1차트랙코아(20)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 2차공극(70)과;

상기 2차픽업권선(50)에 유기된 기전력을 이동부하에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 컨버터(80)로;

구성되어져 있다.

여기에서 상기 1차트랙(20)은 보통 자속의 통로로서의 역활을 하는 코아로서 기능하기 보다는 1차트랙권선(30)을 지지하는 기능을 주로 수행하게 되며, 1차트랙권선(30)은 공심코일의 형태를 띤 상태에서 자속을 발생하는 기능을 주로 수행하게 되는 것이 보통이다.

상기와 같이 구성된 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 동작과정을 설명하면,

우선 외부로부터 공급되는 상용전원은 상기 인버터(10)에서 직류로 정류된 후, 다시 스위칭되어 원하는 고주파로 변환된다.

상기 인버터(10)에서 고주파로 변환된 전원이 1차트랙권선(30)의 양단에 가압되면, 1차트랙권선(30)으로 1차전류가 상기 주파수에 해당하는 만큼의 교번하여 흐르게 되고, 이에 따라 1차트랙권선(30)의 주변으로 상기 주파수에 해당하는 교번자속이 발생하게 된다.

상기 교번자속은 1차트랙(20)과 1차공극(40) 및 2차공극(70)을 거쳐 2차픽업코아(60)로 흐르면서 상기 주파수에 해당하는 횟수만큼 2차픽업코일과 쇄교하게 된다.

상기 교번자속이 2차픽업코일과 쇄교하면 2차픽업코일에는 전자유도현상에 의해 기전력이 유기되며 상기 2차픽업코일에 유기된 기전력은 컨버터(80)를 통해 이동부하에서 필요로 하는 전원으로 변환되어 이동부하로 공급되게 된다.

여기에서 이동부하는 도시되지는 않았지만 차량의 구동, 제어, 조명 및 예비전원 등을 위해 사용되는 모든 전기설비를 총칭한다.

비접촉식 전원공급시스템에서는 위와 같은 원리에 따라 공극에 의해 1차트랙권선(30)과 2차픽업권선(50)의 분리가 가능해 지기 때문에 비접촉 방식으로 이동하는 부하에 전원을 공급할 수 있게 된다.

이미 언급한 바와 같이 상기와 같은 비접촉식 전력공급방법은 상기한 기존의 접촉식 전력공급방법이 갖는 많은 문제들을 일거에 해결할 수 있는 획기적인 방법이다. 그럼에도 불구하고 현재 이 기술은 극히 짧은 구간(수십미터 내지 수백미터)에서 저속으로 운행하는 차량에만 부분적으로 활용되고 있을 뿐, 일반적인 궤도차량에 널리 활용되지 못하고 있다. 그 이유는 기존의 비접촉식 전력공급방법이 다음과 같은 문제를 가지고 있기 때문이다.

① 공극을 갖는 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉방식으로 이동부하에 전력을 공급하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60) 사이에는 불기피하게 공극이 존재할 수밖에 없다. 그러나 이 공극은 자속의 흐름을 방해하기 때문에 자기저항을 증가시키는 요인으로 작용한다.

② 또한 선형유도변압기의 2차측은 이동하는 부하에 일정한 전력을 안정적으로 공급하여야만 한다. 이를 위해서 1차트랙(20)은 전자유도의 특성상 가능한 한 2차픽업권선(50)에 미치는 상호인덕턴스의 변화를 적게 하기 위하여 그 길이를 길게 할 수 밖에 없으며, 이에 따라 2차픽업코아(60)나 2차픽업권선(50)은 1차트랙(20) 이나 1차트랙권선(30)의 일부에만 결합하는 구조를 취할 수밖에 없게 된다. 그 결과 1차트랙권선(30) 및 1차트랙코아(20)와 2차픽업권선(50) 및 2차픽업코아(60)의 길이의 현저한 비대칭을 이루게 되고, 그로 인해 결합특성이 극도로 나빠지게 되며 이는 결과적으로 전체적인 공극의 크기를 크게 하는 결과로 나타나 자기저항을 증가시키는 원인으로 작용한다.

여기에서 일반적으로 사용되는 선형유도변압기를 등가모델로 표현하면 도4와 같이 나타낼 수 있고, 또 이를 등가회로의 모델로 표현하면 도5와 같이 나타낼 수 있으며, 상기 등가회로모델에 대한 파라미터는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

(01)

: 자기저항

: 철심의 자기저항

공극의 자기저항

: 철심 자로의 길이

: 철심자로의 단면적

: 공극의 길이

: 공극의 단면적

위 식에서 공극이 커지고 철심자로의 길이가 길어짐에 따라 자기저항이 커짐을 확인할 수 있다.

상기 ①, ②의 결과(공극의 증가에 따른 자기저항의 증가)는 자속의 흐름을 저해함으로서 결국 종래의 비접촉식 전원공급시스템의 에너지 전달효율을 크게 저하시키는 결과를 가져온다.

③ 또한 위와 같이 1차트랙(20)의 길이가 길어짐에 따라 1차트랙권선(30)의 길이도 길어지고 이에 따라 1차트랙권선(30)에 흐르는 자화전류가 불필요하게 커지게 되며, 그로 인해 1차트랙권선(30)에서는 많은 주울열에 의한 에너지 손실이 발생한다.

④ 또한 위에서 언급한 바와 같이 2차픽업코아(60) 및 2차픽업권선(50)은 1차트랙(20) 및 1차트랙권선(30)의 일부에만 결합되는 형태를 취하게 되며, 이로 인해 1차트랙권선(30)과 와 2차픽업권선(50)이 공간적으로 근접하여 결합되지 않는 부분에서 많은 누설자속이 발생하게 되어 에너지 전달효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다.

<종래의 기술 2>

① 한편, 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)의 길이의 불일치로 야기되는 위 ② , ③, ④와 같은 이유로 인한 에너지 전달효율의 저하 문제를 해결하기 위하여 우선적으로 1차트랙(20) 및 1차트랙권선(30)의 길이와 2차픽업코아(60) 및 2차픽업권선(50)의 길이를 도6과 같이 동일하게 하는 다중방식의 1차트랙(20) 및 1차트랙권선(30)을 강구할 수 있다.

그러나 위와 같이 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)의 길이를 동일하게 하면, 이동하는 부하에 부착된 2차픽업코아(60)와 2차픽업권선(50)이 이동부하와 함께 이동하게 될 때, 2차픽업코아(60) 및 2차픽업권선(50)과 1차트랙(20) 및 1차트랙권선(30)과의 사이에 작용하는 결합특성이 실시간으로 변화하게 되는데, 1. 2차간의 결합특성의 변화는 1차트랙권선(30)과 2차픽업권선(50) 사이의 상호인덕턴스를 지속적으로 변화시키게 되며, 이는 결국 1차트랙권선(30)과 2차픽업권선(50)에 의한 자기인덕턴스도 지속적으로 변화시키는 문제를 야기시킨다.

다시 말해서 이동부하가 이동하는 도중에 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)가 정확히 일치하는 특정한 시점을 제외하고는 2차픽업코아(60)는 항상 2개의 1차트랙(20)과 동시에 결합된 상태에서 지속적으로 결합특성으로 변화시켜가면서 이동하기 때문에 1차트랙(20)과 2차픽업코아(60)의 상호인덕턴스는 지속적으로 변화하게 된다.

② 그 뿐만 아니라 상기 선형유도변압기의 2차픽업권선(50)은 이동하는 부하 와 함께 이동하기 때문에 궤도를 따라 아무리 정교하게 움직인다고 하여도 시공상의 오차나 진동에 의하여 결합계수가 연속적으로 변화하게 되며 이에 따라 상호인덕턴스가 수시로 변화하게 된다.

위 ①, ②와 같은 이유로 인해 인덕턴스 파라미터는 끊임없이 변화하게 된다.

여기에서 1. 2차간에 인덕턴스 파라미터가 변화하는 이유는 다음 식에 의해 확인할 수 있다.

(02)

(03)

(04)

(05)

여기서

이므로

(06)

(07)

위 식에서 이동부하의 이동과 함께 2차픽업코아(60) 및 2차픽업권선(50)이 이동하면 그에 따라 인덕턴스도 변화하게 됨을 확인할 수 있다.

도7은 위 식에 의해 1. 2차 권선의 위치에 따른 인덕턴스의 변화를 산출한 결과를 나타낸 표이다.

③ 한편 인버터(10)에서 인버팅을 원활히 수행하기 위해서는 먼저 인버터(10)에서 상용전원을 정류한 후, 이를 다시 스위칭하여야 한다. 이 때 각 사이클별로 전압(혹은 전류)을 차단하고자 할 경우, 전력의 손실을 최소화하기 위해서는 전압이나 전류의 값이 0이 되는 지점에서 스위칭이 이루어지도록 해야만 한다.

한편 다음 식은 직렬공진회로에서의 리액턴스는 공진 주파수에서 0가 됨을 알 수 있다.

(08)

따라서 전력의 손실을 최소화하기 위해서는 공진주파수에서 스위칭이 이루어져야 함을 알 수 있다.

그러나 여기에서 공진주파수가 다음 식,

(09)

에 의해서 산출된다는 점을 생각하면,

상기한 바와 같이 이동부하가 이동함에 따라 1차트랙권선(30) 및 2차픽업권선(50)의 결합특성은 수시로 변화하게 되고, 이로 인해 상호인덕턴스가 수시로 변화하게 되며, 이는 결국 공진주파수의 변화를 가져오는 결과에 이르게 된다는 것을 알 수 있고,

이에 따라 인버터(10)의 스위칭이 전압(혹은 전류)의 값이 0이 되는 시점에 이루어져야 함에도 실제로는 공진점에서 전압(혹은 전류)을 차단하지 못하고 어느 정도의 값을 갖는 시점에 전압(혹은 전류)을 차단하게 되는 문제가 야기됨을 알 수 있으며,

상기 문제는 인버터(10)의 스위칭 동작시 많은 양의 에너지 변환손실을 발생시키게 하는 원인이 되어, 에너지 전환 효율을 악화시킬 뿐만 아니라 2차에 유기되는 기전력을 매우 불안정하게 하여 전체적인 시스템의 효율을 저하시키는 원인이 되고, 이는 결국 다중방식으로 1차트랙권선(30)을 구성하는 것을 불가능하게 하는 원인이 되어 이의 실용화를 지연시키는 이유가 되고 있음을 알 수 있게 된다.

본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본원발명의 목적은,

이동식 부하에 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위한 전원공급시스템을 구성함에 있어서,

첫째, 선형유도변압기의 1차트랙(200) 및 1차트랙권선(300)을 다중으로 구성하고, 1차트랙(200) 및 1차트랙권선(300)이 다중방식으로 2차픽업코아(600) 및 2차픽업권선(500)과 결합할 수 있도록 함으로서, 1차트랙권선(300)과 2차픽업권선(500)의 효율적인 결합을 도모하여 전자기적 결합특성을 개선하는 한편, 불필요한 자기 저항을 줄이는 데 있고,

둘째, 상기 1차트랙권선(300)의 전단에 인버터(100)를 설치하고, 상기 인버터(100)의 후단과 전단 사이에는 공진주파수 추적감시부(900)를 추가로 배치하여 구성하여 상기 공진주파수 추적감시부(900)로 하여금 인버터(100)의 후단에서 출력되는 공진주파수를 실시간으로 추적·감시하여 위상차를 재조정한 후, 이를 다시 인버터(100)의 전단으로 피드백시켜 제공토록 함으로서,

이동부하를 따라 이동하는 2차픽업권선(500)의 영향으로 인해 수시로 변화하는 공진주파수에 맞추어 스위칭주파수를 자동으로 조절(공진점을 조절)할 수 있도록 하여, 공진주파수의 변화에도 불구하고 항상 0전류 스위칭이 이루어질 수 있도록 함과 동시에, 스위칭주파수와 공진주파수의 위상의 불일치에 따른 아-크의 발생이 최소화될 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본원발명의 구성 및 작용관계를 도8 및 도9를 참조하여 설명한다.

본원발명의 구성은,

상기 1차트랙권선(300)의 전단에 설치되며, 공급된 상용전원을 직류로 정류하고 이를 25khz 내지 50khz의 고주파로 변환하여 1차트랙권선(300)으로 공급하되, 후단에서 출력되는 공진주파수(인덕턴스)의 값을 공진주파수 추적감시부(900)로 제공하는 한편, 공진주파수 추적감시부(900)로부터 제공되는 게이트드라이브신호에 맞추어 항상 0전류 스위칭 동작을 함으로서 무손실 인버팅 작업을 수행하는 인버터(100)와;

상기 인버터(100)의 후단에서 제공된 공진주파수(인덕턴스)의 값을 추적 감시하여 공진주파수의 위상을 비교 체크한 다음 0전류 스위칭이 가능한 게이트드라이브 신호를 발진하여 상기 인버터(100)의 전단으로 제공하는 공진주파수 추적감시부(900)와;

이동차량(이동부하)의 이동경로를 따라 다중으로 설치된 상태에서, 다중화된 1차트랙권선(300)을 감아 지지하는 한편, 1차트랙권선(300)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하되 그 길이가 2차픽업코아(600)의 길이와 동일하게 형성된 다수의 1차트랙(200)과;

상기 1차트랙(200)의 주위에 감기어져 지지된 상태에서 상기 인버터(100)로 부터 공급되는 교번전류를 공급받아 교번자속을 발생시키는 기능을 수행하되, 그 종단면의 길이가 2차픽업권선(500)의 종단면의 길이와 동일하게 형성된 1차트랙권선(300)과;

상기 1차트랙(200)의 중앙에 형성되어 2차픽업코아(600)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 1차공극(400)과;

2차픽업코아(600)의 주위에 감겨져 지지된 상태에서 이동차량과 함께 상기 1차공극(400)을 따라 이동하면서 1차트랙권선(300)으로부터 발생된 교번자속을 쇄교하여 이동부하에 필요한 기전력을 유기시키는 2차픽업권선(500)과;

상기 2차픽업권선(500)을 감아 지지한 상태에서 이동차량에 부착되어 이동차량과 함께 상기 1차공극(400)을 따라 이동하면서 2차픽업권선(500)이 계속하여 교번자속을 쇄교할 수 있도록 하는 한편, 상기 1차트랙권선(300)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하는 2차픽업코아(600)와;

상기 2차픽업코아(600)의 중앙 양측에 형성되어 상기 1차트랙(200)이 이동하는 통로의 기능을 수행하는 2차공극(700)과;

상기 2차픽업권선(500)에 유기된 기전력을 이동부하에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 컨버터(800)로;

구성됨을 특징으로 한다.

상기 공진주파수 추적감시부(900)는 다시,

인버터(100)로부터 1차트랙권선(300)으로 공급되는 공진전류의 값을 상시 감 시하여 전류의 값이 0인 시점을 검출한 후, 이를 위상비교부(920)로 제공하는 제로크로싱부(910)(zerocrossing부)와;

상기 제로크로싱부(910)로부터 제공된 실시간으로 변화된 0전류의 값을 기초로 변화된 공진주파수와 그 위상을 검출하는 한편, 이를 전압제어발진부(940)로부터 제공된 발진신호위 위상과 대비하여 위상차를 구하고, 변화된 위상을 계산하여 위상전달함수를 산출한 다음, 이를 루프필터로 제공하는 위상비교부(920)와;

상기 위상비교부(920)로부터 제공된 위상전달함수를 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공하는 루프필터부(930)와;

상기 루프필터부(930)로부터 제공된 위상신호에 따라 변화된 공진주파수에 맞추어 변화된 새로운 주파수를 발진시키는 한편, 동 발진신호를 위상비교부(920)와 게이트드라이브로 출력하는 전압제어발진부(940)와;

상기 전압발진제어부로부터 제공된 신호에 따라 0전류 스위칭을 할 수 있는 게이트신호를 인버터(100)로 출력하는 게이트드라이브부(950)로;

구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

우선 외부로부터 공급되는 상용전원은 상기 인버터(100)에서 일차 직류로 정류된 후, 다시 스위칭과정을 거쳐 원하는 고주파로 변환된다. 여기에서 변환되는 고주파는 대개 25khz 내지 50khz가 된다.

상기 인버터(100)에서 고주파로 변환된 전원이 1차트랙권선(300)의 양단에 가압되면, 1차트랙권선(300)으로 1차전류가 상기 주파수에 해당하는 만큼 교번하여 흐르게 되고, 이에 따라 1차트랙권선(300)의 주변으로 그에 상응하는 교번자속이 발생하게 된다.

싱기 교번자속은 1차트랙(200)와 1차 및 2차공극(700)을 거쳐 2차픽업코아(600)로 흐르면서 상기 주파수에 해당하는 횟수만큼 2차픽업코일과 쇄교하게 된다.

상기 교번자속이 2차픽업코일과 쇄교하면 2차픽업코일에는 전자유도현상에 의해 기전력이 유기되며 상기 2차픽업코일에 유기된 기전력은 컨버터(800)를 이동부하에서 필요로 하는 전원으로 변환되어 이동부하로 공급되게 된다.

여기까지의 과정은 종래의 기술과 동일하다.

이 때, 1차트랙권선(300)이 설치된 1차트랙(200) 위를 이동부하가 이동하면서 2차픽업권선(500)이 따라서 이동하게 되면 1차트랙권선(300)과 2차픽업권선(500)의 결합조건이 변화하게 된다.

이에 따라 앞서 언급한 바와 같이 상호인덕턴스가 변화하게 되고 아울러 1차트랙권선(300)의 인덕턴스도 변화하게 되며, 동시에 공진주파수도 변화하게 된다.

한편, 공진주파수 추적감시부(900)의 제로크로싱부(910)는 1차트랙권선(300)의 공진전류의 값의 변화를 실시간으로 추적 감시하면서 공진전류의 값이 0이 되는 시점을 검출하여 위상비교부(920)로 보낸다.

이어서 위상비교부(920)는 제로크로싱부(910)로부터 실시간으로 제공된 변화된 0전류의 값을 기초로 변화된 공진주파수와 그 위상을 검출하는 한편, 이를 전압제어발진부(940)로부터 제공된 발진신호의 위상과 대비하여 위상차를 구하고, 변화된 위상을 계산하여 위상전달함수를 산출한 다음, 이를 루프필터로 제공한다.

다음 위상비교부(920)로부터 공진전류의 위상전달함수를 수신한 루프필터부(930)는 그 값을 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공한다.

이어서 전압발진제어부는 상기 루프필터부(930)로부터 제공된 위상신호에 따라 변화된 공진주파수에 맞추어 변화된 새로운 주파수를 발진시키는 한편, 동 발진신호를 게이트드라이브로 출력하여 게이트드라이브부(950)가 0전류 스위칭을 할 수 있는 게이트신호를 출력할 수 있도록 하는 한편, 동 발진신호를 위상비교부(920)로 보내어 계속해서 위상을 비교할 수 있도록 한다.

한편, 전압제어발진부(940)로부터 0전류 스위칭을 위한 발진신호를 수신한 게이트드라이브부(950)는 발진신호에 응답하는 게이트신호를 인버터(100)의 전단으로 제공함으로서 인버터(100)가 0전류 스위칭을 수행할 수 있도록 한다.

이어서 상기 게이트드라이브부(950)로부터 게이트신호를 수신한 인버터(100)는 게이트신호에 맞추어 0전류 차단을 행함으로서 연속적으로 변화된 공진주파수에 맞추어 스위칭동작을 수행할 수 있게 된다.

위에 설명하지 않은 도10은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치의 전체도이고, 도11은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 1차 및 2차권선의 장치도이다.

상기와 같이 구성된 본원발명에 의하면,

비접촉식 전력전송시스템의 전력전송효율을 획기적으로 개선함으로서 지금까지 전력효율의 문제에 부딪쳐 활성화되지 못하였던 비접촉식 전력전송시스템의 실용화 및 활성화를 촉진하는 효과가 있다.

또한 이로 인하여 경전철 등의 초기 건설투자비를 절감하고 이에 대한 사회적 수요를 촉발하므로서 도시교통의 난제를 해결하는 효과가 있다.

Claims (6)

1차트랙권선(300)의 전단에 설치되며, 공급된 상용전원을 직류로 정류하고 이를 25khz 내지 50khz의 고주파로 변환하여 1차트랙권선(300)으로 공급하되, 후단에서 출력되는 공진주파수(인덕턴스)의 값을 공진주파수 추적감시부(900)로 제공하는 한편, 공진주파수 추적감시부(900)로부터 제공되는 게이트드라이브신호에 맞추어 항상 0전류 스위칭 동작을 함으로서 무손실 인버팅 작업을 수행하는 인버터(100)와;

상기 인버터(100)의 후단에서 제공된 공진주파수(인덕턴스)의 값을 추적 감시하여 공진주파수의 위상을 비교 체크한 다음 0전류 스위칭이 가능한 게이트드라이브 신호를 발진하여 상기 인버터(100)의 전단으로 제공하는 공진주파수 추적감시부(900)와;

이동차량(이동부하)의 이동경로를 따라 다중으로 설치된 상태에서, 다중화된 1차트랙권선(300)을 감아 지지하는 한편, 1차트랙권선(300)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하되 그 길이가 2차픽업코아(600)의 길이와 동일하게 형성된 다수의 1차트랙(200)과;

상기 1차트랙(200)의 주위에 감기어져 지지된 상태에서 상기 인버터(100)로부터 공급되는 교번전류를 공급받아 교번자속을 발생시키는 기능을 수행하되 그 종단면의 길이가 2차픽업권선(500)의 종단면의 길이와 동일하게 형성된 1차트랙권선(300)과;

상기 1차트랙(200)의 중앙에 형성되어 2차픽업코아(600)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 1차공극(400)과;

2차픽업코아(600)의 주위에 감겨져 지지된 상태에서 이동차량과 함께 상기 1차공극(400)을 따라 이동하면서 1차트랙권선(300)으로부터 발생된 교번자속을 쇄교하여 이동부하에 필요한 기전력을 유기시키는 2차픽업권선(500)과;

상기 2차픽업권선(500)을 감아 지지한 상태에서 이동차량에 부착되어 이동차량과 함께 상기 1차공극(400)을 따라 이동하면서 2차픽업권선(500)이 계속하여 교번자속을 쇄교할 수 있도록 하는 한편, 상기 1차트랙권선(300)에 의해 발생된 교번자속의 흐름을 유도하는 자로로서의 기능을 수행하는 2차픽업코아(600)와;

상기 2차픽업코아(600)의 중앙 양측에 형성되어 상기 1차트랙(200)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 2차공극(700)과;

상기 2차픽업권선(500)에 유기된 기전력을 이동부하에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 컨버터(800)로;

구성됨을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템.

청구항 1에 있어서,

상기 공진주파수 추적감시부(900)는,

인버터(100)로부터 1차트랙권선(300)으로 공급되는 공진전류의 값을 상시 감시하여 전류의 값이 0인 시점을 검출한 후, 이를 위상비교부(920)로 제공하는 제 로크로싱부(910)(zerocrossing부)와;

상기 제로크로싱부(910)로부터 제공된 실시간으로 변화된 0전류의 값을 기초로 변화된 공진주파수와 그 위상을 검출하는 한편, 이를 전압제어발진부(940)로부터 제공된 발진신호위 위상과 대비하여 위상차를 구하고, 변화된 위상을 계산하여 위상전달함수를 산출한 다음, 이를 루프필터로 제공하는 위상비교부(920)와;

상기 위상비교부(920)로부터 제공된 위상전달함수를 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공하는 루프필터부(930)와;

상기 루프필터부(930)로부터 제공된 위상신호에 따라 변화된 공진주파수에 맞추어 변화된 새로운 주파수를 발진시키는 한편, 동 발진신호를 위상비교부(920)와 게이트드라이브로 출력하는 전압제어발진부(940)와;

상기 전압발진제어부로부터 제공된 신호에 따라 0전류 스위칭을 할 수 있는 게이트신호를 인버터(100)로 출력하는 게이트드라이브부(950)로;

구성됨을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템.

청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 인버터에서 출력되는 고주파의 주파수는 25khz 내지 50khz가 되도록 구성함을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템.

이동식 부하에 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위한 전원공급시스템을 운용함에 있어서,

비접촉식 전원공급시스템의 1차트랙(200) 및 1차트랙권선(300)을 다중으로 구성하고, 1차트랙(200) 및 1차트랙권선(300)이 다중방식으로 2차픽업코아(600) 및 2차픽업권선(500)과 결합하여 구성하는 단계와;

상기 1차트랙권선(300)의 전단에 인버터(100)를 설치하고, 상기 인버터(100)의 후단과 전단 사이에는 공진주파수 추적감시부(900)를 추가로 배치하여 구성하여 상기 공진주파수 추적감시부(900)로 하여금 인버터(100)의 후단에서 출력되는 공진주파수를 실시간으로 추적·감시하여 위상차를 재조정한 후, 이를 다시 인버터(100)의 전단으로 피드백시켜 제공토록 하는 단계로; 구성됨을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템의 운용방법.

청구항 4에 있어서,

상기 공진주파수 추적감시부(900)가 공진주파수를 추적 감시하는 단계는,

제로크로싱부(910)가 인버터(100)로부터 1차트랙권선(300)으로 공급되는 공진전류의 값을 상시 감시하여 전류의 값이 0인 시점을 검출한 후, 이를 위상비교부(920)로 제공하는 단계와;

위상비교부(920)가 상기 제로크로싱부(910)로부터 제공된 실시간으로 변화된 0전류의 값을 기초로 변화된 공진주파수와 그 위상을 검출하는 한편, 이를 전압제어발진부(940)로부터 제공된 발진신호위 위상과 대비하여 위상차를 구하고, 변화된 위상을 계산하여 위상전달함수를 산출한 다음, 이를 루프필터로 제공하는 단계와;

루프필터부(930)가 상기 위상비교부(920)로부터 제공된 위상전달함수를 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공하는 단계와;

전압제어발진부(940)가 상기 루프필터부(930)로부터 제공된 위상신호에 따라 변화된 공진주파수에 맞추어 변화된 새로운 주파수를 발진시키는 한편, 동 발진신호를 위상비교부(920)와 게이트드라이브로 출력하는 단계와;

게이트드라이브부(950)가 상기 전압발진제어부로부터 제공된 신호에 따라 0전류 스위칭을 할 수 있는 게이트신호를 인버터(100)로 출력하는 단계로;

구성됨을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템의 운용방법.

청구항 4 또는 5에 있어서,

상기 인버터에서 출력되는 고주파의 주파수는 25khz 내지 50khz가 되도록 함을 특징으로 하는 다중일차권선의 비접촉식 전력전송시스템의 운용방법.

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