KR100796783B1 - A power system using multiple primary winding contactless transformer and the control method thereof - Google Patents
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Abstract
본원발명은 비접촉식 전력전송시스템에 관한 것으로서, 본원발명은, The present invention relates to a contactless power transmission system, the present invention,
이동식 부하에 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위한 전원공급시스템을 구성함에 있어서, In constructing a power supply system for supplying power in a non-contact manner using the principle of a linear induction transformer to a mobile load,
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,First, the primary and primary track windings of the linear induction transformer are composed of multiples, and the primary and primary track windings can be combined with the secondary pick-up core and the secondary pickup winding in a multiple manner. Efficient coupling between track winding and secondary pickup winding improves electromagnetic coupling characteristics and reduces unnecessary magnetoresistance.
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, Secondly, an inverter is installed at the front end of the primary track winding, and a resonant frequency tracking monitor is additionally arranged between the rear end and the front end of the inverter so that the resonance frequency tracking monitor outputs the resonance frequency output from the rear end of the inverter. By tracking and monitoring in real time to readjust the phase difference, it is fed back to the front of the inverter to provide it.
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. Due to the influence of the secondary winding moving along the moving load, it is possible to automatically adjust the switching frequency (adjusting the resonance point) to the resonant frequency that changes frequently, so that zero current switching can always be performed despite the change of the resonance frequency. At the same time, there is a feature that the loss caused by the mismatch of the phase of the switching frequency and the resonance frequency can be minimized.
다중권선, 비접촉식 전력전송시스템, 공진주파수 추적감시시스템, 공진점, 트랙, 트랙권선, 픽업코아, 픽업권선, 위상비교, 스위칭주파수, 선형유도변압기, 공극, 자기저항 Multi winding, non-contact power transmission system, resonant frequency tracking and monitoring system, resonance point, track, track winding, pickup core, pickup winding, phase comparison, switching frequency, linear induction transformer, air gap, magnetoresistance
Description
도1은 팬터그래프 집전기의 결합구조도1 is a coupling structure diagram of a pantograph collector
도2는 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 구성도2 is a block diagram of a conventional non-contact power transmission system
도3은 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 블럭도3 is a block diagram of a conventional contactless power transmission system.
도4는 일반적인 선형변압기의 등가 모델 4 is an equivalent model of a general linear transformer
도5는 일반적인 선형변압기의 등가회로 모델5 is an equivalent circuit model of a general linear transformer
도6은 본원발명이 적용될 수 있는 환경을 제공하는 비접촉식 전력전송시스템의 구성도6 is a configuration diagram of a contactless power transmission system providing an environment to which the present invention can be applied.
도7은 1차, 2차 권선위치의 변화에 따라 변화된 인덕턴스의 산출결과7 is a result of calculating the inductance changed according to the change of the primary and secondary winding positions
도8은 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 개략적인 블럭도8 is a schematic block diagram of a contactless power transmission system according to the present invention;
도9는 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 상세블럭도9 is a detailed block diagram of a contactless power transmission system according to the present invention.
도10은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치도 (전체)Fig. 10 is an apparatus diagram to which simulation conditions of the present invention are added (all)
도11은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치도 (1차, 2차 권선)11 is an apparatus diagram to which the simulation condition of the present invention is added (primary and secondary winding)
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 인버터 20 1차트랙10
30 1차트랙권선 40 1차공극30 Primary track winding 40 Primary void
50 2차픽업권선 60 2차픽업코아50 2nd Pickup Right 60 2nd Pickup Core
70 2차공극 80 컨버터70
100 인버터 200 1차트랙코아100
300 1차트랙권선 400 1차공극300 1st track winding 400 1st air gap
500 2차픽업권선 600 2차픽업코아500 2nd Pickup Winding 600 2nd Pickup Core
700 2차공극 800 컨버터700
900 공진주파수 추적감시부900 Resonant Frequency Tracking Monitor
910 제로크로싱부(zerocrossing부)910 Zero Crossing Section
920 위상비교부 930 루프필터부920
940 전압제어발진부 950 게이트드라이브부940 Voltage Controlled Oscillator 950 Gate Drive
전기·전자장치는 전기를 에너지원으로 하여 작동되는 장치를 말한다.Electrical and electronic devices refer to devices operated using electricity as an energy source.
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. In order to operate an electric and electronic device, the supply of the energy source electric power required to operate the device is necessary, and the supply of the electric power must be supplied from the outside unless the device itself generates and procures itself.
따라서 상기 전기·전자장치가 외부로부터 전력을 공급받기 위해서는 외부의 전력공급설비로부터 장치로 전력을 전달해 주기 위한 전력전달수단이 반드시 필요하게 된다. Therefore, in order for the electric / electronic device to be supplied with power from the outside, power transmission means for transmitting power from an external power supply facility to the device is necessary.
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. When the electric and electronic devices are classified according to the movement of the device, the electric and electronic devices can be divided into fixed electric and electronic devices and mobile electric and electronic devices. Stationary electric and electronic devices refer to electric and electronic devices that are fixed and installed in a certain place and operate. Mobile electric and electronic devices refer to electric and electronic devices that operate while the device moves from time to time.
한편, 상기 전기·전자장치에 전력을 공급하는 난이도 측면에서 살펴볼 때, On the other hand, when looking at the difficulty of supplying power to the electrical and electronic device,
고정식 전기·전자장치는 일정한 장소에서 스위치 등의 면접촉(고정 면접촉방식)에 의해 부동의 상태로 전력을 공급받기 때문에 전력공급에 큰 문제가 없고, Fixed electric and electronic devices have no problem in power supply because they are supplied in a floating state by surface contact (fixed surface contact method) such as a switch at a certain place.
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, In the case of mobile electric and electronic devices that move relatively short distance and consume low power, it is easy to solve the problem of power supply because it is possible to supply power to the mobile load by using electric wire or power storage battery. ,
장거리를 끊임없이 이동하면서 대전력을 소비하는 이동식 전기·전자장치의 경우에는 부하가 항상 이동하면서 대전력을 공급받아야만 하는 관계로 전력의 전달 체계에 많은 문제가 발생한다. In the case of mobile electric and electronic devices that consume a large amount of power while constantly moving over a long distance, a lot of problems arise in the power transmission system because the load must be constantly moved and receive a large amount of power.
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. For example, in the case of a mobile load that consumes a large amount of power while continuously moving on a monorail or an electric railway such as an electric locomotive or an electric vehicle, a powered mobile load (eg, an electric locomotive or an electric vehicle) itself continuously moves For this reason, it is impossible to be supplied with a fixed surface contact method like fixed electric and electronic devices, and it is impossible to replace commercial power with a storage battery because the scale of power used is very large.
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)For this reason, when supplying power to a constantly moving mobile load such as an electric vehicle (electric locomotive or electric vehicle, etc.), a special current collector called a pantograph is interposed between a power supply line (power line) and a power supply device, and a surface between the power supply line and the pantograph is provided. Power is supplied to the moving load through the contact (moving surface contact method). (See Figure 1)
그러나, 상기와 같은 이동 면접촉방식에 의해 고속으로 이동하는 부하에 전력을 공급하는 것은 다음과 같은 문제가 있다. However, supplying power to a load moving at high speed by the moving surface contact method as described above has the following problems.
① 이동 상태에서의 전기적 접촉은 접촉부의 전기저항을 증대시켜 주울열에 의한 접촉부의 과열을 야기함으로서 전력의 낭비를 초래한다.① Electrical contact in the moving state increases the electrical resistance of the contacts, causing waste of power by overheating the contacts by Joule heat.
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.② It is difficult to keep the feeder level, so if the moving load moves at a high speed, repeated interruption phenomenon occurs between the pantograph and feeder line of the electric vehicle. It causes a large power accident such as disconnection.
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.③ While the width of the pantograph is limited, the width of the pantograph that flows due to external force becomes larger, which causes the pantograph to deviate from the feeder line, which causes the accident that the supply of power is interrupted. At the same time, the instability of the power supply system increases.
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.(4) The frictional heat generated between the feeder and the pantograph causes not only the wear of the feeder and the pantograph to be severe, but also the power line that is placed in the air harms the environment and aesthetics, and a lot of initial investment is required to construct the feeder.
위와 같은 이동 면접촉방식의 문제점을 개선하기 위하여 최근 비접촉식 전력전송시스템이 개발되어 부분적으로 활용되고 있다. In order to improve the problems of the mobile surface contact method as described above, a non-contact power transmission system has recently been developed and partially utilized.
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. In the non-contact power transmission system, the electric power applied to the primary track winding 30 in the state where the primary and the secondary are separated by the air gap is transmitted to the secondary pickup winding 50 by the electromagnetic induction phenomenon according to Ampere and Faraday law. The principle of linear induction transformer is used in power transmission system.
이를 보다 자세히 설명하면, 비접촉식 전력전송시스템은, In more detail, the contactless power transmission system,
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, The
전자유도현상을 이용하여 1차트랙권선(30)에 가해지는 에너지를 비접촉방식에 의해 2차픽업권선(50)으로 전달함으로서 전력전달체계에 있어서 기계적인 접촉을 배제할 수 있도록 된 전력전송시스템을 말한다.By using the electromagnetic induction phenomenon to transfer the energy applied to the primary track winding (30) to the secondary pickup winding (50) by a non-contact method, a power transmission system that can eliminate mechanical contact in the power delivery system Say.
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. According to the above principle, since the primary track winding 30 and the secondary pick-up winding 50 can be spatially separated, power can be supplied to a moving load without using a direct surface contact method. Many problems with the method can be solved at once.
<종래의 기술>Conventional Technology
그러나 위와 같은 많은 장점이 있음에도 불구하고 기존의 비접촉식 전력전송시스템은 현재 이동식 전기전자장치에 그다지 널리 활용되지 못하고 있다. However, despite the many advantages described above, the existing contactless power transmission system is not currently widely used in mobile electric and electronic devices.
그 이유는 종래의 비접촉식 전력전송시스템이 다음과 같은 문제들을 가지고 있어 그의 실용화를 저해하고 있기 때문이다. The reason is that the conventional contactless power transmission system has the following problems, which hinders its practical use.
현재 개발되어 활용되고 있는 비접촉식 전력전송시스템의 구성은 두 가지로 나누어 설명될 수 있다. The contactless power transmission system that is currently being developed and utilized can be described in two ways.
<종래의 기술 1>Conventional Technology 1
먼저 종래의 기술1을 도2 및 도3을 참조하여 설명한다.First, the prior art 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도2는 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 외부 형상도이고, 도3은 도2의 구성을 블록다이아그램으로 표시한 것이다. FIG. 2 is an external configuration diagram of a conventional contactless power transmission system, and FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of FIG.
종래의 비접촉식 전력전송시스템은, Conventional contactless power transmission system,
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;An inverter installed at the front end of the primary track winding 30, rectifying the supplied commercial power to DC, and switching the inverter to convert it into a high frequency of tens of khz to supply the primary track winding 30 to the primary track winding 30. 10;
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;In a state in which it is installed along a moving path of a moving electric vehicle (moving load), the primary track winding 30 is wound and supported, while the magnetic flux guides the flow of alternating magnetic flux generated by the primary track winding 30. A
상기 1차트랙(20)의 주위에 감기어져 지지된 상태에서 상기 인버터(10)로부터 공급되는 교번전류를 공급받아 자속을 발생시키는 1차트랙권선(30)과;A primary track winding (30) for generating magnetic flux by receiving an alternating current supplied from the inverter (10) while being wound and supported around the primary track (20);
상기 1차트랙(20)의 중앙에 형성되어 2차픽업코아(60)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 1차공극(40)과;A
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;The alternating magnetic flux generated by the alternating current flowing through the primary track winding 30 is moved while moving along the
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;The secondary pickup winding 50 is attached to the moving vehicle in a state in which the secondary pickup winding 50 is wound and supported so that the secondary pickup winding 50 may continue to bridge the magnetic flux while moving along the
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;A converter (80) for converting the electromotive force induced in the secondary pickup winding (50) into electric power required for a moving load;
구성되어져 있다. It is composed.
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.Here, the
상기와 같이 구성된 종래의 비접촉식 전력전송시스템의 동작과정을 설명하면,Referring to the operation of the conventional contactless power transmission system configured as described above,
우선 외부로부터 공급되는 상용전원은 상기 인버터(10)에서 직류로 정류된 후, 다시 스위칭되어 원하는 고주파로 변환된다. First, the commercial power supplied from the outside is rectified to DC in the
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. When the power converted by the high frequency in the
상기 교번자속은 1차트랙(20)과 1차공극(40) 및 2차공극(70)을 거쳐 2차픽업코아(60)로 흐르면서 상기 주파수에 해당하는 횟수만큼 2차픽업코일과 쇄교하게 된다. The alternating flux flows through the
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. When the alternating flux is interlinked with the secondary pick-up coil, electromotive force is induced in the secondary pick-up coil by the electromagnetic induction phenomenon, and the electromotive force induced by the secondary pick-up coil is converted into the power required by the mobile load through the
여기에서 이동부하는 도시되지는 않았지만 차량의 구동, 제어, 조명 및 예비전원 등을 위해 사용되는 모든 전기설비를 총칭한다. Although not shown here, the mobile load is a generic term for all electrical equipment used for driving, controlling, lighting and backup power of the vehicle.
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. In the non-contact power supply system, since the primary track winding 30 and the secondary pickup winding 50 can be separated by the air gap according to the above principle, it is possible to supply power to a load moving in a non-contact manner.
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. As mentioned above, the non-contact power supply method as described above is an innovative method that can solve many problems of the conventional contact power supply method described above. Nevertheless, the technology is currently only partially used on vehicles that run at very low speeds (from tens of meters to hundreds of meters), and is not widely used in general track vehicles. This is because the existing contactless power supply method has the following problems.
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. ① As described above, in order to supply power to a mobile load in a non-contact manner by using the principle of a linear induction transformer having air gaps, air gaps are inevitably present between the
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. ② In addition, the secondary side of the linear induction transformer must supply constant power to the moving load stably. To this end, the
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. In general, the linear induction transformer generally used may be represented as shown in FIG. 4, and the equivalent circuit model may be represented as shown in FIG. 5. The parameters for the equivalent circuit model may be represented by the following equation. Can be represented as:
(01) (01)
: 자기저항 : Magnetoresistance
: 철심의 자기저항 : Magnetoresistance of iron core
공극의 자기저항 Magnetoresistance of air gap
: 철심 자로의 길이 Length of core
: 철심자로의 단면적 : Cross section of core
: 공극의 길이 : Length of void
: 공극의 단면적 : Cross section of air gap
위 식에서 공극이 커지고 철심자로의 길이가 길어짐에 따라 자기저항이 커짐을 확인할 수 있다. In the above equation, as the gap increases and the length of the core increases, the magnetoresistance increases.
상기 ①, ②의 결과(공극의 증가에 따른 자기저항의 증가)는 자속의 흐름을 저해함으로서 결국 종래의 비접촉식 전원공급시스템의 에너지 전달효율을 크게 저하시키는 결과를 가져온다.The results of ① and ② above (increasing the magnetoresistance due to the increase of the air gap) inhibit the flow of the magnetic flux, which results in a significant decrease in the energy transfer efficiency of the conventional non-contact power supply system.
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.③ In addition, as the length of the
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.④ Also, as mentioned above, the second pick-
<종래의 기술 2>Conventional Technology 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. ① On the other hand, in order to solve the problem of deterioration of energy transfer efficiency caused by the same reason as the above ②, ③, ④ caused by the mismatch of the length of the
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. However, if the length of the
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. In other words, the secondary pick-
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.(2) In addition, since the secondary pick-up winding 50 of the linear induction transformer moves with the moving load, even if it moves precisely along the track, the coupling coefficient is continuously changed due to construction error or vibration. As a result, mutual inductance often changes.
위 ①, ②와 같은 이유로 인해 인덕턴스 파라미터는 끊임없이 변화하게 된다. For the same reasons as ① and ② above, the inductance parameter is constantly changing.
여기에서 1. 2차간에 인덕턴스 파라미터가 변화하는 이유는 다음 식에 의해 확인할 수 있다. Here, 1. The reason why the inductance parameter changes between the 2nd order can be confirmed by the following equation.
(02) (02)
(03) (03)
(04) (04)
(05) (05)
여기서 이므로here Because of
(06) (06)
(07) (07)
위 식에서 이동부하의 이동과 함께 2차픽업코아(60) 및 2차픽업권선(50)이 이동하면 그에 따라 인덕턴스도 변화하게 됨을 확인할 수 있다.In the above equation, when the secondary pick-
도7은 위 식에 의해 1. 2차 권선의 위치에 따른 인덕턴스의 변화를 산출한 결과를 나타낸 표이다. Figure 7 is a table showing the result of calculating the change in inductance according to the position of the 1. secondary winding by the above equation.
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.③ Meanwhile, in order to smoothly perform the inverting in the
한편 다음 식은 직렬공진회로에서의 리액턴스는 공진 주파수에서 0가 됨을 알 수 있다. On the other hand, the following equation shows that the reactance in the series resonance circuit is zero at the resonance frequency.
(08) (08)
따라서 전력의 손실을 최소화하기 위해서는 공진주파수에서 스위칭이 이루어져야 함을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that switching should be performed at the resonance frequency in order to minimize the loss of power.
그러나 여기에서 공진주파수가 다음 식,But here the resonant frequency is
(09) (09)
에 의해서 산출된다는 점을 생각하면, Given that it is calculated by
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,As described above, as the moving load moves, the coupling characteristics of the primary track winding 30 and the secondary pickup winding 50 change from time to time, and thus the mutual inductance changes from time to time. We can see that it leads to
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,Accordingly, although the switching of the
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. This problem causes a large amount of energy conversion loss during the switching operation of the
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,The present invention has been made to solve the above problems,
본원발명의 목적은, The purpose of the present invention,
이동식 부하에 선형유도변압기의 원리를 이용하여 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위한 전원공급시스템을 구성함에 있어서, In constructing a power supply system for supplying power in a non-contact manner using the principle of a linear induction transformer to a mobile load,
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,First, the
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, Second, the
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. Due to the influence of the secondary pick-up winding 500 moving along the moving load, the switching frequency can be automatically adjusted (adjusting the resonance point) according to the resonant frequency that changes frequently, so that the current is always 0 despite the change of the resonant frequency. In addition to the switching can be achieved, the occurrence of arc due to the mismatch of the phase of the switching frequency and the resonance frequency can be minimized.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본원발명의 구성 및 작용관계를 도8 및 도9를 참조하여 설명한다. The configuration and working relationship of the present invention for achieving the above object will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
본원발명의 구성은,The composition of the present invention,
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;It is installed at the front end of the primary track winding 300, rectifies the supplied commercial power into direct current and converts it into a high frequency of 25khz to 50khz and supplies it to the primary track winding 300, but the resonance frequency output from the rear end ( An inductance value to the resonant frequency tracking and
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;After monitoring the value of the resonant frequency (inductance) provided from the rear end of the
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;In the state of being installed in multiple directions along the moving path of the moving vehicle (moving load), the multiplexed primary track winding 300 is wound and supported while inducing the flow of the alternating flux generated by the primary track winding 300. A plurality of
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;While receiving the alternating current supplied from the
상기 1차트랙(200)의 중앙에 형성되어 2차픽업코아(600)가 이동하는 통로의 기능을 수행하는 1차공극(400)과;A
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;The electromotive force required for the moving load by moving the alternating magnetic flux generated from the primary track winding 300 while moving along the
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;The secondary pick-up winding 500 may continue to intersect the alternating magnetic flux while being attached to the moving vehicle while supporting the secondary pick-up winding 500 and moving along the
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;A
구성됨을 특징으로 한다. Characterized in that configured.
상기 공진주파수 추적감시부(900)는 다시,The resonance frequency tracking and
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;A zero
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;Detects the changed resonant frequency and its phase based on the value of the zero current changed in real time provided from the zero
상기 위상비교부(920)로부터 제공된 위상전달함수를 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공하는 루프필터부(930)와;A
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;A voltage controlled
상기 전압발진제어부로부터 제공된 신호에 따라 0전류 스위칭을 할 수 있는 게이트신호를 인버터(100)로 출력하는 게이트드라이브부(950)로;A
구성됨을 특징으로 한다. Characterized in that configured.
상기와 같이 구성된 본원발명에 의한 비접촉식 전력전송시스템의 동작과정을 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the contactless power transmission system according to the present invention configured as described above are as follows.
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. First, the commercial power supplied from the outside is rectified to primary DC in the
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. When the power converted to the high frequency in the
싱기 교번자속은 1차트랙(200)와 1차 및 2차공극(700)을 거쳐 2차픽업코아(600)로 흐르면서 상기 주파수에 해당하는 횟수만큼 2차픽업코일과 쇄교하게 된다. The alternating magnetic flux flows through the
상기 교번자속이 2차픽업코일과 쇄교하면 2차픽업코일에는 전자유도현상에 의해 기전력이 유기되며 상기 2차픽업코일에 유기된 기전력은 컨버터(800)를 이동부하에서 필요로 하는 전원으로 변환되어 이동부하로 공급되게 된다. When the alternating magnetic flux is interlinked with the secondary pick-up coil, electromotive force is induced in the secondary pick-up coil by the electromagnetic induction phenomenon, and the electromotive force induced by the secondary pick-up coil is converted into the power required by the
여기까지의 과정은 종래의 기술과 동일하다. The procedure so far is the same as in the prior art.
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. At this time, when the secondary load winding 500 moves along the
이에 따라 앞서 언급한 바와 같이 상호인덕턴스가 변화하게 되고 아울러 1차트랙권선(300)의 인덕턴스도 변화하게 되며, 동시에 공진주파수도 변화하게 된다. Accordingly, as described above, the mutual inductance is changed, and also the inductance of the primary track winding 300 is changed, and at the same time, the resonance frequency is also changed.
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. Meanwhile, the zero
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. Subsequently, the
다음 위상비교부(920)로부터 공진전류의 위상전달함수를 수신한 루프필터부(930)는 그 값을 적분하여 전압제어발진부(940)로 제공한다. Next, the
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. Subsequently, the voltage oscillation control unit oscillates a new frequency changed according to the resonant frequency changed according to the phase signal provided from the
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. On the other hand, the
이어서 상기 게이트드라이브부(950)로부터 게이트신호를 수신한 인버터(100)는 게이트신호에 맞추어 0전류 차단을 행함으로서 연속적으로 변화된 공진주파수에 맞추어 스위칭동작을 수행할 수 있게 된다. Subsequently, the
위에 설명하지 않은 도10은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 장치의 전체도이고, 도11은 본원발명의 시뮬레이션 조건이 부가된 1차 및 2차권선의 장치도이다. 10, which is not described above, is an overall view of a device to which the simulation condition of the present invention is added, and FIG. 11 is a device diagram of the primary and secondary windings to which the simulation condition of the present invention is added.
상기와 같이 구성된 본원발명에 의하면,According to the present invention configured as described above,
비접촉식 전력전송시스템의 전력전송효율을 획기적으로 개선함으로서 지금까지 전력효율의 문제에 부딪쳐 활성화되지 못하였던 비접촉식 전력전송시스템의 실용화 및 활성화를 촉진하는 효과가 있다.By drastically improving the power transmission efficiency of the contactless power transmission system, there is an effect of promoting the practical use and activation of the contactless power transmission system, which has not been activated until now due to the problem of power efficiency.
또한 이로 인하여 경전철 등의 초기 건설투자비를 절감하고 이에 대한 사회적 수요를 촉발하므로서 도시교통의 난제를 해결하는 효과가 있다. In addition, this reduces the initial construction investment cost of light rail and triggers social demand for it, thereby solving the difficulties of urban transportation.
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- 2006-03-16 KR KR1020060024349A patent/KR100796783B1/en not_active IP Right Cessation
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