KR101229935B1 - 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치는 세그멘트 급전선에 직렬로 연결되는 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터와 직렬로 연결되는 제2 커패시터; 및 상기 제2 커패시터와 병렬로 연결되는 변압기를 포함하며, 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 및 상기 변압기는 급전 세그멘트의 온오프 상태에 따라서 바뀌는 급전선로 누설 인덕턴스를 보상한다. 본 발명에 의하면, 교차형 세그멘트 급전선로에서 세그멘트 연결 스위치에 의해 변화되는 급전선로 누설 인덕턴스를 전류의 방향에 따라 공진 커패시터를 선택하여 자동으로 보상할 수 있게 함으로써, 공통선 설치에 따른 비용을 줄이고 복수개의 급전 세그멘트를 동시에 켤 수 있으며 차량이 운행하지 않는 선로에서의 EMF 문제를 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치{VARIABLE INDUCTANCE COMPENSATION DEVICE FOR CROSS SEGMENT POWER SUPPLY LINE}

본 발명은 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교차형 세그멘트 급전선로에서 세그멘트 연결 스위치에 의해 세그멘트내 한쌍의 급전선에 흐르는 전류의 방향(동일 또는 역방향)이 바뀌면서 변화되는 급전선로의 누설 인덕턴스에 대하여 전류의 방향에 따라 자동으로 공진 커패시터를 선택하는 방향성 공진 커패시터 회로부를 구성하여 급전선로의 누설 인덕턴스에 의한 전압변동을 보상하는 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치에 관한 것이다.

온라인 전기자동차의 급전선로에 전력을 공급하는 기존의 구현방식으로는 각 세그멘트별로 개별적인 전력 공급 케이블을 이용하는 방법과 공통선을 이용하는 방법이 있다. 하지만 케이블 설치비용과 공통선 설치 비용문제, 다수의 급전 세그멘트를 동시에 온 상태로 제어할 필요가 있을 때 이를 수행할 수 없는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세그멘트별로 온오프 제어되는 온라인 전기자동차용 급전선로 방식이 제안되었으며, 이 방식은 각 급전선로에 흐르는 전류의 방향을 스위치로 제어해서 하나 또는 다수의 급전 세그멘트를 선택적으로 온오프할 수 있도록 하는 것으로, 공통선 설치에 따른 비용을 줄이고 복수개의 급전 세그멘트를 동시에 켤 수 있으며 차량이 운행하지 않는 선로에서의 전자기장(EMF: Electro Magnetic Field) 문제를 개선할 수 있다. 그러나, 세그멘트간의 급전선을 연결하는 스위치의 결선에 따라 급전선로 누설 인덕턴스가 크게 달라지는 문제점이 발생한다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안이 필요하다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급전선로 누설 인덕턴스가 급전 세그멘트의 온오프 상태에 따라 가변되는 것에 상관없이 변압기의 커패시티브 커플링현상을 이용, 선로보상 커패시터를 통하여 자동으로 급전선로 누설 인덕턴스에 의한 전압변동 및 전압강하를 보상할 수 있도록 한 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치의 일 측면에 따르면, 세그멘트 급전선에 직렬로 연결되는 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터와 직렬로 연결되는 제2 커패시터; 및 상기 제2 커패시터와 병렬로 연결되는 변압기를 포함하며, 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 및 상기 변압기는 급전 세그멘트의 온오프 상태에 따라서 바뀌는 급전선로 누설 인덕턴스를 보상한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치의 다른 측면에 따르면, 교차형 세그멘트 급전선의 누설 인덕턴스와 동일한 값을 갖는 인덕터; 상기 인덕터와 병렬로 연결되어 상기 교차형 세그멘트 급전선에 흐르는 전류의 방향에 따라 상기 인덕터의 인덕턴스를 가변시켜 상기 교차형 세그멘트 급전선의 전체 인덕턴스를 일정하게 유지시키기 위한 변압기; 및 상기 변압기에 의해 일정하게 유지되는 상기 교차형 세그멘트 급전선의 전체 인덕턴스를 보상하기 위한 보상 커패시터를 포함한다.

본 발명에 의하면, 교차형 세그멘트 급전선로에서 세그멘트 연결 스위치에 의해 변화되는 급전선로 누설 인덕턴스를 전류의 방향에 따라 공진 커패시터를 선택하여 자동으로 보상할 수 있게 함으로써, 공통선 설치에 따른 비용을 줄이고 복수개의 급전 세그멘트를 동시에 켤 수 있으며 차량이 운행하지 않는 선로에서의 EMF 문제를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 급전 세그멘트의 온 상태에 따른 급전선로 누설 인덕턴스 증가를 나타내는 도면.
도 2는 급전 세그멘트의 오프 상태에 따른 급전선로 누설 인덕턴스 감소를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 변압기의 커패시티브 커플링을 적용한 급전선로를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에서 전류의 방향이 다른 경우의 등가회로를 나타내는 도면.
도 5는 도 3에서 전류의 방향이 같은 경우 이상적인 변압기에 대한 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에서 전류방향이 같은 경우 이상적으로 도 5의 등가회로와 같이 되는 것을 설명하기 위하여, 실제의 변압기 부분을 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스, 이상적인 변압기로 나타낸 등가회로를 나타내는 도면.
도 7은 도 6의 회로를 해석하기 위해 다시 표현한 등가회로를 나타내는 도면.
도 8은 도 7에서 한쪽의 전류원을 기준으로 표현한 등가회로를 나타내는 도면.
도 9는 전류방향이 같은 경우 실제 변압기의 자화 인덕턴스만이 선로의 공진 주파수에 약간 영향을 주는 것을 나타내는 도면.
도 10은 도 3에서 전류방향이 다른 경우 이상적으로 도 4의 등가회로와 같이 되는 것을 설명하기 위하여, 실제의 변압기 부분을 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스, 이상적인 변압기로 나타낸 등가회로를 나타내는 도면.
도 11은 도 10의 회로를 해석하기 위해 다시 표현한 등가회로를 나타내는 도면.
도 12는 도 11에서 한쪽의 전류원을 기준으로 표현한 등가회로를 나타내는 도면.
도 13은 도 12에서 펄스변압기의

의 관계를 적용하여 근사화한 등가회로를 나타내는 도면.
도 14는 전류방향이 다른 경우 실제 변압기의 누설 인덕턴스만이 선로의 공진 주파수에 약간 영향을 주는 것을 나타내는 도면.
도 15는 본 발명이 세그멘트별 온오프 제어되는 온라인 전기자동차용 급전장치에 적용된 급전선로의 한부분을 등가회로로 나타낸 도면.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치를 나타내는 도면.
도 17은 도 16에서 전류의 방향이 같은 경우의 등가회로를 나타내는 도면.
도 18은 도 16에서 전류의 방향이 다른 경우의 등가회로를 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 급전 세그멘트의 온 상태에 따른 급전선로 누설 인덕턴스 증가를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 급전 세그멘트에서 전류가 같은 방향으로 흐를 때 자속의 증가로 인하여 급전선로 누설 인덕턴스가 증가한다.

도 2는 급전 세그멘트의 오프 상태에 따른 급전선로 누설 인덕턴스 감소를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 급전 세그멘트에서 전류가 다른 방향으로 흐를 때 자속의 감소로 인하여 급전선로 누설 인덕턴스가 감소한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 변압기의 커패시티브 커플링을 적용한 급전선로를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 변압기(10)의 커패시티브 커플링을 적용한 급전선로에서, 전류의 방향과 상관없이 급전선로 누설 인덕턴스를

(30)로 정의하고, 이것과 직렬로 연결되는 커패시터는

(50)과

(70)로 정의한다. 한 쌍의 직렬 커패시터(50,70) 중 한쪽 단자는 세그멘트 급전선에 직렬로 연결되고, 세그멘트 급전선에 직렬 연결되지 않은 커패시터(70)와 변압기(10)가 병렬로 연결된다. 또한, 세그멘트 급전선과 변압기 사이에 직렬로 연결된 커패시터(50)에 의해 오프상태의 급전선로 누설 인덕턴스에 의한 전압변동 및 전압강하가 보상되고, 한 쌍의 직렬 커패시터(50,70)에 의해 온 상태의 급전선로 누설 인덕턴스에 의한 전압변동 및 전압강하가 보상된다. 여기서, 한 쌍의 직렬 커패시터(50,70) 각각을 복수개의 직, 병렬 커패시터로 구비할 수 있다. 즉, 한 쌍의 직렬 커패시터(50,70)와 변압기(10)를 포함하는 보상회로에 의해 세그멘트의 온/오프 스위칭에 따라 바뀌는 급전선로 누설 인덕턴스가 보상된다.

도 4는 도 3에서 전류의 방향이 다른 경우의 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도 3에서 전류의 방향이 다른 경우, 감소된 급전선로 누설 인덕턴스를

(90)로 정의하고, 하기의 수학식 1을 만족하는 커패시터를

(110)으로 정의한다. 여기서 Ws는 인버터의 스위칭 각주파수에 해당한다.

도 5는 도 3에서 전류의 방향이 같은 경우 이상적인 변압기에 대한 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 3에서 전류의 방향이 같은 경우, 증가된 급전선로 누설 인덕턴스를

(130)으로 정의하고, 하기의 수학식 2를 만족하는 커패시터를

(150)로 정의한다.

도 6은 상기와 같은 이상적인 동작을 할 수 있도록 하기 위한 실제 변압기의 설계조건을 알아보기 위한 회로로서, 도 3에서 전류방향이 같은 경우 실제의 변압기 부분을 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스, 이상적인 변압기로 나타낸 등가회로다.

도 6에 도시된 바와 같이, 도 3에서

(70)로 들어가는 전류를 전류원

(170)로 정의하고, 변압기의 누설 인덕턴스를

(190)로 정의하며, 자화 인덕턴스를

(210)로 정의한다. 여기서 회로의 대칭성을 이용해서 해석을 용이하게 하기 위해 변압기 1,2차측의 자화 인덕턴스를 각각

로 나타냈다.

도 7은 도 6의 회로를 해석하기 위해 다시 표현한 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 도 6은 1,2차측의 권선비가 1:1인 변압기이므로 변압기를 없애고 도 7과 같은 등가회로로 표현이 가능하다. 여기서 1,2차측의 자화인덕턴스

는 도 7의 등가회로로 변환되는 과정 중에 병렬로 연결된 것이다. 이 회로에서 좌우측이 완전 대칭이므로 회로 가운데 부분의 전선 사이에는 아무런 전류도 흐르지 않으므로 이 회로의 해석을 위해서는 가운데를 중심으로 양쪽으로 각각 나눠도 된다.

도 8은 도 7에서 한쪽의 회로만 표현한 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 이 경우의 자화인덕턴스

(210)로 흐르는 전류를

로 정의하면,

는 하기의 수학식 3과 같은 조건을 만족한다.

도 8에서 일반적인 펄스변압기에서

이므로 수학식 3과 같은 근사화가 가능하다. 도 8에서 구한 상기 수학식 3의 전류값은 실제

로 흐르는 전류

의 절반에 해당한다. 따라서 실제 변압기의 자화전류가 하기의 수학식 4를 만족하도록 변압기를 설계한다. 여기서 변압기가 포화영역으로 들어갈때의 전류를

으로 정의한다. 또한,

로 변압기가 커패시터

(250)에 걸리는 전압

를 견디도록 설계한다.

도 9는 전류가 같은 방향일 때 실제 변압기는 자화 인덕턴스만 실질적으로 공진회로에 약간 영향을 줄 수 있음을 보여주고 있다. 회로의 공진주파수는 변압기의 자화 인덕턴스에 의해 약간 변동되므로 이를 감안하여 선로를 설계하면 된다. 또는 자화 인덕턴스가 회로의 공진주파수에 실질적으로 영향을 주지 못하도록 자화 인덕턴스 값을 충분히 크게 해주면 된다.

도 10은 도 3에서 전류방향이 다른 경우 실제 변압기 설계조건을 찾기 위해, 실제의 변압기 부분을 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스, 이상적인 변압기로 나타낸 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 도 3에서

(70)로 들어가는 전류를 전류원

(270)로 정의하고, 변압기의 누설 인덕턴스를

(290)로 정의하며, 자화 인덕턴스를

(310)로 정의한다. 여기서 도 10의 등가회로에서 회로의 대칭성을 이용해 계산을 용이하게 하기 위하여 변압기 1,2차측의 자화 인덕턴스를

로 나타냈다.

도 11은 도 10의 회로를 해석하기 위해 다시 표현한 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 도 10에서 1,2차측의 권선비가 1:1이므로, 이 변압기를 없애고 좌우측 회로를 연결해도 회로 내 전류, 전압값은 변하지 않는다. 여기서 1,2차측의 자화인덕턴스

는 2개가 병렬로 합쳐지므로 도 11과 같이 그 값이

(330)가 된다. 도 11에서 좌우 회로는 전류원의 극성만 제외하면 완전 대칭이다. 따라서 중첩의 원리를 적용하면 중앙부분의 자화인덕턴스에 걸리는 전압과 여기에 흐르는 전류는 모두 0이다.

따라서, 도 12와 같이 도 11의 좌측부분 회로만 표시하고 자화인덕턴스 부분을 쇼트회로로 한 회로만 해석하면 된다. 도 12 회로에서 펄스변압기의

의 관계를 적용하여 근사화한 등가회로가 도 13이다. 도 13에서 보면, 선로의 전류

(350)가 대부분 실제 변압기의 선로인덕턴스 쪽으로 흘러 들어간다. 그러므로 실제 변압기는

가 되도록 코일의 내부저항을 설계하면 된다.

도 14는 도 13의 등가회로를 도 3에 적용한 회로를 나타내는 도면이다. 실제 변압기의 경우 변압기의 누설인덕턴스가 선로의 공진주파수에 약간 영향을 주나, 누설 인덕턴스가 충분히 작게 설계해주면

이므로 도 4와 같은 등가회로로 근사화하여 나타낼 수 있다.

도 15는 본 발명이 세그멘트별 온오프 제어되는 온라인 전기자동차용 급전장치에 적용된 급전선로의 한부분을 등가회로로 나타낸 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 교차형 세그멘트 급전선로용 방향성 공진 커패시터 장치는 세그멘트를 온오프 함에 따라 바뀌는 급전선로의 누설 인덕턴스(30)를 보상하기 위해서 커패시터(50,70)와 변압기(10)를 포함하는 보상회로로 구성된다. 상기의 보상회로는 매 세그멘트마다 각기 설치해야 각 세그멘트를 독립적으로 온오프 제어하여도 항상 급전선로의 공진주파수가 일정하게 된다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치를 나타내는 도면이고, 도 17은 도 16에서 전류의 방향이 같은 경우의 등가회로를 나타내는 도면이며, 도 18은 도 16에서 전류의 방향이 다른 경우의 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 교차형 세그멘트 급전선로에서 교차형 세그멘트 급전선의 누설 인덕턴스

(410)와 동일한 값을 갖는 인덕터

(390)가 연결된다. 인덕터

(390)와 병렬로 연결되는 변압기(370)는 교차형 세그멘트 급전선에 흐르는 전류의 방향에 따라 인덕터

(390)의 인덕턴스를 가변시켜 교차형 세그멘트 급전선의 전체 인덕턴스를 일정하게 유지시킨다. 여기서, 변압기(370)는 교차형 세그멘트 급전선에 흐르는 전류의 방향이 같은 경우 인덕터

(390)의 인덕턴스를 작게 하고, 교차형 세그멘트 급전선에 흐르는 전류의 방향이 다른 경우 인덕터

(390)의 인덕턴스를 커지게 하는 특성을 갖는다. 보상 커패시터

(430)는 변압기(370)에 의해 일정하게 유지되는 교차형 세그멘트 급전선의 전체 인덕턴스를 보상한다.

교차형 세그멘트 급전선로에서 전류의 방향이 같은 경우에는 도 17에 나타난 바와 같이 변압기(370)의 자장이 서로 상쇄되어

(390)의 인덕턴스가 없어지므로 총 인덕턴스

이 된다. 또한, 전류의 방향이 다른 경우에는 도 18에 나타난 바와 같이 자속의 감소로 인하여

(410)의 급전선로 누설 인덕턴스가 없어지므로 총 인덕턴스

이 된다.

즉, 전류의 방향이 같은 경우

의 인덕턴스와 전류의 방향이 다른 경우

의 인덕턴스는 동일하므로 총 인덕턴스

는 항상 일정한 값을 가지게 된다. 따라서 보상 커패시터

(430)만으로 전류의 방향이 같은 경우와 다른 경우 교차형 세그멘트 급전선로의 전체 인덕턴스를 보상할 수 있게 된다. 특히 전류의 방향이 다른 오프모드일 때 일부러 선로 인덕턴스 감소분만큼 증가시켜줘서 전체 선로 인덕턴스를 일정하게 하는 것이기 때문에, 이 경우 개별 세그멘트를 커패시터 등을 써서 보상을 하지 않는 것이 전체 급전선로비용 절감에 유리하다.

또한, 교차형 세그멘트 급전선로에서 전류의 방향에 따라 반드시 전술한 바와 같이 보상을 해줘야 하는 것은 아니고, 전체 세그멘트 수가 많고 이 중에서 1~2개로 소수만이　온 상태가 되고 나머지는 대부분 오프 상태가 되는 경우에 전체 선로 인덕턴스가 크게 변하는 것이 아니므로 이 경우에는 굳이 보상을 하지 않아도 된다. 오히려 보상을 해주지 않는 것이 교차형 세그멘트 급전선로에서는 전체 선로 인덕턴스가 오프 상태가 많은 경우 작아져서 보상용량이 적어지게 되는 이점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 변압기
30 : 급전선로 누설 인덕턴스
50,70 : 직렬 커패시터

Claims (8)

1. 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치로서,
   세그멘트 급전선에 직렬로 연결되는 제1 커패시터;
   상기 제1 커패시터와 직렬로 연결되는 제2 커패시터; 및
   상기 제2 커패시터와 병렬로 연결되는 변압기를 포함하며,
   상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 및 상기 변압기는 급전 세그멘트의 온오프 상태에 따라서 바뀌는 급전선로 누설 인덕턴스를 보상하고, 상기 제1 커패시터는 상기 급전 세그멘트 오프 상태의 급전선로 누설 인덕턴스에 의한 임피던스를 상쇄해주며, 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터는 상기 급전 세그멘트 온 상태의 급전선로 누설 인덕턴스에 의한 임피던스를 상쇄해주는 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 직렬로 연결된 한 쌍의 제1 커패시터와 제2 커패시터는 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결되는
   것을 특징으로 하는 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치로서,
   교차형 세그멘트 급전선 쌍의 누설 인덕턴스와 동일한 값을 갖는 인덕터;
   상기 인덕터와 병렬로 연결되어 상기 교차형 세그멘트 급전선 쌍에 흐르는 두 전류의 방향이 같은 경우 상기 인덕터의 인덕턴스를 작게 하고, 상기 교차형 세그멘트 급전선 쌍에 흐르는 두 전류의 방향이 다른 경우 상기 인덕터의 인덕턴스를 커지게 하여 상기 교차형 세그멘트 급전선 쌍에 흐르는 두 전류의 방향에 관계없이 상기 교차형 세그멘트 급전선 쌍의 전체 인덕턴스를 일정하게 유지시키기 위한 변압기; 및
   상기 변압기에 의해 일정하게 유지되는 상기 교차형 세그멘트 급전선 쌍의 전체 인덕턴스를 보상하기 위한 보상 커패시터를 포함하는 교차형 세그멘트 급전선로의 가변 인덕턴스 보상장치.
8. 삭제

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