KR101569189B1 - 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로; 트램차량의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력공급원으로서 지상의 급전용 인버터와, 상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로와, 상기 트램차량에 설치되어 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전모듈(Pick-up)과, 상기 집전모듈로부터 전달된 전기에너지를 전압 조절하여 차량 구동수단으로 공급하는 전압 레귤레이터로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 무선전력 전송 시스템을 도심형 무가선 트램 차량에 적용하여 기존 가공차선이나 제3궤조를 이용하는 접촉식 급전시스템의 접촉식 급전방식이 갖는 유지보수 비용 발생이나 도심지 내 전차선이 거미줄처럼 연결되어 전차선 또는 제 3궤조를 통한 감전사고의 위험이 없고, 트램차량의 운행에 폭우, 강풍 등의 날씨 영향이 거의 없고, 능동적으로 대용량 전력 공급이 가능해 짐으로써 트램 차량의 배터리 수명도 연장시킬 수 있다.

Description

도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템 {Wireless Power Transmission System for Tram Vehicle}
본 발명은 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 트램 차량에 비접촉식으로 필요한 대전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차의 급격한 증가와 도로 교통의 정체 등 타 육상교통 수단이 한계에 이르면서, 전기철도에 대한 수요가 나날이 증가하고 확장되는 추세이다.
한편, 전기철도에 대한 수요 증가로 인한 공급이 확대됨에 따라 대량 대중교통 수단으로서 전기철도의 안전성과 신뢰성에 대한 확보가 더 절실히 요구되고 있다.
이와 같은 전기철도의 급전 시스템은 차량의 운행 동력으로서 필요한 교류 25,000V 또는 직류 1,500V의 전기에너지를 선로를 따라 설치된 가공차선(혹은, '트롤리선' 이라고 함) 또는 제3궤조로부터 전력을 공급받아 그 운행 및 제어에 사용하고 있으며 이의 일 예가 도 1 및 도 2에 도시된다. 이때, 도 1은 종래 일반적인 가공차선을 이용한 급전방식의 일 예이고, 도 2는 종래 일반적인 제3궤조를 이용한 급전방식의 일 예이다.
이와 같은 접촉식 급전 방식을 갖는 판토그라프는 등록특허 제10-0531749호, 등록특허 제10-0858370호 등을 통해 다양한 형태가 제안된 바 있다.
상기 가공차선을 통해 전력을 공급받기 위해서는 차량에 탑재한 팬토그라프를 이용하여 접촉에 의해 전력을 공급받으며, 제3궤조의 경우에는 레일 측면 또는 레일 사이에 제3궤조를 설치하고 변전소로부터 전력을 공급하며 열차에 부착된 급전슈를 통해 접촉에 의해 전력을 공급받는다.
그런데, 이와 같은 종래의 가공차선을 이용하는 접촉식 급전시스템은 급전을 위한 접촉에 의한 유지보수 비용 발생, 도심지 내 전차선이 거미줄처럼 연결되어 도시 미관의 침해, 전차선에 의한 사고 발생의 위험이 존재한다.
또한, 종래의 가공차선은 폭우, 강풍 등 날씨의 영향을 받아 운영시간 축소 및 고객 불편이 자주 발생하고, 레일을 귀선전류 궤환루프로 이용해야하며, 가공차선과의 이격거리 확보를 위한 터널 단면적이 증가하고, 고속운행시에 팬토그라프의 공기저항 급상승에 의한 에너지 효율의 저감이 발생한다.
아울러, 종래의 제3궤조를 이용하는 접촉식 급전시스템은 승객 접촉 및 침수에 의한 감전 사고 발생 우려가 매우 높다.
참고문헌 1: 등록특허 제10-0531749호 참고문헌 2: 등록특허 제10-0858370호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 트램차량에 최근 에너지 활용의 극대화 관점에서 실용화 기술 개발에 많은 초점이 이루어지고 있는 비접촉식 무선전력 전송 기술을 적용하여 트램차량에서 필요로 하는 수백 KW 급의 대용량 전력을 공급할 수 있는 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
트램차량의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력공급원으로서 지상의 급전용 인버터와, 상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로와, 상기 트램차량에 설치되어 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전모듈(Pick-up)과, 상기 집전모듈로부터 전달된 전기에너지를 전압 조절하여 차량 구동수단으로 공급하는 전압 레귤레이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
이때, 상기 급전선로는 트램차량의 주행구간 전체에 형성되거나 또는 트램 차량에 구비되는 배터리의 충전을 위한 급전구간에만 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전용 인버터는 변전실에서 공급되는 DC 750V의 직류전원을 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전모듈은 고주파로 유기된 기전력의 정류를 위한 정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 급전선로는 페라이트 또는 아몰포스 재질의 코어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전압 레귤레이터는 부스트 방식의 DC-DC 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트램차량의 차량 구동수단은 HSCB를 On 함으로써 인터페이스를 통해 전압 레귤레이터로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 차량 구동수단은 추진장치인 인버터 및 추진용 모터와, 전력 공급을 위해 충전되는 DC/DC컨버터 및 배터리와, 에어컨 및 조명의 전원공급을 위한 보조전원장치(SIV)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트램차량의 차량 구동수단의 사용전력은 차상제어기에서 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전선로에는 급전감지수단을 통해 차량에 공급되는 부하전원을 감지한 지상제어기는 상기 급전용 인버터의 출력전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무선전력 전송 시스템을 도심형 무가선 트램 차량에 적용하여 기존 가공차선이나 제3궤조를 이용하는 접촉식 급전시스템의 접촉식 급전방식이 갖는 유지보수 비용 발생이나 도심지 내 전차선이 거미줄처럼 연결되어 전차선 또는 제 3궤조를 통한 감전사고의 위험이 없다.
아울러, 본 발명은 트램차량의 운행에 폭우, 강풍 등의 날씨 영향이 거의 없고, 능동적으로 대용량 전력 공급이 가능해 짐으로써 트램 차량의 배터리 수명을 연장시킬수 있다.
또한, 본 발명은 급전선로가 설치되어 있는 구간에서는 배터리에 의한 차량의 기동이 필요 없기 때문에 차량의 운행구간에 무선전력전송 시스템을 구축한다면 차량용 배터리를 제거함으로써 배터리의 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 본 발명은 무가선 트램 차량의 구동 또는 배터리를 충전하기 위한 가선 시스템의 제거가 가능해 짐으로써 도심의 미관을 고려한 미려한 전기철도 시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 가공차선을 이용한 급전방식의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 일반적인 제3궤조를 이용한 급전방식의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템의 상세 구성도이다.
도 5는 부하 변동에 따른 급전용 인버터의 출력전류의 능동적 제어 예를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 트램차량의 운행시 효율적인 모니터링 화면의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 트램차량(200)에 무선전력 전송 기술을 적용하여 트램차량(200)에서 필요로 하는 수백 KW 급의 대용량 전력을 비접촉 방식으로 무선 공급할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템은 도시형 무가선 트램차량의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력공급원으로서 지상(100)의 급전용 인버터(110)와, 상기 급전용 인버터(110)에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로(120)와, 상기 트램차량(200)에 설치되어 상기 급전선로(120)의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전모듈(Pick-up)(210)과, 상기 집전모듈(210)로부터 전달된 에너지를 차량에서 활용할 수 있도록 전압 조절(voltage regulation)을 한 후 차량 구동수단(230)으로 공급하는 전압 레귤레이터(220)로 구성된다.
이때, 트램차량(200)이 주행구간 전체에 급전선로를 형성하거나 특별히 트램 차량에 구비되는 배터리(235)의 충전을 위한 급전구간에만 부분적으로 급전선로(120)를 형성할 수 있다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 급전용 인버터(110)는 도시형 무가선 트램차량(200)의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 변전실(102)에서 공급되는 DC 750V의 직류전원을 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환한다.
이때, 상기 급전용 인버터(110)는 트램차량(200)의 부하 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 충분히 지능화함이 바람직하다. 예를 들어 트램차량(200)에서 많은 부하를 사용할 경우 급전용 인버터(110)는 많은 전력을 공급하고, 트램차량(200)에서 갑자기 부하량을 줄일 경우 급전용 인버터(110)는 이를 순시적으로 감지하여 급전 전력이 감소하도록 제어함이 바람직하다.
한편, 상기 급전 선로(120)는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하는 것으로, 급전용 인버터(110)에서 공급하는 고주파에 대해서 급전선로의 길이를 고려한 콘덴서 부착 등 충분한 공진설비에 의해서 급전선로(120)의 손실을 최소화함이 바람직하다.
그리고, 상기 집전모듈(Pick-up)(210)은 급전선로(120)에서 발생하는 자장에 대해서 최대한 쇄교할 수 있는 구조로 설계되어야 하고 고주파로 유기된 기전력의 정류를 위한 정류기(212)를 포함한다.
이때, 상기 급전선로(120)와 집전모듈(210)은 전자기 유도현상을 이용하여 무선으로 전력을 트램차량에 공급한다.
상기 전자기 유도현상에서는 도선 또는 자석의 운동 속도를 크게 하거나 강한 자석을 사용하면 같은 시간 동안에 코일을 지나는 자속의 변화가 커진다. 또한, 코일을 감은 수를 증가시켜도 큰 유도기전력이 나타난다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112013099684206-pat00001
여기서, V는 유도기전력, n은 감은 수, t는 시간으로서, t시간 동안 코일을 관통하는 자속의 변화는 △Φ 이다. (-)부호는 유도기전력이 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐름을 나타내는데 이것이 곧 렌츠의 법칙이다.
이에 따라 시스템 구현을 위해서 집전모듈(210)의 차량 코일은 차체와 분리하여 도전체로부터 이격시켜 취부해야 한다. 이때, 트램차량(200)의 도전체와 분리시키지 않을 경우 유도전류의 발생에 지장을 줄 수 있기 때문이다.
상기 급전선로(120)는 무선 급전 시스템의 효율을 증대시키기 위해서 페라이트, 아몰포스 등과 같은 다양한 재질의 코어를 사용할 수 있고 설계 용량에 따라서 전력케이블의 길이 및 turn 수를 결정한다.
그리고, 상기 집전모듈(210)은 급전선로(120)의 고주파 자기장으로부터 최적의 유기 기전력을 얻도록 하기 위해 급전 선로와 같은 공진 주파수를 갖도록 설계하고, 고주파 자기장의 쇄교 면적이 최대가 되도록 설계한다.
이와 같은 급전선로(120)와 집전모듈(210) 사이의 간격은 가능한 최소 간격(예를 들어 20cm 이내)을 유지함으로써 무선전력전송의 전달 효율을 극대화하도록 하고 최소간격의 도출은 급전용 인버터(110)의 운용주파수, 급전선로의 공진 주파수, 픽업에 전달된 유기기전력의 량을 측정하여 최적의 간격을 도출한다.
한편, 상기 전압 레귤레이터(220)는 상기 집전모듈(210)로부터 전달된 에너지를 차량에서 활용할 수 있도록 전압 조절(voltage regulation)을 수행하는 것으로, 예를 들어 집전되는 전압을 DC 800V로 변환한다.
이와 같은 전압 레귤레이터(220)는 집전모듈(210)에서 정류된 전압을 트램차량(200)이 요구하는 전압으로 일정하게 유지하기 위해서 트램차량(200)에 부착하며, 트램차량(200)에 일정 전압을 공급하기 위해서 부스트 방식의 DC-DC 컨버터로 구성된다.
이때, 상기 트램차량(200)에서 HSCB(High Speed Circuit Breaker)(202)를 On 함으로써 트램차량(200)의 차량 구동수단(230)으로 인터페이스를 통해 전압 레귤레이터(220)로부터 전력을 공급받는다. 상기 차량 구동수단(230)은 추진장치인 추진용 인버터(232) 및 추진용 모터(233)와, 전력 공급을 위해 충전되는 DC/DC컨버터(234) 및 배터리(235)와, 에어컨(237) 및 조명(238) 등의 보조장치의 전원공급을 위한 보조전원장치(SIV)(236) 등으로 이루어지며, 이들 차량 구동수단(230)의 구동을 위해서 트램차량(200)의 요구에 따라 전력을 공급한다.
한편, 무가선 트램차량(200)은 무선급전을 통한 무선 전력 전송에 대한 모니터링 기능을 위해 차상제어기(201)는 지상 제어기(101)와 데이터 통신을 수행하며, 이를 통한 무선전력 전송 시스템의 공급전력(급전전력)과 집전전력 간의 효율적인 사용전력의 모니터링을 수행한다.
이때, 상기 차상제어기(201)는 트램차량(200)에 설치되는 것으로, 트램차량(200)의 차량 구동수단(230)에서 소비 및 충전하고 있는 전력량(추진장치의 순시 소비전력, 배터리의 순시 충전 전력 및 누적 충전량, 차량의 보조 소비 전력(차량 편의 및 제어장치), 레귤레이터 출력전압)을 종합적으로 모니터링한다.
한편, 트램차량(200)과의 전력 공급을 위한 인터페이스를 위해 상기 트램차량(200)의 운전석에는 현시되는 전압 레귤레이터(220)의 출력전압이 트램차량(200)이 요구하는 DC 800V 수준에 도달되면 트램차량의 운행자가 HSCB(202)를 On 함으로써 트램차량(200)과 무선전력전송시스템의 인터페이스가 이루어진다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참고로 본 발명에 따른 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템의 작동 예를 설명한다.
변전실(102)에서 공급되는 DC 750V의 직류전원은 급전용 인버터(110)를 거치면서 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환되어 급전선로(120)로 공급된다.
그에 따라 상기 급전선로(120)는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하게 된다.
한편, 상기 급전선로(120)에는 급전감지수단(130)을 통해 차량에 공급되는 전원을 감지할 수 있으며, 이를 통해 트램차량(200)의 부하 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 충분히 지능화할 수 있다. 이 경우 상기 급전감지수단(130)은 급전선로(120)에 센싱코일(sencing coil)을 설치하여서 급전되는 전력을 감지할 수 있다.
이 같은 구성을 통해 도 5에 도시된 바와 같이 능동형 급전 인버터(110)로 구동되는 경우 예를 들어 트램차량(200)의 부하가 5.6Ω에서 4.5Ω으로 변동되는 경우 그에 따른 급전용 인버터(110)의 출력전류는 지상제어기(102)의 능동적 제어에 따라 200A에서 100A로 공급 전류를 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 급전 선로(120)에서 유기되는 고주파 교류 전류에 대한 전자기 유도 에너지는 집전모듈(210)에 무선으로 공급되며, 전압 레귤레이터(220)는 상기 집전모듈(210)로부터 전달된 에너지를 차량에서 활용할 수 있도록 전압 조절(voltage regulation)을 수행하게 된다.
이와 같은 전압 레귤레이터(220)를 통해 일정하게 DV 800V로 유지되는 전압은 트램차량에 공급된다. 특히, 도 6에 도시된 바와 같이 트램차량(200)의 추진장치인 추진용 모터(233)와 배터리(235) 및 차량편의/제어장치의 사용전력을 감시하여 차상제어기(201)의 모니터를 통해 현시하여 트램차량의 운행시 효율적인 모니터링을 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예들과 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
100: 지상 110: 급전용 인버터
120: 급전선로 200: 트램차량
210: 집전모듈 220: 전압 레귤레이터
230: 차량 구동수단

Claims (10)

  1. 변전실에서 공급되는 DC 750V의 직류전원을 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환하여 트램차량의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력공급원으로서 지상의 급전용 인버터와,
    상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해 전자기 유도 에너지를 발생하는 페라이트 또는 아몰포스 재질의 코어로 이루어지는 급전선로와,
    상기 급전선로로부터 트램차량에 공급되는 급전 전력을 감지하여 급전용 인버터가 트램차량의 부하 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 하는 급전감지수단과,
    상기 트램차량에 설치되어 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전모듈(Pick-up)과,
    상기 집전모듈로부터 전달된 전기에너지를 전압 조절하여 트램차량에서 요구하는 일정 전압을 차량 구동수단으로 공급하는 부스트 방식의 DC-DC 컨버터로 구성되는 전압 레귤레이터와,
    상기 트램차량에 설치되고 차량 구동수단에서 소비 및 충전하고 있는 추진장치의 순시 소비전력, 배터리의 순시 충전 전력 및 누적 충전량, 차량의 보조 소비 전력, 레귤레이터 출력전압을 종합적으로 모니터링할 수 있도록 현시하는 모니터를 구비한 차상제어기 및
    상기 차상제어기와의 데이터 통신을 수행하고, 급전감지수단을 통해 차량에 공급되는 부하전원을 감지하여 급전용 인버터의 출력전류를 제어하는 지상제어기를 포함하여 구성되되,
    상기 집전모듈은 고주파로 유기된 기전력의 정류를 위한 정류기를 포함하여 구성되고,
    상기 차량 구동수단은 추진장치인 인버터 및 추진용 모터와, 전력 공급을 위해 충전되는 DC/DC컨버터 및 배터리와, 에어컨 및 조명의 전원공급을 위한 보조전원장치(SIV)를 포함하여 구성되며,
    급전선로는 트램차량의 주행구간 전체에 형성되거나 또는 트램 차량에 구비되는 배터리의 충전을 위한 급전구간에만 형성되는 것을 특징으로 하는 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템.
  2. 삭제
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  7. 제 1항에 있어서,
    상기 트램차량의 차량 구동수단은 HSCB(High Speed Circuit Breaker)를 On 함으로써 인터페이스를 통해 전압 레귤레이터로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 도심운행을 위한 트램차량용 무선 전력 전송 시스템.
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