KR20010032834A - 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치 - Google Patents

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존 탈보트 보이즈
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마크 버게스
오클랜드 유니서비시즈 리미티드
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Abstract

유도 전력 전송용으로 사용되는, 긴 1차 트랙웨이(1102)에 효과적인 양의 고 주파수 AC 전력을 제공하는 장치는 고의적 미스 매칭을 위한 트랜스컨덕턴스 파이 필터(1105)를 포함하여, 전류 흐름과 트랙 임피던스가 독립되게 한다. 이로써, 전원(1101)은 전압원인 것처럼 보이고, 트랙웨이는 저 리액턴스인 것처럼 보인다. 출력부(1106)를 단락시키면, 접속된 트랙웨이를 전력으로부터 안전하게 차단할 수 있다. 필터는 긴 트랙을 구동할 수 있도록 전압을 단계적으로 높일 수 있다. 특성 임피던스에서 트랙을 종단시키면서 동작 주파수에서만 단락으로서 작동하는 트랙 종단 장치가 개시된다. 유도 전력 전송용으로 사용된 긴 1차 트랙웨이에 효과적인 양의 고 주파수 AC 전력을 제공하는 반 브리지 및 전 브리지 전원(1101)이 개시된다.

Description

1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치{SUPPLY OF POWER TO PRIMARY CONDUCTORS}
통상, 유도 전력 전송 시스템은 (a) 교류 발생기, (b) 트랙(tracks) ("1차 유도 경로")으로서 교류를 하나 이상의 소비측으로 전달하는 하나 이상의 컨덕터, (c) 컨덕터(들) 내의 전류 흐름의 결과로서 교류 자속을 전달하는 공간, (d) 자속의 일부를 인터셉트(intercept)하는 픽업 수단 ("2차 권선"), 및 (e) 전력 소비 수단을 포함한다. 본 발명자들에 의해 개발된 시스템은 (f) 일반적으로 10 ㎑를 넘는 동작 주파수, (g) 동조형 공진 1차측 및 동조형 공진 2차측, (h) 1차측 및 2차측간의 소결합(loose coupling), 및 (i) 동일한 1차 컨덕터를 공유하는 다른 소비측에게 크게 영향을 미치지 않는, 2차측의 부분 감결합(decoupling)에 의한 전력 제어를 포함하는 것을 특징으로 하였다.
본 발명자들은 먼저 유도 전력 전송용 병렬 동조형 1차 유도 경로를 개발하였다. 유도 전력 전송이 비교적 긴 1차 컨덕터 경로 또는 트랙을 포함하는 시스템에 적용되는 경우, 실행 가능한 방식으로는 병렬 동조형 트랙을 구동하는 데에 필요한 고전압의 고 주파 교류를 발생시키기가 다소 어려워진다. 고 전압은 트랙 내로 충분한 전류를 도입시키기 위해 요구되며, 필연적으로 트랙 인덕턴스를 제공한다. (안전성 및 절연성에 대한 고려는 별 문제로 하고) 공지된 기술을 사용하여 스위칭 및 조정될 수 있는 전압에는 한계가 있기 때문에, 긴 병렬 동조형 트랙을 구동하기가 어렵다.
게다가, 안전성이 실제로 문제시된다. 트랙 길이가 증가하면, 트랙의 "그룹 속도"는 제로로 되는 경향이 있는 반면 필요한 주파수에서의 특성 임피던스는 무한대로 되는 경향이 있으므로, 트랙 연장 방법은 병렬 동조형 트랙에는 적합하지 않다. 이에 반해, 시스템 폴(system poles)을 증가시키지 않으면서, 일괄된(lumped) 직렬 캐패시터를 포함하는 "모듈"을 사용하여 직렬 보상 트랙(series compensated tracks)을 연장시킬 수 있다.
유도 전력 전송 시에 AC 공진 전류를 발생시키기 위한 종래 기술은, 일반적으로, 병렬 동조형 회로의 경우에 최대한으로 활용된다. 예시적인 고 주파 변환기 (도 1 참조)는 반 브리지(half-bridge) 구성을 가진다. 스위치의 작동은, 그네에서 아이들의 움직임을 유지하는 것처럼, 공진 전류에 승압 작용을 가하는 것으로 간단히 설명될 수 있다. 통상, 스위치는 제로 전압 조건에서 또는 제로 전압 조건에 매우 근접한 조건에서 상태를 변화시키며, 이에 의해 스위칭 손실이 최소화된다. 바람직한 실시예에서, 공진 캐패시턴스는 일반적으로 전원 내에 또는 전원에 가까운 캐패시턴스이며, 트랙 인덕턴스는 대부분의 공진 인덕턴스를 포함한다. 트랙 내의 전류를 비교적 순수한 사인파이다. 이러한 유형의 변환기는, 예를 들어 본 출원인의 국제 특허 제PCT/GB92/01463호에 개시되어 있다. 이것은 "반 브리지" 변환기로 간주될 수 있으며, 고 리액턴스를 가진 중앙 탭 인덕터(centre-tapped inductor)는 브리지의 수동 절반부(passive half)를 나타내며 DC 복귀 경로를 제공한다. 이러한 유형의 변환기는, 일반적으로, 시스템의 실제 공진 주파수에 의해 스위칭 주파수가 결정되는 "슬레이브" 모드에서 사용된다. 본 발명자가 선택한 특정 변환기는 아주 효율적이고, 낮은 스위칭 손실을 가지며, 스위치 그 자체는 트랙의 자화 전류를 전달하지 않는다. 그러나, 이것은 과중한 부하 하에서 불안정한 주파수를 갖고 이조(detuning)하는 경향이 있으며, 부하가 갑자기 감소되면 DC 인덕터에 저장된 에너지로 인해 전압 및/또는 전류 오버슈트(overshoot)가 초래될 수 있다.
현재, 직렬 보상 트랙의 이점 (후술함)이 분명해지고 있으며, 직렬 보상 트랙은 유도 전력 전송의 상업화에 더욱 관련이 있는 것으로 여겨지므로, 다른 유형의 전원이 보다 바람직할 수 있다.
아울러, 레일 차량에 유도 전력을 제공하는 것과 같은 어플리케이션의 경우, 소정 트랙 내로 공급될 수 있는 전류의 양을 증가시키고, 전류가 제공될 수 있는 거리를 증가시킬 필요가 있으며, 일반적으로 설비와 관련된 주요 비용을 저감시킬 필요가 있다.
〈정의〉
유도 전력 전송 시스템용 직렬 보상 트랙은, 나아가는 컨덕터 및 돌아오는 컨덕터가 평행하게 서로 이격되어 있는 연장된 컨덕터 루프로서 설명될 수 있다. 설비 시에, 하나 이상의 평탄하게 이격된 위치들에 컨덕터들과 직렬로 개개의 캐패시터들로 이루어진 세트를 삽입함으로써, 길이가 연장되더라도, 유도 리액턴스가 비교적 작은 값 또는 그 근처의 값으로 유지된다.
〈목적〉
본 발명의 목적은 유도 전력 전송 시스템을 통전시키는 개선된 수단을 제공하거나, 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
본 발명은 유도 전력 공급 시스템의 1차 회로를 형성하는 트랙웨이 컨덕터(trackway conductors)에 전력을 공급하는 장치에 관한 것으로서, 특히 장거리에 걸쳐서 유도 전력을 분포시킬 수 있는 유도 전력 공급 시스템의 1차 회로를 포함하는 일련의 공진 회로에 접속된 트랙웨이 컨덕터에 전력을 공급하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 제1 특징에 따르면, 적어도 하나의 동조형 1차 트랙웨이(tuned primary trackway)를 구비하는 유도 전력 전송 시스템의 1차 컨덕터에 교류 전원(alternating power source)으로부터의 전력을 공급하는 장치에 있어서 - 상기 각각의 1차 트랙웨이는 고유 공진 주파수를 가짐 -, 입력부와 출력부를 가지는 적어도 하나의 리액티브 네트워크를 포함하되, 상기 네트워크는 상기 전원과 적어도 하나의 1차 트랙웨이간에 접속될 수 있으며, 상기 네트워크는, 선택된 값을 가진 적어도 하나의 인덕턴스를 포함하며, 선택된 값을 가진 적어도 하나의 캐패시턴스에 접속되며, 상기 네트워크는 상기 전원 및 상기 적어도 하나의 1차 트랙웨이간의 전력 전송에 영향을 미칠 수 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
바람직하게는, 동조형 1차 트랙웨니는 그 길이를 따라 하나 또는 그 이상의 직려 보상 캐패시터를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 네트워크는 하나 또는 그 이상의 인덕터와 하나 또는 그 이상의 캐패시터를 포함하는 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크(transconductance pi network)를 포함하며, 상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크는 입력부 및 출력부를 가지며, 상기 네트워크는 상기 입력부에서 상기 전원에 접속되고 상기 출력부에서 적어도 하나의 1차 트랙웨이에 접속되며, 상기 네트워크는 상기 교류 전원 및 상기 1차 트랙웨이간에 고의적 미스 매칭 결합(deliberately mis-matched coupling)을 제공할 수 있어, 상기 전원이 실질적으로 무한대의 임피던스를 제공하는 것처럼 보이게 하고 상기 1차 트랙웨이가 실질적으로 제로 임피던스를 제공하는 것처럼 보이게 하며, 상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 출력부에서의 전압이 사용 시에 상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 입력부에 제공된 전압보다 실질적으로 클 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 네트워크가 상기 네트워크의 출력으로부터 상기 1차 트랙웨이 내로 공급되는 순환 전류의 비율을 결정할 수 있고, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있도록, 상기 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크 내의 성분 값들이 선택되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 적어도 하나의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하며, 상기 각각의 네트워크는 대응하는 1차 트랙웨이에 접속되고, 상기 네트워크 또는 네트워크들은 적합한 성분 값들의 선택에 의해 상기 네트워크로부터 상기 각각의 1차 트랙웨이 내로 공급될 수 있는 순환 전류의 비율을 결정할 수 있어, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 제어 가능 스위치 수단을 통해 하나의 1차 트랙웨이에 각각 접속되는 하나 이상의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하여, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 언제라도 상기 1차 트랙웨이에 대한 하나 또는 그 이상의 네트워크의 출력의 접속에 의해 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 각각의 1차 트랙웨이에 접속되는 적어도 하나의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하며, 상기 적어도 하나의 네트워크는, 제1 전류를 결정할 수 있는 제1 세트의 성분으로부터 제2 전류를 결정할 수 있는 제2 세트의 성분까지 네트워크 회로 내로 또는 밖으로 제어 가능하게 스위칭될 수 있는 일 군으로서의 적어도 한 세트의 부가 리액티브 성분을 구비하여, 상기 네트워크의 출력부로부터 각각의 1차 트랙웨이 내로 공급되는 순환 전류가 때때로 제어될 수 있게 하고, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크가 상기 트랙웨이에 접속되는 위치에서 1차 트랙웨이의 1차 컨덕터 양단에 스위칭 수단을 제공하며, 상기 스위칭 수단은, 폐쇄 상태일 때 상기 트랙웨이를 단락시켜서(shorting), 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 떨어지게 하고, 상기 1차 트랙웨이가 상기 전원으로부터 효과적으로 분리되지만 상기 전원 그 자체는 단락 출력을 경험하지 않게 할 수 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 의도하는 전류보다 큰 전류가 포화 가능 인덕터를 통해 흐르면 상기 적어도 하나의 유도 성분이 포화 상태에 들어갈 수 있도록, 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 하나 또는 그 이상의 유도 성분이 선택되어, 상기 1차 트랙웨이 내의 상기 순환 전류가 제한될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 각각의 1차 트랙웨이는 연장된 1차 트랙웨이의 일부를 형성하고, 상기 각각의 1차 트랙웨이의 단부는 교류 전원 근처에서 적어도 하나의 다른 1차 트랙웨이의 단부와 만나며, 상기 각각의 1차 트랙웨이는 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 출력부의 양단에 접속된 스위칭 수단을 구비하는 개개의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크에 의한 접속 지점에서 공급되어, 사용 시에 소정의 1차 트랙웨이가 상기 1차 트랙웨이 상의 유도 전력의 소비자의 존재에 응답하여 상기 대응하는 스위칭 수단을 개방시킴으로써 통전될 수 있게 하고, 전원 출력이 상기 1차 트랙웨이의 선택부 아래도 떨어질 수 있게 하고, 전원 용량에 따른 트랙웨이 길이의 제한이 실질적으로 극복되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 인덕터는 의도하는 레벨의 전류에서 포화 가능한 페리 자성 또는 강자성 코어를 구비하여, 상기 네트워크 내의 총 순환 전류가 제한될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 하나 이상의 리츠 와이어(litz wire) 권선이 도전성 컨테이너 내에 유지되며 상기 컨테이너의 내부 표면과 이격되어 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공기 갭을 포함하는 절단된 고리형 페라이트 코어를 각각 구비하는 하나 또는 그 이상의 페라이트 소자가 하나의 권선의 리츠 와이어에 대해 감겨져 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 하나 또는 그 이상의 페라이트 소자는 상기 공기 갭을 점유하는 지지체에 의해 각각 장착되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 장치는 종단 장치를 포함하며, 상기 종단 장치는 전원 접속부로부터 멀리 떨어진 위치에서 하나의 컨덕터의 단부와 다른 하나의 컨덕터의 단부 사이에 접속되고, 상기 종단 장치는 (A) 실질적으로 임의의 주파수에서 상기 트랙의 특성 임피던스를 나타낼 수 있는 저항, 및 (B) 고유 공진 주파수에 동조된 직렬 동조형 공진 회로의 병렬 접속을 포함하며, 상기 종단 장치는 상기 공진 주파수에서 상기 트랙에 단락을 제공할 수 있고 다른 주파수에서 상기 트랙에 특성 임피던스를 제공할 수 있어서, 상기 트랙에 순환되는 전류의 고조파 성분이 감소되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 적어도 하나의 직렬 동조형 1차 트랙웨이를 구비하는 유도 전력 전송 시스템의 1차 컨덕터에 교류 전원으로부터 전력을 공급하는 장치에 있어서 - 상기 각각의 1차 트랙웨이는 공유 공진 주파수를 가짐 -, 상기 전원 장치는 전원 양단에 제1 및 제2 직렬 접속 쌍들로 배치된 한 세트의 네 개의 스위칭 수단을 포함하며, 상기 제1 직렬 접속쌍의 스위칭 수단들간의 접합부로부터 상기 제2 직렬 접속쌍의 스위칭 수단들간의 접합부에 직렬 보상 트랙웨이가 접속되며, 상기 장치는, 각각의 스위칭 수단으로 하여금 나머지 스위치들에 대해 제어되는 주기적 관계로 반복적으로 개폐되게 할 수 있는 스위칭 명령을 전달할 수 있어서, 상기 각 쌍의 스위치가 동시에 폐쇄지 않게 하고, 상기 직렬 보상 트랙웨이가 상기 트랙의 고유 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 먼저 일 방향으로 이어서 다른 방향으로 전원 양단에 반복적으로 접속되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 전압 전원으로부터 구동되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 전류 전원으로부터 구동되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 전류 전원으로부터 구동되며, 상기 장치는 상기 트랙의 고유 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 공진할 수 있으며 상기 전원 장치의 출력부 양단에 접속되는 병렬 공진 회로를 포함하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 제어 관계를 결정할 수 있는 제어 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은 적어도 한 쌍의 스위칭 수단에 대한 스위칭 명령의 펄스 기간을 변동시킬 수 있어서, 상기 직렬 보상 트랙에서 순환되는 전류의 양이 변동될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 제로 전압 상태일 때 제어 수단에 의해 스위칭될 수 있도록 각각의 스위칭 수단 양단에 캐패시터를 설치하고, 상기 직렬 보상 트랙의 고유 공진 주파수를 상기 스위칭 수단에 대한 제어 신호의 전달 레이트보다 약간 낮게 변경함으로써, 적어도 하나의 스위칭 수단이 구성되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 전원 장치는, 공진 주파수를 가진 병렬 공진 회로를 포함하고, 전류원으로부터의 전류를 상기 공진 회로에 접속할 수 있도록 배치되어, 상기 공진 주파수에 가까운 주파수에서 스위칭 수단의 반복적인 보상 폐쇄가 공진 전류로 하여금 상기 병렬 공진 회로 내에 흐르게 할 수 있도록 동작되는 적어도 두 개의 스위칭 수단을 포함하며, 상기 전원 장치로부터 출력되는 전력은 상기 병렬 공진 회로 양단에 접속되되, 상기 전원 장치는 전 브리지 구성(full bridge configuration)의 네 개의 스위칭 수단을 사용하여 상기 전류원으로부터의 전류를 상기 공진 회로에 접속하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 원 거리에 걸쳐서 유도 전송 가능 전력을 공급하는 장치에 있어서, 상기 장치는 (1) 전류를 이송할 수 있는 한 상의 컨덕터를 구비하는 도전성 1차 경로 또는 트랙 - 상기 트랙은 직렬 인덕턴스용으로 보상할 수 있는 하나 이상의 직렬 캐패시터 세트를 포함하며, 공진 주파수에서 공진할 수 있는 일련의 회로를 포함하며, 상기 트랙은 (a) 공진 주파수에서 단락 회로와 종단되고 (b) 다른 주파수에서 상기 트랙의 특성 임피던스와 종단됨 -, 및 (2) 원하는 주파수에서 교류 전류를 발생시킬 수 있으며 상기 트랙 내로 출력을 공급하는 수단을 포함하는 전원을 포함하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 교류 전류로 유도 전력 전송 시스템의 도전성 1차 경로 또는 트랙을 통전시키는 제1 유형의 전원 장치에 있어서, 상기 전원 장치는, 브리지 구성으로 배치되며 전원을 가지며, 각각의 스위치로 하여금 다른 스위치에 대해 제어 관계로 개폐되게 하는 수단을 갖는 한 세트의 네 개의 스위치를 포함하여, 상기 브리지의 나머지 아암 양단에 접속된 직렬 보상 트랙이 상기 트랙의 고유 공진 주파수 또는 그 근처에서 먼저 일 방향으로 이어서 다른 방향으로 전력을 공급하도록 반복적으로 접속되게 하는 장치가 제공된다.
상기 제어 관계는 적어도 한 쌍의 스위치에 대한 구동 위상을 변경시킬 수 있어서, 상기 직렬 보상 트랙에 순환되는 전류의 양이 변동될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 임의의 또는 각각의 스위치는 제로 전압 상태에서 (a) 각각의 스위치 양단에 캐패시터를 인스톨하는 단계, 및 (b) 직렬 보상 트랙을 포함하는 시스템의 고유 공진 주파수보다 약간 높은 주파수에서 스위칭 명령을 공급하는 단계를 포함하는 방법에 의해 스위칭될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 교류 전류로 유도 전력 전송 시스템의 전술한 바와 같은 도전성 1차 경로 또는 트랙을 통전시키는 제2 유형의 전원 장치에 있어서, 상기 전원 장치는, 공진 주파수를 갖는 병렬 공진 회로, 전류원, 및 상기 공진 회로에 전류를 접속하도록 배치되어 공진 주파수에 가까운 주파수에서 스위치들의 반복적인 보상 폐쇄에 의해 병렬 공진 회로 내로 공진 전류가 흐르게 하고, 전원 장치로부터 출력된 전력이 병렬 공진 회로 양단에 접속되게 하도록 동작하는 적어도 두 개의 스위치를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 전원 장치는 전류원으로부터의 전류를 공진 회로에 접속하는 전 브리지 구성의 네 개의 스위치를 사용한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크로부터 공급된 1차 유도 경로로부터의 전류를 제거하는 방법에 있어서, 상기 방법은 공급 지점 또는 그 근처에서 1차 유도 경로를 단락시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 하나 이상의 네트워크로부터 공급되는 1차 유도 경로 내에 순환되는 전류를 변화시키는 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 각각의 하나 이상의 네트워크로부터의 출력을 상기 1차 유도 경로 내로 제어 가능하게 부가하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 명세서에서 예시 및 설명되는 바람직한 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 사상 또는 범주를 제한하지 않는다.
〈도면의 간단한 설명〉
도 1은 종래 기술에 따른 반 브리지 변환기 및 종래의 병렬 동조형 트랙의 개략적인 회로도.
도 2는 직렬 보상 트랙에 전류를 공급하는 본 발명에 따른 전 브리지(full-bridge) 변환기의 개략적인 회로도.
도 3은 제로 전압 스위칭 모드를 획득하는 것을 원조하는 각각의 IGBT의 에미터 및 컬렉터간에 배선된 캐패시터들을 포함하는 본 발명에 따른 전 브리지 변환기의 개략적인 회로도.
도 4는 전 브리지 변환기와 관련된 파형의 개략적인 다이어그램.
도 5는 직렬 보상 트랙에 전류를 제공하는 공진 회로를 포함하는 반 브리지 변환기의 개략적인 회로도.
도 6은 직렬 보상 트랙의 종단을 위한 바람직한 수단의 개략적인 회로도.
도 7은 공진 회로를 포함하며 직렬 보상 트랙에 결합된 전 브리지 변환기의 개략적인 회로도.
도 8은 유도 전력 전송 트랙웨이에 전력원을 정합시키는 트랜스컨덕턴스 파이 (이하, "trans-pi"라 함) 네트워크의 배향을 도시한 개략적인 회로도 [도면에서 "j2", "-j6"과 같은 문자는 유도 또는 용량 임피던스를 가리킴 (예를 들어, "j2"는 2 Ω의 유도 리액턴스를 나타내고, 15 ㎑ 시스템의 경우, j2는 21 μH와 동일함)].
도 9는 trans-pi 네트워크를 사용하여, 유도 전력 전송 트랙웨이에 전력원을 정합시키는 바람직한 수단의 개략적인 회로도.
도 10은 trans-pi 네트워크를 사용하여, 유도 전력 전송 트랙웨이에 전력원을 정합시키는 더욱 실용적인 수단의 개략적인 회로도.
도 11은 각각의 브랜치마다 단일 전원 및 하나의 trans-pi 네트워크를 사용하는, 유도 전력 전송 시스템 레이아웃의 개략적인 회로도.
도 12는 트랙웨이를 분열시키고 trans-pi 네트워크를 통해 (필요시마다) 어느 하나의 절반부를 공급하는 수단을 제공함으로써 - 양 절반부는 단일 전원으로부터 공급됨 -, 철도 또는 도로와 같은 장거리 트랙웨이에 전력을 제공하는 개략적인 회로도.
도 13은 스위치에 의해 트랙웨이 내에 제로값, 낮은 값 및 높은 값의 순환 전류를 제공하는 장치를 도시한 도면.
도 14는 하나 이상의 포화 가능 인덕터에 의해 trans-pi 필터 내에 순환 전류의 값을 제한 (트랙웨이가 개방 회로가 되는 경우에 발생할 수 있음)하는 장치를 도시한 도면.
도 15는 약 250 ㎾의 전력 레벨에서 trans-pi 필터를 사용하기에 적합한 인덕턴스에 대한 바람직한 설계를 도시한 도면.
도 16은 약 250 ㎾의 전력 레벨에서 trans-pi 필터를 사용하기에 적합하며 코어를 구비하는 인덕턴스에 대한 다른 바람직한 설계를 도시한 도면.
(도 1의 종래 기술에 도시한 바와 같은) 병렬 동조형 트랙웨이는, 트랙 내로 전류를 도입하기 위한 전압 요구 사항이 안정성 제한치 및 부품 정격 제한치에 신속히 도달하기 때문에, 유도 전송 전력의 장거리 분포용으로 실용적이지 않다 (참조 부호 103은 일직선이 1차 컨덕터들의 인덕턴스를 나타내고, 101은 그들간의 캐패시턴스를 나타내며, 102는 트랙웨이를 시스템 주파수 동조시키는 역할을 하는 일괄된 캐패시터를 나타낸다).
본 출원은 특히 직렬 보상 1차 트랙웨이에 관한 것이며, 여기서 컨덕터는 시스템-와이드(system-wide) 공진 주파수를 원하는 값 또는 그 근처의 값으로 유지하는 데에 적당한 일괄된 직렬 캐패시턴스를 포함한다. 직렬 보상 설계의 이점은 다음과 같다.
1) 길이에 상관없이, 거의 일정한 임피던스가 전원에 의해 관찰되어, 전압 요구 사항이 실행 가능하게 유지된다.
2) 부가되는 시스템 폴이 없으므로, 공진 주파수가 안정하다. 예를 들어, 트랙의 다양한 노드들을 연결하는 결합부가 없으며, 트랙 전체가 하나의 공진 회로이므로, 서로 다른 모드의 공진이 발생하지 않는다.
3) 물론, 저항 (표피 효과) 손실 및 발산은, 예를 들어, 직렬 보상 1차 트랙웨이의 실행 가능 길이를 결국 제한할 것이다.
예 1 (도 2)
본 실시예는, 브리지의 각각의 아암이 스위치에 의해 점유되고 회로 내에 공진 성분이 존재하지 않는 전 브리지 스위칭 회로를 포함한다. 원리를 예시하는 회로가 도 2에 예시된다. 절연 게이트 베이스 트랜지스터(insulated-gate base transistors)(IGBT) 장치는 점진적으로 고속 동작 가능하게 되지만, 본 실시예에 바람직한 스위치는 IGBT이며 바람직한 동작 주파수는 일반적으로 약 10 ㎑이다. 직렬 공진 트랙은 참조 부호 201로 표시되며, 트랙 인덕턴스(203)와 직렬 접속된 일련의 직렬 캐패시터(202)를 포함한다 (여기서, 트랙 인덕턴스는 일괄된 심볼로 도시된다).
간단한 형태에서, 적어도 각각의 4 개의 스위치(204, 205, 206, 207)는 180도 전도각(conduction angle)으로 동작된다. 전류는, DC원(105)으로부터 204를 통해, 이어서 트랙을 통해, 207로, 또는 DC원(205)으로부터 반대 방향으로 트랙을 통해 206으로, DC 복귀 경로에 도달하도록 교대로 흐른다. 다이오드 (예를 들어 205)는 스위칭 과도기를 흡수한다. 이 회로에서는 대개 스위치가 개방되어 있지 않나 제로 전압으로 폐쇄되어 있으므로, 이 회로에 큰 스위칭 손실이 있을 수 있다.
도 4는 이러한 유형의 회로에서 예측될 수 있는 파형을 도시한다. 참조 부호 401은 일 세트의 스위치(예를 들어 204 및 207)에 대한 게이트 구동이며, 402는 대각선으로 대향하는 세트의 스위치(예를 들어 205 및 206)에 대한 게이트 구동이다. 파형(403)은 직렬 공진 트랙 또는 1차 컨덕터(201) [(일괄된) 인덕턴스(203) 및 산재된 직렬 캐패시턴스(202)를 포함함]에 공급된 최종 전류를 도시한다. 초기 방형 파형의 홀수 고조파(odd harmonics)는 기본 성분보다 큰 인덕턴스를 보이므로, 트랙 내의 전류 파형은 비교적 사인 곡선으로 되는 경향이 있다.
트랙 전류의 제어
트랙 전류를 제어하고자 하는 경우에는, DC원의 전압을 변동시키거나, 스위치들에 대한 구동 신호의 위상을 하나의 기준 구동 신호에 대해 변동시킬 수 있으며, 이로써 위상 α가 0과 180도의 사이에서 변동됨에 따라, (기본파의) 출력 전압이 DC 전압의 0 내지 약 90%가 된다.
[제n 고조파(the nth harmonic)에 대한] 관계식은 수학식 1과 같다.
여기서 Vn은 출력 전압이고,
α는 기준 구동 신호와 제2 구동 신호간의 위상각이며,
EDC는 DC 전압이다.
α가 120도이면, V3 (제3 고조파)는 제로이고, 제1 잔여 고조파는 제5 고조파가 된다. 제3 고조파를 무효로 하기 위하여 약간의 공급 전압 강하가 허용될 수 있다.
예 2 (도 3)
제로 전압 스위칭 (소프트 스위칭)
도 1의 종래의 반 브리지 공진 변환기는 각각 제로 전압으로 순간적으로 스위칭되도록 용이하게 제어될 수 있으며, 이에 의해 스위칭 손실 및 간섭 발생을 최소화하는 특징을 가진다. 도 2의 회로는 제로 전압 스위칭을 고려하지 않은 것으로 볼 수 있다. 도 2의 회로가 트랙의 공진 주파수보다 약간 높은 주파수에서 구동되고 각각의 스위칭 소자 양단에 소형 캐패시터(301)가 마련되어 있다면, 도 3에 도시한 바와 같이, 제로 전압 스위칭을 달성하도록 트랙의 유도 임피던스의 이점을 취할 수 있다. 잔여 트랙 인덕턴스는 스위칭 천이 시에 병렬 캐패시터들을 방전시킨다. 소형 캐패시터는 각각이 100 내지 1,000 ㎋ 정도이다 (예를 들어, 캐패시터가 15 ㎑에서 사용되는 경우 - 스위치는 300 A이고, 1200 V IGBTs는 WIMA 0.22 ㎌ FKP1임). 물론, 스위칭 천이 시의 최고 시점과 최저 시점간의 "로크 아웃(lock-out)" 시간이 제어되어야 하며, 실제 고상 스위치의 턴 오프(turn-off) 시간은 턴 온(turn-on) 시간보다 길다는 사실이 설계 시에 고려되어야 한다.
예 3 (도 5)
상술한 전 브리지 변환기는 몇 가지 제어 상의 이점을 가진 반면, 전체 순환 전류가 스위칭 소자들을 통과한다는 중대한 문제점을 가지고 있다. 반 브리지 전원이 수정되어, 직렬 보상 트랙에 전류를 제공할 수 있게 된다면, 스위칭 소자에 가해지는 부하를 더욱 경감시킬 수 있을 것이다. 또한, 이전의 예에서 제공된 구동 전류는 비교적 고조파 성분이 많다. 고조파 성분이 높을수록 임피던스가 높아지지만, 이들 고조파 성분의 적어도 일부는 발산된다.
도 5에서, 회로(500)는 직렬 공진 1차 유도 루프(20)를 구동하며, 양단에 루프가 접속되어 있는 공진 회로로서 인덕터(505)와 캐패시터(504)를 포함하는 내부 공진 회로를 사용하는 반 브리지 쌍의 스위치(502, 503)으로부터 분포된 (트랙) 인덕턴스(203) 및 일괄된 캐패시터(202)를 포함한다. 이들 인덕턴스 및 캐패시턴스의 값들은 로딩 트랙에 관계없이 의도된 주파수에서 공진이 달성되도록 전체적으로 결정될 수 있으며, 또는 트랙에 의해 제공된 인덕턴스 및 캐패시턴스 값으로 허용될 수 있다. 회로(500)의 나머지 부분은 도 1에서와 유사하다: 제어기(501)는 보상 방식으로 한 쌍의 IGBT 소자의 게이트를 구동한다. 이들 소자는 동작 주파수에서 높은 리액턴스를 가진 DC 스플리터 인덕터(106)의 일 측을 먼저 네거티브 전위 쪽으로 이끌며, 이어서 다른 쪽을 이끈다. 인덕터(106)의 중앙 탭은 전원(105)으로부터 일정한 전류 [인덕터(104)의 결과로서)]를 공급받는다. 이 회로는 전류원 반 브리지 전원을 포함한다.
이 회로에 따르면, 스위치에 의해 전송된 전류는 순환 공진 전류를 "톱 업 (top-up)"에만 요구되는 것이며, 1차 트랙웨이(201)는 사인파에 가까운 근사값을 공급받는다는 이점이 제공된다. 소자들은 순간적으로 제로 전압으로 스위칭되므로, 천이가 최소화되며, 소자들이 최대 정격 (통상적인 주파수에서의 동작 경감(operation derating)을 고려한 최대 정격)으로 사용될 수 있다.
공진 탱크 회로가 결여되어 있는 전 브리지 회로 (예를 들어 도 2 또는 도 3)에서, 스위칭 소자는 전체 순환 전류를 이송해야 하며, 고 주파수 사용 시에는 경감되어야 한다 (이들은 순간적으로 제로 전압으로 스위칭되지 않으므로). IGBT 소자들은 예를 들어 15 ㎑의 전류를 스위칭시킬 수 있도록 제조되고 있으나, 이들은 비교적 고가이다. 1차 트랙이 3.0의 Q를 갖고 주파수 경감 요소가 2이면, 예 1 및 예 2에 대응하는 회로에는 6배의 강하 전류(drawn-off current)를 스위칭시킬 수 있는 스위치가 필요하다. 이에 반해, 반 브리지 회로에서는, 스위칭 소자들이 "톱 업" 전류를 공급하고 있으며 순간적으로 제로 전압으로 스위칭되어, 전류 정격이 전 브리지에서의 전류 정격의 1/4 내지 1/6으로 될 수 있다. 1차 경로에서의 순환 전류를 제어하는 것은, 필요하다면, 반 브리지 회로에 공급된 DC 전력을 변동시킴으로써 실현될 수도 있다.
또 다른 방식으로서, 스위칭 전류의 주파수는 자율적인 주파수원에 의해 일정하게 유지될 수 있으며, 또는 전체 시스템 공진 주파수에 의존하는 스위칭 레이트에서 "플로팅(floating)"할 수 있다 (도 2 또는 도 3에서와 같이, 공진 레이트보다 약간 높은 레이트를 사용하여 제로 전압 스위칭을 달성하도록 시도하지 않는다면).
예 4 (도 6)
도 6은 직렬 보상 트랙용에 대한 바람직한 종단 장치를 도시한다. [반복적인 일련의 인덕턴스 및 캐패시턴스(203, 202)를 포함하는) 트랙이 단락 회로 (제로 임피던스 와이어)에 의해 간단히 종단되면, 전원에 의해 제공된 전류에 존재하는 고조파 성분은 더 이상 단락된 트랙에서 보이지 않으며, 고조파 주파수에서의 트랙의 전기적 길이에 따라, 변형된 리액티브 임피던스로 보인다. 예를 들어, 전기적 길이가 1/4 파장이면, 입력부에서는 개방 회로로 보이며, 고조파 성분은 변경되지 않는다. 바람직한 종단 장치는 모든 고조파 성분들에 적당한 종단부로서 작용하도록 설계된다. 임피던스(601)는 트랙의 특성 임피던스에 대해 기준으로 설정된 값을 가진 저항성, 주파수 비의존 임피던스이며, 인덕터(602) 및 캐패시터(603)를 포함하는 직렬 공진 회로 내의 성분들의 값은 공진 주파수에서 공진하여 단락 회로를 제공하도록 선택된다. 이로써, 종단 장치는 공진 이외의 주파수에서 전류의 크기를 제한하게 된다.
도 5에서 도시한 바와 같은 전용 병렬 공진 회로 및 도 6에 도시한 바와 같은 종단부를 포함하는 전원을 사용하는 경우에 최소 고조파 성분이 실현된다. 이들 환경 하에서, 발산 (최소 무선 주파수 간섭) 또는 스트레이 결합에 의해 낭비되는 양이 최소화된다. 동조형 공진 픽업 장치에 대해 유용하지 않은 전력 손실이 최소화되며, 직렬 보상 트랙의 이점이 여전히 유용하다.
예 5 (도 7)
도 7은 병렬 공진 회로 또는 탱크 회로를 포함하는 전 브리지 전원에 대한 하나의 바람직한 구성을 도시하고 있으며, 이러한 구성은 예 3의 많은 이점들을 제공한다. 이 회로는, 캐패시터(701) 및 인덕터(702)가 의도하는 동작 주파수에서 공진 가능하도록 선택된다. 물론, 많은 양의 순환 전류가 이들 성분을 통해 흐를 것이다. 스위칭 소자(204, 205, 206, 207)는 고 전압 또는 저 전압에 캐패시터(701)의 일 단부 또는 다른 단부를 교대로 접속시킴으로써 공진 회로를 여기시킬 수 있는 전 브리지를 형성한다. 도면 부호 202는 다른 부분에서 예시한 바와 같이 직렬 보상 1차 컨덕터 루프 또는 트랙웨이의 개시부를 나타낸다. 전 브리지에 대해 공급되는 전류는 DC원(105)으로부터 인덕터(104)를 거쳐 정 전류원으로서 공급된다. 인덕터(104)는 전압 컴플라이언트 공급 레일(voltage-compliant supply rails)을 제공하며, 또한 스위칭 천이의 복귀를 전원 (통상적으로 메인 전원) 내로 감소시킨다.
예 6 (도 8 내지 도 14)
도 8은 "고의적 미스 매칭(intentional mis-matching)"의 일반적인 개념을 간략적으로 예시한 회로도이다. 직렬 보상 트랙웨이(804)는 실질적으로 제로 임피던스인 것처럼 보이는 반면, 동작 주파수에서 공진하는 인덕턴스/캐패시턴스 네트워크(802 및 803)는 무한 임피던스인 것처럼 보인다. 무한 임피던스원으로부터 제로 임피던스 부하를 공급하는 것은 트랙 내에서 순환하는 정 전류를 발생시킨다. 반면에, 인덕턴스(802) 및 캐패시턴스(803)를 포함하는 공진 회로를 거쳐 시스템을 구동하는 전원(801)은 (a) 제로가 아니며 (b) 순 저항이 아닌 임피던스로 보일 것이다. 이러한 개념은, 트랙웨이 상에 놓여진 부하는 실질적으로 순 저항 - 즉, 1차 트랙웨이에 상당히 가깝게 동조된 공진 회로 -이라고 가정할 수 있다.
이 실시예에서 바람직하게 사용되는 교류원(801)은 전압원이며, 일정한 소정의 주파수에서 사인파에 상당히 근접한 전압 또는 사인파 전압을 발생시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 사항들은 변동될 수 있다.
도 9는 도 8을 직렬 공진 유도 전력 전송 트랙웨이(804)에 전류원을 매칭시키는 trans-pi 네트워크의 제1 버전으로 개량한 것이다. 도면 부호 901 및 902는 일반적으로 전원의 일부인 동조형 회로를 형성한다. 도면 부호 903은 캐패시터로서, 이 캐패시터는 전력 요소 보정 캐패시터로서 작용하도록 원래 결정되어 있으며, 순 저항성 부하를 구동할 때에 pi 네트워크에 대한 입력 저항 그 자체가 순 저항성이도록 선택되어, 동조형 회로의 주파수게 일정하게 한다. 의외로, 이 값은 인덕터(904)와 함께 동작 주파수에서 공진을 제공하는 값과 동일하다. 예를 들어, 인덕터(904)(j4)가 4 Ω의 유도 리액턴스를 가지면, 캐패시터(-j4)는 4 Ω의 용량 리액턴스를 가져야 하며, 캐패시터(905)도 마찬가지이다. 병렬 공진 성분(903, 904, 905) 군은 이러한 버전의 trans-pi 네트워크를 포함한다. 이에 반해, 무선 송신기에 사용되어 안테나 부하를 매칭시키는 공지된 pi 결합 네트워크는 직렬 공진형이다.
도 10은 trans-pi 네트워크를 사용하여 유도 전력 전송 트랙웨이에 전원을 매칭시키는 보다 바람직한 수단을 간단하게 예시한 회로 블록도이다. 여기서, 도 9의 인덕턴스(904)는 각각의 레그에 하나씩 대칭 쌍(1004 및 1004')으로 분리된다. 유도 경로(1005) 내의 전류가 밸런싱되며, 무선 간섭이 덜 발생한다는 이점이 있다. 각각의 인덕터는 이제 리액턴스가 j2이며, 도 9에서와 같이 리액턴스가 j4가 아니다. 이로써, 본 발명에 따른 바람직한 trans-pi 네트워크는, 도 10에서, 캐패시터(903, 905) (예를 들어 각각의 용량 리액턴스는 4 Ω임) 및 인덕턴스(1004, 1004') (예를 들어 각각의 유도 리액턴스는 2 Ω임)를 포함한다.
물론, 전류 조정 용량은 순환 전류 (이하, "트랙 전류"와 구별하기 위해 "바이어스 전류"라 함)를 조정하기에 충분해야 한다. 1,000 V 전원의 경우, 리액턴스 j2, -j2의 한 세트의 공진 성분을 사용하면 1,000/j2 = 500 A의 바이어스 전류를 발생시킬 것이다. 통상, 트랙 전류는, 일반적으로 1 내지 8 Ω의 트랙 임피던스에 상관없이, 바이어스 전류의 대략 절반일 것이다. 15 ㎑, 500 V의 전원 전압, 500 A의 바이어스 전류 및 250 A의 트랙 전류에서 작동하는 실제 시스템에서, 유도 리액턴스는 약 21 μH일 수 있다. 물론, 트랙 전류를 설정하는 이러한 기 설정된 과정은 정 전압원을 가정하고 있다. 전압을 변화시킬 수 있으면, 다양한 트랙웨이 내의 전류를 비례적으로 변화시킬 수 있다.
고유의 미스매치와 함께 trans-pi 네트워크를 사용하면, 전압 변환기로서 작용할 수 있다는 이점이 있다. 트랙 임피던스가 네트워크에 사용된 리액턴스 값보다 크면, 출력 전압이 입력 전압보다 크게 될 것이며, 800 ∼ 1,000 V와 같은 낮은 컨덕터 호환 전압으로 네트워크를 구동시키는 동안 trans-pi 네트워크로부터 출력되는 수 킬로볼트의 전압으로 트랙을 구동시킬 수 있게 된다.
도 11은 각각의 브랜치에 대하여 단일 전원(1101) 및 개별 trans-pi 네트워크 [박스(1105) 내에 포함된 대로]를 사용하는, 몇 개의 유도 전력 전송 트랙웨이를 포함하는 간략화된 회로도이다. 이것은 "스타(star)" 구성이다. 대응하는 단락 스위치(1106, 1170, 1108)를 폐쇄함으로써 특정 브랜치 (1102, 1103, 1104 중의 하나) 내의 전류를 스위칭 오프할 수 있으므로, 시스템 설계자는 하나의 전원으로부터 공급되는 모든 전력이 임의의 개개의 트랙웨이(1102, 1103, 1104) 내로 공급될 수 있는 시스템을 설계할 수 있다. 또 다른 방식으로서, 한번에 하나 이상의 스위치를 개방함으로써 수 개의 트랙웨이들간에 전력이 공유될 수 있다. 모든 트랙웨이가 단락되어도, 전원은 악영향을 받지 않을 것이다. 또한, 트랙웨이(1104)를 공급하는 네트??에 대해 도시한 바와 같이, trans-pi 네트워크의 성분값들을 미리 정해둠으로써, 특정 트랙웨이에서 순환하는 전류를 미리 설정할 수 있다. 이것은, 예를 들어 시스템 내의 특정 트랙웨이가 이동 차량용 유도 경로 이외의 목적으로 사용되며, 이동 차량에 접속된 배터리 충전구와 같이 요구 사항이 그다지 많은 장치를 구비하는 경우에 유용할 수 있다.
손실을 감소시키는 방책이 실제 시스템에서 구현될 수 있으며, 트랙 전류를 0.7까지 감소시킴으로써 손실을 절반으로 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 11의 트랙 웨이(1104)는 인덕턴스에 대해서는 3 Ω을, 캐패시턴스에 대해서는 6 Ω의 서로 다른 리액턴스를 가짐에 주목한다. 이에 의해, 인덕턴스에 대해서는 2 Ω을 캐패시턴스에 대해서는 4 Ω의 리액턴스를 사용하는 나머지 두 개의 트랙웨이(1102, 1103)의 순환 전류의 66.7%의 순환 전류가 발생된다.
이러한 유형의 회로는 "소매 인터페이스(retail interface)"에 적용될 수 있으며, 여기서 공공의 회원들은 유도 전송 경로로부터 전력을 구매할 수 있다. 일단, 고객의 계좌가 입력되어 검증되면 (소정의 전자 수단에 의해), 적당한 스위치 동작에 의해 "검증 제어기"가 작동하여 고객에게 전류를 전송할 수 있다. 이것은 부하 이송용 또는 배터리 충전용으로 사용될 수 있다.
도 12는 단일 전원에 의해 공급될 수 있는 유도 전력 전송 트랙웨이의 길이를 두 배로 증가시키는 방법에 대한 간략화된 회로도이다. 이러한 방법은, 동일한 전원으로부터 전류를 유입시키는 전원 또는 다른 트랙웨이들에게 영향을 미치지 않으면서, 개개의 트랙을 단락시킴으로써 개개의 트랙을 비통전시키는 가능성에 의존한다. 단일 전원(1101)은 각각이 도 11의 점선 박스(1105) 내에 포함된 것과 같은 한 쌍의 유닛(1105, 1105')을 구동한다. 각각의 유닛은, 도 11에서의 1106과 같이, 단락 스위치를 포함한다. 연장된 트랙웨이의 대략 중간 부분에, 전원/trans-pi 네트워크의 영역에서 함께 가까이 놓이는 두 개의 절반부(1201, 1202)로 이루어진 연장된 1차 트랙웨이 (직렬 보상 캐패시터는 도시 생략함)가 있다. 일부 형태의 차량 근접 검출기는, 트랙웨이의 각각의 절반부 상에 위치된 전력을 유입할 수 있는 장치가 있는지를 판정하고, 만일 있다면, 대응하는 단락 스위치(1106)를 개방하고 트랙웨이를 통전시켜서, 소비자에게 전력을 공급하게 하는 데에 사용될 수 있다. 전력 소비자에게 전력을 공급할 수 없는 트랙웨이를 통전시킴으로써 전력이 낭비되는 일이 없다. 차량 근접 검출기의 일 형태는 트랙웨이를 약하게 통전시켜서 부하를 검출하는 수단을 포함할 수 있으며, 이러한 수단이 없으면 트랙웨이 컨덕터에 대한 접속 여부와 상관없이 능동 센서가 사용되어야 할 것이다. "트랙웨이"란 형광 조명 설비와 같은 조명 설비에 사용하는 전력 케이블을 지칭하도록 사용될 수도 있다.
도 13은 trans-pi 네트워크 내의 성분값들을 스위칭함으로써 트랙웨이 내의 순환 전류를 제어하는 다른 수단을 도시한 도면이다. 트랙 전류를 변화시키기 위하여, 서로 다른 조합으로 스위칭하는 성분 그룹을 단일 성분 대신에 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시한 바와 같이, [인덕터(1301B, 1301C) 양단에 병렬 인덕터(1301A, 1301D)를 부가함으로써] 인덕턴스를 j3에서 j6으로 감소시킬 수 있으며, 동시에 [1302A 및 1302C 양단에 병렬 캐패시턴스 1302B 및 1302D를 부가함으로써] j-3에서 j-6이 되게 할 수 있으며, 공진 조건을 유지하면서, 풀 전력이 요구되지 않을 때마다 손실을 절반으로 줄일 수 있다.
제1 동작 모드에서는, 후술할 제2 또는 제3 모드로 동작하도록 스위칭되는 지의 여부와 상관없이, trans-pi 네트워크의 출력을 단락시킴으로써 제로 전류가 얻어진다. 이러한 스위치는 내부 저항이 최소화되도록 수은 침윤 콘택트(mercury-wetted contacts)를 갖는 것이 바람직하지만, 또 다른 방식으로서 고상 스위치를 사용하면 예를 들어 제로 크로싱 스위치가 실현될 수 있도록 보다 신뢰성있고 신속하게 작동할 수 있다. 제어선(1305)는 이러한 스위치를 제어한다.
제2 모드에서는, 공진을 유지하면서, trans-pi 네트워크 내에서 보다 높은 인덕턴스 및 보다 낮은 캐패시턴스 값들을 사용함으로써 저 트랙 전류가 얻어진다.
제3 모드에서는, 공진을 유지하면서, trans-pi 네트워크 내에서 보다 낮은 인덕턴스 및 보다 높은 캐패시턴스를 사용하여 고 트랙 전류가 얻어진다. 종래, 존재하는 성분들의 양단에 병렬로 인덕턴스 및 캐패시턴스를 모두 부가하고, 제어선(1304)에 영향을 미치는 적합한 유형의 원격 제어식 스위치를 폐쇄함으로써 접속을 이루는 방법은 제2 모드에서 제3 모드로의 천이를 발생시킨다.
도 14는, 예를 들어 트랙(1401)이 개방 회로가 되어 고장이 발생하는 경우, trans-pi 네트워크 내에 순환하는 전류를 즉각적으로 수동으로 제어하도록 제공되는 장치 및 방법을 도시한다. 이러한 경우, 네트워크 내에 순환하는 전류는 무한대가 되는 경향이 있다. 전류의 최대량을 제한하기 위하여, 페리자성 (또는 강자성) 코어를 가진 포화 가능 인덕터를 제공한다. 도 14는 도 개의 포화 가능 인덕터로서 1402 및 1403을 도시한다. 포화 시, 네트워크의 공진 주파수는 표시된 바와 같이 j2의 기 포화값으로부터 멀리 변화될 것이며, 이로써 정의된 주파수에서 발생된 전력으로 덜 효과적으로 작동할 것이다. 포화는 재료의 벌크 특성(bulk property)이며, 신속하고 완전히 신뢰 가능하다. 포화가 계속되어 과열을 일으키는 경우에는, 이러한 보호 방법을 다른 형태의 전원 턴 오프 보호 수단과 접목시키는 것이 바람직하다. 임의의 페리 자성 또는 강자성 코어는 필연적으로 포화될 것이지만, 이러한 유형의 수동 보호 방법을 사용하려면, 최대 허용 가능 전류량을 결정하고 인덕터가 그 레벨에 대해 포화되도록 설계하는 단계가 있어야 한다.
도 15는 250 내지 500 ㎾ 전원과 사용될 수 있는 인덕터의 일 유형에 대한 물리적 설계(1500)를 도시한다. 적당한 리액턴스의 인덕터는, 박스의 내부 표면 내에 와상 전류가 발생함으로써 전기적 실드로서 작동하도록 알루미늄 컨테이너(1502) 내에 유지된 네 개의 권선으로 이루어지는 루프로 형성되는, 약 500 A의 바이어스 전류를 이송할 수 있는 10 미터의 리츠 와이어(1505)를 포함한다. 아래 도면의 A-A 단면(1501)은 바람직한 박스가 컨덕터(들)(1505)로부터 대략 등거리로 이격되어 있는 방법을 도시한다. 인덕턴스를 포함하는 케이블은 [고정 수단(1506)으로] 클램핑되어, 권선이 대략 박스(1501) 내측의 공간 중앙 부분에 유지되게 한다. 통상, 일부의 냉각구가 요구될 수도 있다. 커넥터(1503, 1504)는 회로의 나머지 부분과 케이블을 전기적으로 접속하기 위한 것이다. 이러한 유형의 박스는 회로의 나머지 부분을 유지하는 캐비넷의 배후에 매달 수도 있다.
도 16은 인덕터의 다른 버전을 도시한다. 리츠 와이어의 단일 행잉 루프(1605)는 다수의 페리 자성 코어 인덕턴스(1603)를 통과하며, 이들 각각은 이 예에서 고리형의 일부가 절단된 "C"형이다. 실제로, 하향 루프 및 상향 루프 각각에서 50 개의 코어를 사용할 수 있다. 코어는 와이어의 단일 권선 (1 미터 정도)의 인덕턴스를 상승시키고, 포화 가능 성분을 제공하며, 와이어로부터 자속의 출현을 억제할 수 있다. 실드 박스 (도시 생략)가 제공되어, 안전 및 보호를 위하여 누출된 자속을 수용하도록 하는 것이 바람직하다. 코어는 사용 시의 히스테리시스에 의해 과열될 수 있으므로, 대류 또는 강제적인 냉각이 요구된다. 아래에 단면도로 도시한 단일 고리형 코어(1603)는 에너지가 저장되는 갭(1604) 및 내부의 컨덕터(1602)를 구비한다. 500 A을 이송하는 데에 충분한 양의 리츠 와이어보다 고리형 코어가 저렴하다면, 이러한 설계의 비용은 도 15a의 비용보다 저렴할 수 있다. 코어는 갭에 의해 장착될 있으며, 이에 의해 다소 유연성 있는 케이블의 위치가 제어된다. 일반적으로, 250 내지 500 ㎾ trans-pi 유닛에서 사용하는 캐패시터 유닛의 구성은 규격화되어 있다.
(발명의 효과)
본 발명은 유도 전력 공급 시스템의 1차 회로를 형성하는 트랙웨이 컨덕터에 전력을 공급하는 몇 가지 특징을 가진다. 출력부에 병렬 공진 회로를 구비하지 않는 전력 공급 예는:
1. 제로 전압 스위칭을 실현할 수 있으며,
2. 구동 임펄스를 변경함으로써 트랙 전류를 제어할 수 있다.
병렬 공진 회로를 포함하는 전력 공급 예는:
1. 직렬 보상 유도 전력 전송 트랙을 구동할 수 있으며, 용이하게 전력을 스케일링할 수 있고,
2. 제로 전압 스위칭을 용이하게 달성할 수 있으며,
3. (5, 10, 15 ㎑와 같은) 유용한 주파수에서 스위치의 경감을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않고,
4. 사인파 전압이 (실질적으로) 트랙에 공급되어, 고조파의 발산을 최소화할 수 있다.
직렬 보상 트랙을 공급하도록 trans-pi 네트워크를 사용하는 버전의 경우:
1. 단일 대형 전원에 많은 트랙웨이를 결합하는 trans-pi 네트워크를 사용하는 것은, 일반적으로, 각각의 트랙웨이마다 하나의 전원을 제공하는 것보다 훨씬 더 경제적이다. 비교적 소형의 전원들을 많이 제공하는 것은 설비 시에 가장 비용이 많이 드는 부분이므로, 공장 내에서 수 백대의 개개의 전력 수급 차량을 포함할 수 있는 컨베이어의 복잡한 시스템에 대한 설계가 보다 더 저렴해진다. 이러한 복잡한 시스템에서, 배터리 충전 수단, 컨베이어 리프트 및 사이드웨이 전송 장치도 인스톨될 수 있으며, 유도 전력 전송에 의해 공급될 수 있다.
2. 예를 들어, 도로의 한 쪽 (또는 다른 쪽)에 보다 많은 전력이 요구되는 경우에, 도로 유도 전력 전송 시스템이 보다 많은 전류를 수용하도록, trans-pi 성분 리액턴스를 변경시킴으로써 더 많거나 적은 전류를 트랙웨이에 공급할 수 있다. 반대의 경우에는, 보다 적은 전류를 공급함으로써 손실을 감소시킬 수 있다.
3. 트랙웨이의 임피던스에 trans-pi 네트워크 내의 리액턴스를 맞춤으로써 현재의 장치에 의해 실행할 수 있게 발생될 수 있는 보다 높은 전압을 연장된 트랙웨이에 공급할 수 있게 되어, 전원 유닛 당 유도 전력 전송 거리를 연장시킬 수 있다.
4. 도 12에서와 같이 trans-pi 네트워크를 사용하여, 연장된 트랙웨이를 중앙에 공급할 수 있어, (본 실시예에 따른) 장거리 유도 전력 전송 방법은 트랙의 단위 길이 (최대 통전 길이) 당 전원 수를 절반으로 줄일 수 있다.
5. 포화 가능 인덕터는 트랙웨이 내의 개방 회로 고장 시에 "최전선" 보호 효과를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 다음의 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서, 상술한 내용에 다양한 변형 및 수정을 가할 수 있음은 자명하다.

Claims (22)

  1. 적어도 하나의 동조형 1차 트랙웨이(tuned primary trackway)를 구비하는 유도 전력 전송 시스템의 1차 컨덕터에 교류 전원(alternating power source)으로부터의 전력을 공급하는 장치에 있어서 - 상기 각각의 1차 트랙웨이는 고유 공진 주파수를 가짐 -,
    입력부와 출력부를 가지는 적어도 하나의 리액티브 네트워크를 포함하되,
    상기 네트워크는 상기 전원과 적어도 하나의 1차 트랙웨이간에 접속될 수 있으며,
    상기 네트워크는, 선택된 값을 가진 적어도 하나의 인덕턴스를 포함하며, 선택된 값을 가진 적어도 하나의 캐패시턴스에 접속되며,
    상기 네트워크는 상기 전원 및 상기 적어도 하나의 1차 트랙웨이간의 전력 전송에 영향을 미칠 수 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 네트워크는 하나 또는 그 이상의 인덕터와 하나 또는 그 이상의 캐패시터를 포함하는 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크(transconductance pi network)를 포함하며,
    상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크는 입력부 및 출력부를 가지며,
    상기 네트워크는 상기 입력부에서 상기 전원에 접속되고 상기 출력부에서 적어도 하나의 1차 트랙웨이에 접속되며,
    상기 네트워크는 상기 교류 전원 및 상기 1차 트랙웨이간에 고의적 미스 매칭 결합(deliberately mis-matched coupling)을 제공할 수 있어, 상기 전원이 실질적으로 무한대의 임피던스를 제공하는 것처럼 보이게 하고 상기 1차 트랙웨이가 실질적으로 제로 임피던스를 제공하는 것처럼 보이게 하며, 상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 출력부에서의 전압이 사용 시에 상기 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 입력부에 제공된 전압보다 실질적으로 클 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 네트워크가 상기 네트워크의 출력부로부터 상기 1차 트랙웨이 내로 공급되는 순환 전류의 비율을 결정할 수 있고, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있도록, 상기 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크 내의 성분 값들이 선택되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하며,
    상기 각각의 네트워크는 대응하는 1차 트랙웨이에 접속되고,
    상기 네트워크 또는 네트워크들은 적합한 성분 값들의 선택에 의해 상기 네트워크로부터 상기 각각의 1차 트랙웨이 내로 공급될 수 있는 순환 전류의 비율을 결정할 수 있어, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장치는 제어 가능 스위치 수단을 통해 하나의 1차 트랙웨이에 각각 접속되는 하나 이상의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하여, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 언제라도 상기 1차 트랙웨이에 대한 하나 또는 그 이상의 네트워크의 출력의 접속에 의해 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 장치는 각각의 1차 트랙웨이에 접속되는 적어도 하나의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 네트워크는, 제1 전류를 결정할 수 있는 제1 세트의 성분으로부터 제2 전류를 결정할 수 있는 제2 세트의 성분까지 네트워크 회로 내로 또는 밖으로 제어 가능하게 스위칭될 수 있는 일 군으로서의 적어도 한 세트의 부가 리액티브 성분을 구비하여, 상기 네트워크의 출력부로부터 각각의 1차 트랙웨이 내로 공급되는 순환 전류가 때때로 제어될 수 있게 하고, 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 제어될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 장치는 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크가 상기 트랙웨이에 접속되는 위치에서 1차 트랙웨이의 1차 컨덕터 양단에 스위칭 수단을 제공하며,
    상기 스위칭 수단은, 폐쇄 상태일 때 상기 트랙웨이를 단락시켜서(shorting), 상기 1차 트랙웨이 내의 순환 전류의 양이 떨어지게 하고, 상기 1차 트랙웨이가 상기 전원으로부터 효과적으로 분리되지만 상기 전원 그 자체는 단락 출력을 경험하지 않게 할 수 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  8. 제2항에 있어서, 의도하는 전류보다 큰 전류가 포화 가능 인덕터를 통해 흐르면 상기 적어도 하나의 유도 성분이 포화 상태에 들어갈 수 있도록, 소정의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 하나 또는 그 이상의 유도 성분이 선택되어, 상기 1차 트랙웨이 내의 상기 순환 전류가 제한될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 1차 트랙웨이는 연장된 1차 트랙웨이의 일부를 형성하고,
    상기 각각의 1차 트랙웨이의 단부는 교류 전원 근처에서 적어도 하나의 다른 1차 트랙웨이의 단부와 만나며,
    상기 각각의 1차 트랙웨이는 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크의 출력부의 양단에 접속된 스위칭 수단을 구비하는 개개의 트랜스컨덕턴스 파이 네트워크에 의한 접속 지점에서 공급되어, 사용 시에 소정의 1차 트랙웨이가 상기 1차 트랙웨이 상의 유도 전력의 소비자의 존재에 응답하여 상기 대응하는 스위칭 수단을 개방시킴으로써 통전될 수 있게 하고, 전원 출력이 상기 1차 트랙웨이의 선택부 아래도 떨어질 수 있게 하고, 전원 용량에 따른 트랙웨이 길이의 제한이 실질적으로 극복되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 인덕터는 의도하는 레벨의 전류에서 포화 가능한 페리 자성 또는 강자성 코어를 구비하여, 상기 네트워크 내의 총 순환 전류가 제한될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 하나 이상의 리츠 와이어(litz wire) 권선이 도전성 컨테이너 내에 유지되며 상기 컨테이너의 내부 표면과 이격되어 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서, 공기 갭을 포함하는 절단된 고리형 페라이트 코어를 각각 구비하는 하나 또는 그 이상의 페라이트 소자가 하나의 권선의 리츠 와이어에 대해 감겨져 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 페라이트 소자는 상기 공기 갭을 점유하는 지지체에 의해 각각 장착되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 장치는 종단 장치를 포함하며,
    상기 종단 장치는 전원 접속부로부터 멀리 떨어진 위치에서 하나의 컨덕터의 단부와 다른 하나의 컨덕터의 단부 사이에 접속되고,
    상기 종단 장치는 (A) 실질적으로 임의의 주파수에서 상기 트랙의 특성 임피던스를 나타낼 수 있는 저항, 및 (B) 고유 공진 주파수에 동조된 직렬 동조형 공진 회로의 병렬 접속을 포함하며,
    상기 종단 장치는 상기 공진 주파수에서 상기 트랙에 단락을 제공할 수 있고 다른 주파수에서 상기 트랙에 특성 임피던스를 제공할 수 있어서, 상기 트랙에 순환되는 전류의 고조파 성분이 감소되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  15. 적어도 하나의 직렬 동조형 1차 트랙웨이를 구비하는 유도 전력 전송 시스템의 1차 컨덕터에 교류 전원으로부터 전력을 공급하는 장치에 있어서 - 상기 각각의 1차 트랙웨이는 공유 공진 주파수를 가짐 -,
    상기 전원 장치는 전원 양단에 제1 및 제2 직렬 접속 쌍들로 배치된 한 세트의 네 개의 스위칭 수단을 포함하며,
    상기 제1 직렬 접속쌍의 스위칭 수단들간의 접합부로부터 상기 제2 직렬 접속쌍의 스위칭 수단들간의 접합부에 직렬 보상 트랙웨이가 접속되며,
    상기 장치는, 각각의 스위칭 수단으로 하여금 나머지 스위치들에 대해 제어되는 주기적 관계로 반복적으로 개폐되게 할 수 있는 스위칭 명령을 전달할 수 있어서, 상기 각 쌍의 스위치가 동시에 폐쇄지 않게 하고, 상기 직렬 보상 트랙웨이가 상기 트랙의 고유 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 먼저 일 방향으로 이어서 다른 방향으로 전원 양단에 반복적으로 접속되게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 장치는 전압 전원으로부터 구동되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 장치는 전류 전원으로부터 구동되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 장치는 전류 전원으로부터 구동되며,
    상기 장치는, 상기 트랙의 고유 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 공진할 수 있으며 상기 전원 장치의 출력부 양단에 접속되는 병렬 공진 회로를 포함하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 장치는 제어 관계를 결정할 수 있는 제어 수단을 포함하며,
    상기 제어 수단은 적어도한 쌍의 스위칭 수단에 대한 스위칭 명령의 펄스 기간을 변동시킬 수 있어서, 상기 직렬 보상 트랙에서 순환되는 전류의 양이 변동될 수 있게 하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  20. 제15항에 있어서, 제로 전압 상태일 때 제어 수단에 의해 스위칭될 수 있도록 각각의 스위칭 수단 양단에 캐패시터를 설치하고, 상기 직렬 보상 트랙의 고유 공진 주파수를 상기 스위칭 수단에 대한 제어 신호의 전달 레이트보다 약간 낮게 변경함으로써, 적어도 하나의 스위칭 수단이 구성되는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  21. 제15항에 있어서, 상기 전원 장치는,
    공진 주파수를 가진 병렬 공진 회로를 포함하고,
    전류원으로부터의 전류를 상기 공진 회로에 접속할 수 있도록 배치되어, 상기 공진 주파수에 가까운 주파수에서 스위칭 수단의 반복적인 보상 폐쇄가 공진 전류로 하여금 상기 병렬 공진 회로 내에 흐르게 할 수 있도록 동작되는 적어도 두 개의 스위칭 수단을 포함하며,
    상기 전원 장치로부터 출력되는 전력은 상기 병렬 공진 회로 양단에 접속되되,
    상기 전원 장치는 전 브리지 구성(full bridge configuration)의 네 개의 스위칭 수단을 사용하여 상기 전류원으로부터의 전류를 상기 공진 회로에 접속하는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
  22. 적어도 하나의 직렬 동조형 트랙웨이를 구비하는 유도 전력 전송 시스템의 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치에 있어서,
    교류 전원과 트랙웨이간에 접속될 수 있는 적어도 하나의 리액티브 네트워크를 포함하되,
    상기 네트워크는 적어도 하나의 캐패시턴스에 접속되는 적어도 하나의 인덕턴스를 포함하며,
    상기 네트워크는 상기 트랙웨이의 임피던스를 변경할 수 있으며, 이에 의해 전원으로부터 상기 트랙웨이 내로 전달될 수 있는 전력의 양을 높일 수 있는 1차 컨덕터에 전력을 공급하는 장치.
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