KR20090049439A - 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 ｔｒａｍ·노면전차경전철 림차량 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치 - Google Patents
누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 ｔｒａｍ·노면전차경전철 림차량 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전동차의 아몰퍼스 유도급전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 철도 시스템에서 사용되는 유도전력 방식의 충전 및 집전장치의 재질을 변화시켜 누설자속에 의한 손실과 철손을 최소화 하는 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치에 관한 것이다.
이를 위해 전기 철도 시스템에서 사용되는 유도 전력 방식의 충전 및 집전장치의 재질을 아몰퍼스로 구성하고, 2차측 집전부 코어와 1차측 급전부 코어의 쇄교단면적의 비를 변화 시키는 것을 특징으로 한다.
유도전력, 철도차량, 전동차, 림차량, 아몰퍼스, 충전부, 급전부, 코어, 쇄교단면적
Description
본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전동차의 유도전력전송 급전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력충전을 필요로 하는 전동차가 정차 시 또는 주행중에 각 역사와 주행선로 상에 구비된 충전베이와 충전섹션에서 물리적 접촉 없이 급속충전을 수행하는 전동차의 유도 급전 설비 시스템에 관한 것이다.
또한 유도전력 방식의 충전 및 집전장치의 재질을 아몰퍼스로 구성함으로써 자속의 손실이 최소화 되도록 설계하여 급전선이 제거된 철도시스템에서 충전 및 집전/급전의 효율을 최대화 할 수 있는 급전장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기차량은 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 차량을 의미하며, 고전압 전류가 흐르고 있는 가선으로부터 전기 에너지를 공급받아 운행하는 전동차(Electric Rail Car)와, 차량 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하는 전기자동차로 구분된다.
전동차의 경우 가선에 의해 정해진 궤도를 따라 이동하게 되는데, 집전장치로 상부에 팬터그래프(Pantograph)를 구비하고 스프링 또는 압축공기의 힘으로 가선이 밀착되도록 밀어 올리는 가공전차선 방식과, 주행용 궤도의 상면 또는 측면에 설치된 독립적인 급전선으로부터 제3궤조 집전장치를 통해 수전하는 제3궤조식으로 나눌 수 있다.
이 중 가공전차선 방식은 팬터그래프와 트롤리선(Trolley Line), 이와 접촉하는 습동판과 지지하는 구조체, 복원스프링, 압상장치 등을 포함하여 구성되며, 제3궤조식은 집전자의 일정 압착력을 유지하기 위해 별도의 스프링을 필요로 하고 승강장, 터널, 상하행 주행에 따라 설비의 위치가 서로 반대가 되므로 양측으로 집전자가 설치되어야 하는 등 설비 구성이 복잡하고 사용에 따른 소음이 발생한다.
또한, 이러한 종래의 전동차 시스템의 경우 집전설비의 물리적 접촉을 바탕으로 집전 및 급전시스템이 구성되기 때문에 전동차, 특히 전기철도의 경우 집전성능 확보를 위한 압상력 제어 기법, 집전장치의 복잡한 구성 및 고속화에 따라 빈발하는 이선으로 인한 전력품질의 저하, 습동판의 마모, 소음문제, 트롤리선으 변형에 따른 파손 절단의 우려 등이 있으므로 장기 사용에 따른 유지보수에 많은 시간과 비용이 소요되게 된다.
또한, 종래의 전동차 시스템은 전차선이 전 노선에 걸쳐 설치되고 직류급전 방식은 고저항 지락에 대한 보호장치를 필요로 하며, 교류급전방식은 절연 이격거 리 확보를 위해 터널 및 차량의 크기가 커지고 통신유도장해에 대한 노출영역이 확대되는 등의 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 유도전력에 의한 비접촉방식을 이용하여 전력을 공급받는 전기차량을 개발하고자 하는 시도가 있어왔다. 대한민국 특허출원 제10-2003-0072376호와 제10-2004-0014385호는 본 발명에 출원인에 의해 출원된 비접촉 급전방식을 이용한 전기차량 운행시스템에 관한 것이다.
상기 종래의 전기차량은 차량 자체에 탑재된 배터리 또는 차량 외부로부터 전력을 선택적으로 공급받아 운행한다.
그러나 일반적으로 배터리는 충전시간이 오래 걸리며 한번 충전에 의해 주행하는 거리가 제한적이기 때문에, 목적한 이동거리를 확보하기 위해서는 자주 충전을 해주어야만 하므로, 고속으로 장거리를 주행하는 전동차에 적용하기에는 부적합한 문제점이 있다.
또한 배터리에 의한 주행시간을 확보하고자 넓은 주행구간에 걸쳐 충전장비를 설치하게 되면, 설비의 크기와 용량이 지나치게 커지므로 중소형궤도 전동차에는 적용하기 어렵고 관리의 효율성도 떨어지는 문제점이 있다.
더하여 유도전류급전방식의 특성상 수 내지 수십 kHz의 주파수를 사용하는데, 보통의 집전장치의 재질은 고주파수에 약한 페라이트나, 기존 적층된 철심을 사용하기 때문에 고주파 운전에 의한 철손 등이 손실로 발생한다는 문제점이 있다.
그리고 유도전류급전 방식의 특징상 생기는 공극에서 발생하는 누설자속에 의한 손실이 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 유도전류급전방식의 특성상 수 내지 수십 kHz의 주파수를 사용하는데, 보통의 집전장치의 재질은 고주파수에 약한 페라이트나, 기존 적층된 철심을 사용하기 때문에 고주파 운전에 의한 철손 등이 손실로 발생한다는 문제점을 해결하고자 한다.
또한 유도전류급전 방식의 특징상 집전장치 내부에 생기는 공극에서 발생하는 누설자속에 의한 손실이 발생한다는 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 유도전류급전방식을 통한 고주파 운전 시에 발생하는 철손 등이 손실로 발생한다는 것을 해결하기 위해 집전장치의 재료를 기존의 페라이트나, 적층된 철심을 이용하는 것이 아니라 아몰퍼스를 집전장치의 재료로 하는 것을 특징으로 하여 상기 과제를 해결하고자 한다.
또한 누설자속에 의한 손실을 막기 위해 유도전류급전방식의 집전장치 내에 형성되어 있는 1차코어자속쇄교단면적과 비교하여 2차코어자속쇄교단면적의 넓이를 넓히는 것을 특징으로 하여 상기 과제를 해결하고자 한다.
상기와 같은 아몰퍼스 집전장치의 적용으로 고주파에서의 철손을 최소화하여 전체 시스템 효율의 극대화가 하는 효과가 있다.
또한 1차코어자속쇄교단면적과 2차코어자속쇄교단면적의 차이로 인해 유도급전장치의 누설자속 저감이 이루어져 공극에서 발생하는 손실을 최소화 하는 효과가 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
[도 1a] 및 [도 1b]에 도시된 바와 같이, 본 발명 유도 급전 설비 시스템은 전동차가 정차하는 역사에 급전을 위한 역사충전베이(Station Charging Bay)(110) 를 설치하고 주행선로 상에 충전섹션(Charging zone)을 구비하여, 복수의 역사충전베이(110)와 충전섹션(120)을 연결하여 이루어진 하나의 유닛(Unit)에 전력공급을 제어하는 전력제어장치(130)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 역사충전베이(110)는 전동차가 역사에 정차했을 때 전력을 송전하기 위해 각 역사에 설치되며, 충전섹션(120)은 주행 중인 전동차에 전력을 송전하기 위하여 주행선로의 지정된 일부 구간에 설치된다. 이로써 전동차가 연사충전베이(110)에 정차하거나 충전섹션(120)을 지나갈 때 변전소로부터 송전된 고주파 교류전력이 전력제어장치(130)에 의해 물리적 접촉 없이 유도작용을 통해 전동차에 전송된다.
이렇게 구성 된 본 발명 유도 급전 설비 시스템은 바람직 하게는 전력제어장치(130)와 연동하면서 각 역사충전베이(110)와 충전섹션(120)에서 자동적으로 위치를 감지하여 전동차의 진입여부를 판단하는 차량감지수단(140)과, 진입한 전동차의 요구에 따라 전력급전을 선택적으로 제어하는 전력공급제어수단(150)을 더 포함할 수 있다. 즉, 역사충전베이(110)와 충전섹션(120)에는 차량감지수단(140)으로 위치감지 센서가 구비되어, 상기 역사충전베이(110) 또는 충전섹션(120)으로 전동차가 진입하는 경우 전력공급제어수단(150)은 전동차에 충전이 필요한지 여부를 판단하여 충전이 필요한 경우에만 정차 또는 주행 중인 전동차에 급전이 실행된다. 또한, 역사충전베이(110)나 충전섹션(120)으로 전동차가 진입하더라도 전동차에 충전이 필요하지 않은 경우, 전력공급제어수단(150)은 역사충전베이(110)나 충전섹션(120)으로부터 발생하는 자기 유도에너지가 전동차로 전송되지 않도록 제어한다. 따라서 충전이 수행되지 않는 상태에서 불필요하게 전력이 공급되는 전력소모를 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 구성된 유도 급전 설비 시스템에서 전력을 공급받아 운행하는 전동차는 [도 2]에 도시된 것과 같이, 역사충전베이(110)나 충전섹션(120)에 흐르는 고주파 교류전압과의 전자기 유도 작용에 의해 발생된 교류전압을 발생시키는 전력집전부(210), 전력집전부(210)로부터 발생된 교류전압을 직류전압으로 정류시 키고 평활시켜 후술 하는 충전부(230)와 전력변환부(240)로 공급하는 정류평활부(220), 직류전압을 저장하였다가 전동차가 작동하는데 있어 전력을 공급하는 충전부(230) 및 공급되는 직류전압을 부하의 동작전압에 맞게 변환하여 전동기(250)에 공급하는 전력변환부(240)를 포함하여 구성된다.
전력집전부(210)는 역사나 주행선로에 설치된 역사충전베이(110)와 충전섹션(120)과의 거리를 고려하여 전동차의 저면에 구성되어, 역사충전베이(110)나 충전섹션(120)을 지날 때, 전자유도작용에 의해 발생되는 교류전압을 이용하여 전동차의 운행 및 탑재된 충전부(230)에 충전이 이루어지고, 그 이외의 주행선로를 운행할 때는 저장되어 있는 충전부(230)의 전력을 이용하여 전동차가 운행되도록 한다.
정류평활부(220)는 전력집전부(210)에서 발생된 교류전압을 직류전압으로 정류하고, 평활하는 것으로 브리지 다이오드, 코일, 콘덴서 등으로 이루어진 공지의 정류회로와 평활회로를 이용한다. 또한, 상기 정류평활부(220)는 유도된 전력의 누설 및 무효전력분을 보상하기 위한 공진형 보상회로(Resonant Compensation Circuit)를 더 포함할 수 있다.
이처럼 전자 유도작용에 의해 발생하여 정류 평활 된 직류전압은 전력변환부(240)에서 전동기(250)의 구동전원으로 변환되어 전동차를 운행시키면서, 이와 동시에 충전부(230)를 충전시켜 주행 중 충전이 이루어지도록 한다.
이를 위해 충전부(230)는 [도 3]을 참조 하여 설명하면, 전력을 저장하는 배 터리(231), 충전시간과 방전시간을 단축하는 버퍼용 캐패시터(232) 및 충전부의 안정된 동작을 수행하는 EMS 컨트롤러(233)를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 버퍼용 캐패시터(232)는 전동차가 역사충전베이(110)에 정차하거나 충전섹션(120)을 통과하는 소정시간 동안 공급되는 전력을 일시 저장했다가, 충전섹션(120)이 설치되지 않은 구간을 주행할 ??에도 전동차를 정상적으로 운행시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 버퍼용 캐패시터(232)는 일반 캐패시터에 비해 충전효율이 높은 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)로 이루어진다.
이로써 전동차가 역사충전베이(110)에 정지하거나 충전섹션(120)을 통과하는 때에는 정류평활부(220)로부터 공급되는 직류전원이 전력변환부(240)를 통해 전동기(250)를 동작하여 전동차가 운행함과 동시에, 충전부(230)에서는 충전 동작을 수행하게 된다. 이때, 충전 동작의 수행 시 전력은 버퍼용 캐패시터(232)를 통과하여 배터리(231)에 저장되게 한다.
또한, 전동차가 충전섹션(120)이 설치되지 않은 노선을 통과하는 때에는 배터리(231)에 저장된 전력이 버퍼용 캐패시터(232)를 통해 방전되어 전력변환부(240)로 전달되고, 이 전력이 전동기(250)를 동작시켜 전동차가 정상적으로 운행된다.
이와 같은 유도급전장치에 있어서 구성요소 중 상기 역사충전베이(110), 충전섹션(120) 및 전력집전부(210)의 재질은 아몰퍼스 합금(Amorphous Metal)으로 이루어져 있다.
아몰퍼스 합금은 철(Fe), 붕소(B),규소(Si)등의 혼합물을 용융후 급속냉각시켜 만들어지는 비정질 자성재료로써 보통 금속을 용융상태에서 냉각하면 응고점에서 결정구조를 가진 고체로 되지만 냉각속도를 극히 크게 하면 응고점을 지나도 액체상태를 가지고 결국에는 과냉액체의 상태에서 고체로 되어버린다. 이 고체를 비정질인 아몰퍼스(amorphous)라 한다. 이 금속은 강도와 경도가 높고 인성과 연성이 있으며, 또 내식성도 우수하다.
또한 원자의 배열에 규칙성이 없는 랜덤구조이므로 히스테리시스손이 적고, 고유저항(규소강판의 약3배)이 높고 두께(규소강판의 약1/10)가 얇아 와류손도 절감시키므로 무부하손(히스테리시스손 + 와류손)을 규소강판의 약1/5로 절감할 수 있다.
(히스테리시스손에 대해 설명하면, 아몰퍼스는 자구(domain)를 갖고있다. 변압기에 전원을 연결하면, 지구가 주파수(50Hz 또는 60Hz)에 따라 앞뒤로 움직이는데, 이 자구벽의 움직임에 소요되는 자기에너지를 철손 중에서 히시테리시스손(Hysteresis Loss)이라한다.)
이러한 성질의 아몰퍼스를 집전장치에 이용함으로써 고주파에서의 철손을 최소화하여 전체 시스템 효율의 극대화가 가능하다.
더하여 [도 4]에 도시된 바와 같이 유도급전장치의 1차 급전부 코어(310)인 역사충전베이(110)와 충전섹션(120)의 1차급전부자속쇄교단면적(312)에 비해 2차 집전부 코어(320)인 전력집전부(210)의 2차급전부자속쇄교단면적(322)이 약 1.4 ∼ 2 배 크게 형성 되어 있다.
이는 급전 전력 양을 증가시키기 위하여 1차에서 공급되는 유도자속이 2차측으로 쇄교되지 못하고 누설 자속으로 작용하지 못하도록 하여 공극(330)에서의 누설 자속이 저감되어 누설자속에 의한 손실이 최소화 되도록 한다.
도 1a - 시스템 전체를 개략적으로 도시한 도면.
도 1b - 시스템 전체를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2 - 급전 설비 내에서 운행하는 전동차 내부의 구성을 나타내는 도면.
도 3 - 전동차의 내부에 구성된 충전부를 나타내는 도면.
도 4 - 유도전력전송 집전장치를 나타내는 측면도.
Claims (6)
- 유도 작용에 의해 전동차에 전력을 전달하는 급전시스템에 있어서,전동차가 정차하는 역사에 급전을 위한 역사충전베이와;주행선로의 일부 구간에 급전을 수행하는 충전섹션과;선로를 따라 주행하는 전동차의 내부에 위치하여 역사충전베이나 충전섹션에 흐르는 고주파 교류전압과의 전자기 유도 작용에 의해 발생된 교류전압을 발생시키는 전력집전부를 포함하되,상기 역사충전베이, 충전섹션 및 전력집전부는 아몰퍼스로 이루어진 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
- 제1항에 있어서,복수의 역사충전베이와 충전섹션을 연결하여 이루어진 하나의 유닛에 전력공급을 제어하는 전력제어장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
- 제2항에 있어서,상기 전력제어장치와 연동하면서 각 역사충전베이와 충전섹션에서 자동적으로 위치를 감지하여 전동차의 진입여부를 판단하는 차량감지수단과,진입한 전동차의 요구에 따라 전력급전을 선택적으로 제어하는 전력공급제어 수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
- 제1항에 있어서,상기 전동차 내부에는전력집전부로부터 발생된 교류전압을 직류전압으로 정류시키고 평활시켜 공급하는 정류평활부,직류전압을 저장하였다가 전동차가 작동하는데 있어 전력을 공급하는 충전부 및공급되는 직류전압을 부하의 동작전압에 맞게 변환하여 전동기에 공급하는 전력변환부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
- 제4항에 있어서,상기 충전부는 전력을 저장하는 배터리,충전시간과 방전시간을 단축하는 버퍼용 캐패시터 및충전부의 안정된 동작을 수행하는 EMS 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
- 제1항에 있어서,상기 전력집전부의 자속쇄교 단면적은 역사충전베이와 충전섹션의 자속쇄교 단면적보다 1.44∼1.96배 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 누설자속 저감을 위한 전기 차량 및 TRAMㅇ노면전차 경전철 등의 철도차량용 아몰퍼스 유도 급전장치.
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