KR20150050954A - 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로; 급전용 인버터와, 상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로와, 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하여 부하로 공급하는 집전모듈과, 상기 급전선로를 통해 집전모듈로 유기되는 전압을 감지하는 전압감지수단과, 상기 전압감지수단을 통한 감지전압에 따라 상기 급전용 인버터의 출력 전류를 제어하는 전원제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열차의 운행에 필요한 전력을 공급하는 비접촉식 무선전력전송 시스템에서 일정 전압레벨을 유지하기 위한 레귤레이터를 제거하여 레귤레이터 제작비용 및 유지보수비용 절감 효과가 있음은 물론 전체 시스템의 단순화를 통하여 무선전력 전송 시스템 구성을 간소화할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템 {SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}

본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차 등의 부하에 비접촉식으로 필요한 대전력을 무선으로 전송하되 전압레벨을 일정하게 유지하기 위한 레귤레이터가 필요 없어 그 구성이 간단하고 시스템 구성 단가를 낮출 수 있는 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 그 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 판토그라프의 공기저항 급상승에 의한 에너지 효율의 저감이 발생한다.

아울러, 종래의 제3궤조를 이용하는 접촉식 급전시스템은 승객 접촉 및 침수에 의한 감전사고의 발생 우려가 매우 높다.

한편, 이상의 접촉식 급전방식의 문제점을 해소하기 위해 최근 비접촉 전원방식으로 유도급전에 의한 전원 공급에 대한 연구가 진행 중에 있다. 비접촉 방식의 일 예로 공개특허 제10-2005-0089673호가 제안된 바 있다. 이는 전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템에 관한 것으로, 급전 전원으로부터 전력을 공급받고, 상기 급전 전원에 연결된 급전 케이블에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속의 경로를 제공하는 급전 코어 및 상기 급전 코어에 권취되는 상기 급전 케이블을 포함하는 급전 유닛을 이용하여 자기유도 방식으로 상기 전력을 공급하는 급전 장치; 및 상기 자속이 유기되는 집전 코어 및 상기 집전코어에 권취되는 집전 케이블을 포함하며 상기 급전 유닛과 상기 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 유닛을 이용하여 상기 급전 장치로부터 형성된 유도기전력을 공급받는 집전 장치로 구성되며, 이때 통상의 집전 장치는 정류기 및 레귤레이터를 포함한다.

이와 같은 무선전력 전송 기술은 최근 에너지 활용의 극대화 관점에서 실용화 기술 개발에 많은 초점이 이루어지고 있다. 특히 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차 시스템에 무선전력 전송 기술이 적용될 경우, 선로높이가 균일하기 때문에 무선전력 전송을 위한 공극을 최소화하는 것이 가능하고 이에 따른 에너지 전송량을 극대화 시킬 수 있는 장점을 갖추고 있지만 수송시스템은 기동 추진시 많은 에너지를 일시적으로 요구하고, 주행중이라도 에어컨이나 히터 등과 같은 대용량의 보조 동력을 실내조건에 따라서 운영해야하는 운전 조건을 갖추고 있다.

이러한 운전 조건을 무선전력 전송 기술을 통해서 만족시키기 위해서는 수송시스템의 부하조건에 따라서 변동하는 전압레벨을 일정하게 유지할 수 있는 전압 레귤레이터를 필요로 하지만 전압 레귤레이터는 무선전력 전송 시스템의 전송효율을 떨어트리고 전체 시스템 단가를 상승시키는 요인으로 작용한다.

즉, 종래 무선 전력 전송 시스템에서의 레귤레이터는 차량의 부하변동에 대해서 일정전압을 유지하기 위해서 레귤레이터에 입력되는 pick-up들 간의 출력 전류가 일정하게 유지되도록 레귤레이터 입력 channel들 간의 balance 를 적절히 맞추는 것이 필요하며, 부하변동에 대한 전압강하에 신속히 대응해서 일정전압을 유지시키기 위해서 빠른 응답 특성을 유지해야한다. 따라서, 이러한 레귤레이터의 특성을 보장하기 위해서는 입력 channel 들 간의 balancing 알고리즘 및 빠른 반응속도에도 overshoot를 억제할 수 있는 제어 기법이 필요하지만 구현 및 성능 보장에는 많은 노력과 시간이 필요하다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-0531749호 참고문헌 2: 등록특허 제10-0858370호 참고문헌 3: 공개특허 제10-2005-0089673호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차 등의 부하에 비접촉식 무선전력 전송 기술을 적용하여 전력을 공급하면서도 일정 전압을 유지하기 위한 레귤레이터를 제거하여 레귤레이터의 제작 및 유지보수비용을 절감할 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

급전용 인버터와, 상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로와, 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하여 부하로 공급하는 집전모듈과, 상기 급전선로를 통해 집전모듈로 유기되는 전압을 감지하는 전압감지수단과, 상기 전압감지수단을 통한 감지전압에 따라 상기 급전용 인버터의 출력 전류를 제어하는 전원제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.

이때, 상기 전압감지수단은 상기 급전선로와 함께 와인딩된 센싱코일로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 급전용 인버터는 직류전원을 고주파 교류 전원으로 변환하여 급전선로로 공급하는 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.

본 발명에 따르면, 열차의 운행에 필요한 전력을 공급하는 비접촉식 무선전력전송 시스템에서 일정 전압레벨을 유지하기 위한 레귤레이터를 제거함으로써 레귤레이터 제작비용 및 유지보수비용 절감하는 효과가 있다.

더욱이 본 발명은 레귤레이터를 제거하기 위해서 인버터를 지능화하고 이를 통한 무선 전력전송 기술을 첨단화하면서도 레귤레이터의 오동작에 따른 전체 시스템의 신뢰성 저하 문제를 극복할 수 있음은 물론 전체 시스템의 단순화를 통하여 무선전력 전송 시스템 구성을 간소화할 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 레귤레이터를 제거한 경우 무선 전력 전송 시스템의 개념적 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 센싱코일(sensing coil) 설치 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 상세 제어 구성도이다.
도 6은 레귤레이터를 제거한 후 센싱코일(sensing coil) 없이 정류기의 출력전압을 직접 피드백하여 급전용 인버터의 출력전류의 능동적 제어한 경우 인버터와 집전모듈의 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 7은 레귤레이터를 제거한 후 센싱코일을 통해 피드백하여 급전용 인버터의 출력전류의 능동적 제어한 경우 인버터와 집전모듈의 출력전압을 도시한 그래프이다.

본 발명에 따른 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 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차, 바이모달 트램 등과 같은 부하에 무선전력 전송 기술을 적용하여 필요로 하는 전력을 비접촉 방식으로 무선 공급할 수 있다.

특히, 본 발명은 레귤레이터를 채용할 경우 성능보장을 위해서 부가적인 구현 기술 개발에 많은 시간과 노력이 투자되어야 하는 점에서 레귤레이터 없이도 차량의 부하변동에 대응하고 일정전압을 유지하고자 한다.

도 3은 레귤레이터를 제거한 경우 무선 전력 전송 시스템의 개념적 구성도로서, 이에 의하면 부하 변동에 대해서 성공적으로 집전모듈(Pick-up)의 출력 전압을 일정하게 유지시키기 위해서는 능동 소자인 급전용 인버터(100)가 집전모듈(300)의 현재 출력 전압 level을 인지할 수 있다면 급전용 인버터(100)의 출력 전류를 조절함으로써 급전 선로(200)에 흐르는 전류를 조절하는 것이 가능해 집전모듈(300)에 유기되는 전압도 조절할 수 있다.

이 경우 집전모듈(300)에 구비되는 정류기의 출력전압을 직접 피드백(feedback) 한 경우 도 6에 도시된 바와 같이 부하저항 값이 바뀔지라도 급전용 인버터(100)의 전압제어에 의해서 정류기의 전압이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이것은 정류기의 전압을 급전용 인버터(100)가 예측할 수 있다면 부하 변동에 대응해서 정류기의 출력 전압을 일정하게 유지하도록 급전용 인버터(100)의 출력제어가 가능하다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명은 집전모듈(300)의 현재 출력 전압 level을 급전용 인버터(100)에 피드백(feedback) 할 수 있도록 하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 급전선로(200)에 전류가 흐르면 집전모듈(300)에 전압이 유기되고 이때 급전선로(200)의 유기되는 전압을 측정하는 전압감지수단(210)을 구비한다.

이와 같은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템은 열차 등의 부하(400)에 필요한 전력을 공급하는 전력공급원으로서 급전용 인버터(100)와, 상기 급전용 인버터(100)에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로(200)에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로(200)와, 상기 열차나 바이모달 트램 등의 부하설비에 설치되어 상기 급전선로(200)의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하여 부하(400)로 공급하는 집전모듈(Pick-up)(300)과, 상기 급전선로(200)를 통해 집전모듈(300)로 유기되는 전압을 감지하는 전압감지수단(210)과, 상기 전압감지수단(210)을 통한 감지전압에 따라 상기 급전용 인버터(100)의 출력 전류를 조절하는 전원제어기(500)로 구성된다.

즉, 상기 전압감지수단(210)을 통해 차량 등의 부하(400)에 공급되는 전원을 감지할 수 있으며, 이를 통해 부하 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 충분히 지능화할 수 있다. 이 경우 상기 전압감지수단(210)은 급전선로(200)와 함께 와인딩(winding)된 센싱코일(sencing coil)로 이루어지며, 상기 센싱코일을 통해 급전되는 전압을 감지할 수 있다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 급전용 인버터(100)는 예를 들어 부하(400)가 도시형 무가선 트램차량인 경우 트램차량의 구동에 필요한 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 변전실에서 공급되는 DC 750V의 직류전원을 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환하여 급전선로(200)로 공급할 수 있다.

이때, 상기 급전용 인버터(100)는 부하(400)의 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 충분히 지능화함이 바람직하다. 예를 들어 부하(400)에서 많은 부하를 사용할 경우 급전용 인버터(100)는 많은 전력을 공급하고, 부하(400)에서 갑자기 부하량을 줄일 경우 급전용 인버터(100)는 이를 순시적으로 감지하여 급전 전력이 감소하도록 제어함이 바람직하다.

한편, 상기 급전 선로(200)는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하는 것으로, 급전용 인버터(100)에서 공급하는 고주파에 대해서 급전선로의 길이를 고려한 콘덴서 부착 등 충분한 공진설비에 의해서 급전선로(200)의 손실을 최소화함이 바람직하다.

그리고, 상기 집전모듈(Pick-up)(300)은 급전선로(200)에서 발생하는 자장에 대해서 최대한 쇄교할 수 있는 구조로 설계되어야 하고 고주파로 유기된 기전력의 정류를 위한 정류기(310)를 포함한다.

이때, 상기 급전선로(200)와 집전모듈(300)은 전자기 유도현상을 이용하여 무선으로 전력을 부하(400)로 전송한다.

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.

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(300)의 코일은 부하설비와 분리하여 도전체로부터 이격시켜 취부해야 한다. 이때, 부하설비의 도전체와 분리시키지 않을 경우 유도전류의 발생에 지장을 줄 수 있기 때문이다.

상기 급전선로(200)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(300)은 급전선로(200)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(200)와 집전모듈(300) 사이의 간격은 가능한 최소 간격(예를 들어 20cm 이내)을 유지함으로써 무선전력전송의 전달 효율을 극대화하도록 하고 최소간격의 도출은 급전용 인버터(100)의 운용주파수, 급전선로의 공진 주파수, 픽업에 전달된 유기 기전력의 양을 측정하여 최적의 간격을 도출한다.

이하, 도 3 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 작동 예를 설명한다.

열차를 예로 들어 설명하면 변전실에서 공급되는 DC 750V의 직류전원은 급전용 인버터(100)를 거치면서 60kHz의 고주파 교류 전원으로 변환되어 급전선로(200)로 공급된다.

그에 따라 상기 급전선로(200)는 고주파 교류 전류에 의해서 지상 급전선로에 형성되는 전자기 유도 에너지를 발생하게 된다.

한편, 상기 급전선로(200)에는 전압감지수단(210)인 센싱코일(sencing coil)을 통해 차량에 공급되는 전원을 감지하여 전원제어기(500)로 입력된다. 이를 통해 전원제어기(500)는 열차 등의 부하 변동에 대해서 능동적으로 대응하여 전력을 공급할 수 있도록 충분히 지능화할 수 있도록 급전용 인버터(100)의 출력 전류를 증가 또는 감소하도록 능동적으로 제어한다.

이에 따라 상기 급전 선로(200)에서 유기되는 고주파 교류 전류에 대한 전자기 유도 에너지는 집전모듈(300)에 무선으로 공급되어 열차의 추진장치인 추진용 모터와 배터리 및 차량편의/제어장치 등으로 공급한다.

이와 같이 전압감지수단(210)인 센싱코일의 전압을 피드백하면 도 7에 도시된 바와 같이 정류기 출력 목표 전압 값을 20V, 22V로 했을 경우 센싱코일의 피드백 전압 값을 활용한 급전용 인버터(100)의 출력 전압 조정에 의해서 정류기(rectifier)의 출력 전압 값이 일정하게 조절됨을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 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: 급전용 인버터 200: 급전선로
210: 전압감지수단 300: 집전모듈
310: 정류기 400: 부하
500: 전원제어기

Claims (5)

1. 급전용 인버터와, 상기 급전용 인버터에서 공급되는 고주파 교류 전류에 의해 전자기 유도 에너지를 발생하는 급전선로와, 상기 급전선로의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하여 부하로 공급하는 집전모듈과, 상기 급전선로를 통해 집전모듈로 유기되는 전압을 감지하는 전압감지수단과, 상기 전압감지수단을 통한 감지전압에 따라 상기 급전용 인버터의 출력 전류를 제어하는 전원제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전압감지수단은 상기 급전선로와 함께 와인딩된 센싱코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 급전용 인버터는 직류전원을 고주파 교류 전원으로 변환하여 급전선로로 공급하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 집전모듈은 고주파로 유기된 기전력의 정류를 위한 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 급전선로는 페라이트 또는 아몰포스 재질의 코어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
   

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