KR20160086860A

KR20160086860A - 삼상 일차 권선 구조물의 작동 방법 및 일차 유닛

Info

Publication number: KR20160086860A
Application number: KR1020167014796A
Authority: KR
Inventors: 콘라드 보로노비치; 로베르트 차인스키; 도미니크 앤더스; 알리레자 사파이
Original assignee: 봄바디어 프리모베 게엠베하
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-07-20
Also published as: JP2016537953A; CN105873790B; EP3071440B1; RU2016124170A; GB201320400D0; GB2520348A; WO2015075026A1; CA2928090A1; EP3071440A1; US20160301250A1; CN105873790A; US10186905B2

Abstract

본 발명은 제1 위상 라인(P1), 제2 위상 라인(P2) 및 제3 위상 라인(P3)을 포함하고, 표준 작동 모드에서 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이 이들 세 개의 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 사이에 사전에 결정된 위상 변이가 제공되도록 제어되는, 유도 급전 시스템의 일차 권선 구조물(6)을 작동시키는 방법에 있어서, 수정된 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이 위상 변이 값들의 세트가 적어도 두 개의 영이 아닌 값을 포함하고 그리고 모든 영이 아닌 위상 변이 값들이 동일하도록 제어되는 유도 급전 시스템의 일차 권선 구조물 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 유도 급전 시스템을 위한 일차 유닛에 관한 것이기도 하다.

Description

삼상 일차 권선 구조물의 작동 방법 및 일차 유닛{A METHOD OF OPERATING A THREE PHASE PRIMARY WINDING STRUCTURE AND A PRIMARY UNIT}

본 발명은 유도 급전 시스템의 삼상 일차 권선 구조물의 작동 방법 및 상기 유도 급전 시스템의 일차 유닛에 관한 것이다.

차량, 특히 전기 차량 및/또는 선로 차량(track-bound vehicle) 및/또는 도로 주행 자동차(road automobile)는 유도 급전(inductive power transfer)에 의해 전송되는 전기 에너지에 의해 작동될 수 있다.

유도 급전은 보통 교번 전자기장을 발생시키는 일차 유닛과 상기 전자기장을 수신하는 수신 장치를 이용하여 수행된다.

일차 유닛과 이차 유닛은 예컨대 삼상 권선 세트를 포함할 수 있다. 일차 유닛의 권선 세트(일차 권선 구조물)는 지면에 설치될 수 있고, 선로변 전력 컨버터(WPC: wayside power converter)에 의해 전력을 공급받는다. 이차 유닛의 권선 세트(이차 권선 구조물)는 차량에 설치된다. 예를 들어, 이차 권선 구조물은 차량 아래에, 트램의 경우에는 객차들 중 일부의 아래에 부착될 수 있다.

또한, 이러한 차량은 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하도록 구성된 정류기를 포함할 수 있다. DC는 구동 배터리를 충전하거나 혹은 전기 기계를 작동시키는 데 사용된다. 정류기는 수신 장치에 의해 제공되는 AC를 DC로 변환한다.

제1측 및 제2측, 특히 일차 권선 구조물 및 이차 권선 구조물은 전기 에너지를 차량으로 전송하는 고주파 변압기의 일부일 수 있다. 이러한 전송은 정지 상태(차량의 이동이 없을 때)에서 그리고 동작 상태(차량이 이동할 때)에서 행해질 수 있다.

효율적인 유도 급전을 실시하기 위해, 동조형 유도 급전 시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 이는 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물의 용량성 소자 및 유도성 소자에 종속적인 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물의 공진 주파수가 사전에 결정된 작동 주파수와 정합된다는 것을 의미한다. 동조형 시스템에서는 최대 급전 효율에 도달할 수 있다.

상술한 공진 주파수는 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 간의 상호 결합에 종속적이다. 상호 결합이 일차 권선 구조물의 이차 권선 구조물에 대한 정렬에 종속적이므로, 이러한 정렬은 급전 효율에 영향을 미친다. 특히 오정렬된 경우, 급전 효율이 감소된다.

더욱이, 전력이 유도에 의해 자동차로 전송될 필요가 있으면, 일차 유닛의 치수가 작은 것이 바람직하다. 그러나, 이 경우, 작은 오정렬에 의해서도 급전 효율이 크게 감소될 수 있다.

본 발명의 목적은, 특히 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물이 오정렬된 경우에, 급전 효율의 감소를 신뢰성 있고 신속하게 보상할 수 있는, 삼상 일차 권선 구조물의 작동 방법 및 일차 유닛을 제공하는 데 있다.

본 발명의 기본 개념은 사전에 결정된 작동 기준, 특히 유도 급전 시스템 내의 공급 전력, 전압 파라미터들 또는 전류 파라미터들과 관련된 기준이 충족되도록 삼상 일차 권선 구조물의 표준 작동을 수정하는 것인데, 표준 작동은 삼상 입력 전압들 중 하나의 위상 입력 전압을 스위치 오프하는 것에 의해 혹은 위상 입력 전압들 중 적어도 하나의 위상 입력 전압의 위상각을 수정하는 것에 의해 수정된다.

차량에 유도 급전하는 시스템의 삼상 일차 권선 구조물의 작동 방법이 제안된다.

본 발명은 임의의 지상 차량(일시적으로만 지상에 있는 임의의 차량도 포함하지만, 바람직하지는 않음), 특히 철도 차량(예컨대, 트램)과 같은 선로 차량뿐만 아니라 개인용(자가용) 승용차 또는 공공 운송 차량(예컨대, 역시 선로 차량인 트롤리 버스(trolley bus)를 포함하는 버스)과 같은 도로 주행 차량에도 적용될 수 있다.

유도 급전 시스템은 사전에 결정된 작동 주파수, 특히 20kHz 내지 300kHz의 작동 주파수로 작동될 수 있다. 그러나 이보다 높거나 혹은 낮은 작동 주파수를 선택할 수도 있다. 작동 주파수는 유도 급전 시스템에 의해 공급될 희망 (최대) 전력에 따라 선택될 수 있다. 공급될 희망 전력은 예컨대 최대 500kW까지 선택될 수 있다. 희망 전력은 이차 유닛의 출력부에서 제공되는 전력, 예컨대 이차측 배터리에 제공되는 전력에 상응할 수 있다.

일차 권선 구조물은 제1 위상 라인, 제2 위상 라인 및 제3 위상 라인을 포함한다. 위상 라인들의 기하학적 구조와 기하학적 배치 형태는 계획된 용도의 필요조건에 따라 선택될 수 있다.

바람직하게는, 각 위상 라인은 위상 라인의 경로(course)가 서로 인접하게 배치되는 다수의 서브 권선들을 제공하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 서브 권선은 사전에 정해진 영역을 감싸는, 바람직하게는 완전한, 도체 루프를 가리킨다. 도체 루프는 각각의 서브 권선의 하나의 턴(turn) 또는 다수의 턴을 제공하거나 혹은 포함할 수 있다. 서로 인접한다는 것은 상기 서브 권선들의 중앙 축선, 특히 대칭인 축선들이 공통의 직선을 따라, 예컨대 사전에 결정된 간격으로, 서로 이격된다는 것을 의미한다. 직선은 위상 라인의 연장 방향에 상응할 수 있다. 각 위상 라인은 동일하거나 혹은 동일하지 않은 수의 상기 서브 권선들을 제공할 수 있다. 그러나 서브 권선들이 다른 기하학적 형상, 예컨대 원형의 기하학적 형상을 가지는 것도 가능하다.

이웃하는, 즉 인접한, 서브 권선들은 반대 방향으로 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 반대 방향으로 배치된다는 것은 제1 서브 권선의 전류 흐름이 시계 방향으로 배치되고 이웃하는 제2 서브 권선의 전류 흐름은 반시계 방향으로 배치된다는 것을 의미한다. 시계 방향은 동일한 방향을 향하는 평행한 중앙 축선들에 대해 규정될 수 있다. 전류가 서브 권선들의 세트를 통과하여 흐르면, 이웃하는 서브 권선들은 턴 수에 비례하는 크기를 가지되, 특히 크기는 같지만 반대 방향으로 배치된 자기장을 발생시킬 것이다.

일차 권선 구조물의 위상 라인의 이러한 구성은 영국 특허 출원 GB 1306403.5호(미공개)에 제안되어 있다.

또한, 위상 라인은 사전에 결정된 수의 극들이 제공되도록 구성될 수 있다. 위상 라인의 상술한 구성을 참조하면, 각 서브 권선은 위상 라인의 하나의 극을 제공할 수 있다.

위상 라인들은 또한, 일차 권선 구조물이 작동되면 전자기장의 희망하는 경로가 생성되도록 서로 사전에 결정된 간격으로 배치될 수 있다. 특히, 위상 라인들은 위상 라인들에 의해 제공되는 극 간격의 폭의 2/3에 상응하는 간격으로 배치될 수 있다. 위상 라인이 두 개 이상의 서브 권선들을 포함하면, 제1 위상 라인의 제1 서브 권선의 중앙 축선은, 제2 위상 라인의 제1 서브 권선의 중앙 축선으로부터 연장 방향, 예컨대 공통의 연장 방향을 따라 사전에 결정된 간격으로 배치될 수 있고, 제2 위상 라인의 상기 중앙 축선은 제3 위상 라인의 제1 서브 권선의 중앙 축선으로부터 연장 방향을 따라 사전에 결정된 간격으로 배치될 수 있다.

각 위상 라인은 희망하는 극 간격이 제공되도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 위상 라인의 경로는 8자 형상으로 형성된다. 이는 위상 라인이 상술한 실시예에 따른 연장 방향을 따라 서로 인접하게 배치된 두 개의 서브 권선을 포함한다는 것을 의미한다.

적어도 하나의 위상 라인의 이러한 구성에 의해 유리하게는 일차 권선 구조물을 위해 요구되는 설치 공간이 감소될 수 있다. 또한 이에 따라 일차 유닛의 구성이 더욱 소형화될 수 있다. 일차 유닛은 예컨대 충전 패드를 포함하거나 혹은 충전 패드로 구성될 수 있는데, 충전 패드는 지면에 일체화되거나 혹은 지표면 위에 설치될 수 있다(돌출형 충전 패드). 위상 라인들은 일차 유닛에 일체화될 수 있다.

표준 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압, 제2 위상 입력 전압 및 제3 위상 입력 전압은 이들 세 개의 위상 입력 전압들 사이에 사전에 결정된 위상 변이가 제공되도록 제어된다. 위상 입력 전압은 각각의 위상 라인의 입력 단자와 기준 전위, 예컨대 접지 전위에서 강하되는 전압을 지칭한다. 위상 변이는 이들 세 개의 위상 입력 전압들 사이의 위상각에 대해 표현될 수 있다.

특히, 제1 위상 입력 전압과 제2 위상 입력 전압 간의 위상 변이는 120° 위상각일 수 있다. 이에 따라 제2 위상 입력 전압과 제3 위상 입력 전압 간의 위상 변이는 120° 위상각일 수 있다. 따라서 제1 위상 입력 전압과 제3 위상 입력 전압 간의 위상 변이는 240° 위상각이다. 따라서 표준 작동 모드에서, 한 세트의 위상 변이 값들은 두 개의 서로 다른 0이 아닌 위상 변이 값, 예를 들어 120° 및 240°를 포함한다.

달리 말하면, 제1 위상 입력 전압과 제2 위상 입력 전압 간의 제1 차전압, 특히 차전압의 시간적 추이는 제2 위상 입력 전압과 제3 위상 입력 전압 간의 제2 차전압과 다를 수 있고, 제2 차전압은 다시 제1 위상 입력 전압과 제2 위상 입력 전압 간의 제3 차전압과 다르다.

본 발명에 따르면, 수정된 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압, 제2 위상 입력 전압 및 제3 위상 입력 전압은 위상 변이 값들의 세트가 적어도 두 개의 영이 아닌 값을 포함하고 그리고 모든 영이 아닌 위상 변이 값들이 동일하도록 제어된다.

기존의 위상 입력 전압들 간의 위상 변이 값들의 세트는 단 하나의 영이 아닌 값을 포함할 수 있다. 이는 예컨대 기존의 위상 변이 값들의 수가 하나로 감소된다는 것을 의미한다.

대안적으로, 기존의 위상 입력 전압들 간의 위상 변이 값들의 세트는 두 개의 영이 아닌 값들을 포함할 수 있는데, 이 값들은 동일하다. 이 경우, 나머지 위상 변이 값은 영일 수 있다. 이는 위상 변이 값들의 세트 내의 서로 다른 영이 아닌 위상 변이 값들의 수가 감소된다는 것을 의미한다. 이 경우 서로 다른 영이 아닌 위상 변이 값들은 없다.

이는 위상 입력 전압들 간의 모든 위상 변이들의 값들이 영이 아닌 특정 값과 동일하거나 혹은 영과 같다는 것을 의미한다.

달리 말하면, 기존의 위상 차전압들 중 단 하나 또는 단 두 개만이 영이 아니다. 제1 대안례에서, 수정된 작동 모드 내의 위상들 사이에는 단 하나의 영이 아닌 차전압이 있다. 이는 특히 세 개의 위상 라인들 중 하나의 위상 라인이 스위치 오프되고 이에 따라 단 하나의 위상 차전압이 존재하는 경우에 적용된다. 대안적으로 이들 세 개의 위상들에 상응하는 위상 입력 전압이 공급되는데, 세 개의 위상 차전압들 중 두 개의 위상 차전압이 동일하고 차전압들 중 하나의 차전압은 영이다. 이는 특히 세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압들의 전압 추이가 동일한 경우에 적용된다.

수정된 작동 모드는 예컨대 일차 권선 구조물의 이차 권선 구조물에 대한 기하학적 정렬 형태에 따라 활성화될 수 있다. 이는 나중에 설명한다.

본 발명에 의해 제안된 바와 같이 작동 모드를 수정하면 유리하게도, 특히 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물이 오정렬된 경우에, 희망하는 급전 기준을 충족하게 된다.

일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 간의 상대 기준 위치 및/또는 상대 기준 방향이 존재하는 것으로 가정할 수 있는데, 표준 작동 모드에서, 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물이 이 상대 기준 위치 및/또는 상대 기준 방향으로 배치되면, 일차 시스템은 특정 작동 주파수, 예컨대 20kHz에서 동조된다.

본 명세서에서, 동조된다는 것은 선로변 전력 공급 장치, 예컨대 WPC로부터 무효 전력(reaction power)이 요구되거나 혹은 인출되지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 본 발명의 명세서에서, WPC는 일차측 인버터라고도 할 수 있는 인버터를 지칭할 수 있다. 특수한 경우에는, 동조된다는 것이 각 위상 라인의 위상 전류와 위상 전압이 적어도 위상 입력 전압/전류의 제1 고조파(harmonic frequency)와 동상(in phase)이라는 것을 의미할 수 있다. 달리 말하면, 작동 주파수가 각각의 위상 라인의 입력 단자에 접속된 전기 회로의 공진 주파수와 정합된다. 상기 전기 회로는 일차측 소자들을 포함할 뿐만 아니라 일차측으로 이송되는 이차측 소자들도 포함한다.

일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물이 이 상대 기준 위치 및/또는 방향으로 배치되면, 일차 유닛과 이차 유닛은 정렬된다.

일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 간의 정렬은 예컨대 일차측 기준점과 이차측 기준점을 참고로 하여 표현될 수 있다. 일차측 기준점은 예컨대 위상 라인들 중 하나의 위상 라인, 예컨대 제1 위상 라인의 기하학적 중심일 수 있다. 특히, 이 기준점은 제1 위상 라인의 제1 서브 권선의 기하학적 중심일 수 있다.

이차측 기준점은 제2 권선 구조물의 위상 라인, 특히 제1 위상 라인의 기하학적 중심일 수 있다. 특히, 이 기준점은 이차 권선 구조물의 제1 위상 라인의 제1 서브 권선의 기하학적 중심일 수 있다.

정렬은 일차측 좌표계를 참조하여 표현될 수 있는데, 종축선은 일차 권선 구조물의 연장 방향에 상응하고, 수직축선은 일차 권선 구조물이 배치되는 평면과 직교하는 방향으로 배치될 수 있다. 그러면 가로축선은 종축선 및 수직축선과 직교할 수 있다.

일차측 좌표계의 원점은 예컨대 일차측 기준점에 위치될 수 있다. 이러한 일차측 좌표계를 참조하여, 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물의 상대 위치 및/또는 방향이 표현될 수 있다.

오정렬의 경우, 예컨대 상대 기준 위치 및/또는 상대 기준 방향으로부터의 편의(deviation)가 발생한 경우, 일차측 및 이차측에 의해 제공되는 변압기가 비동조된다. 또한, 이에 따라 급전 성능이 저하되고 일차측에서의, 특히 일차측 인버터 내에서의 손실이 증가할 것이다. 상기 급전 성능의 감소를 보상하도록 일차측에 더 높은 전류가 요구되는데, 이는 다시 더 높은 손실을 발생시키고 총 급전 효율을 감소시키게 될 것이다.

이 효과는 특히 기하학적 치수가 작은 일차 유닛에 적용되는데, 작은 오정렬에 의해 급전 성능이 상당히 저하되는 결과가 초래될 것이다. 달리 말하면, 치수가 작은 일차 유닛은 오정렬에 대한 허용도가 낮다.

예를 들어, 이차 권선 구조물, 예컨대 픽업이 오정렬된 경우, 일차 권선 구조물의 대부분, 특히 일차 권선 구조물의 위상 라인의 일부분이 이차 권선 구조물의 일부분에 의해 덮이지 않을 가능성이 있다. 본 발명의 명세서에서, 덮인다는 것은 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물이 상술한 수직 방향과 직교하는 방향으로 배치될 수 있는 공동의 투영 평면에서 중첩된다는 것을 의미한다. 불완전하게 덮이는 경우, 일차 권선 구조물로 투사된 에너지가 유도 급전 과정에 효과적으로 기여하지 않을 것이다.

오정렬된 경우에 수정 작동 모드를 활성화시키는 것에 의해, 상술한 단점들, 특히 급전 성능의 저하 및 일차 권선 구조물의 높은 전류가 유리하게는 완전히 또는 적어도 부분적으로 보상될 수 있다.

다른 실시예에서, 위상 입력 전압들 중 하나의 위상 입력 전압이 영으로 감소된다.

세 개의 위상 입력 전압들 중 단 하나의 위상 입력 전압만이 영으로 감소되는 것은 중요하다. 달리 말하면, 세 개의 위상 입력 전압들 중 하나의 위상 입력 전압이 스위치 오프된다. 이에 따라 상응하는 위상 라인은 작동되지 않는다. 따라서 세 개의 위상 입력 전압들 중 단 두 개의 위상 입력 전압만이 존재한다. 이 경우, 위상 변이 값들의 세트는 단 하나의 값을 포함하는데, 상기 값은 영이 아닌 값이다. 이는 가상 단상 시스템을 효과적으로 제공하는데, 가상 단상 라인은 작동되는 위상 라인들의 입력 단자들 사이에 제공된다. 나중에 설명하는 바와 같이, 이러한 가상 단상 시스템에 의하면 유리하게는, 예컨대 상기 가상 단상 라인의 공진 주파수를 정합시키기 위하여 가상의 단상 라인의 단자들에서 강하하는 전압의 작동 주파수가 변할 수 있게 된다. 이에 의해, 또한 무효 전력이 감소되고 이에 따라 유도 급전 성능이 증가된다.

위상 입력 전압들 중 하나의 위상 입력 전압을 영으로 감소시키는 것은 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 사이의 공극이 원치 않게 감소된 경우에 특히 효과적이다. 희망하는 유도 급전을 위하여, 수직 변위로 지칭될 수도 있는, 사전에 결정된 폭을 갖는 공극을 제공할 필요가 있다. 상기 공극의 폭이 예컨대 바람 빠진 타이어 또는 차량 내의 무거운 짐으로 인해 감소되면, 유도 급전의 경우 이차 권선 구조물 내에서 여분의 전압들이 발생될 수 있다. 이 여분의 전압들은 이차측 소자들, 예컨대 정류기들 또는 커패시터들을 손상시킬 수 있다.

하나의 위상 라인을 턴 오프하는 것에 의해, 전송되는 에너지의 양이 감소된다. 이는 다시 유리하게는 이차측에서 상술한 여분의 전압들을 감소시키거나 심지어는 제거한다. 다른 장점은, 표준 작동 모드와 비교하여, 일차측의 인버터로 들어가는 DC 입력 전류가 감소될 수 있다는 것이다.

바람직한 실시예에서, 위상 입력 전압이 영으로 감소되는 위상 입력 전압 외의 나머지 위상 입력 전압들은 영이 아닌 위상 변이 값들이 180°이도록 제어된다. 예컨대 제2 위상 라인이 턴 오프되면, 제3 위상 입력 전압의 위상각은 60° 만큼 증가될 수 있고, 이에 의해 제1 위상 입력 전압과 제3 위상 입력 전압 간의 위상 변이가 180°가 된다. 위상 변이를 180°로 조정하는 것에 의해, 더 높은 AC 전압이 나머지 위상 라인들의 입력 단자들에서 강하된다. 상기 AC 전압은 예컨대 일차 권선 구조물에 더 높은 전류를 발생시키는 일차측 전류 정형 필터에 인가될 수 있다. 이러한 고전류는 유리하게는 이차측으로의 유도에 의한 에너지 전송을 증가시킨다. 그러나, 일차측 인버터를 위한 DC 입력 전압은 증가되지 않는다.

대안적인 실시예에서, 세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압이 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어된다. 이는 위상 입력 전압들의 시간적 추이가 동일하다는 것을 의미한다. 달리 말하면, 이들 두 개의 (제어된) 위상 입력 전압들 각각과 나머지 위상 입력 전압 사이의 위상각이 동일하다.

위상 입력 전압들을 제어하는 것은 위상 입력 전압들의 위상각들을 제어하는 것에 의해 행해질 수 있다. 이는 세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압들의 위상각들이 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어된다는 것을 의미한다.

이 경우, 위상 변이 값들의 세트는 여전히 세 개의 값을 포함할 수 있는데, 하나의 값은 영이고, 나머지 두 개의 값은 동일하며 영이 아니다.

이러한 제어는 또한 가상 단상 시스템을 제공한다. 예컨대 제2 위상 입력 전압과 제3 위상 입력 전압의 전압 곡선들이 동일하면, 가상 단상 라인은 제1 위상 라인의 입력 단자와 동일한 전위를 갖는 제2 및 제3 위상 라인의 입력 단자들 사이에 제공된다. 나중에 설명하는 바와 같이, 이러한 가상 단상 시스템은 유리하게는, 예컨대 상기 가상 단상 라인의 공진 주파수를 정합시키기 위하여 가상 단상 라인의 단자들에서 강하하는 전압의 작동 주파수가 변할 수 있게 한다. 이는 다시 무효 전력을 감소시키고 이에 따라 유도 급전 성능을 증가시킨다.

세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압을 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어하는 것은 일차 권선 구조물의 완전히 덮힌 영역을 제공하는 위상 라인 내의 전류를 증가시키는데, 일차 권선 구조물의 부분적으로 노출된 영역을 제공하는 위상 라인의 전류들은 감소될 것이다. 일차 권선 구조물의 부분적으로 노출된 영역을 제공하는 위상 라인의 전류를 감소시키는 것에 의해, 일차측 권선 구조물의 이 영역들 내에서의 전도 손실량은 유리하게 감소될 것이다. 완전히 덮인 일차측 권선들을 제공하는 위상 라인의 고전류에 의해, 허용 가능한 오정렬의 범위가 유리하게 확장된다.

전체적으로, 수정된 작동 모드를 활성화시키는 것에 의해, 가장 효과적인 급전이 이루어지도록 전송되는 에너지의 양이 위상 라인들 사이에 분산된다. 특히 일차측 권선 구조물과 이차측 권선 구조물 사이에 오정렬이 발생한 경우, 일차측 위상 라인들은 비동조된다. 이는 예컨대 오정렬에 의해 제공되는 부유 인덕턴스의 증가로 인한 것이다. 비동조는 용량성 리액턴스 또는 유도성 리액턴스를 발생시키고, 이는 다시 위상 전류와 위상 전압이 더 이상 동상이 아닌 효과를 나타낸다. 이에 따라, 추가의 무효 전력이 인버터에 의해 제공되어야 하고, 영의 전류 스위칭 또는 영의 전압 스위칭의 가능성은 더 이상 없다. 오정렬로 인한 이러한 비동조의 경우에는, 비동조 효과를 보상하고 동조 상태에서 작동될 수 있는 시스템을 제공할 위상 입력 전압들을 위한 공통 주파수를 발견할 수 없다. 제안된 수정 작동 모드는 상술한 가상 단상 라인을 생성하는 것에 의해 이 문제를 해결한다.

바람직한 실시예에서, 두 개의 위상 입력 전압들 중 적어도 하나의 위상 입력 전압의 위상각이 +/- 60° 위상각의 배수로 변이된다.

이는 유리하게는 동일한 전압 곡선들을 얻기 위하여 두 개의 위상 입력 전압을 용이하게 제어할 수 있게 한다.

나머지 위상 입력 전압들을, 영이 아닌 위상 변이 값들이, 또한 180°와 다를 수 있는, 희망하는 값을 취하도록 제어하는 것이 가능하다. 변압기의 이차 권선 구조물의 단자들에서 제공되는 전압, 특히 전압의 진폭이 위상 변이 값에 따라 정해지기 때문에, 상기 전압은 영이 아닌 위상 변이 값에 의해 제어될 수 있다. 그러나 180°와 다른 영이 아닌 위상 변이 값은 WPC의 스위칭 소자의 영 전류 스위칭을 방지할 수 있다. 선로변 전력 공급 장치로부터 무효 전력이 인출되지 않는 경우라도 180°와 다른 영이 아닌 위상 변이 값이 선택되면 WPC에서의 스위칭 손실이 일어날 수 있다.

바람직한 실시예에서, 적어도 하나의, 바람직하게는 모든 위상 입력 전압(들)의 주파수가 변한다. 특히, 나머지 위상 입력 전압들 전부의 주파수가 동일한 양만큼 변할 수 있다. 또한, 주파수들은 생성되는 가상 단상 라인의 리액턴스가 감소되도록 변할 수 있다. 이에 따라 유리하게는 급전 효율이 증가된다.

바람직한 실시예에서, (나머지) 위상 입력 전압(들)의 주파수/주파수들은 가상 단상 라인의 공진 주파수에 맞추어서 조정되는데, 영이 아닌 위상 변이 값을 제공(하나의 위상 입력 라인이 턴 오프된 경우)하거나 혹은 동일한 영이 아닌 위상 변이 값들을 제공(세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압이 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어되는 경우)하는 위상 입력 전압들의 입력 단자들 사이에 가상 단상 라인이 제공된다.

위상 라인들 중 하나의 위상 라인이 턴 오프되는 경우, 가상 단상 라인은 나머지 두 개의 활성 위상 라인들의 입력 단자들 사이에 제공된다.

세 개의 위상 입력 전압들 중 두 개의 위상 입력 전압이 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어되는 경우, 가상 단상 라인은 나머지 하나의 위상 라인의 입력 단자와 동일한 전압 곡선을 가지며 이에 따라 공통된 전이를 갖는 두 개의 위상 라인들의 입력 단자들 사이에 제공된다.

이와 같은 조정 주파수의 경우, 가상 단상 라인의 리액턴스는 영이다. 이는 기준 주파수 조정에 의해 어떠한 비동조도 보상될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 비동조된 삼상 시스템은 동조된 단상 시스템으로 전환된다. 동조된 단상 시스템 내에는, 인버터에 의해 무효 전력이 제공되어야 할 필요가 없다. 또한 인버터 내에 있는 스위칭 소자의 영 전압 스위칭이 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 위상 입력 전압들은 사전에 정해진 이차 출력 전력이 제공되도록 제어된다. 이차 출력 전력은 구동 배터리와 같은 이차측 에너지 저장 장치로 제공되는 충전 전력을 지칭할 수 있다. 상기 사전에 정해진 이차 출력 전력은 예컨대 7.2kW일 수 있다. 따라서 요구되는 이차 출력 전력이 항상 제공되는 것을 보장하는 제어 시나리오를 찾아야 한다.

이는 유리하게는 오정렬의 경우에도 희망하는 유도 에너지 전송을 보장한다.

다른 실시예에서, 위상 입력 전압들은 위상 라인들 각각의 전류-전압-곡선이 비용량성인 특징을 갖도록 제어된다. 이는 유리하게는, 상당한 스위칭 손실을 발생시킬 수 있는 일차측 인버터의 레그(leg)들 중 하나의 레그에서의 용량성 스위칭을 방지한다. 비용량성 스위칭은 또한 일차측 전력 장치들의 정격을 최소화하기 위해 그리고 냉각 시스템에 대한 요건을 최소화하기 위해 필수다.

이에 따라, 비용량성 전류-전압-곡선을 제공함으로써 상술한 단점들을 유리하게 극복하게 된다.

다른 실시예에서, 위상 입력 전압들은 일차측 최대 DC 입력 전압, 특히 일차측 인버터의 최대 DC 입력 전압이 미리 정해진 문턱값보다 작거나 혹은 동일하게 제어된다. 이는 희망하는 이차 출력 전력을 제공하기 위해 요구되는 DC 입력 전압의 상한이 감소될 수 있다는 것을 의미한다.

또 다른 실시예에서, 위상 입력 전압들은 위상 전류들이 최소화되도록 제어된다. 이는 유리하게는 위상 라인들 내의 저항 손실을 감소시킨다.

예를 들어, 수정 작동 모드가 활성화되면 위상 입력 전압들의 수정 작동 모드의 서로 다른 제어 시나리오들이 후속해서 사전에 정해진 시간 동안 활성화되는 것이 가능하다. 그러면 상술한 기준의 전부 또는 대부분을 충족시키는 제어 시나리오가 선택될 수 있다. 대안적으로, 위상 입력 전압들의 특징들, 예컨대 진폭과 위상각은 상술한 기준 중 하나 이상, 바람직하게는 전부가 충족되도록 조정될 수 있다.

다른 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압은 삼상 인버터에 의해 제공된다. 인버터의 스위칭 소자들, 예컨대 MOSFET 또는 IGBT의 스위칭 상태들은 희망하는 제1 위상 입력 전압, 희망하는 제2 위상 입력 전압 및 희망하는 제3 위상 입력 전압, 특히 상기 입력 전압들의 희망하는 시간 추이들이 제공되도록 제어된다. 인버터는 삼 레그형 인버터(three leg inverter)일 수 있는데, 각각의 레그는 고전위에 접속되는 제1 스위칭 소자와 저전위에 접속되는 제2 스위칭 소자를 포함한다. 레그들 중 하나의 레그 내의 스위칭 소자들은 하나의 위상 라인의 입력 단자의 전위를 제공하는 공통 전위에 접속될 수 있다.

이 경우, 수정 작동 모드 내에서의 제어 시나리오는 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 패턴에 의해 제공될 수 있다.

달리 말하면, 상술한 기준을 충족하는, 예컨대 희망하는 이차 출력 전압을 제공하고, 용량성 스위칭을 방지하고 최소 범위의 DC 입력 전압을 제공하는 스위칭 패턴이 적용될 수 있다.

다른 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압의 제어는 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물의 기하학적 정렬에 맞추어 조정될 수 있다. 이는 위상 입력 전압들의 특정 제어 시나리오가 기하학적 정렬에 따라 활성화될 수 있다는 것을 의미한다.

예를 들어, 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물의 상대 위치 및/또는 방향이 결정되는 것, 예컨대 측정되는 것이 가능하다. 이는 예컨대 적어도 하나의 센서 소자를 이용하여 수행될 수 있다. 상대 위치 및/또는 방향에 따라, 정렬 상태가, 예컨대 권선 구조물들이 정렬되었는지 혹은 오정렬되었는지 결정될 수 있다. 물론, (오)정렬을 정량적으로 결정하는 것도 가능하다.

위상 입력 전압들의 적당한 제어 시나리오는 정렬 상태 또는 정량 값에 따라 활성화될 수 있다.

물론 정렬 상태 또는 결정된 상대 위치 및/또는 방향에 따라 위상 입력 전압들의 특정 제어 시나리오를 활성화하는 것도 가능하다. 예를 들어, 보정 과정이 수행될 수 있는데, 특정한 정렬 상대 또는 상대 위치 및/또는 방향에 대해, 최적의 제어 시나리오, 예컨대 스위칭 패턴이 결정된다. 현장에서는, 나중에, 정렬 상태 또는 상대 위치 및/또는 방향이 결정될 수 있고, 상응하는 제어 시나리오가 수정 작동 모드에서 활성화될 수 있다.

또한 유도 급전 시스템의 일차 유닛이 제안되는데, 일차 유닛은 제1 위상 라인, 제2 위상 라인 및 제3 위상 라인을 구비한 삼상 권선 구조물을 포함한다. 일차 유닛은 제1 위상 입력 전압, 제2 위상 입력 전압 및 제3 위상 입력 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 유닛을 더 포함한다. 표준 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압, 제2 위상 입력 전압 및 제3 위상 입력 전압은, 이들 세 개의 위상 입력 전압들 사이에 사전에 결정된 위상 변이가 제공되도록 제어될 수 있다. 표준 작동 모드 내에서, 서로 다른 영이 아닌 위상 변이 값들의 수는 세 개 일 수 있다.

본 발명에 따르면, 수정된 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압, 제2 위상 입력 전압 및 제3 위상 입력 전압이, 위상 변이 값들의 세트가 최대 두 개의 영이 아닌 값을 포함하고 모든 영이 아닌 위상 변이 값들이 동일하도록 제어될 수 있다.

제안된 일차 유닛을 이용하면, 앞에서 설명한 방법들이 유리하게 수행될 수 있다.

다른 실시예에서, 일차 유닛은 삼상 인버터를 포함하는데, 제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압들은 삼상 인버터에 의해 제공될 수 있고, 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 상태들 희망하는 제1 위상 입력 전압, 희망하는 제2 위상 입력 전압 및 희망하는 제3 위상 입력 전압이 제공되도록 제어될 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 유도 급전 시스템의 일차 유닛을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 일차 유닛 위에 위치된 차량을 예시적으로 도시한 측면도이다.
도 3은 표준 작동 모드에서의 게이트 신호들과 전류들의 시간적 추이를 예시한 도면이다.
도 4는 수정된 작동 모드의 제1 제어 시나리오에서의 게이트 신호들과 전류들의 시간적 추이를 예시한 도면이다.
도 5는 수정된 작동 모드의 다른 제어 시나리오에서의 게이트 신호들과 전류들의 시간적 추이를 예시한 도면이다.

도 1은 일차 유닛(1)(도 2 참조)을 개략적으로 도시한 회로도이다. 일차 유닛(1)은 DC 입력 전압을 인버터(3)에 제공하는 DC 전압 공급원(2)을 포함한다. 인버터는 세 개의 레그들(4a, 4b, 4c)을 포함한다.

제1 레그(4a)는 제1 스위칭 소자(G₁)와 제2 스위칭 소자(G₂)를 포함한다. 제1 스위칭 소자(G₁)의 입력 단자는 DC 전압 공급원(2)에 의해 제공되는 고전위에 접속된다. 제1 스위칭 소자(G₁)의 제2 단자는 제2 스위칭 소자(G₂)의 제1 단자에 접속된다. 제2 스위칭 소자(G₂)의 제2 단자는 DC 전압 공급원(2)에 의해 제공되는 저전위에 전기적으로 접속된다. 또한 제1 스위칭 소자(G₁)와 제2 스위칭 소자(G₂)의 공통 접속점은 제1 위상 라인(P1)의 입력 단자(IT1)를 제공한다.

인버터(3)의 나머지 두 레그들(4b, 4c)도 상응하게 구성된다. 특히, 인버터(3)의 제2 레그(4b)는 제1 레그(4a)의 제1 스위칭 소자(G₁) 및 제2 스위칭 소자(G₂)와 동일한 방식으로 접속된 제1 스위칭 소자(G₃) 및 제2 스위칭 소자(G₄)를 포함한다. 제2 레그(4b)의 제1 스위칭 소자(G₃)와 제2 스위칭 소자(G₄)의 공통 접속점은 제2 위상 라인(P2)의 입력 단자(IT2)를 제공한다.

제3 레그(4c)는 제1 레그(4a)의 제1 스위칭 소자(G₁) 및 제2 스위칭 소자(G₂)와 상응하게 구성되고 배치된 제1 스위칭 소자(G₅) 및 제2 스위칭 소자(G₆)를 포함한다. 제3 레그(4c)의 제1 스위칭 소자(G₅)와 제2 스위칭 소자(G₆)의 공통 접속점은 제3 위상 라인(P3)의 입력 단자(IT3)를 제공한다.

각 스위칭 소자(G₁, G₂, G₃, G₄, G₅, G₆)에 환류 다이오드(D)와 커패시터(CG)가 병렬로 접속된다.

일차 유닛(1)은 전류 정형 필터(5)를 더 포함한다. 전류 정형 필터(5)는 유도성 필터 소자들(FL1, FL2, FL3)과 용량성 필터 소자들(FC1, FC2, FC3)을 하나의 위상 라인 당 하나씩 포함한다. 각 위상 라인(P1, P2, P3) 내에서, 전류 정형 필터(5)의 유도성 필터 소자들(FL1, FL2, FL3)이 각 위상 라인(P1, P2, P3)의 각각의 입력 단자(IT1, IT2, IT3)에 직렬로 접속된다. 또한, 각 위상 라인 내에서, 각각의 용량성 필터 소자들(FC1, FC2, FC3)이 유도성 필터 소자들(FL1, FL2, FL3)에 그리고 일차 권선 구조물(6)의 유도성 소자(L1, L2, L3)와 저항 구조물(7)의 저항 소자(R1, R2, R3)의 직렬 연결부에 접속된다.

전류 정형 필터(5)는 일차 유닛(1)을 동조시키는 데 사용된다.

일차 유닛(1)은 일차 권선 구조물(6)을 더 포함한다. 일차 권선 구조물(6)은 하나의 위상 라인(P1, P2, P3) 당 하나의 유도성 소자(L1, L2, L3)를 포함한다. 이 유도성 소자들(L1, L2, L3)은 전류 정형 필터(5)에, 특히 유도성 필터 소자들(FC1, FC2, FC3)에 직렬로 접속된다. 유도성 소자(L1, L2, L3)는 유도 급전용 교번 전자기장을 발생시키기 위한 상응하는 위상 라인(P1, P2, P3)의 권선 구조물의 인덕턴스를 나타낸다.

또한, 저항 소자들(R1, R2, R3)을 포함하는 일차 유닛(1)의 저항 구조물(7)이 도시되어 있다. 이 저항 소자들(R1, R2, R3)은 각 위상 라인(P1, P2, P3)의 저항을 나타낸다.

제어 유닛(미도시)은 인버터(3)의 각 레그(4a, 4b, 4c)의 스위칭 소자들(G₁, ..., G₆), 특히 각 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)의 스위칭 시간들을 제어한다. 스위칭 시간들, 특히 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)가 개방되거나 혹은 폐쇄되는 시점들을 제어하는 것에 의해, 위상 입력 전압(U1, U2, U3)의 희망하는 전압 추이가 각각의 위상 라인(P1, P2, P3)에 대해 제공될 수 있다. 스위칭 시간들을 제어하는 것에 의해, 또한 위상 입력 전압들(U1, U2, U3)의 진폭과 주파수 및 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 간의 위상 변이가 제어될 수 있다.

도 2는 길(10)의 표면(9)을 따라 주행하는 차량(8)을 개략적으로 도시한 측면도이다. 표면(9) 위에, 일차 유닛(1)이 설치되어 있다. 일차 유닛(1)은 예컨대 융기형 충전 패드로 구성될 수 있다. 대안적으로, 일차 유닛(1)은 길 표면(9)을 제공하는 지면에 통합될 수 있다. 차량(8)은 수신 장치 또는 픽업(pick-up)으로도 지칭될 수 있는 이차 유닛(11)을 포함한다.

일차 유닛(1)에 대해 움직이지 않게 설정되어 있는 일차 유닛(1)의 기준점(RPP)이 도시되어 있다. 또한, 이차 유닛(11)에 대해 움직이지 않게 설정되어 있는 이차 유닛(11)의 기준점(11)이 도시되어 있다. 또한, 일차 유닛(1)의 기준점(RPP)에서 시작되는 기준 좌표계의 종축선(x)과 수직축선(z)이 도시되어 있다. 종축선(x)은 종방향을 향하도록 설정되어 있다. 종방향은 예컨대, 길(10)의 표면(9) 위에서 차량이 직선으로 전방으로 주행하는 경우 주행 방향일 수 있다. 수직축선(z)은 길(10)의 표면(9)과 직교하게 방향 설정되어 있다. 가로축선(미도시)은 도시된 종축선(x) 및 수직축선(z)과 직교하게 방향 설정되어 있다. 기준 좌표계에 대해, 종방향 변위 및 수직 변위가 일차 유닛(1)의 기준점(RPP) 및 이차 유닛(11)의 기준점(RPS) 사이에서 각각 제공된다. 가로방향 변위는 도시되어 있지 않다.

일차 유닛(1)과 이차 유닛(11)의 기준 상대 위치에서 그리고/또는 기준 상대 방향으로, 일차 유닛(1)과 이차 유닛(11)의 전기 소자들에 의해, 특히 일차 권선 구조물(6)(도 1 참조) 및 이차 권선 구조물(미도시)에 의해 제공되는 변압기가 동조된다.

이는, 사전에 결정된 기준 종방향, 가로 방향, 및/또는 수직 방향 변위에 대해, 그리고 만일 있다면, 사전에 결정된 기준 상대 방향에 대해, 인버터(3)가 사전에 결정된 작동 주파수로 작동될 수 있고, 인버터(3)에 의해 제공되어야 하거나 혹은 보상되어야 하는 무효 전력이 없다는 것을 의미한다. 사전에 결정된 주파수로 인버터(3)를 작동시키는 것은 스위칭 소자들(G₁, ..., G₆)의 스위칭 상태가 상기 작동 주파수를 이용하여 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 또는 적어도 상기 위상 입력 전압들(U1, U2, U3)의 제1 고조파가 상기 작동 주파수를 갖는다.

달리 말하면, 사전에 결정된 기준 상대 위치 및/또는 방향에서, 각 레그(4a, 4b, 4c)의 입력 단자들(IT1, IT2, IT3)에 접속된 회로 구조물의 공진 주파수가 작동 주파수와 정합된다. 입력 단자들(IT1, IT2, IT3)에 접속된 상술한 회로 구조물이 도 1에 도시된 일차측 소자들뿐만 아니라 이차측 소자들도 포함하고, 상기 이차측 소자들의 인덕턴스, 커패시턴스 및/또는 저항이 일차측으로 전달되고, 이렇게 전달된 소자들은 역시 회로 구조물의 일부라는 것을 인식하는 것이 중요하다.

도 3은 도 1에 도시된 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)의 게이트 신호들(G1_S, G2_S, G3_S, G4_S, G5_S, G6_S)의 시간적 추이를 예시한 도면이다. 각각의 게이트 신호(G1_S, ..., G6_S)가 1의 값에 상응하면, 각각의 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)는 폐쇄된다. 각각의 게이트 신호(G1_S, ..., G6_S)의 값이 0의 값에 상응하면, 각각의 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)는 개방된다. 제1 스위칭 순간(t1)에, 제1 레그(4a)의 제2 스위칭 소자(G₂)가 스위치 오프되고, 제1 레그(4a)의 제1 스위칭 소자(G₁)는 스위치 온된다. 제1 스위칭 순간(t1) 이후에는, DC 전압 공급원(2)에 의해 제공되는 DC 입력 전압이 제1 위상 라인(P1)의 입력 단자(IT1)에 인가된다.

제2 스위칭 순간(t2)에, 제3 레그(4c)의 제1 스위칭 소자(G₅)가 스위치 오프된다. 이 스위치 오프 순간 후의 사전에 결정된 시차 이내에, 제3 레그(4c)의 제2 스위칭 소자(G₆)가 스위치 온된다.

제3 스위칭 순간(t3)에, 제2 레그(4b)의 제2 스위칭 소자(G₄)가 스위치 오프된다. 이 스위치 오프 순간 후의 사전에 결정된 시차 이내에, 제2 레그(4b)의 제1 스위칭 소자(G₃)가 스위치 온된다.

제4 스위칭 순간(t4)에, 제1 레그(4a)의 제1 스위칭 소자(G₁)가 스위치 오프되고, 제1 레그(4a)의 제2 스위칭 소자(G₂)는 스위치 온된다. 제5 스위칭 순간(t5)에, 제3 레그(4c)의 제2 스위칭 소자(G₆)가 스위치 오프되고, 제3 레그(4c)의 제1 스위칭 소자(G₅)는 스위치 온된다. 제6 스위칭 순간(t6)에, 제2 레그(4b)의 제1 스위칭 소자(G₃)가 스위치 오프되고, 제2 레그(4b)의 제2 스위칭 소자(G₄)는 스위치 온된다. 제7 스위칭 순간(t7)에, 제1 위상 라인(P1)의 하나의 스위칭 기간이 경과했다.

이에 상응하게, 제3 위상 라인(P3)의 하나의 스위칭 기간이 제8 스위칭 순간(t8)에 경과했고, 제2 위상 라인(P2)의 하나의 스위칭 기간이 제9 스위칭 순간(t9)에 경과했다.

사전에 결정된 시차가 도 3에 도시된 모든 스위칭 오프 순간들 및 스위칭 온 순간들 사이에 배치되어 있다는 것이 도시되어 있다.

따라서 위상 입력 전압들(U1, U2, U3)은 구형파 형태를 갖는다.

제1 위상 입력 전압(U1)과 제2 위상 입력 전압(U2) 간의 위상각은 제3 스위칭 순간(t3)과 제1 스위칭 순간(t1) 간의 시차로 도시된다. 제1 위상 입력 전압(U1)과 제3 위상 입력 전압(U3) 간의 위상 변이는 제1 스위칭 순간(t1)과 제5 스위칭 순간(t5) 간의 시차에 의해 제공된다. 제2 위상 입력 전압(U2)과 제3 위상 입력 전압(U3) 간의 위상 변이는 제3 스위칭 순간(t3)과 제5 스위칭 순간(t5) 간의 시차에 의해 제공된다.

제1 위상 입력 전압(U1)과 제2 위상 입력 전압(U2) 간의 위상 변이가 제2 위상 입력 전압(U2)과 제3 위상 입력 전압(U3) 간의 위상 변이와 동일하고, 영이 아니며 특히 120°라는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 위상 입력 전압(U1)과 제3 위상 입력 전압(U3) 간의 위상 변이는 제1 위상 입력 전압(U1)과 제2 위상 입력 전압(U2) 간의 위상 변이의 두 배의 값, 예컨대 240°에 상응한다. 따라서 한 세트의 위상 변이 값들은 3개의 영이 아닌 값을 포함한다.

도 3은 표준 작동 모드에 대한 시간적 추이들을 도시한다. 또한 전류 정형 필터(5)의 유도성 필터 소자들(FL1, FL2, FL3)을 통해 흐르는 전류들(I_FL1, I_FL2, I_FL3)이 도시되어 있다. 또한 일차 권선 구조물(6)의 유도성 소자들(L1, L2, L3), 예컨대 권선 구조물들을 통해 흐르는 권선 전류들(I_L1, I_L2, I_L3)의 시간적 추이가 도시되어 있다.

표준 작동 모드에서, 전류들(I_FL1, I_FL2, I_FL3)은 사인파 형태를 가지며 120° 또는 240°의 위상 변이들을 갖는다.

도 4는 게이트 신호들(G1_S, G2_S, G3_S, G4_S, G5_S, G6_S)의 시간적 추이들을 예시한 도면이다. 제1 레그(4a)(도 1 참조)의 게이트 신호들(G1_S, G2_S)의 시간적 추이들은 도 3에 도시된 시간적 추이와 동일하다.

그러나, 제2 레그(4b)의 스위칭 소자들(G₃, G₄)의 게이트 신호들(G3_S, G4_S)의 시간적 추이들은 도 3에 도시된 게이트 신호들(G3_S, G4_S)의 시간적 추이에 대해 +/- 60° 만큼 변이되어 있다. 이는 제2 레그(4b)의 제2 스위칭 소자(G₄)가, 도 3에 도시된 것과 같은 제3 순간이 아니라, 제4 순간(t4)에 스위치 오프된다는 것을 의미한다.

또한, 제3 레그(4c)의 스위칭 소자들(G₅, G₆)의 게이트 신호들(G5_S, G6_S)의 시간적 추이들은 도 3에 도시된 게이트 신호들(G5_S, G6_S)의 시간적 추이에 대해 +60° 만큼 변이되어 있다. 이는 제3 레그(4c)의 스위칭 소자들(G₅, G₆)의 게이트 신호들(G5_S, G6_S)의 시간적 추이들이 제2 레그(4b)의 스위칭 소자들(G₃, G₄)의 게이트 신호들(G3_S, G4_S)의 시간적 추이들과 동일하다는 것을 의미한다. 또한, 이는 제2 입력 전압(U2)의 전압 곡선과 제3 입력 전압(U3)의 전압 곡선이 동일하다는 것을 의미한다.

도 4에 도시된 스위칭 패턴은 특히 도 2에 도시된 일차 유닛(1)과 이차 유닛(11) 사이에 오정렬이 있을 때 적용될 수 있다. 오정렬은 일차 유닛(1)과 이차 유닛(11) 사이의 상대 위치 및/또는 상대 방향이 기준 상대 위치 및/또는 기준 상대 방향으로부터 벗어나면 발생될 수 있다.

또한, 필터 전류들(I_FL1, I_FL2, I_FL3)과 권선 전류들(I_L1, I_L2, I_L3)이 도시되어 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제2 위상의 필터 전류(I_FL2) 및 권선 전류(I_L2)와 제3 위상의 필터 전류(I_FL3) 및 권선 전류(I_L3)는 서로 동일하다.

도 3에 도시된 권선 전류들(I_L1, I_L2, I_L3)의 시간적 추이와 비교하여, 제1 위상 라인(P1)의 권선 구조물(6)의 유도성 소자(L1)를 통과하는 권선 전류(I_L1)의 최대 진폭이 증가된 것을 볼 수 있다. 대조적으로, 권선 전류들(I_L2, I_L3)은, 예컨대 최대 진폭이 감소되었다. 예시적으로, 제1 위상 라인(P1)의 권선 구조물(6)의 유도성 소자(L1)에 의해 더 많은 양의 전력이 전달되고, 나머지 위상 라인들(P2, P3)의 권선 구조물(6)의 유도성 소자들(L2, L3)에 의해서는 적은 전력이 전달된다. 이는 예컨대, 제3 위상 라인(P3)의 유도성 소자(L3)에 의해 제공되는 일차측 권선 구조물(6)의 영역이 이차 유닛(11)의 이차 권선 구조물에 의해 단지 부분적으로만 덮이는 경우일 수 있다.

도 5는 게이트 신호들(G1_S, ..., G6_S)의 시간적 추이들을 예시한 도면이다. 도 5에 도시된 스위칭 패턴에서, 제1 레그(4a)의 스위칭 소자들(G₁, G₂)의 게이트 신호들(G1_S, G2_S)의 시간적 추이는 도 3에 도시된 시간적 추이에 상응한다. 또한, 제2 레그(4b)의 스위칭 소자들(G₃, G₄)의 게이트 신호들(G3_S, G4_S)의 시간적 추이는 도 4에 도시된 시간적 추이에 상응한다. 이는 시간적 추이가 도 3에 도시된 게이트 신호들(G3_S, G4_S)의 시간적 추이에 대해 +/- 60° 만큼 변이된다는 것을 의미한다.

제3 레그(4c)의 스위칭 소자들(G₅, G₆)은 턴 오프된다. 이는 제3 위상 입력 전압(U3)이 영으로 감쇠된다는 것을 의미한다.

또한, 필터 전류들(I_FL1, I_FL2, I_FL3)과 권선 전류들(I_L1, I_L2, I_L3)이 도시되어 있다. 제3 위상 라인(P3)의 필터 전류(I_FL3)와 권선 전류(I_L3)는 영이다. 권선 전류들(I_L1, I_L2)이 180°의 위상 변이를 가지며, 이들의 최대 진폭이 도 3에 도시된 상응하는 권선 전류들(I_L1, I_L2)의 최대 진폭과 비교하여 증가된 것이 도시되어 있다. 예시적으로, 제1 및 제2 위상 라인들(P1, P2)의 권선 구조물(6)의 유도성 소자들(L1, L2)에 의해 더 많은 양의 전력이 전달되고, 제3 위상 라인(P3)의 권선 구조물(6)의 유도성 소자(L3)에 의해서는 전력이 전달되지 않는다. 이러한 스위칭 패턴은 예컨대 일차 유닛(1)과 이차 유닛(11)이 수직 방향으로 오정렬된 경우에, 특히 서로 다른 상대 위치의 수직 거리가 감소되면 적용될 수 있다.

각기 다른 오정렬 시나리오들에 대해 시뮬레이션들이 수행되었다. 모든 오정렬 시나리오들 내에서, 유도 급전의 각기 다른 기준들이 분석되었다. 제1 기준은 이차 출력 전압이 7.2kW와 동일한 경우에 충족되었다. 제2 기준은 스위칭 순간들(t1, ..., t9)에 비용량성 스위칭이 제공된 경우에 충족되었다(도 3, 도 4 및 도 5 참조).

제안된 방법은 유리하게는, 예컨대 소프트웨어 업데이트에 의해 기존의 유도 급전 시스템의 하드웨어 구성을 변경하지 않고 실시될 수 있다. 길 가나 차량에 어떤 수동 소자 또는 능동 소자를 추가할 필요가 없다. 또한, 기존 소자들의 정격(rating)을 변경할 필요도 없다. 실제로, 더 작은 정격을 선택하거나 혹은 더 낮은 스트레스를 갖는 동일한 소자들을 사용하는 것도 가능하다.

상술한 비용량성 스위칭은 소자들의 정격을 최소화하기 위해 필수적이고, 또한 요구되는 냉각 작용력을 감소시킨다. 비용량성 스위칭을 달성하기 위하여, 위상 라인(P1, P2, P3)에 할당된 스위칭 소자(G₁, ..., G₆)의 정(positive)의 게이트 신호에 상응하는 위상 라인(P1, P2, P3)의 위상 전류는 사전에 결정된 값보다 작을 수 있다.

시뮬레이션들의 결과, 어떤 정렬 시나리오에 대해서도, 비용량성 특징을 갖는 비용량성 스위치를 위한 요건을 충족하는 스위칭 패턴이 항상 존재하는 것으로 나타났다. 또한, 조정된 스위칭 패턴이 존재하고, 일차측의 위상 전류들의 RMS값이 대칭형 삼상 스위칭과 비교할 때 크게 낮은 것으로 나타났다. 이러한 낮은 위상 전류들은 급전 용량의 양보(compromise) 없이 얻어진다. 또한 이는 일차 손실을 최소화하여 효율을 더 높이는 데 도움이 된다.

또한, 시뮬레이션 결과 전류 정형 필터(5)를 통과하는 전류들이 조정된 스위칭 패턴을 이용하면 대칭형 삼상 스위칭에서의 전류들과 비교하여 상당히 낮을 수 있는 것으로 나타났다. 이는 상기 커패시터들의 동등한 직렬 레지스터에서의 손실이 크게 감소된다는 것을 의미한다. 또한, 전류 정형 필터(5)의 커패시터들에서 강하되는 전압들이 조정된 스위칭 패턴을 이용하면 대칭형 삼상 스위칭에서의 전압들과 비교하여 상당히 낮을 수 있다.

또한, 시뮬레이션 결과 DC 입력 전압에 요구되는 범위가 조정된 스위칭 패턴을 이용하면 대칭형 삼상 스위칭에서와 비교하여 감소될 수 있는 것으로 나타났다. 이는 일차 권선 구조물에 대한 이차 권선 구조물의 모든 위치 및/또는 방향에 대해, 허용 가능한 값의 DC 입력 전압으로 충분한 전력 전달이 이루어지도록 조정된 스위칭 패턴을 선택할 가능성이 있다. 이는 (특히 DC 입력 전압이 한계값들에 가깝지 않은 경우에) 높은 제어성을 제공하는 한편, 영의 전압 스위칭 특징과 높은 효율은 유지된다.

또한, 스위칭 패턴을 변경하는 것에 의해 전자기파 방사가 그다지 증가하지 않는 것으로 나타났다.

공극 대 극간의 비가 크면, 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 간의 결합이, 특히 일차 권선 구조물이 기하학적으로 짧은 경우에, 매우 고도한 수직 변위 및 수평 변위의 함수에 따라 변하게 된다. 전압들과 전류들이 추가 수단을 이용하여 대칭이 될 수 있더라도, 일차 권선 구조물과 이차 권선 구조물 간이 임의의 변위에 의해 이조(detuning)가 발생될 수 있다. 스위칭 패턴을 조정하는 것에 의해, 예를 들어 스위칭 패턴을 하나하나씩 시험하는 것에 의해 가장 유리한 패턴을 찾을 수 있다. 그 결과 발견되는 스위칭 패턴에 의해, 필요한 요건들을 충족시키면서도 유도 급전 시스템을 위한 바람직한 특징들을 얻을 수 있다. 조정된 스위칭 패턴을 이용하는 것에 의해 손실이 감소될 수 있다. 전체적으로, 시스템은 더 가볍게, 덜 비싸게 그리고 더 신뢰성 있게 구성될 수 있다.

Claims

제1 위상 라인(P1), 제2 위상 라인(P2) 및 제3 위상 라인(P3)을 포함하고, 표준 작동 모드에서 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이 이들 세 개의 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 사이에 사전에 결정된 위상 변이가 제공되도록 제어되는, 유도 급전 시스템의 일차 권선 구조물(6)을 작동시키는 방법에 있어서,
수정된 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이 위상 변이 값들의 세트가 적어도 두 개의 영이 아닌 값을 포함하고 그리고 모든 영이 아닌 위상 변이 값들이 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 중 하나의 위상 입력 전압이 영으로 감소되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제2항에 있어서,
위상 입력 전압이 영으로 감소되는 위상 입력 전압 외의 나머지 위상 입력 전압들(U1, U2, U3)이, 영이 아닌 위상 변이 값이 180° 위상각이도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 중 두 개의 위상 입력 전압들이 이들 각각의 전압 곡선이 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제4항에 있어서,
상기 두 개의 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 중 적어도 하나의 위상 입력 전압의 위상각이 +/- 60° 위상각의 배수로 변이되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 위상 입력 전압(U1, U2, U3)의 주파수가 변하는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제6항에 있어서,
위상 입력 전압(들)(U1, U2, U3)의 주파수/주파수들이 가상 단상 라인의 공진 주파수에 맞추어 조정되고, 가상 단상 라인은 영이 아닌 위상 변이 값을 제공하는 위상 입력 전압들(U1, U2, U3)의 입력 단자들(IPT1, IPT2, IPT3) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3)이 사전에 결정된 이차 출력 전력이 제공되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3)이, 위상 라인들 각각의 전류-전압-곡선이 비용량성인 특징을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3)이 일차측 최대 DC 입력 전압이 미리 정해진 문턱값보다 작거나 혹은 동일하게 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
위상 입력 전압들(U1, U2, U3)이 위상 전류들이 최소화되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압(U1, U2, U3)이 삼상 인버터(3)에 의해 제공되고, 인버터(3)의 스위칭 소자들(G₁, G₂, G₃, G₄, G₅, G₆)의 스위칭 상태들은 희망하는 제1 위상 입력 전압(U1), 희망하는 제2 위상 입력 전압(U2) 및 희망하는 제2 위상 입력 전압(U2)이 제공되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압(U1, U2, U3)의 제어가 일차 권선 구조물(6)과 이차 권선 구조물의 기하학적 정렬에 맞추어 조정되는 것을 특징으로 하는 삼상 일차 권선 구조물 작동 방법.
제1 위상 라인(P1), 제2 위상 라인(P2), 제3 위상 라인(P3), 및 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 유닛을 포함하고, 표준 작동 모드에서 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이 이들 세 개의 위상 입력 전압들(U1, U2, U3) 사이에 사전에 결정된 위상 변이가 제공되도록 제어될 수 있는, 유도 급전 시스템을 위한 일차 유닛(1)에 있어서,
수정된 작동 모드에서, 제1 위상 입력 전압(U1), 제2 위상 입력 전압(U2) 및 제3 위상 입력 전압(U3)이, 위상 변이 값들의 세트가 적어도 두 개의 영이 아닌 값을 포함하고 모든 영이 아닌 위상 변이 값들이 동일하도록 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 일차 유닛.
제14항에 있어서,
일차 유닛(1)이 삼상 인버터(3)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 위상 입력 전압(U1, U2, U3)이 삼상 인버터(3)에 의해 제공될 수 있고, 인버터의 스위칭 소자들(G₁, G₂, G₃, G₄, G₅, G₆)의 스위칭 상태들은 희망하는 제1 위상 입력 전압(U1), 희망하는 제2 위상 입력 전압(U2) 및 희망하는 제3 위상 입력 전압(U3)이 제공되도록 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 일차 유닛.