KR20210054096A - 팬터그래프 검측장치 - Google Patents

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KR20210054096A
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KR1020190139577A
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이건복
조인호
이병송
이수길
이경표
이장무
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 팬터그래프 검측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팬터그래프에 공급되는 전류에 의한 자기장 및 전기장을 통하여 전기를 수집(harvest)하도록 하여 충전식 배터리에 전원을 저장하도록 함으로써, 팬터그래프의 검측을 위한 검측부의 전원으로 사용하도록 하여 유지비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 방전된 배터리 교체시에 발생하는 안전사고를 방지할 수 있는 팬터그래프 검측장치에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철도차량의 팬터그래프에 설치되어 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부와, 상기 검측부로 전원을 공급하는 전원부와, 상기 팬터그래프에 구비되어 상기 팬터그래프로부터 전기 에너지를 수집하여 상기 전원부로 공급하는 하베스터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

팬터그래프 검측장치{a pantograph measuring device}
본 발명은 팬터그래프 검측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팬터그래프에 공급되는 전류에 의한 자기장 및 전기장을 통하여 전기를 수집(harvest)하도록 하여 충전식 배터리에 전원을 저장하도록 함으로써, 팬터그래프의 검측을 위한 검측부의 전원으로 사용하도록 하여 유지비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 방전된 배터리 교체시에 발생하는 안전사고를 방지할 수 있는 팬터그래프 검측장치에 관한 것이다.
철도에서 팬터그래프와 상부 가선인 전차선은 물리적인 접촉으로 인해 마모가 발생하고 열화된다. 운행 중에 충격이나 아크가 발생하면 국부적으로 손상을 입게 되어 열화 정도가 균일하지 않게 된다. 팬터그래프는 차량을 검수고에 입고하여 점검할 때 손상된 부위를 육안으로 손쉽게 파악할 수 있지만 전차선의 경우에는 그 길이가 매우 길고 상부에 설치되어 있어 점검하기가 매우 까다로운 실정이다.
따라서, 종래에는 충격 등을 검측하는 장치를 특수 목적의 검측 차량 상부에 설치하여 팬터그래프-전차선 간에 이상이 발생한 경우 그 위치와 이상 정도를 파악할 수 있게 하였다. 그러나 이 경우 검측 차량을 이용하면 점검 주기에 따라 간헐적으로 검측하게 되어 실시간으로 문제를 발견할 수 없는 단점이 있다.
또한, 검측 차량을 사용할 경우 전차선의 상태는 알 수 있지만 선로를 주행하는 각 개별 영업차량의 상부에 설치된 팬터그래프의 상태는 확인할 수 없는 단점이 있다.
최근에는 일반 영업 차량에 검측장치를 부가적으로 설치하여 실시간으로 전차선 및 팬터그래프의 상태를 검측할 수 있는 방법이 개발되고 있는데, 그 중에서 팬터그래프 위에 설치되는 충격 검측장치는 센서를 습판체에 직접 설치할 수 있어 높은 감도로 이상을 검지할 수 있는 장점이 있지만 팬터그래프가 25kV의 고압 환경에 있기 때문에 추가적인 장치를 설치하는 경우 절연 유지를 위해 외부의 전원을 사용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 종래 장치는 대용량의 배터리를 이용하여 절연을 유지하며 검측장치 전원을 공급하고 있다.
하지만 팬터그래프 위에는 대용량의 배터리를 설치하기 위한 공간이 협소하고 철도차량의 공력 특성을 방해하지 않기 위해서 배터리의 사이즈는 제한적일 수밖에 없으며 외부와의 무선 통신 등 전력을 많이 소비하는 검측시스템 특성상 배터리 교체 주기가 수개월 이하로 짧다.
그리고, 배터리 교체 시에는 고압 가선의 전력을 차단하고 인력이 차량 지붕에 올라가 작업해야 하므로 비용이 많이 들고 안전사고의 위험도 있고, 배터리 전원의 보조 수단으로 활용할 수 있는 태양광 발전 장치나 풍력 발전 장치 등도 제안되었지만 배터리 사용시간을 늘려줄 뿐 근본적으로 배터리 교체의 유지보수를 해결하지는 못한 실정이다.
따라서, 배터리의 교체가 잦기 때문에 안전 및 유지보수 등의 이유로 인하여 일부의 차량에만 적용할 수 있어 영업운전을 하는 모든 차량에 적용하지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2017-0025757
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 팬터그래프의 상태를 실시간으로 감지하는 검측부와 상기 검측부로 전원을 공급하는 전원부와 팬터그래프에에 구비되어 전차선으로부터 공급되는 전류에 의해 발생하는 자기장과 전기장을 통하여 전기를 수집(harvest)하고 수집한 전기를 가공하여 상기 전원부로 공급하는 하베스트부로 이루어져 전원부에 구비되는 충전식 배터리에 충전하여 사용하도록 함으로써, 충전식 배터리의 수명이 다할 때 까지 교체하지 않아도 되므로 유지보수 비용을 절감할 수 있으며, 충전식 배터리의 교체 주기를 상당시간 늘려줄 수 있어 작업자가 수작업으로 진행함에 따라 발생하는 안전사고를 줄여줄 수 있는 팬터그래프 검측장치를 제공하는 것이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은;
철도차량의 팬터그래프에 설치되어 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부와, 상기 검측부로 전원을 공급하는 전원부와, 상기 팬터그래프에 구비되어 상기 팬터그래프로부터 전기 에너지를 수집하여 상기 전원부로 공급하는 하베스터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하베스터부는 팬터그래프의 부스바에 설치되는 자기장 하베스터로 이루어지고, 상기 하베스터는 부스바 외측에 구비되는 코어와, 상기 코어에 권취되는 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 코일은 상기 코어의 상부와 하부에 각각 절반씩 권취되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전원부에는 상기 코어의 포화도를 낮추기 위한 코어 안정화 회로가 더 구비되되, 상기 코어 안정화 회로는 상기 자기장 하베스터의 출력부에 병렬로 구비되는 저항과, 상기 저항과 직렬로 연결되는 제1스위치와, 상기 자기장 하베스터의 출력부에 직렬로 연결되는 제2스위치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자기장 하베스터는 상기 코일에 구간별로 연결되어 제어기에 의해 상기 코일의 권선비를 조절하는 멀티탭과, 상기 코일의 양단에 병렬 연결되어 코일의 자화 인덕턴스를 보상하는 캐패시터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 멀티탭은 상기 코일에 구간별로 연결되는 복수의 탭 중에 어느 하나를 선택하도록 제어기의 제어에 따라 스위칭되는 복수의 선택스위치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 하베스터부는 상기 팬터그래프에 형성되는 전기장을 이용하는 전기장 하베스터로 이루어지되, 상기 전기장 하베스터는 상기 팬터그래프의 집전판과 철도차량의 지붕 사이에 판형태의 도체부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전원부는 하베스터부에서 생성된 전기를 정류하는 정류기와, 상기 정류기에 의해 정류된 전기를 검측부에 대응되는 전압으로 변환하는 컨버터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전원부는 정류기를 통하여 정류된 전원을 저장하는 충전식 배터리가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 팬터그래프의 상태를 실시간으로 감지하는 검측부와 상기 검측부로 전원을 공급하는 전원부와 팬터그래프에에 구비되어 전차선으로부터 공급되는 전류에 의해 발생하는 자기장과 전기장을 통하여 전기를 수집(harvest)하고 수집한 전기를 가공하여 상기 전원부로 공급하는 하베스트부로 이루어져 전원부에 구비되는 충전식 배터리에 충전하여 사용하도록 함으로써, 충전식 배터리의 수명이 다할 때 까지 교체하지 않아도 되므로 유지보수 비용을 절감할 수 있으며, 충전식 배터리의 교체 주기를 상당시간 늘려줄 수 있어 작업자가 수작업으로 진행함에 따라 발생하는 안전사고를 줄여줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 전기장 하베스터의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 자기장 하베스터의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 코어가 포화된 상태의 출력전압을 보여주는 계측장치의 화면이다.
도 6은 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 하베스터의 부하 저항에 따른 출력전압의 추세를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 팬터그래프 검측장치의 자기장 하베스터의 개념도이다.
도 8은 도 7의 실시 예에 따른 자기장 하베스터의 등가회로이다.
도 9는 도 7의 실시 예에 따른 자기장 하베스터의 단순화된 등가회로이다.
도 10은 도 7 실시 예에 따른 자기장 하베스터의 전력 시뮬레이션에 사용시 구조를 도시한 회로도이다.
도 11 내지 14는 도 7 실시 예에 따른 자기장 하베스터를 전력 시뮬레이션한 그래프를 도시한 도면이다.
도 15은 도 7 실시 예에 따른 자기장 하베스터의 가장 단순화한 등가회로이다.
도 16은 종래 일반적인 하베스팅용 자기장 결합기의 구성도이다.
도 17은 도 16의 하베스팅용 자기장 결합기의 등가회로도이다.
도 18은 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 전기장 하베스터의 전력 수집을 설명하기 위한 예시도이다.
도 19는 도 18의 등가회로를 보여주는 예시도이다.
도 20는 도 19의 등가회로에 전원 부 및 부하를 추가한 예시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 팬터그래프 검측장치의 부스바의 단부를 보여주는 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.
본 발명은 팬터그래프 검측장치에 관한 것으로 도 1 내지 도 21에 도시된 바와 같이 그 구성은 철도차량의 팬터그래프(330)에 설치되어 상기 팬터그래프(330)의 상태를 검측하는 검측부(400)와 상기 검측부(400)로 전원을 공급하는 전원부(600)와 상기 팬터그래프(330)에 구비되어 상기 팬터그래프(330)로부터 전기 에너지를 수집하여 상기 전원부(600)로 공급하는 하베스터부(500)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 검측부(400)와 전원부(600)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 함체의 내부에 구비될 수도 있고, 도면에 도시되지는 않았지만 설치되는 환경에 따라서 별도의 함체를 구비하여 설치될 수도 있다.
그리고, 상기 팬터그래프(330)는 상부의 가선(340)에 집전판(332)을 접촉시켜 전기를 철도차량으로 전달하며 팬터그래프(330)는 하부에 구비되는 절연 애자(320)에 의해 철도차량의 지붕(310)과 절연되어 있는데, 상기 검측부(400)는 팬터그래프(330)의 각 부분에 설치된 센서(410)와 상기 센서(410)로부터 계측값을 수신받고 원격지의 서버(700)로 계측정보를 전송하는 통신모듈(402)과 각 구성들을 제어하는 MCU(micro control unit, 404)로 이루어진다.
여기서, 상기 센서(410)는 팬터그래프(330)의 상태를 감지하는데, 상기 센서(410)는 팬터그래프(330)의 충격을 감지하기 위한 가속도 센서, 철도차량의 지리적 위치를 판악하기 위한 GPS 센서, 충격 발생시 이미지를 촬영하기 위한 적외선 이미지 센서 및 플래쉬 모듈, 팬터그래프(330)의 습판체에 연결되어 정보를 취득하는 자이로센서 등으로 이루어지며, 상기 전원부(600)로부터 전원을 공급받아 작동하게 된다.
이때, 상기 센서(410)는 전술한 바와 같이 다수의 장치로 이루어지는데, 충격을 감지하기 위한 가속도 센서 및 자이로 센서의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 집전판(332)의 하부에 설치될 수도 있고, GPS 센서나 이미지 센서 등은 함체의 내부에 설치되게 되어 각 장치들의 특성에 따라 적절한 위치에 설치되게 된다.
그래서, 본 발명은 상기 하베스터부(500)를 통하여 가선(340)로부터 전력을 수신하는 팬터그래프(330)의 주변에 형성되는 자기장 또는 전기장을 통하여 전기 에너지를 수집하여 전원부(600)를 통해 검측부(400)로 전원을 공급함으로써, 별도의 배터리가 필요하지 않으므로 유지보수 비용을 절감할 수 있으며, 방전된 배터리의 교체를 위하여 작업자가 수작업으로 진행함에 따라 발생하는 안전사고를 예방할 수 있게 된다.
그리고, 상기 하베스터부(500)는 팬터그래프(330) 주변에 형성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 수집하는 자기장 하베스터(100) 또는 팬터그래프(330) 주변에 형성되는 전기장으로부터 전기 에너지를 수집하는 전기장 하베스터(510) 중 어느 하나로 이루어지거나, 두가지 모두로 이루어지게 된다.
여기서, 상기 자기장 하베스터(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 팬터그래프(330)의 집전판(332)을 통하여 수집되는 전류를 모아서 철도차량의 주차단기 및 주변압기로 보내주는 부스바(L)에 설치되는데, 상기 자기장 하베스터(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 부스바(L)의 외측에 구비되는 코어(110)와 상기 코어(110)에 권취되는 코일(120)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 자기장 하베스터(100)는 별도의 지그를 통하여 부스바(L)에 고정되게 되며, 상기 자기장 하베스터(100)는 상기 부스바(L)에 전류가 흐를때, 외측에 형성되는 자기 에너지를 수집하여 전원부(600)로 공급하게 된다.
한편, 상기 코일(120)은 상기 코어(110)의 상부와 하부에 각각 절반씩 권취되어 양측부에는 코일이 권취되지 않게 된다.
여기서, 상기 부스바(L)의 단부는 도 21에 도시된 바와 같이 단부가 원형관을 압착하여 형성됨으로써, 좌우가 부스바(L)의 지름보다 크게 형성되기 때문에 자기장 하베스터(100)를 부스바(L)에 삽입할 때, 코일(120)이 권취되지 않은 부분으로 상기 부스바(L)의 단부를 삽입하도록 하여 용이하게 삽입할 수 있게 된다.
이때, 상기 코일(120)을 코어(110)의 상부와 하부에만 권취하는 구조는 코어(110)의 내경을 최소화할 수 있어 코어(110)의 자기 경로 길이(magnetic path length)를 줄일 수 있어 더 강한 자기장을 코어(110) 내부에 형성시켜 보다 유리하게 하베스팅을 수행할 수 있게 된다.
그리고, 상기 전원부(600)는 상기 하베스터부(500)에서 들어오는 전력을 변환하여 저장하고, 검측부(400)로 공급하게 되는데, 상기 전원부(600)는 상기 하베스터부(500)로부터 공급되는 전류를 정류하는 정류기(610)와 상기 검측부(400)에 대응되는 전압으로 변환하는 컨버터(630)와 각 구성들을 제어하기 위한 MCU(660)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 자기장 하베스터(100)의 경우는 가압이 일정한 전기장 하베스터(510)와 달리 전류가 철도차량의 부하에 따라 유동적이므로 수집 에너지가 시간에 따라 변동되기 때문에 남는 에너지를 저장하고 부족할 때 공급할 수 있는 충전식 배터리(640)가 요구된다.
따라서, 상기 자기장 하베스터(100)와 연결되는 전원부(600)는 정류기(610)와 컨버터(630)에 추가적으로, 상기 정류기(610)를 통하여 정류된 전원을 저장하는 충전식 배터리(640)와 상기 충전식 배터리(640)의 충전을 제어하는 충전장치(650)가 구비된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예로서, 자기장 하베스터(100)의 경우에는 상기 충전식 배터리(640)와 정류기(610) 사이에 구비되어 버퍼역할을 수행하는 슈퍼캐패시터(620)를 추가로 구비하여 사용할 수도 있다.
한편, 상기 전원부(600)에는 상기 코어(110)의 포화도를 낮추기 위하여 코어 안정화 회로(670)가 더 구비되는데, 도 에 도시된 바와 같이 자기장 하베스터(100)의 코어(110)가 포화된 경우 히스테리시스 곡선에 따라 최대 출력 전압을 매우 높게 형성하므로 전원부 회로를 보호하고 코어(110)의 포화도를 낮추어 안정화시킬 필요가 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 자기장 하베스터(100)는 부하 저항값이 높을수록 정현파 파형이 임펄스 파형으로 변화하며 포화가 잘되는 특성을 보이며, 특히 출력단이 개방되어 있는 경우(충전 off 상태) 낮은 1차 전류에도 쉽게 포화되는데, 충전 off 상태에서 충전 on 상태로 전환되는 경우, 고압으로 인하여 회로가 위험할 수 있다.
그러나, 상기 자기장 하베스터(100)의 출력에 저항을 연결하여 전류를 흘려주게 되면 코어(110)에 포화되는 정도가 낮아져 전압 파형이 정현파 형태로 변화하며 최대 전압이 낮아지게 된다.
따라서, 상기 코어 안정화 회로(670)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 자기장 하베스터(100)의 출력부에 병렬로 구비되는 저항(672)과 상기 저항(672)과 직렬로 연결되는 제1스위치(674)와 상기 자기장 하베스터(100)의 출력부에 직렬로 연결되는 제2스위치(676)로 이루어진다.
그리고, 상기 코어 안정화 회로(670)는 도 4에 도시된 바와 같이, 충전식 배터리(640)가 완충상태이거나 충전 시키지 않을 경우 제1스위치(674)와 제2스위치(676)를 개방하여 자기장 하베스터(100)에서 공급되는 전력을 차단할 수 있고, 충전을 시켜야 하는 경우에는 제1스위치(674)을 개방하고 제2스위치(676)를 단락하여 자기장 하베스터(100)의 출력을 전원부(600)와 연결해 줄 수 있다.
여기서, 상기 제1스위치(674)와 연결된 저항(672)은 전원부(600)에서 충전을 시작할 때, 코어(110)를 안정화 해주기 위한 장치로서 제2스위치(676)가 개방된 상태에서 제1스위치(674)를 단락시켜 짧은시간(0.1~0.5초) 동안 저항(672)으로 전류가 흐르도록 만들어 코어(110)의 자속 포화도를 낮추어주는 역할을 한다.
이때, 상기 코어(110)의 포화도가 낮아지면 제2스위치(676)를 단락시켜 자기장 하베스터(100)의 출력을 정류기(610)로 연결하고 이후에 제1스위치(674)를 개방하여 저항(672)으로의 불필요한 전력 소모를 제거할 수 있다.
이와같은 동작은 아래의 표1로 설명할 수 있다.
동작조건 제1스위치 제2스위치
초기 기동 open open


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한편, 상기 전원부(600)의 전원을 충전하는 충전 방식은 수집전력을 최대화하는 방법으로 구성되는데, 상기 자기장 하베스터(100)는 코어(110)의 포화가 시작되는 지점(전압)에서 최대 전력을 수집하기 때문에 전원부(600)의 MCU(660)는 자기장 하베스터(100)의 출력 전압, 전류를 센싱하여 전력이 최대화되는 충전 전류를 찾아가게 되며, 이는 기존에 제안된 MPPT(maximum power point tracking) 제어 방법을 이용할 수 있다.
이때, 상기 자기장 하베스터(100)는 코어(110)와 코일(120)의 구조적인 설계가 정해지면 코어(110)가 포화되는 출력 전압도 결정되기 때문에 자기장 하베스터(100)의 출력 전압을 일정하게 유지하는 Voltage Regulation 제어 방식도 옵션으로 사용할 수 있다.
다만, 사용하는 자기장 하베스터(100)의 용량 및 구성(코어(110) 단면적, 턴수)에 따라 최적 전압값이 바뀌므로 최적 전압값을 알고 있는 경우에만 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예로 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 자기장 하베스터(100)는 상기 부스바(L)의 외측에 구비되는 코어(110)와, 상기 코어(110)에 권선되는 코일(120)과, 상기 코일(120)에 구간별로 연결되는 복수의 탭(131) 중에 어느 하나를 선택하도록 제어기(140)의 제어에 따라 스위칭되는 복수의 선택스위치(SW)를 구비하는 멀티탭(multiple tap)(130)과, 상기 코일(120)의 양단에 병렬연결되어 코일(120)의 자화 인덕턴스를 보상하는 캐패시터(150)로 구성된다.
이때, 상기 제어기(140)의 스위칭 신호에 따라 멀티탭(multiple tap)(130)의 선택스위치(SW) 온/오프에 따라 코일(120)의 권선비가 조절된다.
여기서, 상기 멀티탭(130)은 상기 복수의 탭(131)에 개별적으로 연결되는 복수의 선택스위치(SW)로 구성되어 제어기(140)의 스위칭신호에 따라 특정 선택스위치(예를 들어 SW2)가 온(on) 되면 나머지 선택스위치(예를 들어 SW1,SW3)는 오프(off)가 되며, 특정 선택스위치(예를 들어 SW2)의 연결에 따라 부하인 검측부(400)로 전력을 공급하는 전원부(600)로 전력을 공급한다.
좀 더 구체적으로 설명하면 본 발명은 코어(110)와 코일(120)을 사용하는 구조에 코일 권선비 조정을 위한 멀티탭(130)을 제어기(140)와 연결한 구조이다.
또한, 본 발명은 코일(120)의 양단에 코일(120)의 자화 인덕턴스를 보상하는 캐패시터(150)를 추가하여 최대 전력이 전달되도록 설계하였다.
즉, 종래에는 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이 전력선(1)을 감싸는 자성체 코어(2)에 코일(3)을 감은 것을 사용하며, 이를 통해 부하와 연결되는 전력변환장치(4)로 전력을 공급한다.
한편, 이러한 종래 자기장 결합기의 설계 방법은 원하는 전류와 전력을 얻기 위해 전류비를 설정하고 설계하는 최대 자속 밀도가 선정한 코어(2)의 포화 자속을 넘지 않도록 아래의 식(1)에서와 같이 코어(2)의 면적, 에어갭 등을 설정하였다.
Figure pat00001
(1)
이때, Lm은 자화 인덕턴스, Im은 자화 인덕턴스로 흐르는 전류, AC는 코어의 단면적을 의미한다.
따라서, 자기장 결합기의 설계시 1차 측에서 흐를 수 있는 최대 입력 전류 Iin을 기준으로 최대 자속 밀도 Bmax가 코어(2)의 포화 자속을 넘지 않도록 코어(2)의 면적과 자화 인덕턴스 Lm을 설정하게 된다.
이러한 종래 자기장 결합기는 도 2에 도시된 바와 같이 등가회로로부터 계산한 부하 RL에 전달되는 전력 PL은 아래와 같다.
Figure pat00002
(2)
그런데, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 캐패시터(150)를 구비함으로써, 상기의 식(2)에서 캐패시터(150)로 보상해주면 자화 인덕턴스 Lm 항이 제거되어 더 높은 전력을 보낼 수 있다.
이러한 본 발명은 제어기(140)에서 복수의 스위치(SW)를 이용하여 원하는 탭(131)을 설정하여 결합기(100)가 능동적으로 작동할 수 있게 해준다.
한편, 본 발명은 도 8의 등가 회로 모델에서와 같이 2차 측 코일(120)을 두 개의 서브 코일로 나눌 수 있고, 이는 제어기(140)의 선택스위치(SW) 제어에 따라 탭(131)이 선택적으로 연결됨에 따라 2차측 코일(120)의 턴수 N1의 값이 달라진다. 이러한 구조는 두 개로 나뉜 2차 측 코일(120)에 특징이 있는데 2차 측 코일(120)만 본다면 한 개의 코일을 나누어 사용하는 단권변압기(autotransformer)와 유사하다. 실제로도 2차 측으로 넘어온 전류는 단권변압기처럼 한 번 더 변압(변류)가 되어 부하에 전달되게 된다. 이에 대한 단순화된 등가회로 모델은 도 9에 도시된 바와 같다.
여기서, 도 8에서 캐패시터(150)(=1/(ω2*Lm*N2), 공진조건적용)는 2차 측에서 보이는 자화 인덕턴스 Lm 값을 보상해 주어 등가적으로 LC는 제거될 수 있으며, 2차 측으로 넘어온 전류는 2차 측의 전체 코일(120)의 턴 수 N에 대한 비율로 변환된다. 그 다음 2차 측의 분할된 서브 코일끼리 변압기로 동작하여 도 9와 같이 표현할 수 있다.
그리고, 도 12는 본 발명에 대한 전력 시뮬레이션에 사용된 회로 구성으로서, 이를 통해 시뮬레이션시 종래의 구조와 제안한 구조와 제안한 구조의 단순화된 모델을 비교하였다. 제안한 구조에서의 자화 인덕턴스 Lm은 변압기 항목 내부에 입력하였다.
이러한 시뮬레이션 결과는 도 11 내지 도 14에 도시된다. 이때, N은 2차 측의 전체 코일(120)의 턴 수이며, N1은 제어기(140)의 선택스위치(SW) 제어에 따라 탭(131) 선택시 가변되는 2차측 코일(120)의 턴수를 의미한다.
여기서, 도 11은 'N=100', 'N1=30'인 경우의 시뮬레이션 그래프로서, 빨간선은 종래 구조, 파란선은 본 발명이 제안하는 구조, 녹색선은 단순화된 구조의 파형을 표현한다. 아울러 (a)는 부하 전압, (b)는 부하 전력의 그래프이다. 동일한 조건하에서 도 12은 'N=100', 'N1=50'인 경우의 시뮬레이션 그래프이고, 도 13는 'N=100', 'N1=70'인 경우의 시뮬레이션 그래프이며, 도 14은 'N=100', 'N1=99'인 경우의 시뮬레이션 그래프이다.
시뮬레이션 결과에 의하면, 본 발명에서 제안한 구조에서 부하에 전달된 전력은 종래 구조보다 제안한 구조가 훨씬 높게 나타났음을 알 수 있다. 아울러 본 발명에서 제안한 구조와 단순화된 등가 구조는 일정시간이 흐른 steady-state에서는 특성이 동일하게 나타났지만 처음에는 다른 형태를 보였다. 그 이유는 실제 구조에서는 캐패시터와 인덕턴스가 존재하기 때문에 그에 따른 시정수가 존재하여 steady-state 상태로 가기 위해서는 일정 시간이 흘러야 하기 때문이다.
이때, 제어기(140)의 선택스위치(SW)의 선택적인 온오프 제어를 통해 탭(131)을 선택하여 2차측 코일(120)의 턴수 N1값을 조절하면, 턴수 N1의 값이 낮을수록 수집되는 전력이 높은 특성을 가짐을 알 수 있다. 이는 도 9에서 1차 측 전류는 N/N1의 비에 의해 2차 측에 전달되는데, 2차측 코일(120)의 턴수 N1의 값이 낮아야 더 큰 전류가 전달될 수 있기 때문이다. 즉, 본 발명에서 제안한 구조는 부스바(L)에 흐르는 메인 전류에서 일부를 가져와 원하는 만큼 증폭하는 원리로 동작한다. 이 과정에서 더 많은 전력을 2차 측에 전달할 수 있다. 따라서 부스바(L)의 전류가 낮더라도 2차측 코일(120)의 턴수 N1의 조정을 통해 큰 전력을 가져올 수 있는 것이다.
그리고, 도 9의 등가회로는 도 15와 같이 더 단순하게 나타낼 수 있다. 부스바(L)에서의 입력 전류에 2차측 코일(120)의 턴수 N1을 나눈 값만큼의 전류가 전력변환장치 및 부하 RL에 전달되는 것이다. 이 등가모델을 고려해보면 탭(131)이 있는 기존 변압기에서도 2차측 코일(120)의 턴수 N1을 조절하여 위와 같은 형태를 만들 수 있지만 실질적으로 기존의 방법은 도 15와 같은 이상적인 형태가 나오기 어렵다. 그 이유는 예를 들어 도 2에서 자화 인덕턴스 Lm을 보상하는 캐패시터를 더 연결하더라도 코일의 턴수 N의 값이 바뀌게 되면 자화 인덕턴스 Lm의 값도 바뀌게 되어 변경된 값의 자화 인덕턴스Lm을 제거하기 위해 그에 따라 캐패시터도 바꿔 주어야 하기 때문이다.
따라서, 종래 일반적인 자성체 결합기에 본 발명의 도 7에서와 같이 제어기(140), 선택스위치(SW)를 더 구비해도 각각의 선택스위치(SW)에 해당하는 캐패시터(150)를 추가로 달아주어야 하는 복잡성이 여전히 존재한다.
반면에 본 발명에서 제안하는 방식은 하나의 캐패시터(150)로 전체 코일의 자화 인덕턴스 Lm을 보상해 줌으로써 2차측 코일(120)의 턴수 N1값이 바뀌더라도 이상적인 형태인 도 15와 같은 구조가 나올 수 있다.
또한, 종래의 기술에서는 부스바의 메인 전류가 낮은 상황에서 2차측 코일(120)의 턴수 N1를 줄이게 되면 실제 코일에서는 선택한 턴들에 대해에서만 전류가 흐르게 되는데 이는 물리적으로 부스바(L)과 결합기간의 자기장 결합을 약화시키므로 누설 인덕턴스가 증가하여 전력 전달 효율이 크게 감소할 가능성이 있고, 낮은 자화 인덕턴스는 매우 큰 보상 캐패시턴스를 요구하기 때문에 시스템이 복잡해지고 구현이 어려워지는 반면에, 본 발명은 부스바(L)의 메인 전류가 낮아 2차측 코일(120)의 턴수 N1값을 낮게 설정하여도 2차 측 코일(120) 전체에 전류가 흘러 1:N의 비율로 변환이 이뤄지고 2차 측의 분리된 코일에 의해 높은 전류로 재변환되므로 문제가 없다.
아울러 도 7을 참고하면 본 발명의 제어기(140)는 부하(170)에 전달되는 전력을 모니터링하고 전력이 부족할 때에는 2차측 코일(120)의 턴수 N1을 낮게 설정하고 전력이 높을 때에는 2차측 코일(120)의 턴수 N1을 높게 설정하여, 부스바(L)의 전류 변화에도 능동적으로 안정적인 전력을 공급할 수 있도록 제어할 수 있다.
즉, 철도차량에서 1차측 전류는 변동 폭이 매우 크기 때문에 전술한 실시 예는 1차측의 전류량을 예상하지 못하는 경우에 실시간으로 코일의 권선비를 조절하여 하베스터부(500)에서 출력되는 전압 크기를 조절할 수 있게 된다.
예를 들면, 낮은 1차 전류 레벨에서는 하베스터부(500)부의 전압이 너무 낮아져 충전을 위한 전원부(600)의 회로들이 제대로 동작하지 않기 때문에 이 경우에는 코일의 턴수를 높게 하여 낮은 1차 전류에서도 높은 출력 전압을 얻을 수 있고, 반대로 1차 전류가 클 경우에는 권선비를 조절하여 출력 전압을 낮추어 줌으로써 적절한 출력전압을 얻을 수 있게 된다.
또한, 충전을 하지 않는 충전 off 상황에서는 출력전압을 낮게 하여 회로를 포호할 수도 있다.
그리고, 상기 전기장 하베스터(510)는 도 3에 도시된 바와 같이, 팬터그래프(330)에 형성되는 전기장을 통하여 전기 에너지를 수집하게 되는데, 상기 전기장 하베스터(510)는 상기 팬터그래프(330)의 집전판(320)과 철도차량의 지붕(310) 사이에 판형태의 도체부를 구비하여 이루어진다.
즉, 상기 전기장 하베스터(510)는 팬터그래프(330) 및 가선(340)이 차량(310) 지붕과 높은 전위차를 가지고 있는 것을 이용한다.
예를 들면 팬터그래프(330) 및 철도차량 지붕(310)과 전기적으로 분리된 추가적인 도체(도체부)를 고려해 볼 수 있는데, 이 도체는 팬터그래프(330,고압부)와 가까울수록 높은 전위를 갖고 팬터그래프(330)와 멀어질수록 낮은 전위를 갖게 된다.
여기서, 팬터그래프(330)와 철도차량 지붕(310)과의 간격(약 40cm 이하)이 좁아 거리에 따른 전위변화량, 즉 전기장이 매우 세므로 이 도체는 팬터그래프(330)와 약간만 떨어져도 팬터그래프(330)와의 전위차가 크게 발생하여 도체에 전기 에너지가 쉽게 축적이 될 수 있다.
이때, 상기 전기장 하베스터(510)는 전술한 바와 같이 팬터그래프(330)에 흐르는 전류에 의해 팬터그래프(330)의 주변에 전기장이 생성되고, 전기장의 작용에 의해 전기를 생성하는 판형상의 도체부(미도시)와 상기 도체부의 전압비를 조절하는 변압기(미도시)를 포함하여 이루어진다.
그래서, 상기 하베스터부(500)는 별도의 전원을 사용하지 않고 팬터그래프(330)의 주변에 생성되는 자기장에 의해 전기를 생성하여 검측부(400)로 전기를 공급할 수 있게 된다.
한편, 상기 전기장 하베스터(510)를 통하여 전력을 수집하는 방식을 살펴보면, 도 18에 도시된 것과 같이 전기장 에너지에 형성되는 캐패시턴스로 등가화하여 설명할 수 있는데, 철도차량의 상부에 구비되는 전기장 하베스터(510)에 판형상의 도체부(도체판)가 존재하면 기존에 존재하는 캐패시턴스 (C1-1, C1-2)외에 C2-1, C2-2, C3가 생성된다.
여기서, C1-1은 전차선과 차량지붕 사이에 존재하는 캐패시턴스이고, C1-2는 팬터그래프(330)와 철도차량의 지붕(310) 사이에 존재하는 캐패시터를 의미하며, C2-1는 판형상의 도체부(도체판)와 팬터그래프(330) 사이의 캐패시턴스이고, C2-2는 가선(340)과 판형상의 도체부(도체판) 사이의 캐패시턴스, C3은 판형상의 도체부(도체판)와 차량의 지붕(310) 사이의 캐패시턴스이다.
이를 등가회로로 표현하면 도 19에 도시된 회로와 같고, VS는 가선(340)의 전압을 의미하며 일반적으로 교류가선에서는 25kVrms가 가해지며, 병렬로 연결되는 C1-1, C1-2과 C2-1, C2-2은 각각 한 개의 캐패시터로 표현이 가능하며, 이를 C1, C2로 나타내고, 전원부(600)와 전원공급을 받는 부하(CL, RL)를 회로로 표현하면 도 20과 같다.
여기서, 전원부(600)에 포함된 변압기(TF)는 판형상의 도체부(도체판)에 수집되는 전기 에너지의 전압을 필요한 수준으로 낮춰주는 역할을 하며, 전원부(600)에 포함된 정류기는 변압기의 출력을 직류로 변환할 수 있는데, 상기 변압기는 전원부(600)에 위치할 수도 있고, 전술한 바와 같이 하베스터부(500)를 구성하는 전기장 하베스터(510)에 구비될 수도 있다.
한편, 도체판에 의해 수집되는 전력량은 변압기에 얼마나 큰 전압/전류가 가해지는지에 따라 결정되는데, 먼저 25kV의 전압은 C2, 변압기의 병렬임피던스와 C3에 의해 분배가 된다. 변압기 1, 2차측이 고려된 등가 임피던스를 ZTF라 하면, 다음과 같은 관계식이 정립된다.
Figure pat00003
Figure pat00004
VTF는 변압기에 분배되는 전압을 의미하며, C3가 클수록 높아짐을 알 수 있다. 또한 전류는 먼저 VS에서 나오는 전류(IS)가 I1과 I3로 분배되는데 I3는 C1의 임피던스와 a점선의 왼쪽에 해당하는 등가 임피던스에 의해 결정된다.
이때, C3는 C2, 변압기와 직렬로 연결되어 있어 C3의 임피던스 값(=
Figure pat00005
)이 높으면 변압기의 임피던스에 관계없이 높은 전류를 흘릴 수 없다. 따라서 C3의 임피던스 값이 낮아야 하며 이때에도 C3의 값이 높아야 한다.
최종적으로 변압기에 흐르는 전류(ITF)는 I3에서 I2로 흘러들어간 전류를 빼주어야 하는데, C2의 값이 매우 작은 경우 임피던스가 커지게 되어 ITF로 대부분의 전류가 흐르게 된다. 도 8에서 확인할 수 있듯이, 도체판과 팬터그래프(330)는 수평으로 배치되어 마주보는 형태가 아니므로, C2에 해당하는 캐패시턴스가 크게 형성되지 않는다.
따라서, 변압기에 전달되는 전력은 C3의 값이 클수록 높게 나타난다. C3은 도체판과 차량지붕 사이의 캐패시턴스를 의미하며, C3의 값으로 큰 값을 얻기 위해서는 도체판의 면적을 크게 해주거나, 캐패시턴스를 향상시킬 수 있는 구조를 적용하면 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예로 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 전원부(600)는 철도차량의 상부에 구비되어 외부에 노출되므로 추운 겨울에는 전체적인 온도가 떨어지게 되는데, 전원부(600)를 구성하는 충전식 배터리(640)는 온도가 떨어질 경우 성능이 저하되기 때문에 추가적으로 충전식 배터리(640)에 발열시트(미도시)를 구비하여 외부의 온도가 설정 온도 이하로 떨어지면 작동하여 충전식 배터리(640)의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하도록 하여 성능을 유지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
본 발명은 팬터그래프 검측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팬터그래프에 공급되는 전류에 의한 자기장 및 전기장을 통하여 전기를 수집(harvest)하도록 하여 충전식 배터리에 전원을 저장하도록 함으로써, 팬터그래프의 검측을 위한 검측부의 전원으로 사용하도록 하여 유지비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 방전된 배터리 교체시에 발생하는 안전사고를 방지할 수 있는 팬터그래프 검측장치에 관한 것이다.
100 : 자기장 하베스터 110 : 코어
120 : 코일 130 : 멀티탭
140 : 제어기 150 : 캐패시터
310 : 지붕 320 : 절연애자
330 : 팬터그래프 340 : 가선
400 : 검측부 410 : 센서
500 : 하베스터부 510 : 전기장 하베스터
600 : 전원부 610 : 정류기
620 : 슈퍼 캐패시터 630 : 컨버터
640 : 충전식 배터리 650 : 충전장치
660 : MCU 670 : 코어 안정화 회로
700 : 서버
L : 부스바

Claims (9)

  1. 철도차량의 팬터그래프에 설치되어 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부와,
    상기 검측부로 전원을 공급하는 전원부와,
    상기 팬터그래프에 구비되어 상기 팬터그래프로부터 전기 에너지를 수집하여 상기 전원부로 공급하는 하베스터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터부는 팬터그래프의 부스바에 설치되는 자기장 하베스터로 이루어지고,
    상기 하베스터는 부스바 외측에 구비되는 코어와,
    상기 코어에 권취되는 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일은 상기 코어의 상부와 하부에 각각 절반씩 권취되는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전원부에는 상기 코어의 포화도를 낮추기 위한 코어 안정화 회로가 더 구비되되,
    상기 코어 안정화 회로는 상기 자기장 하베스터의 출력부에 병렬로 구비되는 저항과,
    상기 저항과 직렬로 연결되는 제1스위치와,
    상기 자기장 하베스터의 출력부에 직렬로 연결되는 제2스위치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 하베스터는 상기 코일에 구간별로 연결되어 제어기에 의해 상기 코일의 권선비를 조절하는 멀티탭과,
    상기 코일의 양단에 병렬 연결되어 코일의 자화 인덕턴스를 보상하는 캐패시터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멀티탭은 상기 코일에 구간별로 연결되는 복수의 탭 중에 어느 하나를 선택하도록 제어기의 제어에 따라 스위칭되는 복수의 선택스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터부는 상기 팬터그래프에 형성되는 전기장을 이용하는 전기장 하베스터로 이루어지되,
    상기 전기장 하베스터는 상기 팬터그래프의 집전판과 철도차량의 지붕 사이에 판형태의 도체부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는 하베스터부에서 생성된 전기를 정류하는 정류기와,
    상기 정류기에 의해 정류된 전기를 검측부에 대응되는 전압으로 변환하는 컨버터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 검측장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전원부는 정류기를 통하여 정류된 전원을 저장하는 충전식 배터리가 더 구비되는 것을 특징으로 팬터그래프 검측장치.
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