WO2020130357A1 - 전력선에서의 전압강하를 고려한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치 - Google Patents

전력선에서의 전압강하를 고려한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치 Download PDF

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  • Magnetic field energy harvesting technology using a magnetic induction method is proposed to solve the problem of securing power in a place where there is no power transmission and distribution line. Became.

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Abstract

본 발명은 전력선에서의 전압강하를 고려한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법은 코어와 코어 주변에 감긴 코일을 포함하되 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 복수의 변류기(current transformer; CT)를 결선하는 방법으로서, 3상 전력선에서 각 상의 선로 상에 변류기를 설치하는 설치 단계; 및 각 CT의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하며, 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 결선 방식을 선택하되 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식을 선택하거나 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식을 선택하는 연결 단계;를 포함하며, 상기 결선 방식은 델타(△)결선 방식 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력선에서의 전압강하를 고려한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치
본 발명은 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력선 주변에 발생되는 자기장을 이용하되 전력선에서의 전압강하를 최소화시키면서 동시에 출력을 향상시키는 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 CCTV(closed circuit television) 시스템에서 보안 카메라 등은 야외 설치 구성으로서, 그 설치 환경 상 전원 공급이 쉽지 않은 문제점이 있었다. 즉, CCTV 시스템에서 야외 설치 구성의 작동을 위해, 배터리를 사용할 경우에는 주기적으로 배터리를 교체해야 했으며, 상용 전원을 사용할 경우에는 상용 전원 공급을 위한 추가 설비를 설치해야 했다.
송배전 선로는 존재하지만, 상용선로가 없는 곳에서의 전원 확보의 문제점을 해결하기 위해, 자기 유도 방식(magnetic induction method)을 이용한 에너지 하베스팅(이하, “자기장 에너지 하베스팅”이라 지칭함) 기술이 제안되었다.
도 1은 자기장 에너지 하베스팅 장치의 기본 구조와 그 누설 자기장 흐름도를 나타내며, 도 2는 전력선에 자기장 에너지 하베스팅 장치가 적용된 일 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 자기장 에너지 하베스팅 장치는 변류기(current transformer)(10)를 포함한다. 이때, 변류기(10)는 자기 유도 방식으로 전원을 획득하는 장치로서, 환형(toroidal)의 자성체 코어(magnetic core)(1)와 코어(1)에 감겨진 코일(coil)(2)를 포함한다. 이때, 코어(1)는 전력선(power line; PC)의 누설 자기장(leakage magnetic field)을 모아 코일(2) 양단에 유도 전압(Vinduce)을 발생시킨다. 이에 따라, 변류기(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 보안 카메라(SC) 등과 같은 야외 설치 구성에 전원을 제공할 수 있다.
이러한 자기장 에너지 하베스팅 기술은 CCTV 시스템 외에도 전력 품질 감시 시스템, 항공충돌방지 시스템, 산불감지 시스템 등과 같은 다양한 시스템의 전원 공급 장치에 활용될 수 있다.
하지만, 변류기(10)가 전력선(PL)에 설치되면, 전력선(PL)에는 전압강하가 발생한다. 특히, 시스템의 요구 전압이 클 경우, 전력선(PL)에 설치되는 변류기(10)의 개수도 늘어나게 되며, 이에 따라 전력선(PL)에서의 전압강하도 더욱 커지게 된다. 이러한 전력선(PL)에서의 전압강하가 발생될 경우, 가정 또는 산업 시설 등으로의 정상적인 상용 전원 공급에 차질을 빚을 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 야외에 설치된 전력선이 주로 3상 전력선인 점을 반영함으로써 변류기의 개수가 늘어나더라도 전력선에서의 전압강하를 최소화시키면서 동시에 출력을 향상시키는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법은 코어와 코어 주변에 감긴 코일을 포함하되 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 복수의 변류기(current transformer; CT)를 결선하는 방법으로서, (1) 3상 전력선에서 각 상의 선로 상에 변류기를 설치하는 설치 단계, (2) 각 CT의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하는 연결 단계를 포함하며, 상기 결선 방식은 델타(△) 결선 방식 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함한다.
상기 연결 단계는 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 결선 방식을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연결 단계는 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식을 선택하거나 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은 3개의 출력 노드를 포함할 수 있으며, 각 출력 노드의 전류는 정류된 후 합해져 출력단으로 출력될 수 있다.
상기 델타 결선 방식은, 제1코일 및 제2코일의 각 일단이 A 노드에 연결될 수 있고, 제1코일의 타단과 제3코일의 일단이 B 노드에 연결될 수 있으며, 제2코일 및 제3코일의 각 타단이 C 노드에 연결될 수 있다.
상기 와이 결선 방식은, 제1코일 내지 제3코일의 각 일단이 서로 연결될 수 있고, 제1코일의 타단이 A 노드에 연결될 수 있으며, 제2코일의 타단이 B 노드에 연결될 수 있고, 제3코일의 타단이 C 노드에 연결될 수 있다.
상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은, 제1출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 제1정류소자가 구비되되 각 정류소자의 일단이 제1출력단에 연결될 수 있고 각 제1정류소자의 타단이 각 노드에 연결될 수 있으며, 제2출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 제2정류소자가 구비되되 각 정류소자의 타단이 제2출력단에 연결될 수 있고 각 제2정류소자의 일단이 각 노드에 연결될 수 있다.
상기 결선 방식은 직렬 결선 방식, 병렬 결선 방식 또는 이들의 혼합 결선 방식을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅 장치는, (1) 코어와 코어 주변에 감긴 코일을 포함하되 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하며, 3상 전력선에서 각 상의 선로 상에 설치되는 복수의 변류기(current transformer; CT), (2) 각 CT의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 결선 방식은 델타(△) 결선 방식 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함한다.
상기 연결부는 결선 방식의 선택이 가능할 수 있다.
상기 연결부는 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 결선 방식의 선택이 가능하되 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식의 선택이 가능하거나 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식의 선택이 가능할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치는 하나의 선로에 다수개의 변류기를 설치하는 종래와 달리, 3상 전력선의 각 상의 선로에 변류기를 설치하도록 제안하므로, 변류기의 개수가 늘어나더라도 전력선에서의 전압강하를 최소화시키면서 동시에 출력을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 설치되는 장치의 무게를 각 상의 선로에 분배시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치는 정류소자가 타 결선 방식에 비해 적은 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식을 제안하므로, 이들 결선 방식을 채용 시 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기장 에너지 하베스팅을 위한 결선 방법 및 장치는 부하의 특성에 따라 전압강하 및 전력의 크기가 다른 다양한 결선 방식을 선택할 수 있으므로, 채용 가능한 부하의 선택의 폭이 넓어지는 이점이 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 자기장 에너지 하베스팅 장치의 기본 구조와 그 누설 자기장 흐름도를 나타낸다.
도 2는 전력선에 자기장 에너지 하베스팅 장치가 적용된 일 예를 나타낸다.
도 3은 전력선(PL) 상에 변류기(10)가 설치되는 경우의 등가회로 모델을 나타낸다.
도 4는 3개의 변류기(10)에 대한 다양한 결선 방식을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)의 블록 구성도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 결선 방법의 순서도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 결선 방법의 개념도를 나타낸다.
도 8은 3개의 변류기(10)에 대한 직렬 결선 방식의 개략 구성을 나타낸다.
도 9는 3개의 변류기(10)에 대한 직렬 결선 방식의 상세 구성을 나타낸다.
도 10은 3개의 변류기(10)에 대한 델타 결선 방식의 개략 구성을 나타낸다.
도 11은 3개의 변류기(10)에 대한 델타 결선 방식의 상세 구성을 나타낸다.
도 12는 3개의 변류기(10)에 대한 와이 결선 방식의 개략 구성을 나타낸다.
도 13은 3개의 변류기(10)에 대한 와이 결선 방식의 상세 구성을 나타낸다.
도 14는 부하(ZL)의 크기에 따른 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식에 의한 전력선(PL)에서의 전압강하 및 유도된 전력의 크기 그래프를 나타낸다.
[부호의 설명]
1: 코어 2: 코일
10: 변류기 20: 연결부
100: 자기장 에너지 하베스팅 장치
PA: 파워 분석기 PL: 전력선
SC: 보안 카메라 ZL: 부하
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 전력선(PL) 상에 변류기(10)가 설치되는 경우의 등가회로 모델을 나타낸다.
변류기(10)는 패러데이의 법칙(Faraday's law)에 따라 전력선(PL)에 흐르는 전류(Ip)에 의해 생성되는 자기장를 이용하여 코일(2)에 유도 전압(Vinduce)을 발생시켜 유도 전류(IC)를 발생시키며, 이에 따른 등가회로 모델을 해석하면 다음과 같다.
먼저, Ip에 의한 전력선 등가 임피던스(Zp)는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000001
또한, Ic에 의한 변류기(10)의 임피던스(Zc)는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000002
또한, Ip와 Ic에 의한 상호인덕턴스는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000003
한편, 등가회로 모델에서 각 요소들은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000004
Figure PCTKR2019015352-appb-I000005
Figure PCTKR2019015352-appb-I000006
Figure PCTKR2019015352-appb-I000007
Figure PCTKR2019015352-appb-I000008
Figure PCTKR2019015352-appb-I000009
여기에서,
Figure PCTKR2019015352-appb-I000010
Figure PCTKR2019015352-appb-I000011
Figure PCTKR2019015352-appb-I000012
Figure PCTKR2019015352-appb-I000013
위의 식들에 따라, 변류기(10)에 의한 전력선(PL)의 임피던스 변화는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000014
최종적으로, 임피던스 변화에 의한 전력선(PL)의 전압강하는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019015352-appb-I000015
즉, 전력선(PL) 상에 변류기(10)가 설치되는 경우, 변류기(10)는 코일(2)에 유도 전압(Vinduce)를 생성할 뿐 아니라 전력선(PL)에도 반작용의 영향을 미치며, 이에 따라 전력선(PL)에는 전압강하가 발생한다.
도 4는 3개의 변류기(10)에 대한 다양한 결선 방식을 나타낸다.
종래의 자기장 에너지 하베스팅 장치의 경우, 한정된 선로 전류의 크기에 맞게 설계되어 있다. 하지만 실제 송/배전 환경의 경우, 대전류가 흐르고 있으며 순시적으로 변하고 그에 따른 자기장 에너지 하베스팅 장치의 출력 성능이 크게 변화한다. 특히, 선로에 흐르는 전류 크기가 커짐에 따라 유도되는 전압의 크기는 커지게 되고, 상대적으로 전류의 크기가 부족하여 낮은 출력을 가진다.
이에 따라, 종래의 자기장 에너지 하베스팅 장치는 하나의 전력선(PL) 상에 다수개의 변류기(10)를 설치하여 출력을 증가시켰다. 즉, 종래의 자기장 에너지 하베스팅 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 직렬 결선 방식(도 4(a) 참고), 병렬 결선 방식(도 4(b) 참고), 직/병렬 혼합 결선 방식(도 4(c) 참고)를 이용하여 각 변류기(10)를 연결하여 최종 출력 전압 범위를 조정하였다.
하지만, 종래의 자기장 에너지 하베스팅 장치는 하나의 전력선(PL) 상에 다수개의 변류기(10)가 설치되는 방식이므로, 해당 전력선(PL)에서의 전압강하가 더욱 커지게 되며, 그 최종 출력도 감소하게 된다. 또한, 하나의 전력선(PL)에 설치되는 장치 부분의 무게도 증가하게 된다.
한편, 야외에 설치된 전력선(PL)은 3상 선로를 갖춘 3상 전력선(PL)이 대부분이다. 이에 따라, 본 발명은 야외에 설치된 전력선(PL)이 주로 3상 전력선(PL)인 점을 반영한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치를 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 결선 방법 및 장치는 3개 각 상의 선로 상에 변류기(10)를 설치하여 이들을 결선하므로, 전력선(PL)에서의 전압강하가 줄어들면서 최종 전력을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 설치되는 장치의 무게를 각 상의 선로에 분배시킬 수 있는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)의 블록 구성도를 나타낸다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)는 전원을 공급하는 장치로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 변류기(10) 및 연결부(20)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)는 외부의 전원 공급 없이 무접점 형식으로 전원을 발생시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)는 전력선(PL)에 흐르는 전류에서 발생되는 유도 기전력을 활용하여 전류를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 장치(100)는 필요 시 전력선(PL)에서 탈부착이 가능하게 설계됨으로써 전력선(PL)의 상태와는 상관없이 탈부착이 가능할 수 있다.
변류기(10)는 자기 유도 방식에 따라 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 구성이다. 이때, 변류기(10)는 도 1에 도시된 자성체 코어(1) 및 그 주변에 감긴 코일(2)을 포함할 수 있다. 특히, 변류기(10)는 복수개가 설치되되, 3상 전력선(PL)에서 각 상의 선로 상에 적어도 하나씩 설치될 수 있다. 이하, 3상 전력선(PL)의 제n선로(단, n은 3이하의 자연수)에 설치된 변류기(10)를 “제n변류기”라 지칭하며, 제n변류기의 코어(1) 및 코일(2)을 각각 “제n코어” 및 “제n코일”이라 지칭한다. 즉, 제n변류기는 제n선로에 적어도 하나가 구비될 수 있다.
구체적으로, 각 선로 내에 큰 전류가 흐르면 암페어 법칙(ampere's law)의 오른손 법칙에 의해 각 선로 주변으로 자계가 발생하고, 각 변류기(10)에는 패러데이 법칙(faraday's law)에 의하여 발생된 자계에 따라 유도 기전력이 발생함으로써, 전원이 발생한다. 즉, 각 변류기(10)에는 해당 선로의 전류에 대해 비례하는 전류가 발생한다.
변류기(10)는 코일(2)의 권선 수에 따라 고 전압, 고 전류의 선로 전압을 저 전압, 저 전류로 변성시킬 수 있다. 이때, 변류기(10)는 각 선로에 탈/부착이 가능하도록 링(ring) 타입으로 하되, 클램프(clamp) 방식의 구조물로 제작될 수 있다.
예를 들어, 변류기(10)는 각각 내부에 코어와 코일이 설치되는 탑 어셈블리와, 상기 탑 어셈블리와 대응되는 바텀 어셈블리와, 탑 어셈블리 및 바텀 어셈블리가 상호 회동 결합되는 힌지와, 탑 어셈블리 및 바텀 어셈블리를 선택적으로 개폐하는 록 클립을 각각 포함할 수 있다. 이때, 각 어셈블리 내부에는 코어(1)와 코일(2)이 포함되어 기전력을 발생시킬 수 있다.
이와 같은 구조물에 의하면, 변류기(10)가 탈부착 가능한 분리형으로 제작되기 때문에, 변류기(10)를 각 선로에 추가로 증설하거나 반대로 교체를 위하여 제거할 필요가 있을 때 편리할 수 있다. 또한, 이러한 탈부착 가능한 변류기(10)를 사용함으로써 도난의 위험으로부터 방지하기 위해 선로 전류가 흐르는 경우 코어(1)의 자화를 제어하여 코어(1)의 탈착이 가능 부분을 외부에서 별도로 관리하게 함으로서, 임의로 시스템의 탈부착이 불가능하다. 즉, 변류기(10)를 분리하기 위한 분리 장치가 별도로 마련되어 임의로 탈부착하지 못하도록 이를 제어할 수 있다.
즉, 변류기(10)는 선로에 전류가 흐르면 기본적으로 전자석의 구조가 되기 때문에 일단 선로에 부착이 되면 물리적인 힘으로는 탈착이 거의 불가능하며, 이러한 변류기에 자화 제어를 위한 전기적인 제어를 하지 않으면, 정전이나, 비상 사태 시 선로에 전류가 정전되는 경우를 제외하고 코어를 분리할 수 없다.
또한, 변류기(10)는 전력 변환부를 포함할 수 있다. 이때, 전력 변환부는 변류기(10)에서 발생된 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 즉, 전력 변환부는 변류기의 전자기 유도에 의해 유도되어 출력되는 2차 전류를 제공받아 원하는 크기의 직류 전압로 변환하여 출력할 수 있다.
연결부(20)는 각 변류기(10)의 코일(2)을 어느 한 결선 방식으로 연결하는 구성이다. 이때, 연결부(20)는 다수의 전선과 정류소자(예를 들어, 다이오드 등)를 포함할 수 있다. 즉, 전선은 변류기(10)의 결선 방식에 따라 코일(2)과 정류소자를 연결하여 2개의 출력단을 형성할 수 있으며, 각 출력단은 부하(load; ZL)의 일단 및 타단에 연결될 수 있다.
연결부(20)의 결선 방식은 도 4에 도시된 결선 방식(직렬 결선 방식, 병렬 결선 방식, 직/병렬 혼합 결선 방식) 중 하나의 방식(이하, “일반 결선 방식”이라 지칭함) 외에도, 델타(△) 결선 방식, 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함할 수 있다. 이때, 연결부(20)는 어느 한 결선 방식을 선택 또는 변경할 수 있도록 스위칭부를 포함할 수 있다. 즉, 스위칭부는 일반 결선 방식, 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 어느 한 결선 방식을 선택한 후에도 다른 결선 방식으로 변경할 수도 있다. 다만, 선택 또는 변경 방식은 기계식 또는 전자식일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 연결부(20)는 각 변류기(10)의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하되, 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 그 결선 방식의 선택이 가능할 수 있다. 이때, 연결부(20)는 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식으로의 선택이 가능하거나, 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식으로의 선택이 가능할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 결선 방법의 순서도를 나타내며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 결선 방법의 개념도를 나타낸다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 에너지 하베스팅의 결선 방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, S10 및 S20를 포함하며, 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)에 채용될 수 있다.
S10은 설치 단계로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)를 설치하는 단계이다. 구체적으로, S10에서는 3상 전력선(PL)에서 각 상의 선로 상에 적어도 하나의 변류기(10)를 설치한다.
S20은 연결 단계로서, 각 변류기(10)의 코일(2)을 어느 한 결선 방식으로 연결하는 단계, 즉 연결부(20)의 결선 방식을 선택하는 단계이다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, S20에서는 3상 전력선(PL)에서 2가지 영역을 파워 분석기(power analyzer)(PA1, PA2)로 분석하면서 최적의 결선 방식을 선택할 수 있다. 즉, 3상 전력선(PL)에서 설치된 변류기(10)의 이전에 해당하는 제1영역과, 설치된 변류기(10)의 이후에 해당하는 제2영역의 전원을 분석할 수 있다. 이때, 각 변류기(10)의 결선 방식에 따른 출력단은 2개이며, 각 출력단은 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)로부터 전원을 제공받는 부하(ZL)에 연결된다. 이에 따라, 부하(ZL)를 각 출력단에 연결한 상태에서, 각 변류기(10)의 결선 방식을 변경하면서 각 영역의 전원을 분석할 수 있다. 이때, 제2영역은 제1영역 보다 전압이 떨어지게 된다. 이에 따라, S20에서는 제1영역과 비교해 제2영역에서의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식을 선택할 수 있다.
또한, 최적의 결선 방식 선택을 위해, 부하(ZL)와 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)의 출력단 사이인 제3영역에 파워 분석기(미도시, PA3)를 설치해 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)의 출력을 분석할 수 있다. 즉, 부하(ZL)를 각 출력단에 연결한 상태에서, 각 변류기(10)의 결선 방식을 변경하면서 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)의 출력 전원을 분석할 수 있다. 이에 따라, S20에서는 제3영역에서의 전력이 부하(ZL)의 요구 전력에 부합하는 전력에 해당할 경우의 결선 방식을 선택할 수 있다.
즉, S20에서는 결선 방식을 변경하면서 부하(ZL)에 따른 선로 측의 전력품질 변화와 자기장 에너지 하베스팅 장치(10)의 출력 특성을 동시에 확인할 수 있다. 이에 따라, S20에서는 부하(ZL) 특성에 따라 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식 또는 자기장 에너지 하베스팅 장치(10)의 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식을 선택할 수 있다.
즉, S20에서는 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 일반 결선 방식, 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 각 결선 방식은 출력을 위해 2개 출력단을 형성하므로, 각 출력단은 부하(ZL)에 연결될 수 있다. 이때, 각 결선 방식은 부하(ZL)의 특성에 따라 전압강하가 달라질 수 있다. 즉, 부하(ZL)의 특성에 따라 최적의 결선 방식이 달라질 수 있다.
도 8은 3개의 변류기(10)에 대한 직렬 결선 방식의 개략 구성을 나타내며, 도 9는 3개의 변류기(10)에 대한 직렬 결선 방식의 상세 구성을 나타낸다.
제1변류기 내지 제3변류기는 서로 다른 상의 선로로부터 유도 전원을 생성하므로, 제1변류기 내지 제3변류기에서 생성된 각 전원 서로 다른 위상(Phase), 즉 120˚씩 차이의 위상을 가진다. 이에 따라, 이들 각 전원을 교류 형태로 더하게 되면 전원 합이 0이 되며, 이를 해결하기 위해, 연결부(20)는 각 상의 변류기에 의한 유도 전원을 정류 회로를 통하여 직류 형태로 변환하여 전력을 더하도록 구성된다. 이러한 내용은 다른 결선 방식에도 적용될 수 있다.
다만, 이와 같은 직렬 결선 방식의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 하나의 변류기(10)에 4개의 정류소자가 연결되어야 하므로, 적어도 12개의 정류소자가 필요하다. 또한, 직렬 결선 방식은 하나의 변류기(10)에 1개의 캐패시터가 연결되어야 하므로, 적어도 3개의 캐패시터가 필요하다. 이러한 내용은, 도시하지 않았지만 병렬 결선 방식 및 직/병렬 혼합 결선 방식에도 그대로 적용된다. 즉, 일반 결선 방식의 경우, 많은 개수의 정류소자로 인해 전력 효율이 나빠져 최종 출력이 줄어들 수 있으며, 많은 개수의 캐패시터로 인해 부피가 커질 수 있다.
도 10 및 도 12는 3개의 변류기(10)에 대한 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식의 개략 구성을 나타내며, 도 11 및 도 13은 3개의 변류기(10)에 대한 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식의 상세 구성을 나타낸다.
델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은, 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 3개의 출력 노드(이하, 각각을 “A 노드”, “B 노드”, “C 노드”라 지칭함)를 포함한다. 이때, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 각 출력 노드의 전류가 정류된 후 합해져 출력단으로 출력되도록 연결된다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 델타 결선 방식은 제1코일 및 제2코일의 각 일단이 A 노드에 연결될 수 있고, 제1코일의 타단과 제3코일의 일단이 B 노드에 연결될 수 있으며, 제2코일 및 제3코일의 각 타단이 C 노드에 연결될 수 있다.
이때, 델타 결선 방식은 A 노드 내지 C 노드의 각 전류는 정류된 후 합해져 출력단으로 출력되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 11을 참조하면, 제1출력단(O1)과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자(D1 내지 D3)가 구비되되, 각 정류소자(D1 내지 D3)의 일단이 제1출력단(O1)에 연결될 수 있고, 각 정류소자(D1 내지 D3)의 타단이 각 노드(A 노드 내지 C 노드)에 연결될 수 있다. 또한, 제2출력단(O2)과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 다른 정류소자(D4 내지 D6)가 구비되되 각 정류소자(D4 내지 D6)의 타단이 제2출력단(O2)에 연결될 수 있고, 각 정류소자(D4 내지 D6)의 일단 각 노드(A 노드 내지 C 노드)에 연결될 수 있다. 또한, 제1출력단과 제2출력단 사이에 캐패시터가 연결될 수 있으며, 이 캐패시터에 최종 출력 전압이 인가될 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 와이 결선 방식은 제1코일 내지 제3코일의 각 일단이 서로 연결되되 N 노드에 연결될 수 있고, 제1코일의 타단이 A 노드에 연결될 수 있으며, 제2코일의 타단이 B 노드에 연결될 수 있고, 제3코일의 타단이 C 노드에 연결될 수 있다. 또한, 제1출력단과 제2출력단 사이에 캐패시터가 연결될 수 있다.
이때, 와이 결선 방식은 A 노드 내지 C 노드의 각 전류는 정류된 후 합해져 출력단으로 출력되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 13을 참조하면, 제1출력단(O1)과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자(D1 내지 D3)가 구비되되, 각 정류소자(D1 내지 D3)의 일단이 제1출력단(O1)에 연결될 수 있고, 각 정류소자(D1 내지 D3)의 타단이 각 노드(A 노드 내지 C 노드)에 연결될 수 있다. 또한, 제2출력단(O2)과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 다른 정류소자(D4 내지 D6)가 구비되되 각 정류소자(D4 내지 D6)의 타단이 제2출력단(O2)에 연결될 수 있고, 각 정류소자(D4 내지 D6)의 일단 각 노드(A 노드 내지 C 노드)에 연결될 수 있다. 또한, N 노드는 그라운드에 연결될 수 있다. 또한, 제1출력단과 제2출력단 사이에 캐패시터가 연결될 수 있으며, 이 캐패시터에 최종 출력 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 결선 방식은 3개인 각 상의 선로에 변류기(10)를 설치하는 방식이므로, 하나의 선로에 다수개의 변류기(10)를 설치하는 종래 보다 전력선(PL)에서의 전압강하를 줄일 수 있다. 특히, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 A 노드 내지 C 노드에 각각 2개의 정류소자가 연결되어야 하므로, 적어도 6개의 정류소자가 필요하다.
이에 따라, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 일반 결선 방식 보다 보다 적은 개수의 정류소자(일반 결선 방식의 1/2)를 가져 전력 효율을 높일 수 있다. 즉, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 하나의 선로를 이용할 경우 보다 1.7배만큼 높은 전류를 유도할 수 있다. 또한, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 3상 정류 회로를 통해 교류 전원을 직류 전원으로 변형하여 사용할 수 있으며 부하의 범위를 넓게 가져갈 수 있다. 또한, 델타 결선 방식 또는 와이 결선 방식은 일반 결선 방식 보다 적은 개수의 캐패시터(일반 결선 방식의 1/3)를 가져 장치의 부피를 크게 줄일 수 있다.
한편, 델타 결선 방식과 와이 결선 방식은 T-PI 변환을 통해 쉽게 등가적으로 표현이 가능하며, 부하(ZL)의 크기를 상대 변환을 통해 적합한 형태의 부하(ZL)를 선정할 수 있다.
도 14는 부하(ZL)의 크기에 따른 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식에 의한 전력선(PL)에서의 전압강하 및 유도된 전력의 크기 그래프를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 델타 결선 방식 및 와이 결선 방식은 부하(ZL)의 크기에 따라 전압강하 및 유도전력의 크기가 달라진다. 특히, 제1 크기(예를 들어, 75 Ohm) 이하의 부하(ZL)에서는 델타 결선 방식이 와이 결선 방식 보다 전압강하 및 유도전력이 크다. 또한, 제2 크기(예를 들어, 90 Ohm) 이상의 부하(ZL)에서는 와이 결선 방식이 델타 결선 방식 보다 전압강하 및 유도전력이 크다. 이와 같이 부하(ZL)의 특성에 따라 전압강하 및 유도전력의 크기가 달라지므로, S20에서는 자기장 에너지 하베스팅 장치(100)의 출력단에 연결되는 부하(ZL)의 특성에 따라 최적의 결선 방식, 즉 전압강하가 최소가 되거나 유도전력이 최대가 되는 결선 방식을 선택할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 전력선에서의 전압강하를 고려한 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치에 관한 것으로, 야외에 설치된 전력선이 주로 3상 전력선인 점을 반영함으로써 변류기의 개수가 늘어나더라도 전력선에서의 전압강하를 최소화시키면서 동시에 출력을 향상시키는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법 및 장치를 제공할 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (12)

  1. 코어와 코어 주변에 감긴 코일을 포함하되 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 복수의 변류기(current transformer; CT)를 결선하는 방법으로서,
    3상 전력선에서 각 상의 선로 상에 변류기를 설치하는 설치 단계; 및
    각 CT의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하며, 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 결선 방식을 선택하되 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식을 선택하거나 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식을 선택하는 연결 단계;를 포함하며,
    상기 결선 방식은 델타(△)결선 방식 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은 3개의 출력 노드를 포함하며,
    각 출력 노드의 전류는 정류된 후 합해져 출력단으로 출력되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식은,
    제1코일 및 제2코일의 각 일단이 A 노드에 연결되고, 제1코일의 타단과 제3코일의 일단이 B 노드에 연결되며, 제2코일 및 제3코일의 각 타단이 C 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 와이 결선 방식은,
    제1코일 내지 제3코일의 각 일단이 서로 연결되고, 제1코일의 타단이 A 노드에 연결되며, 제2코일의 타단이 B 노드에 연결되고, 제3코일의 타단이 C 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은,
    제1출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자가 구비되되 각 정류소자의 일단이 제1출력단에 연결되고 각 정류소자의 타단이 각 노드에 연결되며,
    제2출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자가 구비되되 각 정류소자의 타단이 제2출력단에 연결되고 각 정류소자의 일단이 각 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결선 방식은 직렬 결선 방식, 병렬 결선 방식 또는 이들의 혼합 결선 방식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 결선 방법.
  7. 코어와 코어 주변에 감긴 코일을 포함하되 자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하며, 3상 전력선에서 각 상의 선로 상에 설치되는 복수의 변류기(current transformer; CT); 및
    각 CT의 코일을 어느 한 결선 방식으로 연결하며, 출력단에 연결되는 부하의 특성에 따라 결선 방식의 선택이 가능하되 선로 측의 전압강하가 최소가 되는 결선 방식의 선택이 가능하거나 변류기의 최종 출력 특성이 최대가 되는 결선 방식의 선택이 가능한 연결부;를 포함하며,
    상기 결선 방식은 델타(△)결선 방식 또는 와이(Y) 결선 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은 3개의 출력 노드를 포함하며,
    각 출력 노드의 전류는 정류된 후 합해져 출력단으로 출력되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식은,
    제1코일 및 제2코일의 각 일단이 A 노드에 연결되고, 제1코일의 타단과 제3코일의 일단이 B 노드에 연결되며, 제2코일 및 제3코일의 각 타단이 C 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 와이 결선 방식은,
    제1코일 내지 제3코일의 각 일단이 서로 연결되고, 제1코일의 타단이 A 노드에 연결되며, 제2코일의 타단이 B 노드에 연결되고, 제3코일의 타단이 C 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 델타 결선 방식 또는 상기 와이 결선 방식은,
    제1출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자가 구비되되 각 정류소자의 일단이 제1출력단에 연결되고 각 정류소자의 타단이 각 노드에 연결되며,
    제2출력단과 A 노드 내지 C 노드의 사이에 각각 정류소자가 구비되되 각 정류소자의 타단이 제2출력단에 연결되고 각 정류소자의 일단이 각 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 결선 방식은 직렬 결선 방식, 병렬 결선 방식 또는 이들의 혼합 결선 방식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 에너지 하베스팅 장치.
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