KR101230608B1 - 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위한 급전장치 - Google Patents

급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위한 급전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위한 급전장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 제1공급로 및 제2공급로로 구성된 전력공급로를 세그먼트로 분할하여 전력을 공급하는 급전장치에 있어서, 각 세그먼트 내에서 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로에 각각 위치하는 제1선로 및 제2선로를 각각 구비하는 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 급전선로; 및 상기 N 개의 급전선로에 각각 전력을 공급하는 N 개의 급전전원을 포함하되, 각 급전선로에서, 제1선로의 일단부 및 제2선로의 일단부는 대응되는 급전전원에 연결되고, 상기 급전전원, 상기 제1선로 및 상기 제2선로는 폐루프를 형성하고, 각 급전선로마다 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 서로 다르도록 구성되어 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로를 형성함으로써 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로가 각 세그먼트별로 서로 다른 조합의 각 급전선로의 제1선로 및 제2선로로 이루어진 선로집합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 급전장치를 제공한다.

Description

급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위한 급전장치{Power Supply Apparatus for Segmentization of Power Supply Line with Minimal Power Supply Line Usage}
본 발명의 실시예는 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위한 급전장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위하여 각 세그먼트별로 서로 다른 급전전원을 사용하여 전류를 공급하도록 구성하는 경우 각 집전선로를 전체 전력공급로에 설치하고 각 집전선로를 필요에 따라 세그먼트의 경계에서 교차시키도록 하고 각 집전선로에 인가되는 전류의 위상을 제어함으로써 전력공급로 내의 급전을 원하는 세그먼트에 유효하게 전력을 공급하는 급전장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
세계 각국은 환경규제 강화와 석유자원 고갈, 석유의 가격인상 등으로 인해 친환경 자동차 개발에 대한 적극적 지원정책을 구사하고 있으며, 이런 정책적 방향에 부합하여 자동차 업체들은 친환경 자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있다. 이러한 상황에서 전기에너지를 사용하는 전기자동차 개발이 대표적인 차세대 자동차 기술 중 하나로 부상하고 있으나, 현재 개발중인 전기자동차는 1회 충전 주행거리, 무게, 가격, 충전 소요시간, 충전 인프라 구축 등에 한계가 뒤따르고 있다.
이런 배경 하에, 현재 전기자동차의 한계를 극복하고 궁극적으로 주행 중에 집전 및 충전이 이루어질 수 있는 온라인(On-Line) 전기자동차 시스템에 대한 기술개발이 진행 중에 있다.
하지만, 전체 도로 상에 하나의 급전코어 및 급전선로로 이루어진 급전장치를 설치하여 전기차의 운행에 필요한 전력을 충전하는 방식을 사용하는 경우, 전기차가 주행하지 않는 부분에도 급전선에 전류가 흘러 불필요한 전력의 낭비를 초래할 뿐만 아니라 급전선에 흐르는 전류에 의해 급전선로 상의 많은 부분에 불필요한 자기장이 발생하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하는 대표적인 기술 중 하나로, 급전선을 여러 개의 세그먼트(Segment)로 나누어 도로에 매설하고 진행중인 차량에 전력을 공급하는 기술이다.
도 1은 도로상을 주행하는 전기자동차를 주행로상에서 횡으로 절단한 단면을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에서 X방향으로 바라보되 급전선로부(120)를 구성하는 제1전력공급로 및 제2전력공급로만 도시하고 하나의 전력공급로를 이루는 구역을 다수의 세그먼트로 나누어 급전 전력을 공급하는 경우를 예시하되, 세그먼트의 갯수가 2개인 경우를 예시한 도면이고, 도 3은 세그먼트의 갯수가 4개인 경우를 예시한 도면이다. 즉, 도 2에서 Y측에서 바라본 단면을 도시한 것이 도 1의 제1전력공급로 및 제2전력공급로가 된다.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하면서 설명한다.
한편, 도 1에서 ⓧ 표시는 전류가 흘러 들어가는 방향임을 표시한 것이고, ⊙ 표시는 전류가 흘러 나오는 방향임을 예시한 것이다. 또한 ⓧ 표시 및 ⊙ 표시를 각각 하나만 하였으나 이것이 급전선로부(120)를 구성하는 도선이 반드시 하나만으로 이루어짐을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 도로상을 주행하는 전기자동차를 주행로상을 횡으로 절단한 것으로 묘사하였으나 철로를 주행하는 열차를 횡으로 절단한 경우도 유사한 형태가 된다. 도 1에서 제1전력공급로 및 제2전력공급로는 인버터부(110)에 연결되어 폐회로를 형성하며, 인버터부(210)는 제1전력공급로 및 제2전력공급로가 형성하는 급전선로부(120)에 급전전력을 공급한다.
도 2 및 도 3에서 전력공급로를 구성하는 급전선로부는 제1전력공급로 및 제2전력공급로의 쌍으로 이루어질 수 있으며, 제1전력공급로 및 제2전력공급로는, 예컨대 각각 철로의 레일 한측과 다른 한측에 레일의 길이방향으로 설치되고 제1전력공급로 및 제2전력공급로의 하부에는 급전코어가 설치됨으로써 열차에 장착된 집전장치(110)를 이용하여 집전을 하여 열차의 전력원으로 사용할 수 있도록 전력을 급전하는 역할을 한다.
도 3에 도시하듯이, 인버터(210)부에 연결된 복수의 급전선로(321, 322, 323, 324)로 나누어 인버터(210)부가 세그먼트를 구성하는 급전선로에 전력을 공급하도록 급전선로부(120)를 구성하는 경우, 전기차가 주행하는 구역의 하부에 위치한 세그먼트의 급전선로에만 전력이 공급되어 해당 급전선로 세그먼트에만 전력을 공급하도록 하는 장점이 있다. 이와 같은 모듈화된 급전장치에 대한 사항은 한국공개특허 10-2011-0068424(2011.06.22. 모듈화된 전기자동차용 급전장치)에 개시되어 있다. 하지만, 도 2 또는 도 3에서와 같이 구성된 급전선로 세그먼트에 전력을 공급하는 경우, 각 급전선로마다 전력공급로 상의 급전에 필요한 용량만큼의 케이블이 필요하다. 즉, n 개의 세그먼트에 전력을 공급하는 급전선로에 대하여 각 세그먼트의 길이가 동일하고 각 급전선로의 케이블 용량을 C라 가정할 경우, 전체 급전선로부(120)를 구성하는 케이블의 용량은 수학식 1과 같다.
Figure 112011066576208-pat00001
따라서, 수학식 1에 나타난 바와 같이 전체 급전선로부(120)를 구성하는 케이블의 용량은 급전선로의 갯수(즉, n)의 제곱에 비례하는 것을 알 수 있어, 급전선로의 갯수(즉, 세그먼트의 갯수와 동일)가 늘어날 경우 전체 급전선로부(120)를 구성하는 케이블의 용량이 기하급수적으로 늘어나는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위하여 각 세그먼트별로 서로 다른 급전전원을 사용하여 전류를 공급하도록 구성하는 경우 각 집전선로를 전체 전력공급로에 설치하고 각 집전선로를 필요에 따라 세그먼트의 경계에서 교차시키도록 하고 각 집전선로에 인가되는 전류의 위상을 제어함으로써 전력공급로 내의 급전을 원하는 세그먼트에 유효하게 전력을 공급하는 것이 주된 목적이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 제1공급로 및 제2공급로로 구성된 전력공급로를 세그먼트로 분할하여 전력을 공급하는 급전장치에 있어서, 각 세그먼트 내에서 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로에 각각 위치하는 제1선로 및 제2선로를 각각 구비하는 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 급전선로; 및 상기 N 개의 급전선로에 각각 전력을 공급하는 N 개의 급전전원을 포함하되, 각 급전선로에서, 제1선로의 일단부 및 제2선로의 일단부는 대응되는 급전전원에 연결되고, 상기 급전전원, 상기 제1선로 및 상기 제2선로는 폐루프를 형성하고, 각 급전선로마다 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 서로 다르도록 구성되어 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로를 형성함으로써 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로가 각 세그먼트별로 서로 다른 조합의 각 급전선로의 제1선로 및 제2선로로 이루어진 선로집합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 급전장치를 제공한다.
상기 교차는 상기 세그먼트 사이의 경계에서 이루어질 수 있다.
상기 N 개의 급전선로는 제1 급전선로 및 제2 급전선로를 포함하되, 상기 제1 급전선로에서는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 0이고, 상기 제2 급전선로에서는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 1인 것일 수 있다.
상기 제2 급전선로에서는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 지점은 상기 전력공급로 상의 중앙부에 위치할 수 있다.
상기 N 개의 급전선로는 제3 급전선로 및 제4 급전선로를 더 포함하되, 제3 급전선로에서 제1선로 및 제2선로는 교차되는 횟수가 2이되 상기 제2 급전선로의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점과 상기 전력공급로의 일단부 사이의 지점과, 상기 제1교차점과 상기 전력공급로의 타단부 사이의 지점에서 각각 교차되고, 제4 급전선로는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 3이되, 상기 전력공급로 상의 상기 제2 급전선로의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점, 제1교차점과 상기 전력공급로의 일단부 사이의 어느 한 지점, 상기 제1교차점과 상기 전력공급로의 타단부 사이의 어느 한 지점에서 각각 교차될 수 있다.
상기 세그먼트의 갯수는 2n(단, n은 1보다 큰 정수)일 수 있다.
상기 세그먼트의 갯수는 급전선로의 갯수와 같을 수 있다.
상기 N 개의 급전전원은, 직류 전원입력의 일측과 타단 사이에 2개의 스위칭소자가 직렬 연결된 회로인 레그를 (N+1) 개 병렬로 연결하고, 상기 (N+1) 개의 레그 중에서 서로 다른 한 쌍의 레그에 대하여 각 레그 내에서 스위칭소자가 연결된 접점 사이에 하나의 급전선로를 연결하여 풀 브릿지 형태를 이루는 방식으로 상기 N 개의 급전선로에 전력을 공급할 수 있다.
상기 N 개의 급전전원은, 모두가 같은 위상을 갖는 전류를 급전하거나, 상기 N 개의 급전선로 중에서 절반의 급전선로와 나머지 급전선로에 흐르는 전류 사이의 위상을 서로 반대가 되도록 급전할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위하여 각 세그먼트별로 서로 다른 급전전원을 사용하여 전류를 공급하도록 구성하는 경우 각 집전선로를 전체 전력공급로에 설치하고 각 집전선로를 필요에 따라 세그먼트의 경계에서 교차시키도록 하고 각 집전선로에 인가되는 전류의 위상을 제어함으로써 전력공급로 내의 급전을 원하는 세그먼트에 유효하게 전력을 공급하는 효과가 있다.
도 1은 도로상을 주행하는 전기자동차를 주행로상에서 횡으로 절단한 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 X방향으로 바라보되 급전선로부(120)를 구성하는 제1전력공급로 및 제2전력공급로만 도시하고 하나의 전력공급로를 이루는 구역을 다수의 세그먼트로 나누어 급전 전력을 공급하는 경우를 예시하되, 세그먼트의 갯수가 2개인 경우를 예시한 도면이다.
도 3은 세그먼트의 갯수가 4개인 경우를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치를 예시한 도면이다.
도 5는 도 4에서 제1급전선로(410) 및 제1급전전원(510) 부분만 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에서 제2급전선로(420) 및 제2급전전원(520) 부분만 도시한 도면이다.
도 7은 도 4에서 제3급전선로(430) 및 제3급전전원(530) 부분만 도시한 도면이고, 도 8은 도 4에서 제4급전선로(440) 및 제4급전전원(540) 부분만 도시한 도면이다.
도 9는 급전부(450)를 상세히 도시한 도면이다.
도 10은 2개의 급전선로(A, B)를 이용하여 두개의 세그먼트로 나누어진 전력공급로에 급전하는 경우의 전류의 방향과 그에 따른 전력공급로 상의 전체 전류량을 테이블로 예시한 도면이다.
도 11은 4개의 급전선로(A, B, C, D)를 이용하여 4개의 세그먼트로 나누어진 전력공급로에 급전하는 경우의 전류의 방향과 그에 따른 전력공급로 상의 전체 전류량을 테이블로 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치를 예시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치는 제1공급로 및 제2공급로로 구성된 전력공급로를 세그먼트로 분할하여 전력을 공급하는 장치로서, N(N은 2 이상의 자연수) 개의 급전선로(410, 420, 430, 440), 각 급전선로(410, 420, 430, 440)에 각각 전력을 공급하는 급전전원 N 개로 구성된 급전부(450)를 포함한다.
각 급전선로(410, 420, 430, 440)는 제1공급로 및 제2공급로에 각각 위치하는 제1선로 및 제2선로를 각각 구비하고, 제1선로는 해당 급전전원의 한쪽 단자와 연결되고 제2선로는 해당 급전전원의 다른쪽 단자와 연결된다. 즉, 제1선로의 일단부 및 제2선로의 일단부는 대응되는 급전전원에 연결되고 제1선로의 타단부 및 제2선로의 타단부는 서로 연결되어 폐루프를 형성한다.
도 5는 도 4에서 제1급전선로(410) 및 제1급전전원(510) 부분만 도시한 도면이다.
즉, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 급전선로(410)는 제1선로(412) 및 제2선로(414)를 포함하고, 제1선로(412)의 일단부 및 제2선로(414)의 일단부는 대응되는 제1급전부(510)에 연결되고 제1선로(412)의 타단부 및 제2선로(414)의 타단부는 서로 연결되어 폐루프를 형성한다.
도 6은 도 4에서 제2급전선로(420) 및 제2급전전원(520) 부분만 도시한 도면이다.
즉, 도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 급전선로(420)는 제1선로(422) 및 제2선로(424)를 포함하고, 제1선로(422)의 일단부 및 제2선로(424)의 일단부는 대응되는 제2급전부(520)에 연결되고 제1선로(422)의 타단부 및 제2선로(424)의 타단부는 서로 연결되어 폐루프를 형성한다.
도 7은 도 4에서 제3급전선로(430) 및 제3급전전원(530) 부분만 도시한 도면이고, 도 8은 도 4에서 제4급전선로(440) 및 제4급전전원(540) 부분만 도시한 도면이다.
여기서, 각 급전선로(410, 420, 430, 440)의 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수는 각 급전선로(410, 420, 430, 440)마다 서로 다르도록 형성된다. 즉, 도 4 내지 도 8에서 도시하듯이, 제1 급전선로(410)는 제1선로(412) 및 제2선로(414)가 교차되는 횟수는 0이고, 제2 급전선로(420)는 제1선로(422) 및 제2선로(424)가 교차되는 횟수는 1이 된다. 또한, 제3 급전선로(430)는 제1선로(432) 및 제2선로(434)가 교차되는 횟수는 2이고, 제4 급전선로(4240)는 제1선로(442) 및 제2선로(444)가 교차되는 횟수는 4가 된다.
도 4에 도시한 봐와 같이, 각 급전선로(410, 420, 430, 440)마다 서로 다른 횟수로 제1선로 및 제2선로가 교차되어 제1공급로 및 제2공급로를 형성함으로써 각 세그먼트별로 서로 다른 조합의 각 급전선로의 제1선로 및 제2선로로 이루어질 수 있다.
한편, 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 제1선로 및 제2선로 사이의 교차는 세그먼트 사이의 경계에서 이루어진다. 또한, 세그먼트들의 길이는 일정한 것이 아니며, 서로 다른 길이가 되도록 세그먼트를 구성할 수도 있으며, 결과적으로 세그먼트는 어떤 급전선로(410, 420, 430, 440)의 제1선로 및 제2선로가 교차되는 경우가 발생하는 지점이 세그먼트의 경계가 된다.
도 4에서 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같은 제1급전선로(410) 및 제2급전선로(420)가 전력공급로 상에 존재하는 경우에, 제1급전선로(410)는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 0이고, 제2급전선로(420)는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 1이되 상기 전력공급로 상의 어느 한 지점에서 교차하도록 한다. 예컨대 교차 지점은 전력공급로 상의 중앙부일 수도 있으며, 이 교차지점이 세그먼트의 경계 역할을 한다.
또한, 도 4에서, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같은 제3 급전선로(430) 및 제4 급전선로(440)가 전력공급로 상에 더 존재하는 경우에, 제3 급전선로(430)에서 제1선로 및 제2선로는 교차되는 횟수가 2이되, 제2 급전선로(420)의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점과 전력공급로의 일단부(즉, 제3급전전원(520)과 제3 급전선로(430)의 연결단) 사이의 어느 한 지점과, 전력공급로의 타단부(즉, 제3 급전선로(430)의 제1선로와 제2선로가 연결되는 지점) 사이의 어느 한 지점에서 각각 교차된다.
또한, 이 경우 제4 급전선로(440)는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 3이되, 전력공급로 상의 제2 급전선로(420)의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점, 제1교차점과 전력공급로의 일단부 사이의 어느 한 지점, 제1교차점과 전력공급로의 타단부 사이의 어느 한 지점에서 각각 교차된다.
도 4에서 도시하듯이, 세그먼트의 갯수는 급전선로의 갯수와 같도록 한다.
도 9는 급전부(450)를 상세히 도시한 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, N 개의 급전전원은, 직류 전원입력의 일측과 타단 사이에 2개의 스위칭소자가 직렬 연결된 회로인 레그를 (N+1) 개 병렬로 연결하고, (N+1) 개의 레그 중에서 서로 다른 한 쌍의 레그에 대하여 각 레그 내에서 스위칭소자가 연결된 접점 사이에 하나의 급전선로를 연결하여 풀 브릿지 형태를 이루는 방식으로 N 개의 급전선로에 전력을 공급할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 급전부(450)는 N 개의 급전선로(410, 420, 430, 440)에 전력을 공급하는 N 개의 급전전원(510, 520, 530, 540)을 구비한다. 본 실시예에서 N은 4인 경우를 예를 들어 설명한다.
급전부(450)는 도 9에 예시하듯이, 직류 입력단 일측과 타단 사이에 2개의 스위칭소자가 직렬 연결된 회로인 레그(Leg)를 (N+1)개 병렬로 연결하고, (N+1) 개의 레그(941, 942, 943, 944, 945) 중에서 두개의 레그에 대하여 각 레그 내에서 스위칭소자가 서로 연결된 접점 사이에 각 급전 세그먼트 내의 급전선을 연결하여 풀 브릿지 형태를 이루는 방식으로 N 개의 급전선에 전력을 공급한다.
즉, 레그(941, 942, 943, 944, 945)는 가령 공진형 인버터로서 직류입력에 대한 스위칭 전압을 생성하기 위하여 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)와 같은 복수의 스위칭소자(Q1A ~ Q5B)를 포함한다.
도 9에 도시하듯이, 급전부(450)는 복수의 전선로(410, 420, 430, 440)의 형태로 구성되기 때문에 레그(941, 942, 943, 944, 945)가 5 개로 구성되는 경우 레그의 각 스위칭소자를 구동시켜 4 개의 공진형 단위인버터를 구성할 수 있다. 또한, 급전선로(410, 420, 430, 440)를 레그(941, 942, 943, 944, 945)에 연결하는 방법의 하나로, 도 9과 같이 물리적으로 서로 이웃한 레그 사이에 각 급전선로를 연결하는 방법을 사용할 수 있다.
즉, 하나의 레그와 다른 하나의 레그 사이에 하나의 급전선로를 연결하고, 이미 연결된 두 레그 중에서 하나의 레그와 급전선로가 연결되지 않은 다른 레그 중에서 하나의 레그 사이에 다른 급전선로를 연결하면 결과적으로 두개의 급전선로가 연결된 상태가 된다. 여기에 다시 세번째 급전선로를 연결하는 경우, 이미 급전선로가 연결된 레그 중에서 하나의 레그와 급전선로가 연결되지 않은 다른 레그 중에서 하나의 레그 사이에 또 다른 급전선로를 연결하면 세번째 급전선로가 연결된 상태가 된다.
제1 및 제2 스위칭소자(Q1A, Q1B), 제3 및 제4 스위칭소자(Q2A, Q2B), 제5 및 제6 스위칭소자(Q3A, Q3B), 제7 및 제8 스위칭소자(Q4A, Q4B), 그리고 제9 및 제10 스위칭소자(Q5A, Q5B)는 직류입력의 양단 사이에서 일대 일로 각각 대응 및 전기적으로 연결되어 제1 레그(Leg) 내지 제5 레그를 이룬다. 여기서, 제1레그(941) 및 제2 레그(942)는 제1급전전원(510)을 형성하여 제1급전선로(410)에 전력을 공급하고, 제2레그(942) 및 제3 레그(943)는 제2급전전원(520)을 형성하여 제2급전선로(420)에 전력을 공급하고, 제3레그(943) 및 제4 레그(944)는 제3급전전원(530)을 형성하여 제3급전선로(430)에 전력을 공급하고, 제4레그(944) 및 제5 레그(945)는 제4급전전원(540)을 형성하여 제4급전선로(440)에 전력을 공급하게 된다.
이와 같은 제1급전전원(510), 제2급전전원(520), 제3급전전원(530) 및 제4급전전원(540)에 의해 각 급전선로(410, 420, 430, 440)에 선택적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 9와 같은 형태의 급전부(450)의 구성은 연결가능한 형태들 중에서 하나의 예를 나타낸 것이며, 본 발명의 급전부(450)는 도 9와 같은 형태로 연결된 것에 한정되지 않고 다양한 형태로 레그 사이에 급전선로(410, 420, 430, 440)를 연결할 수 있다.
도 10은 2개의 급전선로(A, B)를 이용하여 두개의 세그먼트로 나누어진 전력공급로에 급전하는 경우의 전류의 방향과 그에 따른 전력공급로 상의 전체 전류량을 테이블로 예시한 도면이다.
급전선로 A, B에서 그림과 같이 선로의 상측 일단부에서 오른쪽으로 전류가 흐르는 경우를 1, 그 반대 방향으로 흐르는 경우를 0이라 표현하면, 도 10의 테이블에서와 같이, 급전선로 A, B에서 각각 흐르는 전류의 양과 그 전류의 방향의 조합에 따라 세그먼트 1과 2에 발생하는 전체 자속의 양을 알 수 있다. 즉, A, B 모두에 동일한 방향(AB = 00 또는 11)으로 전류가 흐르고(엄밀하게는 위상이 서로 같은 동상의 전류가 흐르는 것을 의미함) 각 선로 A, B 에 흐르는 전류의 양이 각각 1의 양만큼 자속을 발생하는 경우 제1세그먼트에서 선로 A, B 에 흐르는 전류가 서로 자속을 더해주는 방향이 되므로 발생하는 자속의 양은 2가 된다. 반면에, 제2세그먼트에서 선로 A, B 에 흐르는 전류가 서로 자속을 감쇄하는 방향이 되므로 발생하는 전체 자속의 양은 0이 된다. 반대로 선로 A와 B가 서로 반대되는 방향(AB = 01 또는 01)으로 전류가 흐르고(엄밀하게는 선로 A와 B에서의 전류 위상이 반대가 되도록 전류가 흐르는 것을 의미함) 각 선로 A, B 에 흐르는 전류의 양이 각각 1인 경우 제1세그먼트에서 A 전류 및 B 전류의 방향이 서로 반대가 되므로 각 선로에서 발생하는 자속이 서로 상쇄가 되어 두 선로에서 발생하는 전체자속의 양은 0이 된다. 반면에, 제2세그먼트에서 A 전류 및 B 전류의 방향이 서로 동일하므로 각 선로에서 발생하는 자속이 서로 더해져서 제2세그먼트에서 발생하는 자속의 양은 선로 A 또는 B 하나만 흐르는 경우의 2배가 된다. 이 경우, 선로 A, B를 제1전력공급로 및 제2전력공급로 내에서 서로 가깝게 인접하여 설치할수록 이러한 현상이 더욱 두드러질 수 있다. 여기서 AB = 10 또는 11인 경우에 각 세그먼트에 발생하는 자속의 양을 (-)부호로 표시하였으나 급전선로 A, B에 흐르는 전류가 교류이어서 전류의 방향이 지속적으로 변하므로 부호는 큰 의미는 없다고 할 수 있다.
따라서, 각 급전선로의 전류의 방향(즉, 위상)을 결정하여 전류를 공급하면 급전하기를 원하는 세그먼트에 전력이 급전되도록 할 수 있다.
또한, 도 10의 경우 각 급전선로는 급전에 필요한 전류량의 1/2씩만 감당하면 된다. 따라서 전력공급로의 급전에 필요한 전체 전류량의 1/2씩만 감당하면 되므로 각 급전선로의 케이블의 용량도 급전에 필요한 전체 전류량의 1/2 크기를 감당할 수 있는 용량이면 된다. 도 2의 경우와 비교할 때 그 단면적이 1/2의 크기면 된다. 결국 전체적으로 급전에 필요한 케이블의 양은 (집전선로의 수)*(집전선로당 케이블 용량)이므로 총량은 1이 된다. 즉, 하나의 케이블로 전체 전력공급로를 급전하는 용량만큼만 필요하다. 따라서 전력공급로를 세그먼트화하여 다수의 급전선로로 급전을 하더라도 1개의 급전선로로 전체 전력공급로를 급전하는 경우에 비해 케이블의 총량은 차이가 없음을 알 수 있다.
도 11은 4개의 급전선로(A, B, C, D)를 이용하여 4개의 세그먼트로 나누어진 전력공급로에 급전하는 경우의 전류의 방향과 그에 따른 전력공급로 상의 전체 전류량을 테이블로 예시한 도면이다.
도 11에서, 급전선로 A, B, C, D에서 선로의 상측에서 오른쪽으로 전류가 흐르는 경우를 1, 그 반대 방향으로 흐르는 경우를 0이라 하면, 도 11의 테이블에서와 같이, 급전선로 A, B, C, D에서 각각 흐르는 전류의 양과 그 전류의 방향의 조합에 따라 세그먼트 1, 2, 3, 4에 발생하는 자속의 양을 알 수 있다. 즉, 각 선로 A, B, C, D에 흐르는 전류의 양이 각각 1의 양만큼 자속을 발생하는 경우, 급전선로 A, B, C, D에 흐르는 전류의 상대적인 방향에 따라 세그먼트에서 발생하는 자속의 양은 4가 되거나 0이 된다. 따라서 한 세그먼트 내에서 두개의 급전선로의 전류의 방향은 다른 두개의 급전선로의 전류의 방향과 반대가 되도록 하면, 해당 세그먼트에는 전류가 흐르지 않는 것처럼 작용하여 서로 자속이 상쇄되어 자속이 발생하지 않는다.
예를 들어, 제1세그먼트에서 ABCD=0000 또는 1111인 경우에 선로 간에 발생하는 자속이 더해지므로 자속의 양은 하나의 선로에서 발생하는 자속의 양의 4배가 된다. 반대로 제1세그먼트에서 ABCD=1010, 0101, 1100, 0011, 0110, 1001인 경우에는 선로 A, B, C, D 중에서 두개의 선로와 다른 두개의 선로의 전류의 방향이 서로 반대 방향이 되므로 제1세그먼트에서 발생하는 전체 자속의 양은 0이 된다.
따라서, 세그먼트를 4개로 나눈 경우에도 각 급전선로 사이의 전류의 방향(즉, 위상)을 결정하여 전류를 공급하면 급전하기를 원하는 세그먼트에 전력이 급전되도록 할 수 있다.
또한, 도 11의 경우 각 급전선로는 급전에 필요한 전류량의 1/4씩만 감당하면 된다. 따라서 급전에 필요한 전체 전류량의 1/4씩만 감당하면 되므로 각 급전선로의 케이블의 용량도 급전에 필요한 전체 전류량의 1/4 크기를 감당할 수 있는 용량이면 된다. 따라서 도 2의 경우와 비교할 때 각 선로의 단면적이 1/4의 크기면 된다. 결국 전체적으로 급전에 필요한 케이블의 양은 (집전선로의 수)*(집전선로당 케이블 용량) = n × 1/n 이므로 총량은 1이 된다. 즉, 하나의 케이블로 전체 전력공급로를 급전하는 용량만큼만 필요하다. 따라서 전력공급로를 세그먼트화하여 다수의 급전선로로 급전을 하더라도 1개의 급전선로로 전체 전력공급로를 급전하는 경우에 비해 케이블의 총량은 차이가 없음을 알 수 있다.
이와 같이 나누는 세그먼트의 갯수에 상관없이 본 발명의 사상을 적용하면 원하는 세그먼트에 전류를 급전할 수 있을 뿐만 아니라, 전체 선로에 사용되는 케이블의 총량을 증가시키지 않고도 유효하게 각 세그먼트에 전력을 공급할 수 있다.
따라서, N 개의 급전선로(410, 420, 430, 440)에 흐르는 전류의 위상은 모두가 같은 위상을 갖거나, N 개의 급전선로(410, 420, 430, 440) 중에서 절반의 급전선로와 나머지 급전선로에 흐르는 전류 사이의 위상을 서로 반대가 되도록 급전함으로써 원하는 세그먼트에만 자속이 발생하도록 제어할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치는 각 급전선로에 전류를 공급하기 위하여 도 10 또는 도 11과 같은 테이블을 참조하여 원하는 세그먼트에 급전전류를 공급하기 위하여 각 급전전원(510, 520, 530, 540)의 스위칭소자(Q1A ~ Q5B)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 세그먼트의 갯수는 절반씩 서로 다른 위상의 전류가 공급되도록 하기 위하여 짝수 갯수가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 각 급전선로가 개별적인 급전전원에 의해 전력공급을 하는 경우, 가능하다면 어느 하나의 전력공급로의 세그먼트에만 전력을 공급할 수 있도록 하기 위해서는 세그먼트의 수 및 급전선로의 갯수가 각각 2n(단, n은 1보다 큰 정수)가 되도록 할 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 급전선로 사용량을 최소화하여 세그멘트화하기 위하여 각 세그먼트별로 서로 다른 급전전원을 사용하여 전류를 공급하도록 구성하는 경우 각 집전선로를 전체 전력공급로에 설치하고 각 집전선로를 필요에 따라 세그먼트의 경계에서 교차시키도록 하고 각 집전선로에 인가되는 전류의 위상을 제어함으로써 전력공급로 내의 급전을 원하는 세그먼트에 유효하게 전력을 공급하는 효과를 발생하는 유용한 발명이다.

Claims (6)

  1. 제1공급로 및 제2공급로로 구성된 전력공급로를 세그먼트로 분할하여 전력을 공급하는 급전장치에 있어서,
    각 세그먼트 내에서 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로에 각각 위치하는 제1선로 및 제2선로를 각각 구비하는 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 급전선로; 및
    상기 N 개의 급전선로에 각각 전력을 공급하는 N 개의 급전전원
    을 포함하되,
    각 급전선로에서, 제1선로의 일단부 및 제2선로의 일단부는 대응되는 급전전원에 연결되고, 상기 급전전원, 상기 제1선로 및 상기 제2선로는 폐루프를 형성하고,
    각 급전선로마다 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 서로 다르도록 구성되어 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로를 형성함으로써 상기 제1공급로 및 상기 제2공급로가 각 세그먼트별로 서로 다른 조합의 각 급전선로의 제1선로 및 제2선로로 이루어진 선로집합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 급전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교차는 상기 세그먼트 사이의 경계에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 급전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 N 개의 급전선로는 제1 급전선로 및 제2 급전선로를 포함하되,
    상기 제1 급전선로에서는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 0이고,
    상기 제2 급전선로에서는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 1인 것을 특징으로 하는 급전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 N 개의 급전선로는 제3 급전선로 및 제4 급전선로를 더 포함하되,
    제3 급전선로에서 제1선로 및 제2선로는 교차되는 횟수가 2이되 상기 제2 급전선로의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점과 상기 전력공급로의 일단부 사이의 지점과, 상기 제1교차점과 상기 전력공급로의 타단부 사이의 지점에서 각각 교차되고,
    제4 급전선로는 제1선로 및 제2선로가 교차되는 횟수가 3이되, 상기 전력공급로 상의 상기 제2 급전선로의 제1선로 및 제2선로가 교차하는 제1교차점, 제1교차점과 상기 전력공급로의 일단부 사이의 어느 한 지점, 상기 제1교차점과 상기 전력공급로의 타단부 사이의 어느 한 지점에서 각각 교차되는 것을 특징으로 하는 급전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 N 개의 급전전원은,
    직류 전원입력의 일측과 타단 사이에 2개의 스위칭소자가 직렬 연결된 회로인 레그를 (N+1) 개 병렬로 연결하고, 상기 (N+1) 개의 레그 중에서 서로 다른 한 쌍의 레그에 대하여 각 레그 내에서 스위칭소자가 연결된 접점 사이에 하나의 급전선로를 연결하여 풀 브릿지 형태를 이루는 방식으로 상기 N 개의 급전선로에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 급전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 N 개의 급전전원은,
    모두가 같은 위상을 갖는 전류를 급전하거나, 상기 N 개의 급전선로 중에서 절반의 급전선로와 나머지 급전선로에 흐르는 전류 사이의 위상을 서로 반대가 되도록 급전하는 것을 특징으로 하는 급전장치.
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