KR101986362B1 - 고주파 전원 전달 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 전원 전달 장치에 관한 것으로, 무선전력전송장치를 통해 무선 방식으로 인가받은 전원을 기 지정된 고주파 전원으로 변환하는 고주파 변환부; 조가선에 설치되어 상기 변환된 고주파 전원을 유선으로 인가받는 제1 전력 커플러; 상기 제1 전력 커플러에서 발생한 자기장에 의해 상기 조가선에 유기된 고주파 전원을 전달받는 제2 전력 커플러; 및 조가선-전차선-드로퍼 구조의 고유한 공진 주파수에 맞추기 위하여 상기 각 전력 커플러에 연결되는 커패시터 소자;를 포함하고, 상기 제2 전력 커플러가 상기 전달받은 고주파 전원을, 상기 조가선에 설치되어 상시 구동 전원을 필요로 하는 기 지정된 전기 장치에 유선으로 인가하도록 구성된다.

Description

고주파 전원 전달 장치{HIGH FREQUENCY POWER TRANSMISSION APPARATUS}

본 발명은 고주파 전원 전달 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철로의 조가선에 설치되어 상시 구동 전원이 필요한 임의의 전기 장치에 공진 주파수 특성을 이용해 무선 방식으로 고주파 전원을 전달할 수 있도록 하는 고주파 전원 전달 장치에 관한 것이다.

대부분의 철도 차량은 상부의 가선에 판토그래프를 접촉시켜 전원을 공급 받으며, 이를 위해 레일 위의 공중에 전차선이라는 고압의 가선을 설치해 놓는다.

상기 전차선은 25(kV)에 해당하는 특고압 상태에 있으므로, 근처에 사람이 접근하는 것은 매우 위험하다. 이에 따라 역사 근처에는 전차선 구조 중 하나인 조가선에 도 1에 도시된 바와 같은 고압위험표지를 매달아 놓는다.

그러나 상기 고압위험표지는 단순히 일반 패널에 위험을 알리는 문구가 적혀 있어서 전차선의 활선상태를 감지하지 못하고, 어두운 상태에서는 사람의 눈에 잘 보이지 않는 단점이 있다. 이에 따라 안전관리 측면에서 유지보수 작업자 및 일반 사람들의 눈에 잘 뜨이고, 또한 일반적인 경고 수준보다 더 높은 수준의 안전표지장치가 요구되고 있다.

상기와 같은 요구에 따라 최근에는 위험표지장치에 보조전원을 공급하여 이에 내장된 조명(LED 조명)을 점등하고, 활선감지센서를 탑재하여 전차선의 활선상태를 나타내 주는 장치 등이 개발되고 있으나, 상기 전차선의 고압부는 매우 높은 전압으로 인해 전주에 절연애자를 이용하여 전기적으로 저압부와 분리되어 있어서, 만약 외부의 보조전원을 유선으로 바로 연결하게 되면 위험표지장치의 절연이 파괴되어 일반적인 보조전원을 공급하기 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 기존에는 배터리 시스템을 이용한 전원 공급 방법, 태양광 발전 시스템을 이용한 전원 공급 방법, 전차선 전기에너지 하베스팅을 이용한 전원 공급 방법 등이 제안되었다.

그러나 상기 배터리 시스템을 이용한 전원 공급 방법은, 배터리 수명이 다되면 교체를 해 주어야 하는데, 이때 가선의 가압을 해제해야 하기 때문에 유지보수 비용이 크게 발생하는 문제점이 있다.

또한 상기 태양광 발전 시스템을 이용한 전원 공급 방법은, 고압부에 반영구적인 독립 발전장치를 설치하는 것인데, 이는 태양광이 없는 흐린 날이나 밤에는 에너지 수집이 어렵고 일정한 크기의 에너지를 꾸준히 얻을 수 없는 문제점이 있다.

또한 상기 변류기를 이용한 전차선 전기에너지 하베스팅 방법은, 전차선에 전류가 흐를 때 자기장 커플링을 이용하여 약간의 에너지를 수집하는 방법인데, 전차선에는 수백 암페어의 큰 전류가 흐르므로 에너지 수집은 가능하다. 하지만 전차선 구조에서는 일반적인 송전선과 다르게 열차가 지나갈 때에만 전류가 흐르고, 또한 전류가 전차선과 조가선이라는 보조도선에 병렬로 흐르기 때문에 부하장치를 조가선에 연결할 경우 조가선에 흐르던 전류가 전차선으로 우회하여 흐를 가능성이 있어 비효율적인 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1728149호(2017.04.12. 등록, 전원 공급용 원거리 무선전력전송장치)에 개시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 철로의 조가선에 설치되어 상시 구동 전원이 필요한 임의의 전기 장치에 공진 주파수 특성을 이용해 무선 방식으로 고주파 전원을 전달할 수 있도록 하는 고주파 전원 전달 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 고주파 전원 전달 장치는, 무선전력전송장치를 통해 무선 방식으로 인가받은 전원을 기 지정된 고주파 전원으로 변환하는 고주파 변환부; 조가선에 설치되어 상기 변환된 고주파 전원을 유선으로 인가받는 제1 전력 커플러; 상기 제1 전력 커플러에서 발생한 자기장에 의해 상기 조가선에 유기된 고주파 전원을 전달받는 제2 전력 커플러; 및 조가선-전차선-드로퍼 구조의 고유한 공진 주파수에 맞추기 위하여 상기 각 전력 커플러에 연결되는 커패시터 소자;를 포함하고, 상기 제2 전력 커플러가 상기 전달받은 고주파 전원을, 상기 조가선에 설치되어 상시 구동 전원을 필요로 하는 기 지정된 전기 장치에 유선으로 인가하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 전력 커플러와 동일한 형태를 갖는 적어도 하나 이상의 전력 커플러가 기 지정된 간격으로 추가 배치되어, 상기 제1 전력 커플러로부터 전달되는 고주파 전원을 전달받도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러는, 토로이달 형태의 공진 코일이 지지대에 감긴 형태로 형성되며, 상기 공진 코일은 내부에 마그네틱 코어가 없는 형태이고, 공진 주파수를 조절하기 위한 커패시터 소자가 연결되며, 상기 공진 코일은 토로이달 형태를 유지하기 위해 플라스틱으로 형성된 지지대에 감긴 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러는, 상기 드로퍼의 길이 및 드로퍼 간 전차선이나 조가선의 간격에 따라, 상기 고주파 전원의 전달 특성이나 공진 특성을 조절하기 위하여, 상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러를 형성하는 지지대의 내부 지름(ri), 외부 지름(ro), 두께나 높이(h), 커패시터 값 및 상기 지지대에 감기는 코일의 턴수(turn)가 조절되게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 철로의 조가선에 설치되어 상시 구동 전원이 필요한 임의의 전기 장치에 공진 주파수 특성을 이용해 무선 방식으로 고주파 전원을 전달할 수 있도록 한다.

도 1은 기존에 전차선 구조 중 하나인 조가선에 매달아 놓는 고압위험표지를 예시적으로 보인 사진.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 고주파 전원 전달 장치가 설치되는 형태를 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치가 최적의 효율로 전원을 전달하기 위한 공진 주파수 산출 및 전력 커플러의 형태를 산출하는 실험 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 5는 상기 도 2에 있어서, 전력 커플러의 개략적인 형상을 보인 사진과 본 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치의 성능 시험 장면을 보인 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고주파 전원 전달 장치의 일 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치는, 무선전력전송장치(100)를 통해 전송받은 전원을 조가선에 설치된 위험표지장치(300)가 있는 위치까지 전달한다.

상기 무선전력전송장치(100)는 고전압이 간헐적으로(예 : 철도 차량 통과 시) 인가되는 전차선에 부착된 임의의 전기 장치(예 : 위험표지장치)에 저전압 전원(예 : 상용전원)을 상시 인가하기 위한 장치이다.

이에 따라 상기 고전압을 이용해 상기 임의의 전기 장치(예 : 위험표지장치)에 상시 전원을 공급하기에는 효율성이 떨어지기 때문에 가능하면 외부에서 저전압 전원(예 : 상용전원)을 공급받아 상기 임의의 전기 장치(예 : 위험표지장치)에 상시 전원으로서 공급하는 것이 바람직하다. 그런데 상기 저전압 전원을 유선 방식으로 상기 고전압 라인(즉, 전차선)에 공급할 경우에는 쇼트 발생 시 고전압이 저전압 라인으로 유입되는 사고가 발생할 수 있다.

따라서 무선전력전송장치(100)는 저전압 전원(예 : 상용전원)을 무선 방식으로 상기 고전압 라인(즉, 전차선)에 부착된 임의의 전기 장치(예 : 위험표지장치)에 인가함으로써, 상기 고전압 라인과 상기 저전압 라인 간에 쇼트 발생 위험을 방지할 수 있도록 한다. 다만 상기 무선전력전송장치(100)는 상기 배경기술에 공지된 기술(예 : 대한민국 등록특허 10-1728149호)을 이용할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 무선전력전송장치(100)의 무선전력송신장치(110)가 상용전원(예 : 220V 60Hz)을 각 장치에서 미리 정해진 주파수(예 : Airfuel 규격의 경우 6.78MHz)로 변환하여 무선 방식으로 전송하면, 이를 상기 무선전력전송장치(100)의 무선전력수신장치(120)가 수신한다.

이에 따라 본 실시예에 따른 고주파 전원 전달 장치의 고주파 변환부(210)가 상기 무선전력수신장치(120)에서 출력된 전원을 기 지정된 고주파 전원으로 변환한다. 이때 상기 고주파 변환부(210)를 통해서 변환되는 전압의 주파수는 상기 무선전력전송장치(100)에서 무선전력전송을 위해 변환하는 주파수와 무관하다.

즉, 상기 고주파 변환부(210)를 통해서 변환되는 전압의 주파수는, 상기 무선전력전송장치(100)를 통해 전송받은 전원을 조가선에 설치된 위험표지장치(300)가 있는 위치까지 전달하기 위한 일종의 공진 주파수에 해당하는 것이므로, 상기 무선전력전송장치(100)에서의 주파수와는 차이가 있다(도 4의 (b) 참조).

상기 고주파 변환부(210)를 통해 기 지정된 고주파 전원으로 변환된 고주파 전원은 조가선에 설치된 비접촉 결합기(220a)(또는 제1 전력 커플러)에 인가된다. 즉, 상기 조가선에 설치된 비접촉 결합기(220a)(또는 제1 전력 커플러)는 상기 고주파 변환부(210)를 통해 출력되는 고주파 전원을 유선으로 인가받는다.

이때 만약 상기 무선전력수신장치(120)에서 출력되는 전압의 주파수가 원하는 주파수인 경우에는 상기 고주파 변환부(210)는 사용하지 않을 수도 있다. 즉, 상기 무선전력수신장치(120)의 출력 전원을 상기 조가선에 설치된 비접촉 결합기(220a)(또는 제1 전력 커플러)에 직접 인가할 수도 있다.

한편 상기 고주파 전원을 인가받은 비접촉 결합기(220a)(또는 제1 전력 커플러)는 그 형태적인 특성(도 5의 (a) 참조)에 따라 자기장이 발생하고, 자기장에 의해 조가선에 전류가 유기되어 제2 전력 커플러(220b)에 전달되고(즉, 고주파 전원이 전달되고), 추가적으로 제3 전력 커플러(220c)가 설치되어 있을 경우에는 제3 전력 커플러(220c)에도 고주파 전원이 전달된다.

여기서 상기 제1, 제2, 제3 전력 커플러(220a ~ 220c)는 동일한 형태이지만, 상기 제1 전력 커플러(220a)는 상기 무선전력수신장치(120)나 상기 고주파 변환부(210)를 통해 유선으로 고주파 전원을 최초로 인가받기 때문에 비접촉 결합기(220a)라고 기재할 수도 있다.

상기 제1, 제2, 제3 전력 커플러(220a ~ 220c)의 형태는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 토로이달 형태의 공진 코일이 지지대에 감긴 형태이다.

여기서 상기 공진 코일은 로고스키(rogowski) 코일과 같이 내부에 마그네틱 코어가 없는 형태이고, 커패시터 회로(각 전력 커플러에 연결된 커패시터 소자(미도시)에 의해 공진 주파수가 결정되는 회로)에 의해 특정한 주파수에 공진하는 특성을 갖는다. 그리고 상기 공진 코일은 토로이달 형태를 유지하기 위해 플라스틱(절연 소재)으로 형성된 지지대에 감긴 형태이다.

참고로 상기 토로이달 형태의 코일은 내부에 갇혀 회전하는 자기장을 형성하게 되는데, 이 방향은 토로이달 코일의 한 가운데를 관통하는 조가선에서 발생시키는 자기장의 방향과 동일하게 되어 조가선과 전력 커플러(220a ~ 220c)간의 자기장 결합(magnetic coupling)이 이루어져서 코일의 전력을 조가선에 전달할 수 있게 되는 것이다.

아울러 상기 드로퍼는 전차선의 구조상, 수평으로 이어진 전차선과 조가선을 수직으로 연결해 주기 때문에 전력 커플러(220a ~ 220c)에 의해 조가선에 유기된 전류의 귀환을 도울 수 있게 된다.

또한 본 실시예에서 상기 전력 커플러(220a ~ 220c)는 마그네틱 코어를 사용하지 않으므로 조가선과 자기장 결합되는 정도가 매우 작기 때문에 조가선-전차선-드로퍼 구조의 공진 현상을 이용하여 고주파 전원을 전달한다. 즉, 본 실시예에 따른 전류 루프는 다양하게 형성될 수 있는데, 이때 두 전력 커플러(어느 일 측은 송신 전력 커플러가 되고 다른 일 측은 수신 전력 커플러가 된다)가 공유하는 전류 루프의 공진 주파수를 이용하면 효율적으로 전력을 전달할 수 있다.

이때 상기 드로퍼의 길이 및 드로퍼 간 전차선(또는 조가선)의 간격에 따라서도 상기 고주파 전원의 전달 특성(또는 공진 특성)이 달라질 수 있다.

이에 따라 상기 고주파 전원의 전달 특성(또는 공진 특성)을 조절하기 위하여, 상기 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2, 제3 전력 커플러(220a ~ 220c)의 지지대의 내부 지름(ri), 외부 지름(ro), 두께(또는 높이)(h), 커패시터 값 및 상기 지지대에 감기는 코일의 턴수(turn)가 조절될 수 있다.

상기 값들은 시뮬레이션을 통해 산출하거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 시험을 병행하여 산출할 수 있다.

다시 말해, 상기 제1 전력 커플러(220a)에 의해 조가선 및 전차선에 유기된 고주파 전원(또는 전류)은 상기 제1 전력 커플러(220a)로부터 이격되어 설치된 제2 전력 커플러(220b)에 전달되고, 마찬가지로 상기 제1 전력 커플러(220a)로부터 제3 전력 커플러(220c)에도 고주파 전원이 전달된다.

이에 따라 특정 전력 커플러(즉, 위험표지장치에 전원을 공급하기 위한 전력 커플러)(예 : 제3 전력 커플러)에까지 고주파 전원이 전달되면, 상기 특정 전력 커플러(예 : 제3 전력 커플러)를 유선으로 상기 위험표지장치(300)의 내부 전원부(미도시)에 연결하여, 상기 특정 전력 커플러(예 : 제3 전력 커플러)에서 생성된 전원을 상기 위험표지장치(300)의 내부 전원부(미도시)에 인가한다.

이에 따라 상기 위험표지장치(300)의 내부 전원부(미도시)는 상기 특정 전력 커플러(예 : 제3 전력 커플러)에서 인가받은 전원을 정류장치(미도시) 및 컨버터(미도시)를 이용해 원하는 직류(DC) 전압으로 변환하여 상기 위험표지장치(300)의 조명 제어를 위한 구동 전원으로서 공급할 수 있게 되는 것이다.

도 3은 상기 도 2에 있어서, 고주파 전원 전달 장치가 설치되는 형태를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 조가선에 적어도 하나 이상의 전력 커플러(220a ~ 220c)가 지정된 간격으로 연속해서 설치되어 있으며, 상기 연속해서 설치된 전력 커플러(220a ~ 220c)는 비접촉 결합기로서, 이 중 어느 하나의 전력 커플러(220a)는 송신 커플러가 되고 나머지 전력 커플러(220b, 220c)는 수신 커플러가 된다.

상기 송신 커플러인 제1 전력 커플러(220a)는 무선전력전송장치(100)로부터 유선으로 고주파 전원을 최초로 인가받고, 다른 어느 하나의 전력 커플러(220b, 220c)는 상기 고주파 전원을 전달받는 수신 커플러로서, 상시 전원이 필요한 임의의 전기 장치(예 : 위험표지장치)에 유선으로 고주파 전원을 인가한다. 이와 같이 상기 제2, 제3 전력 커플러(220b, 220c)는 상기 송신 커플러인 제1 전력 커플러(220a)에서 송신된 고주파 전원을 전달 받는다.

상기와 같이 본 실시예는 철로의 조가선에 설치되어 상시 구동 전원이 필요한 임의의 전기 장치에 공진 주파수 특성을 이용해 무선 방식으로 고주파 전원을 안전하게 전달할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 무선전력전송장치
110 : 무선전력송신장치
120 : 무선전력수신장치
210 : 고주파 변환부
220a ~ 220c : 전력 커플러
300 : 위험표지장치

Claims (4)

1. 무선전력전송장치를 통해 무선 방식으로 인가받은 전원을 기 지정된 고주파 전원으로 변환하는 고주파 변환부;
   조가선에 설치되어 상기 변환된 고주파 전원을 유선으로 인가받는 제1 전력 커플러;
   상기 제1 전력 커플러에서 발생한 자기장에 의해 상기 조가선에 유기된 고주파 전원을 전달받는 제2 전력 커플러; 및
   조가선-전차선-드로퍼 구조의 고유한 공진 주파수에 맞추기 위하여 상기 각 전력 커플러에 연결되는 커패시터 소자;를 포함하고,
   상기 제2 전력 커플러가 상기 전달받은 고주파 전원을, 상기 조가선에 설치되어 상시 구동 전원을 필요로 하는 기 지정된 전기 장치에 유선으로 인가하도록 구성되며,
   상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러는, 토로이달 형태의 공진 코일이 지지대에 감긴 형태로 형성되며,
   상기 공진 코일은 내부에 마그네틱 코어가 없는 형태이고, 공진 주파수를 조절하기 위한 커패시터 소자가 연결되며,
   상기 공진 코일은 토로이달 형태를 유지하기 위해 플라스틱으로 형성된 지지대에 감긴 형태로 형성되고, 또한
   상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러는,
   상기 드로퍼의 길이 및 드로퍼 간 전차선이나 조가선의 간격에 따라,
   상기 고주파 전원의 전달 특성이나 공진 특성을 조절하기 위하여, 상기 제1 전력 커플러와 상기 제2 전력 커플러를 형성하는 지지대의 내부 지름(ri), 외부 지름(ro), 두께나 높이(h), 커패시터 값 및 상기 지지대에 감기는 코일의 턴수(turn)가 조절되게 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전원 전달 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 전력 커플러와 동일한 형태를 갖는 적어도 하나 이상의 전력 커플러가 기 지정된 간격으로 추가 배치되어,
   상기 제1 전력 커플러로부터 전달되는 고주파 전원을 전달받도록 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 전원 전달 장치.
   
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