철도차량용 급전라인 분할구동 기반 무선급전 시스템

Abstract

본 논문에서는 길이가 긴 Coreless 권선으로 구성된 기존의 철도차량용 무선급전 라인을 분할함으로써 무선급 전의 권선손실을 줄이고 인체 및 전자장비가 자기장 방사로부터 안전한 급전라인 분할구동 시스템을 제안한다. 종래의 긴 길이의 무선급전 라인은 철도차량이 정차한 상황에서의 정적 충전(Stationary Charging) 뿐만 아니라, 순간적으로 큰추진전력을 필요로 하는 역행하는 상황에서도 동적 충전(Dynamic Charging)이 가능하도록 한다. 긴 길이에 걸친 넓은 범위의 전자기장(Electromagnetic Field, EMF) 방사로 인해 철도차량이 없는 무선급전 라인 주변의 사람 및 전자장비가 존재하는 경우, 인체가 EMF로부터 노출되고 전자장비가 오동작할 수 있는 가능성이 있다. 또한, 사용하지 않는 자기장의 무효전력으로 인한 권선손실이 불필요하게 발생하므로 Coil-to-Coil 효율이 저하될 수 있다는 단점을 가진다. 본 논문에서는 종래에 사용되는 1개의 송신 인버터만을 사용하며 무선급전 라인을 2개로 분할하고 철도차량의 위치에 따라 선택적으로 구동하는 방법론을 제안한다. 제안하는 무선급전 분할방식의 EMF 및 효율 분석, 기존 방법론과의 성능 비교를 위해, Finite-Element-Method (FEM) 기반 Maxwell 3D 시뮬레이션 및 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 2개의 분할된 4.5m 길이의 송신라인 사용시, 9.0m의 1개의 송신라인 사용 대비 0.6% 효율이 증가함을 확인하 였고, 분할 구동방식의 구동하지 않는 코일측의 EMF 수준도 대폭 감소함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

To reduce copper loss in transmitter (Tx) lines and to attenuate electromagnetic field (EMF) level against human beings and electronic devices, a segmented Tx line based wireless power transfer (WPT) system is newly proposed in this paper. Conventional long-length based Tx lines provide not only stationary charging when a railway vehicle stops but also dynamic charging when a railway vehicle is trying to start. If human beings or electronic devices are around such long-length Tx lines, the human beings are exposed to high EMF conditions and electronic devices may malfunction. Furthermore, coil-to-coil efficiency is degraded due to an additional copper loss caused by unused reactive power of the Tx line. To overcome such demerits of the conventional long-length Tx line, a two-segmented Tx line based WPT system using only one Tx inverter, which recognizes the position of the receiver (Rx), is proposed. To analyze the characteristics of the EMF and efficiency and compare the proposed line with conventional one, a finite-element-method (FEM) based Maxwell 3D simulation and a PSIM simulation have been performed. As a result, the efficiency of the proposed line using two 4.5m length lines is 0.6% higher than that of the conventional line using one 9.0m length line and the EMF level is significantly reduced in another Tx line region for the proposed one.