오정식
(Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University)
,
이명진
(Dept. of Electronics and Communication Engineering, Chonnam National University)
,
차승태
(KEPRI (Korea Electric Power Research Institute))
,
김주용
(KEPRI (Korea Electric Power Research Institute))
,
이광운
(Dept. of Electronic Engineering, Mokpo National Maritime University)
,
박태식
(Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University)
대용량 무선 전력 전송 시스템은 ESS, 배터리 장치 등의 발전을 위한 핵심 기술이다. 무선 전력 전송 장치는 현재 자기유도 및 자기공진 기술들이 주를 이루고 있으며 유선 전력 전송에 비해 전력 전송 용량이 낮고 효율이 낮은 단점이 있다. 이 논문에서는 자기 결합을 갖는 가변속 모터 시스템을 기반으로 하는 대용량 무선 전력 전송 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 방식은 대용량 전력 전송이 가능하며, 고효율과 낮은 고장 가능성의 장점을 가지고 있으며 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법의 성능을 검증하였다.
대용량 무선 전력 전송 시스템은 ESS, 배터리 장치 등의 발전을 위한 핵심 기술이다. 무선 전력 전송 장치는 현재 자기유도 및 자기공진 기술들이 주를 이루고 있으며 유선 전력 전송에 비해 전력 전송 용량이 낮고 효율이 낮은 단점이 있다. 이 논문에서는 자기 결합을 갖는 가변속 모터 시스템을 기반으로 하는 대용량 무선 전력 전송 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 방식은 대용량 전력 전송이 가능하며, 고효율과 낮은 고장 가능성의 장점을 가지고 있으며 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법의 성능을 검증하였다.
High-power wireless transmission system becomes a key technology for the advance of battery-powered devices. The wireless power transfer devices are currently dominated by the inductive and capacitive wireless power transfer systems, which have relatively low power transmission capacity and low effi...
High-power wireless transmission system becomes a key technology for the advance of battery-powered devices. The wireless power transfer devices are currently dominated by the inductive and capacitive wireless power transfer systems, which have relatively low power transmission capacity and low efficiency rather than the wired power transmission. The work presented in this paper proposes an alternative method of high-power transmission system, based on a variable speed motor system with a magnetic coupling. It enables high-capacity power transmission, high efficiency, and low possibility of failures, and the performance of the proposed scheme is verified by simulation and experiments.
High-power wireless transmission system becomes a key technology for the advance of battery-powered devices. The wireless power transfer devices are currently dominated by the inductive and capacitive wireless power transfer systems, which have relatively low power transmission capacity and low efficiency rather than the wired power transmission. The work presented in this paper proposes an alternative method of high-power transmission system, based on a variable speed motor system with a magnetic coupling. It enables high-capacity power transmission, high efficiency, and low possibility of failures, and the performance of the proposed scheme is verified by simulation and experiments.
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문제 정의
본 논문에서는 결합 손실이 없는 자기 결합을 이용한 가변속 모터 시스템을 기반으로 하는 대용량 3상 무선 전력 전송 시스템을 제안한다. 제안된 방식은 대용량 전력 전송이 가능하며, 고효율과 낮은 고장 가능성의 장점을 가지고 있으며 , 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법의 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 자기 결합을 이용한 3상 대용량 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 제안된 방식 3상 대용량 무선 전력 전송이 가능하며 결합부의 손실이 없는 고효율의 이점을 가진다.
가설 설정
그림 6은 Matlab Simulink 블록도를 보여준다. 그림 6에서와 같이 PMSM과 PMSG 사이의 결합 손실이 없다고 가정하였다.
본 연구에서는 전력송신부의 전동기와 발전기로 고효율의 PMSM과 PMSG를 사용하였다. 전력 전송부의 속도제어기는 PMSM의 전류제어가 완벽하게 수행된다는 가정 하에 기계시스템의 운동 방정식을 사용하여 구성할 수 있다.
제안 방법
그림 9는 제안된 무선전력시스템의 모의실험 세트를 보여준다. 3상 대용량 무선 전력 전송 시스템의 실험은 전력 전송부에 PMSG를, 전력 수신부에 PMSM을 사용하였고, 자기 결합부를 통한 동력 전달 및 전력 수신부의 발전 성능을 파악하였다. PMSG와 PMSM의 파라미터는 표 2와 같으며, 자기 결합부는 네오디움 자석 4개를 사용하여 제작하였다.
전력 전송부 내의 전동기를 통해 동력을 발생시키며, 전달된 동력은 전력 수신부의 발전기를 통해 전력으로 변환된다. 기계적 및 전기적 접촉 없이 전동기와 발전기를 상호 연결하기 위해 자기 결합을 사용하였다. 그림 1은 3상 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)과 PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)를 이용하여 3상 대용량 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 전송 시스템의 구조를 보여주고 있다.
본 논문에서 제안하는 자기 결합을 이용한 무선 전력 전송 시스템 주요 매커니즘은 기계적 및 전기적 접촉이 없는 전동기 및 발전기 시스템의 자기 결합이다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 전력 전송부, 자기 결합부, 전력 수신부로 구성되어 있다.
본 논문에서 제안하는 자기 결합을 이용한 무선 전력 전송 시스템 주요 매커니즘은 기계적 및 전기적 접촉이 없는 전동기 및 발전기 시스템의 자기 결합이다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 전력 전송부, 자기 결합부, 전력 수신부로 구성되어 있다. 전력 전송부 내의 전동기를 통해 동력을 발생시키며, 전달된 동력은 전력 수신부의 발전기를 통해 전력으로 변환된다.
본 논문에서는 결합 손실이 없는 자기 결합을 이용한 가변속 모터 시스템을 기반으로 하는 대용량 3상 무선 전력 전송 시스템을 제안한다. 제안된 방식은 대용량 전력 전송이 가능하며, 고효율과 낮은 고장 가능성의 장점을 가지고 있으며 , 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법의 성능을 검증하였다.
대상 데이터
3상 대용량 무선 전력 전송 시스템의 실험은 전력 전송부에 PMSG를, 전력 수신부에 PMSM을 사용하였고, 자기 결합부를 통한 동력 전달 및 전력 수신부의 발전 성능을 파악하였다. PMSG와 PMSM의 파라미터는 표 2와 같으며, 자기 결합부는 네오디움 자석 4개를 사용하여 제작하였다. 전력 수신부의 출력에는 3상 부하 24[Ω](부하 50%), 48[Ω](부하 25%)을 연결하였다.
따라서 전력송신부에 속도센서를 사용하여 실시간으로 속도를 측정하고 정격속도를 유지하기 위한 속도제어기가 필요하다. 본 연구에서는 전력송신부의 전동기와 발전기로 고효율의 PMSM과 PMSG를 사용하였다. 전력 전송부의 속도제어기는 PMSM의 전류제어가 완벽하게 수행된다는 가정 하에 기계시스템의 운동 방정식을 사용하여 구성할 수 있다.
데이터처리
Matlab Simulink를 사용하여 제안된 무선 전력 전송 시스템의 성능을 검증하였다. 그림 6은 Matlab Simulink 블록도를 보여준다.
제안된 방식 3상 대용량 무선 전력 전송이 가능하며 결합부의 손실이 없는 고효율의 이점을 가진다. 제안된 시스템의 성능은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.
성능/효과
식 (2)를 사용하여 2개의 영구자석 사이의 자력을 영구자석간 간극과 영구자석의 반지름을 인자로 하여 그래프를 그려보면 그림 2와 같다. 2개의 영구자석 사이 간격이 짧고 영구자석의 반지름이 길수록 자력이 증가함을 알 수 있으며, 영구자석간 간극이 0.01m이상이 되면 영구자석간 인력은 매우 작음을 알 수 있다. 특히 영구자석간 간극이 작을수록 영구자석간의 인력은 제곱의 형태로 증가되고 있다.
그림 10과 그림 11은 각각 부하 50%와 부하 25%에서의 3상 출력 전류를 보여주고 있다. 실험결과에서와 같이 동일 전압, 동일 주파수 출력을 가지며 부하에 따라 출력전류가 변화됨을 알 수 있다.
그림 8은 PMSG의 출력 전압과 전류 파형을 보여준다. 입력 전압과 전류는 PWM 인버터에 의한 스위칭 고조파가 발생하였지만 출력 전압과 전류에는 스위칭 고조파가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 자기 결합을 이용한 3상 대용량 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 제안된 방식 3상 대용량 무선 전력 전송이 가능하며 결합부의 손실이 없는 고효율의 이점을 가진다. 제안된 시스템의 성능은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.
제안된 자기 결합을 이용한 무선전력 전송기술은 구성의 핵심이 전동기와 발전기이므로 부하의 변화에 따라 전동기의 속도가 변하는 것을 제어하여 정격 속도로 유지할 수 있으며, 이는 곧 전력수신부 측에 많은 양의 부하가 연결된다고 해도 주파수를 일정하게 출력할 수 있음을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 상용화 중인 무선 전력 전송기술의 대표적인 방식은 무엇인가?
무선 전력 전송 시스템은 미래 에너지 산업의 핵심 기술 중 하나로서 무선 전력 전송 시스템 분야의 영역과 기술은 최근 크게 성장하고 있다. 현재 무선 전력 전송기술로서 상용화되어 있는 기술은 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 대표적이다. 그중에서도 자기 유도 방식은 현재 저용량 무선 전력 전송기기로서 상용화까지 성공하였다.
자기 유도 방식의 단점은 무엇인가?
그중에서도 자기 유도 방식은 현재 저용량 무선 전력 전송기기로서 상용화까지 성공하였다. 그러나 전송거리가 10mm 이내로 매우 짧고 모바일 무선 충전기와 같은 저용량 전송에서는 적합하나 3상 대용량 전력 전송은 불가능하다. 자기 공진 방식은 자기 유도 방식에 비해 전송거리가 매우 길지만 효율이 매우 낮고 자기장에 의한 외부 영향이 크며, 상용화를 위해 연구 중인 기술이다.
무선 전력 전송 장치의 단점은 무엇인가?
대용량 무선 전력 전송 시스템은 ESS, 배터리 장치 등의 발전을 위한 핵심 기술이다. 무선 전력 전송 장치는 현재 자기유도 및 자기공진 기술들이 주를 이루고 있으며 유선 전력 전송에 비해 전력 전송 용량이 낮고 효율이 낮은 단점이 있다. 이 논문에서는 자기 결합을 갖는 가변속 모터 시스템을 기반으로 하는 대용량 무선 전력 전송 시스템을 제안하고자 한다.
참고문헌 (5)
M. Bojarski, E. Asa, K. Colak, and D. Czarkowski, "A 25 kW Industrial Prototype Wireless Electric Vehicle Charger," Apec 2016 31st Annual Ieee Applied Power Electronics Conference and Exposition., pp. 1756-1761, 2016. DOI : 10.1109/APEC.2016.7468105
H. H. Wu and M. P. Masquelier, "An Overview of a 50kW Inductive Charging System for Electric Buses," 2015 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (I tec) , pp. 1-4, 2015. DOI : 10.1109/ITEC.2015.7165747
J. M. Miller and A. Daga, "Elements of Wireless Power Transfer Essential to High Power Charging of Heavy Duty Vehicles," IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 1, no. 1, pp. 26-39, 2015. DOI : 10.1109/TTE.2015.2426500
G. A. Covic and J. T. Boys, "Inductive Power Transfer," Proceedings of the IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1276-1289, 2013. DOI : 10.1109/JPROC.2013.2244536
C. S. Wang, G. A. Covic, and O. H. Stielau, "Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, no. 1, pp. 148-157, Feb 2004 DOI : 10.1109/TIE.2003.822038
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