JP3920068B2

JP3920068B2 - プラズマアーク溶融炉用電源装置

Info

Publication number: JP3920068B2
Application number: JP2001314111A
Authority: JP
Inventors: 量徳土井
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP2003125575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアーク溶融炉用電源装置に関するものであり、特にメイン電流スイッチの接触不良時にプラズマアーク溶融炉に流れる大きなメイン電流が、パイロット電流を発生させる高周波高電圧発生回路を構成するカップリング変成器の巻線に流れてこれを損傷するのを防止するようにした電源装置に関するものである。
【０００２】
プラズマアーク溶融炉は、例えば都市ごみを焼却炉で消却して発生したごみ焼却灰を溶融してスラグ化するために使用される。一般に、都市ごみは焼却炉によって消却されるが、それに伴って大量の焼却灰が発生する。このごみ焼却灰には重金属等の有害物質を多量に含むことがあり、このためごみ焼却灰を直接地中に埋めたり投棄処理することは環境保護の点から、あるいは住民の健康、安全上の点から問題がある。このような問題の解決にプラズマアーク溶融炉等の溶融炉を用いてごみ焼却灰を高温で溶融してスラグ化することが提案されている。
【０００３】
【従来の技術】
図３は従来のプラズマアーク溶融炉用電源装置と、この電源装置によって駆動されるプラズマアーク溶融炉の一例を示したものである。こゝで使用される電源装置は、例えば三相交流電源電圧が供給される電源端子２を有し、該電源端子２に供給された電源電圧は入力電源スイッチ４を経て整流器、例えば全波整流器６に供給される。整流された電圧はリアクトル８により平滑され、直流出力電圧が生成される。
【０００４】
この直流出力電圧は、チョッパー回路１０、例えば自己消弧型半導体スイッチ、具体的にはＩＧＢＴ（以下では、代表的にＩＧＢＴ１０と称す）により高周波スイッチングされる。すなわち、リアクトル８の出力側はＩＧＢＴ１０のコレクタに接続され、該ＩＧＢＴ１０のエミッタはフライホールダイオード１２のカソードと平滑用リアクトル１４との接続点１５に接続されている。ＩＧＢＴ１０のゲートには、高周波駆動回路１６から例えば８ｋＨｚ以上の周波数の高周波スイッチング信号が供給される。高周波駆動回路１６の動作は後程説明する中央制御装置１８によって制御される。
【０００５】
２０はプラズマアーク溶融炉３０の始動時に高周波高電圧を発生する高周波高電圧発生回路で、該高周波高電圧発生回路２０は高周波電圧発生回路２２とカップリング変成器２４とを含んでいる。変成器２４の１次巻線２４ａは上記高周波電圧発生回路２２に結合されて駆動され、２次巻線２４ｂは平滑用リアクトル１４と第１電極端子４０ａとの間に接続されている。また、２次巻線２４ｂと並列にメイン電流スイッチ２６が接続されている。スイッチ２６の開閉はスイッチ開閉制御装置２８によって行われ、該開閉制御装置２８の動作は中央制御装置１８によって制御される。高周波電圧発生回路２２の始動、停止も同様に中央制御装置１８によって行なわれる。
【０００６】
プラズマアーク溶融炉３０は、トーチ電極３２と炉底電極３４とを有している。トーチ電極３２は上方にある第１電極３２ａと、下方（炉底電極３４に近い位置）にある第２電極３２ｂとを有し、これらの第１電極と第２電極は一直線上に配置され、両者の間には空気間隙３６が形成されている。また、一直線上に配置された第１電極３２ａと第２電極３２ｂとの中心には、その長さ方向に沿って点線の矢印で示すように上方から下方に向けて不活性ガス５０が流入するガス流路３８が形成されている。
【０００７】
トーチ電極３２の第１電極３２ａは第１電極端子４０ａに接続され、第２電極３２ｂは第２電極端子４０ｂに接続され、炉底電極３４は炉底電極端子４０ｃに接続されている。
【０００８】
炉底電極端子４０ｃはメイン電流検出器４２を経て、全波整流回路６とフライホールダイオード１２のアノードとが接続された負ライン５４に接続されており、第２電極端子４０ｂはパイロット電流スイッチ４４とパイロット電流検出器４６を経て上記メイン電流検出器４２に接続されている。スイッチ４４の開閉は、スイッチ開閉制御装置４８によって制御され、該開閉制御装置４８の動作は中央制御装置１８によって制御される。メイン電流検出器４２およびパイロット電流検出器４６がそれぞれ所定の大きさの電流を検出すると、その情報は中央制御装置１８に供給される。なお、平滑用リアクトル１４の出力側と負ライン５４との間には、高周波高電圧発生回路２０の高周波をバイパスするためのバイパスコンデンサ２５が接続されている。
【０００９】
次に上記の電源装置とそれによって付勢されるプラズマアーク溶融炉３０の動作を説明する。入力電源スイッチ４をオン（閉）する。また、開閉制御装置２８によってスイッチ２６をオフ（開）し、開閉制御装置４８によってパイロット電流スイッチ４４をオン（閉）しておく。電源端子２に供給された交流電源電圧は整流器６で整流され、リアクトル８で平滑されて直流電圧に変換される。
【００１０】
この直流電圧はチョッパー回路を構成するＩＧＢＴ１０のコレクタに供給される。ＩＧＢＴ１０は高周波駆動回路１６からそのゲートに供給される例えば８ｋＨｚまたはそれ以上の高周波数のスイッチング信号によって駆動されて開閉（スイッチング）され、そのエミッタに高周波電圧が発生する。ＩＧＢＴ１０の開閉については、ＰＷＭ（パルス幅変調）によってその導通−遮断期間が制御される。上記エミッタに発生した高周波電圧はフライホールダイオード１２と平滑用リアクトル１４によって平滑され、該リアクトル１４側の正電圧は高周波高電圧発生回路２０のカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ、第１電極端子４０ａを経てトーチ電極３２の第１電極３２ａに供給される。フライホールダイオード１２のアノード側の負ライン５４の負電圧は、メイン電流検出器４２、炉底電極端子４０ｃを経て炉底電極３４に供給され、さらにパイロット電流検出器４６、オン状態のスイッチ４４、第２電源端子４０ｂを経てトーチ電極３２の第２電極３２ｂに供給される。また、トーチ電極３２には不活性ガス５０が送り込まれる。
【００１１】
このとき、トーチ電極３２の空気間隙３６の存在によって第１、第２電極間には電流は流れない。こゝで、中央制御装置１８の起動スイッチ５２をオンすると、該中央制御装置１８は駆動回路２３を付勢して高周波電圧発生回路２０に高周波電圧を発生させる。これによってカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに典型的には６０００Ｖ（ボルト）以上の高電圧が発生し、この電圧が始動電圧としてトーチ電極３２の第１電極３２ａと第２電極３２ｂとの間に印加される。
【００１２】
これによって空気間隙３６の絶縁が破壊し、ＩＧＢＴ１０→平滑用リアクトル１４→カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ→第１電極端子４０ａ→第１電極３２ａ→第２電極３２ｂ→第２電極端子４０ｂ→スイッチ４４→パイロット電流検出器４６→メイン電流検出器４２→負ライン５４→整流器６のパスを通ってパイロット電流が流れる。このパイロット電流により、トーチ電極３２中を流れる不活性ガス５０は励起されてプラズマ化し、プラズマ電流が流れる。このプラズマは炉底電極３４に向けて伸びる。パイロット電流が流れたことがパイロット電流検出器４６によって検出されると、中央制御装置１８は駆動回路２３を制御して高周波電圧発生回路２２の動作を停止させる。
【００１３】
プラズマによって炉底電極３４上のごみ焼却灰５８は加熱されて徐々に溶融する。焼却灰の溶融が炉底電極３４にまで到達すると、ＩＧＢＴ１０→平滑用リアクトル１４→カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ→第１電極端子４０ａ→第１電極３２ａ→プラズマ→炉底電極３４→炉底電極端子４０ｃ→メイン電流検出器４２→負ライン５４→整流器６のパスを通ってメイン電流が流れる。メイン電流検出器４２によって溶融炉３０にメイン電流が流れたことが検出されると、中央制御装置１８はパイロット電流開閉制御装置４８を動作させてパイロット電流スイッチ４４をオフしてパイロット電流を遮断する。パイロット電流は通常０．５秒程度の短時間流れる。
【００１４】
溶融炉３０にメイン電流が流れてごみ焼却灰５８が溶融すると、投入口６０から炉内にごみ焼却灰を投入し、投入された焼却灰はプラズマアーク電流によって加熱されて溶融する。溶融した湯状のスラグは排出口６２から排出される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
溶融炉３０を流れるメイン電流は、パイロット電極の１０倍程度の大きさで３０００Ａ（アンペア）乃至５０００Ａに達し、メイン電流スイッチ２６はこの大電流を導通、遮断するため、接点の摩耗により接触不良が生じることがある。接触不良が生じると、上記の大きなメイン電流はカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂを通って流れ、この２次巻線２４ｂを損傷あるいは焼損させる。
【００１６】
本発明は、カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂを流れる電流の大きさを検出する電流検出器を設け、これによって検出された電流の大きさが溶融炉３０の始動時に流れるパイロット電流よりも予め設定された大きさだけ超過すると、中央制御装置１８は高周波駆動回路１６に停止信号を供給して、該高周波駆動回路１６の動作を停止させ、それによってチョッパー回路を構成するＩＧＢＴ１０を遮断して、溶融炉３０にメイン電流が供給されるのを停止し、メイン電流スイッチ２６に接触不良が生じたときにカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂにメイン電流が流れるのを阻止してこれが損傷あるいは焼損するのを防止することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマアーク溶融炉用電源装置は、トーチ電極の第１電極と、この第１電極と間隔を隔てて位置する前記トーチ電極の第２電極と、第１及び第２電極から離れて位置する炉底電極とを、有するプラズマアーク溶融炉において、例えば商用交流電源電圧を直流電圧に変換した直流電源の出力直流電流を例えば８ｋＨｚまたはそれ以上の高周波でスイッチングするチョッパー回路を有している。商用交流電源は、単相電源でも三相電源でもよい。また、チョッパー回路は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＧＥＴ等の自己消去型半導体スイッチング素子を使用することができる。このチョッパー回路のオン−オフ動作を制御手段が制御する。前記チョッパー回路の一方の出力側と前記第１電極との間にメイン電流スイッチが介在し、これは前記プラズマアーク溶融炉の作動時にオン状態とされる。前記チョッパー回路の他方の出力側を第２電極及び前記炉底電極に接続手段が接続する。カップリング変成器は、一次巻線と二次巻線とを有し、二次巻線が前記メイン電流スイッチに並列に接続されている。前記第１電極及び第２電極間にパイロット電流が流れるように前記プラズマアーク溶融炉の起動時に高周波電圧を前記カップリング変成器の一次巻線に高周波電圧発生回路が供給する。前記二次巻線を流れる電流の大きさを電流検出手段が検出する。前記メイン電流スイッチがオン状態にあるときに、前記二次巻線を流れる電流の大きさが上記パイロット電流の大きさを超過する所定値に達したことを前記電流検出器が検出すると、前記制御手段が、前記チョッパー回路の動作を停止させる。
【００１８】
チョッパー回路１０が遮断すると、溶融炉３０にはもはや電流は供給されないから、メイン電流スイッチ２６に接触不良が生じてもカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに大きなメイン電流が流れてこれが損傷、例えば焼損することはない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるプラズマアーク溶融炉用の電源装置の一例を示す。本発明の電源装置では、溶融炉３０のトーチ電極３２に始動高電圧を供給する高周波高電圧発生回路２０′として、カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに流れる電流を検出する電流検出器６４が設けられたものが使用されている。電流検出器６４を流れる電流の大きさ、すなわち２次巻線２４ｂを流れる電流の大きさを表わす信号は中央制御装置１８に供給される。中央制御装置１８は、上記２次巻線２４ｂを流れる電流がパイロット電流よりも所定量超過したとき、例えば上記２次巻線２４ｂを流れる電流と時間（例えば１０秒）との積を計算し、その積の値が所定値を超過すると、高周波駆動回路１６に停止信号を送って、チョッパー回路を構成するＩＧＢＴ１０の動作を停止させてこれを遮断状態にする。平滑用リアクトル１４の出力側と負ライン５４との間に接続されたコンデンサ２５は、高周波高電圧発生回路２０′の高周波をバイパスするためのバイパスコンデンサとして作用するものである。上記以外の構成は図３に示す従来の電源装置のそれと本質的に同じであるから、それに関する説明は省略する。
【００２０】
次に図１の電源装置の動作を図２を参照して説明する。最初、メイン電流スイッチ２６はオフ、パイロット電流スイッチ４４はオンの状態にある。時刻ｔ_０で入力電源スイッチ４をオンし（図２ａ）、また、プラズマアーク溶融炉３０に不活性ガス５０を送り込む（図２ｂ）。さらに、中央制御装置１８より高周波駆動回路１６に動作信号を供給してこれを動作させ、ＩＧＢＴ１０の動作を開始させる（図２ｃ）。ＩＧＢＴ８は例えば８ｋＨｚまたはそれ以上の高周波でオン−オフ動作する。ＩＧＢＴ１０のオン−オフの期間は高周波駆動回路１６によって例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。平滑用リアクトル１４の出力に現れる正電圧は電流検出器６４、カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ、第１電極端子４０ａを経てトーチ電極３２の第１電極３２ａに供給される。また、負ライン５４側の負電圧はメイン電流検出器４２および炉底電極端子４０ｃを経て炉底電極３４に供給され、さらにパイロット電流検出器４６、スイッチ４４および第２電極端子４０ｂを経てトーチ電極３２の第２電極３２ｂに供給される。
【００２１】
このとき、空気間隙３６の存在により第１電極３２ａと第２電極３２ｂとの間には電流は流れない。時刻ｔ_１で中央制御装置１８の起動スイッチ５２をオンすると（図２ｅ）、これに応答して中央制御装置１８は駆動回路２３を動作させて高周波電圧発生回路２２を動作させ、高周波高電圧発生回路２０′は約６０００Ｖ（ボルト）の高周波高電圧を短時間、例えば０．５秒間発生する（図２ｆのｔ_１〜ｔ_３）。この高周波高電圧は第１電極３２ａに供給され、これによって空気間隙３６の絶縁が破壊されて、ＩＧＢＴ１０→平滑用リアクトル１４→電流検出器６４→カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ→第１電極端子４０ａ→第１電極３２ａ→第２電極３２ｂ→第２電極端子４０ｂ→スイッチ４４→パイロット電流検出器４６→メイン電流検出器４２→負ライン５４→整流器６のパスを通ってパイロット電流が流れ始める（図２ｇのｔ_２）。
【００２２】
パイロット電流によりトーチ電極３２中を流れる不活性ガス５０は励起されてプラズマ化し、プラズマ電流が流れる。このプラズマ電流によって本質的に不電導体のごみ焼却灰５８は徐々に加熱されて溶融し、時刻ｔ_４で炉底電極３４に到達すると、ＩＧＢＴ１０→平滑用リアクトル１４→電流検出器６４→カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂ→第１電極端子４０ａ→第１電極３２ａ→プラズマ→炉底電極３４→炉底電極端子４０ｃ→メイン電流検出器４２→負ライン５４→整流器６のパスを通ってメイン電流が流れ始める（図２ｈのｔ_４）。
【００２３】
この間、焼却灰５８の溶融量が増加し、プラズマ電流も増加してメイン電検出器４２からパイロット電流検出器４６を流れる電流を差し引いた値が所定値に達すると、上記の各電流検出器４２、４６から供給される電流の大きさを表わす信号に基づいて中央制御装置１８はパイロット電流開閉制御装置４８を動作させてスイッチ４４をオフし、パイロット電流は遮断する（図２ｇのｔ_５）。またこれと同時にスイッチ開閉制御装置２８を動作させてメイン電流スイッチ２６をオンする（図２ｄのｔ_５）。よって、それ以後は溶融炉３０にメイン電流のみが流れ、ｔ_６以後は実質的に一定に維持されたメイン電流が流れて焼却灰５８の溶融が行なわれる。
【００２４】
溶融炉３０の投入口６０から投入されたごみ焼却灰はプラズマアーク電流によって溶融し、スラグとして排出口６２から排出される。プラズマアーク電流が流れている間、メイン電流検出器４２は溶融炉３０を流れるメイン電流の大きさを検出してその大きさを表わす信号を中央制御装置１８に供給し続ける。中央制御装置１８は、高周波駆動回路１６を制御して上記メイン電流の大きさが予め設定された値に維持されるようにチョッパー回路を構成するＩＧＢＴ１０の導通−遮断期間をＰＷＭ制御する。
【００２５】
前述のように、メイン電流スイッチ２６には３０００Ａ乃至５０００Ａの大電流が流れるから、この大電流をオン、オフするスイッチ２６の消耗が大きく、接触不良を起こすことがある。スイッチ２６に接触不良が生じると、大きなメイン電流はカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂを流れて、この２次巻線を損傷させることがある。
【００２６】
本発明の電源装置では、カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに上記のような大きな電流が流れると、中央制御装置１８は電流検出器６４から供給される上記２次巻線２４ｂを流れる電流の大きさが所定値、例えばパイロット電流に相当する大きさより大であるか否かを判定し、大であるとその電流値と時間（例えば１０秒）との積を計算する。その積の値が所定値を超過すると、中央制御装置１８は高周波駆動回路１６に停止信号を送り、チョッパー回路を構成するＩＧＢＴ１０の動作を停止させて、これを遮断状態にする。これによって、メイン電流スイッチ２６に接触が生じても、カップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに大電流が流れてこれを損傷させることはない。
【００２７】
上記の動作の他に、中央制御装置１８は、電流検出器６４から供給される電流の大きさがパイロット電流を超過するある設定値に達したと判断すると、直ちに高周波駆動回路１６の動作を停止させてＩＧＢＴ１０を遮断させるようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のプラズマアーク溶融炉用電源装置では、大きな電流が流れるメイン電流スイッチ２６に接触不良が生じてカップリング変成器２４の２次巻線２４ｂに大きなメイン電流が流れようとしても、直ちにチョッパー回路を遮断状態にして上記メイン電流を遮断するから、高価なカップリング変成器が損傷するのを防止することができ、単にメイン電流スイッチ２６を交換するだけで電源装置を長く使用することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマアーク溶融炉用電源装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す本発明のプラズマアーク溶融炉用電源装置の動作を説明するタイムチャートを示す図である。
【図３】従来のプラズマアーク溶融炉用電源装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
６全波整流器
８リアクトル
１０チョッパー回路
１２フライホールダイオード
１４平滑用リアクトル
１６高周波駆動回路
１８中央制御装置
２０′ 高周波高電圧発生回路
２２高周波電圧発生回路
２４カップリング変成器
２４ａ１次巻線
２４ｂ２次巻線
２６メイン電流スイッチ
６４電流検出器

Claims

トーチ電極の第１電極と、この第１電極と間隔を隔てて位置する前記トーチ電極の第２電極と、第１及び第２電極から離れて位置する炉底電極とを、有するプラズマアーク溶融炉において、
直流電源の出力直流電流をスイッチングするチョッパー回路と、
このチョッパー回路のオン−オフ動作を制御する制御手段と、
前記チョッパー回路の一方の出力側と前記第１電極との間に介在し、前記プラズマアーク溶融炉の作動時にオン状態とされるメイン電流スイッチと、
前記チョッパー回路の他方の出力側を第２電極及び前記炉底電極に接続する手段と、
一次巻線と二次巻線とを有し、二次巻線が前記メイン電流スイッチに並列に接続されたカップリング変成器と、
前記第１電極及び第２電極間にパイロット電流が流れるように前記プラズマアーク溶融炉の起動時に高周波電圧を前記カップリング変成器の一次巻線に供給する高周波電圧発生回路と、
前記二次巻線を流れる電流の大きさを検出する電流検出手段とを、
含み、
前記メイン電流スイッチがオン状態にあるときに、前記二次巻線を流れる電流の大きさが上記パイロット電流の大きさを超過する所定値に達したことを前記電流検出器が検出すると、前記制御手段が、前記チョッパー回路の動作を停止させるプラズマアーク溶融炉用電源装置。
前記制御手段は、前記二次巻線を流れる電流の大きさが、前記パイロット電流の大きさを超過したとき、前記二次巻線を流れる電流の大きさと予め定めた時間との積を計算し、その積の値が所定値を超過すると、前記制御手段は、前記チョッパー回路の動作を停止させる請求項１に記載のプラズマアーク溶融炉用電源装置。