KR100301157B1 - 마이크로-펄스방식을적용한전기집진기용펄스전압발생회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MPC(Micro-Pulse Concept) 방식을 적용한 전기 집진기용 펄스 전압 발생 회로에 관한 것으로서, 상기 회로는 펄스 전압을 발생시키는 펄스 전압 발생부와 가변 직류 전압을 발생시키는 가변 직류 전압 발생부로 구성된다. 펄스 전압 발생부는 인버터와, 싸이리스터 다이오드 모듈을 사용한 스위칭 소자와, 공진 커패시터 및 공진 인덕터로 구성되어, 펄스 전압 발생부에서 발생한 펄스 전압과 가변 직류 전압 발생부에서 발생한 직류 전압이 중첩되어 집진기에 인가된다.
본 발명에 따르면, 펄스 전압을 발생시키는 전원이 저전압의 인버터로 구성되므로 절연 공간이 줄어들어 크기와 무게가 감소하고 펄스 피크치 크기 펄스 주기 등을 원하는 대로 제어하기 쉬운 장점이 있다.

Description

마이크로-펄스 방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로
본 발명은 전기집진기(EP:Electrostatic Precipitator)에 사용되는 펄스 전압 발생 회로에 관한 것으로서, 특히 마이크로-펄스 방식(Micro-Pulse Concept, 이하 MPC라고 한다)을 적용한 새로운 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로에 관한 것이다.
MPC방식을 적용한 전기집진방식은 최근에 개발된 첨단 하전방식으로서, 역전리의 발생을 억제하고, 전류 밀도 분포를 균일하게 하며, 먼지(dust)의 대전율이 증가하는 등 그 성능 면에서 탁월한 장점을 지니고 있다. MPC방식을 적용한 전기집진방식은 펄스 전압을 발생시키는 펄스전원과 직류 전압을 발생시키는 기본전원이 별개인 2전원방식과 펄스전원과 기본전원을 겸용하는 1전원방식이 있으나, 2전원방식이 펄스전압, 펄스주기, 펄스폭 및 기본전압을 완전하게 독립적으로 제어할 수 있다는 장점을 지니므로 1전원방식보다 더 효과적이며, 또한 널리 사용되고 있다. 일반적으로, MPC방식을 적용한 기존의 2전원방식 펄스 전압 발생 회로는 펄스 전압을 발생시키는 펄스 전압 발생부와, 직류 전압을 발생시키는 직류전원발생부를 구비하고, 펄스 전압 발생부는 고압 변압기와, 정류기와, 고압을 제어하기 위한 스위칭 회로와, 공진용 인덕터 및 커패시터로 구성되며, 집진기에 인가되는 전압은 펄스 전압 발생부에서 발생시킨 펄스 전압과 직류전원 발생부에서 인가된 직류 전압의 중첩된 형태이다. MPC방식을 적용한 기존의 2전원법 전기집진방식의 구성 및 장점은 미국 특허 제4,670,829호, 미국 특허 제4,772,998호, 미국 특허 제4,828,200호, 미국 특허 제5,623,171호 등에 개시되어 있다. 또한, 최근에 개발된 MPC방식의 기술 동향은 "Electrostatic Precipitation Technology with New Energization System"(미쓰비시 중공업, Technical Review, Vol.32, No1, Feb, 1995)에 잘 개시되어 있다.
본 발명은 상기 설명한 바와 같은 MPC방식을 적용한 전기집진기용 발생 회로에 있어서 펄스 전압 발생부에 고압 전원을 사용하는 대신 저전압의 인버터(inverter)를 사용함으로써, 절연거리를 줄이고, 집진 장치의 크기와 무게를 감소시키며, 또한 기존의 MPC방식 전기 집진 장치의 장점, 즉 역전리의 발생을 억제하고 전류 밀도 분포를 균일하게 하며 먼지(dust)의 대전율을 증가시키는 등의 효과를 유지하는 것을 목적으로 한다. 또한, 직류 전압 발생부에 가변 직류 전압 발생 장치를 사용함으로써, 직류 전압과 펄스 전압의 피크치 크기 및 펄스 주기등을 사용자가 원하는 대로 제어하기 쉽도록 하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 전기집진장치의 효율이 높아지며 설치, 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 마이크로-펄스 방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로도,
도2는 본 발명에 따른 마이크로-펄스 방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로에서 펄스 방생시에 공진 커패시터와 집진기 양단에 인가되는 전압과 집진기에 인가되는 전압 및 전류의 파형을 도시한 그래프,
도3은 본 발명에 따른 마이크로-펄스 방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로에서 펄스 발생시 공진 커패시터와 집진기 양단에 인가되는 전압과, 공진 커패시터의 전압과, 집진기에 인가되는 전압 및 전류와, 인버터 출력 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:인버터 2:싸이리스터 다이오드 모듈
3:공진 커패시터 4:공진 인덕터
5:가변 직류 전압 발생부 6:집진기
V1:가변 직류 전압 V2:인버터 출력 전압
Vc:커패시터 전압 Vp:집진기 전압
Ip:펄스 전류
본 발명에서 제안한 MPC방식을 이용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로는 전압을 일정한 값으로 집진기에 연속적으로 인가하면서 집진된 분진의 탈리를 방지하는 가변 직류 전압 발생부와, 순간적인 고압 펄스를 인가하여 코로나 발생을 균일하면서도 강력하게 발생하도록 하는 펄스 전압 발생부로 구성되며, 집진기에 최종적으로 인가되는 전압은 이 두 개의 장치에서 출력되는 전압이 중첩된 형태이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생 회로도로써, 본 발명에 따른 MPC방식을 적용한 펄스 전압 발생 회로의 기본 구성은 직류 전압을 받아서 고압 펄스를 발생시키는 인버터(V2)(1)와, 이것과 직렬로 연결되어 양단의 고전압을 온(on), 오프(off) 동작으로 단속시키는 싸이리스터 다이오드 모듈(thrystor diode module)(2)과 이것과 직렬로 연결되어 LC 공진을 일으키는 공진 커패시터(3) 및 공진 인덕터(4)와, 집진기(6)에 직류 전압을 인가하는 가변 직류 전압 발생부(V1)(5)로 구성된다.
인버터(1)는 직류 전압을 교류 전압으로 바꾸어 주는 것으로, 본 발명에 있어서 사용되는 인버터는 직류 평활 전압을 교류로 바꾸어 주는 모든 형태의 인버터를 포함한다.
싸이리스터 다이오드 모듈(2)은 인버터(1) 전원과 공진 인덕터(4) 및 공진 커패시터(3) 사이에 직렬로 연결된다. 고압을 제어하기 위해서는 스위칭 소자의 제한된 전압 및 전류 정격 때문에 스위칭 소자 여러 개를 직렬로 연결하여 전체적인 전압 분담율을 높여야 한다. 본 발명에서는 싸이리스터 다이오드 모듈(2)이 이러한 역할을 담당한다. 즉, 전력용 반도체 소자 스위치인 싸이리스터(thyristor, SCR이라고도 한다)와 이 싸이리스터에 역병렬로 다이오드(diode)을 연결하여 이루어지는 1개의 스위치 소자를 직렬로 복수개 연결하여 구성되는 싸이리스터 다이오드 모듈(2)을 사용하여 고압을 제어한다. 또한, 싸이리스터 다이오드 모듈(2)의 싸이리스터는 FET(Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate BiPolar Transistor)등 다른 형태의 스위칭 소자를 이용하여 구성할 수도 있다.
싸이리스터 다이오드 모듈(2)은 다음과 같은 방식으로 동작한다.
상기 그림에서 A의 전위가 높은 경우 SCR은 온 시키면 A에서 B로 SCR을 통해서 전류가 흐른다. 반대로, B의 전위가 높은 경우 SCR을 온 시켜도 SCR은 켜지지 않으며 전류는 B에서 A로 다이오드를 따라 흐르게 된다. 따라서, 외부 회로 구성을 적절히 하여 A와 B의 전위가 서로 번갈아 높아지게 된다면 A의 전위가 높을 때는 SCR을 온 시켜 전류를 A에서 B로 흐르게 하고 B의 전위가 높을 때는 SCR은 역전압에 의하여 오프되고 전류는 B에서 A로 흐르게 된다. 이러한 작용은 공진 커패시터(3)와의 관계에서 중요성을 지니며, 이는 후술한다.
가변 직류 전압 발생부(5)는 싸이리스터 제어기와 고압 변압기로 구성되어 집진기에 일정한 직류 전압을 인가하여, 싸이리스터 제어기의 위상제어를 통하여 집진기에 인가되는 직류 전압(V1)을 손쉽게 제어할 수 있다.
도2는 본 발명에 따른 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로에 있어서, 펄스 발생시 공진 커패시터(3)와 집진기(6) 양단에 인가되는 전압(Vc+Vp)과 집진기(6)에 인가되는 전압(Vp) 및 전류(Ip) 파형을 나타낸 것이다.
도2에서, t=t0인 순간에 싸이리스터 다이오드 모듈이 도통되면, 펄스의 발생은 집진기(6)에 충전된 전압이 공진 커패시터(3)에 충전된 전압보다 낮은 상태에서만 가능하다. 이는 t=t0시간에 싸이리스터 다이오드 모듈(2)을 온 하게 되면 공진 커패시터의 전위가 높아야만 싸이리스터(SCR)를 통하여 전류가 흐르게 되기 때문이다. 싸이리스터 다이오드 모듈(2)이 도통되면 공진 인덕터(4), 공진 커패시터(3), 저전압 인버터(1) 및 집진기(6)에 의해 직렬 공진회로가 형성된다. 즉, 싸이리스터 다이오드 모듈(2)의 싸이리스터와 인버터(1)의 스위치가 점호되면 공진이 시작되고 싸이리스터 다이오드 모듈(2)의 싸이리스터에 흐르는 전류가 0이 될 때(즉, t=t1) 전류의 방향은 반대가 되고 싸이리스터 다이오드 모듈(2)의 다이오드와 인버터(1)를 통해서 순환전류가 흐르기 시작한다. 이 상태는 싸이리스터 다이오드 모듈(2)의 전류가 다시 0이 될 때(즉 t=t2)까지 지속되며 전류가 0이 될 때 공진이 종료한다. 위와 같은 과정이 원하는 펄스의 주기로 반복되며, 인버터(1)는 펄스 발생과 관련된 모든 손실을 보상한다. 여기서 주목할 점은 부(負)극성의 반파 펄스 전류의 크기와 정(正)극성의 반파 펄스전류의 크기가 서로 같다는 점이다. 이것은 집진기를 고전압으로 충전시키기 위해 소모된 에너지와 인버터(1)로부터 공급된 에너지가 균형이 됨을 의미한다. 만일, 이 균형이 무너지면 집진기에 인가되는 전압이 변동하게 된다.
한편, 공진 커패시터(3)에는 다음과 같은 에너지가 충전된다. 최초 공진 시작점(t0)에서 공진 커패시터(3)에 충전된 전압은 집진기 양단의 전압과 인버터(1) 직류 전압에 의하여 다음과 같은 식으로 표현된다.
Vcs = Vcf - Vinv
Vcs : 공진 커패시터(3) 전압
Vcf : 집진기(6) 양단 전압
Vinv : 인버터(1) 직류 전압
이상태에서 인버터(1)의 스위치를 도통시키면 공진 회로에 공진이 발생한다. 이 시간은 순환 전류가 다이 0이 될 때가지 지속된다. 이 상태에서 공진 커패시터(3)에 증가된 전압은 다음식으로 나타낸다.
△Vcs = 4Vinv
이 식을 설명하면, 예컨대 Vcs와 Vcf를 0이라 할때, t=t0인 순간에 인버터와 싸이리스터를 온 시키면 인버터 전압에 의하여 공진이 시작되고 t=t1인 순간에 Vcs = - 2Vinv가 된다. t=t1인 순간에 인버터의 동작에 의하여 전류는 반대방향으로 흐르게 되고 Vcs에 있는 -2Vinv는 +2Vinv로 충전되며 인버터 전압 Vinv에 의하여 Vcs에 +2Vinv가 충전되어 총 +4Vinv의 전압이 충전된다. Vcs와 Vcf가 0이 아닌 경우에도 결과는 동일하며 결국 인버터 전압 Vinv에 의해 Vcs의 전압이 충전되면 공진 발생시 마다의 손실이 보상되는 것이다. 그러므로, Vcs > Vcf이며, 싸이리스터 다이오드 모듈(2)과 인버터(1)의 다른 스위치가 점호되면 공진이 이루어지고 Vcs는 게속 상승한다. Vcs는 펄스 발생시에 인버터에서 공급하는 에너지가 회로에서 발생하는 손실분과 같아지는 시점에서 상승이 정지된다. 도2에서 집진기 전압을 보면 일정한 값의 부(負) 직류값(Vdc)을 가지다가 공진 순간에 펄스 전압(Vpulse)이 중첩됨을 볼 수 있다.
도3은 펄스 발생시 공진 커패시터(3)와 집진기(6) 양단에 인가되는 전압(Vc + Vp)과, 곤진 커패시터(3)의 전압(Vc)과, 집진기(6)에 인가되는 전압(Vp) 및 전류(Ip)와, 인버터 출력 전압(V2)의 파형을 나타낸 것으로서, 이들을 서로 비교하여 볼 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펼스 발생 회로는 기존의 MPC방식의 전기 집진기용 펄스 발생 회로의 장점, 즉 균일한 코로나 방전, 분진의 대전율 증가, 역전리 현상의 역제 등의 장점을 그대로 유지한 채, 저전압 인버터를 이용하여 공진을 발생시키므로 종래의 방식에 비해 절연 공간을 줄일 수 있고, 따라서 크기와 무게를 감소시킬 수 있으며 펄스 피크치, 펄스 주기 등을 사용자가 원하는 대로 용이하게 제어할 수 있다.

Claims (5)

  1. MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로에 있어서, 직류 전압을 받아서 고압 펄스를 발생시키는 인버터(1)와; 상기 인버터(1)와 직렬로 연결되어 양단의 고전압을 온(on), 오프(off) 동작으로 단속시키는 싸이리스터 다이오드 모듈(thrystor diode module)(2)과; 상기 싸이리스터 다이오드 모듈(2)과 직렬로 연결되어 LC 공진을 일으키는 공진 커패시터(3) 및; 공진 인덕터(4)와, 집진기(6)에 직류 전압을 인가하는 가변 직류 전압 발생부(5)를 구비하는 것을 특징으로 하는 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집진기(6)에 인가되는 펄스 전압의 피크치와 펄스 폭의 크기는 상기 인버터(1)의 출력 전압을 조정하고 공진 커패시터(3)와 공진 인적터(4)의 값을 조절하여 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 싸이리스터 다이오드 모듈(2)은 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인버터(1)는 직류 평활전압을 교류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 MPC방식을 적용한 전기집진기용 펄스 전압 발생회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 집진기(6)에 인가되는 직류 전압의 크기는 가변 직류전압 발생부(5)의 전압을 조정함으로써, 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 MPC방식을 적용한 전기 집진기용 펄스 전압 발생회로.
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