KR100717365B1 - Pulse power system - Google Patents

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Abstract

펄스파워시스템이 개시된다. 충전부는 교류입력전원을 승압한 후 정류하여 충전전원을 생성한다. 에너지저장부는 충전전원을 소정의 충전시간 동안 입력받아 전기에너지의 형태로 저장한다. 스위치부는 충전시간보다 길게 설정된 소정의 동작주기마다 소정의 방전시간동안 온되어 에너지저장부에 저장되어 있는 전기에너지를 부하에 전달한다. 제어부는 동작주기마다 스위치부에 트리거전원을 공급한다. 스위치부는 에너지저장부에 연결되는 제1전극, 송전선을 통해 부하에 전기에너지를 전달하는 제2전극, 그리고, 제1전극 및 제2전극과 소정 간격 이격되어 설치되며, 제어부로부터 트리거전원이 입력되면 제1전극 및 제2전극 사이에 발생한 아크를 통해 제1전극으로부터 전달된 전기에너지를 제2전극으로 전달하는 제3전극;을 갖는다. 본 발명에 따르면, 스위치의 양전극과 음전극 사이에 직접적인 송전경로를 형성하는 트리거전극을 배치함으로써 전극간 절연효과를 높임으로써 보다 안정적인 시스템의 동작이 가능하다. A pulse power system is disclosed. The charging unit boosts AC input power and rectifies the power to generate charging power. The energy storage unit receives the charging power for a predetermined charging time and stores it in the form of electrical energy. The switch unit is turned on for a predetermined discharge time at a predetermined operation period longer than the charging time, and transfers electrical energy stored in the energy storage unit to the load. The control unit supplies trigger power to the switch unit every operation cycle. The switch unit is installed at a distance from the first electrode connected to the energy storage unit, the second electrode for transmitting electrical energy to the load through the transmission line, and the first electrode and the second electrode at a predetermined interval, and when the trigger power is input from the controller And a third electrode configured to transfer electrical energy transferred from the first electrode to the second electrode through an arc generated between the first electrode and the second electrode. According to the present invention, by arranging the trigger electrode to form a direct transmission path between the positive electrode and the negative electrode of the switch it is possible to operate the system more stable by increasing the insulating effect between the electrodes.

펄스파워, 대전력스위치, 파암, 플라즈마, 갭스위치 Pulse power, large power switch, rock, plasma, gap switch

Description

펄스파워시스템{Pulse power system}Pulse power system

도 1은 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 대한 바람직한 실시예의 상세한 구성을 도시한 블록도,1 is a block diagram showing a detailed configuration of a preferred embodiment of the pulse power system according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 대한 바람직한 실시예의 상세한 구성을 도시한 회로도,2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a preferred embodiment of the pulse power system according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 펄스파워시스템의 캐패시터로의 에너지충전 및 캐패시터로부터 부하로의 에너지전달 과정을 도시한 도면,3 is a view illustrating an energy charging process of a pulse power system and an energy transfer process from a capacitor to a load of a pulse power system according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 구비되는 스위치부의 상세한 구성을 도시한 도면,4 is a view showing a detailed configuration of a switch unit provided in the pulse power system according to the present invention;

도 5a 내지 도 5d는 상이한 형상을 갖는 전극들의 배치상태를 도시한 도면,5A to 5D are diagrams illustrating an arrangement state of electrodes having different shapes;

도 6은 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 연결된 부하에 가해지는 펄스의 크기 및 에너지의 파형을 도시한 도면, 그리고,6 is a view showing the waveform of the magnitude and energy of the pulse applied to the load connected to the pulse power system according to the present invention, and

도 7은 도 6에 도시된 특성을 갖는 펄스가 부하에 전달될 때 부하의 저항값을 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a resistance value of a load when a pulse having the characteristic shown in FIG. 6 is delivered to the load.

본 발명은 펄스파워시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고전압의 전기에너지를 펄스의 형태로 일시에 방출시키는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a pulse power system, and more particularly, to a system for releasing high voltage electrical energy in the form of pulses at one time.

펄스파워(Pulsed power)란 전기방전 현상을 이용한 에너지 압축 기술로서 단위시간당의 에너지 변화량을 나타내는 물리량(dE/dt, 여기서 E와 t는 각각 에너지 및 시간)으로 그 크기는 주어진 에너지를 어느 만큼의 짧은 시간 내에 부하로 방출하느냐에 의해 결정된다. 1J(joule)의 에너지를 1초 동안에 방출하면 1W(watt)의 파워가 되지만 1㎲ (10-6초)의 짧은 시간에 방출하면 단위 시간당의 에너지 변화량이 아주 큰 1MW(106Watt)에 이르는 큰 파워를 가지게 된다. 즉 펄스파워 기술은 에너지 보존 법칙의 원리에 의한 것으로 에너지저장 장치를 통하여 전력변환 혹은 에너지 압축을 이용하는 기술이다.Pulsed power is an energy compression technique using an electric discharge phenomenon. A physical quantity (dE / dt, where E and t are energy and time, respectively) representing the amount of change in energy per unit time. It is determined by whether to discharge to the load in time. When 1J (joule) of energy is released for 1 second, it becomes 1W (watt) power, but when it is released in a short time of 1㎲ (10 -6 seconds), it can reach 1MW (10 6 Watt) which has a very large change in energy per unit time. You have a lot of power. In other words, the pulse power technology is based on the principle of energy conservation law and uses power conversion or energy compression through an energy storage device.

고전압 대전류의 펄스파워시스템은 정전에너지, 자기에너지, 화학에너지 등 다양한 형태의 에너지를 사용하여 펄스를 발생시키는 장치이다. 현재 펄스파워시스템에는 주로 콘덴서를 사용하여 정전에너지로 저장하는 방식과 인덕터를 사용하여 자기에너지로 저장하는 방식이 적용되고 있다. 펄스파워시스템에서 핵심적인 구성요소는 에너지저장수단에 저장되어 있는 에너지를 부하에 펄스형태로 방출하는 스위치이다. 이러한 스위치는 고전압 대전류의 펄스파워시스템에서 핵심적인 소자로서 대전류를 수용하고 고속 스위칭을 보장할 수 있어야 한다. High-voltage, high-current pulsed power system is a device that generates pulses using various types of energy such as electrostatic energy, magnetic energy, and chemical energy. Currently, the pulse power system mainly uses a capacitor to store electrostatic energy and an inductor to store magnetic energy. A key component of a pulsed power system is a switch that pulses the energy stored in the energy storage means to the load. These switches are critical in high voltage, high current pulse power systems, and must be able to accept large currents and ensure fast switching.

콘덴서를 이용한 방식에서는 단락 스위치가 사용되고, 인덕터를 이용한 방식에서는 개방 스위치가 사용되며, 구조가 간단하고 제어가 용이한 단락 스위치가 널 리 사용되고 있다. 단락 스위치의 대표적인 예로는 갭 스위치, 트리거 진공 스위치, 슈도 스파크 스위치 등이 있다. 이중에서 갭 스위치는 구조가 간단하고 생산비용이 저렴하다는 이점을 갖는다. 그러나 갭 스위치의 경우 대전류에 의해 발생되는 젯트-핀치(z-pinch)에 의해 전극 표면이 국소적으로 손상되어 장시간 사용이 곤란한 단점이 있다. A short switch is used in a condenser method, an open switch is used in an inductor method, and a short switch that is simple in structure and easy to control is widely used. Representative examples of short circuit switches include gap switches, trigger vacuum switches, and pseudo spark switches. Among them, the gap switch has the advantage of simple structure and low production cost. However, in the case of a gap switch, the surface of the electrode is locally damaged by a z-pinch generated by a large current, which makes it difficult to use a long time.

이러한 펄스파워시스템이 이용되는 대표적인 분야는 플라즈마 파암(plasma blasting), 전자기적 용접(electromagnetic welding) 등이다. 이와 같은 대전력 펄스파워기술을 응용한 분야에서는 항상 스위치의 안정성과 내구성이 문제가 된다. 특히 플라즈마 파암의 경우 대전류가 흐르는 환경에서 전극의 손상을 최대한 줄여 안전하게 오랫동안 사용할 수 있고 전극간 절연효과가 높은 스위치를 채용할 필요가 있다.Typical applications of such pulsed power systems are plasma blasting, electromagnetic welding, and the like. In the field of applying such a large power pulse power technology, the stability and durability of the switch is always a problem. In particular, in the case of plasma rock, it is necessary to adopt a switch having high insulation effect between electrodes, which can be safely used for a long time by minimizing damage to the electrode in an environment where a large current flows.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안정성과 내구성이 높고 전극간 절연효과가 높은 스위치가 구비된 펄스파워시스템을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a pulse power system with a switch having high stability and durability and high insulation effect between electrodes.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 펄스파워시스템의 바람직한 일 실시예는, 교류입력전원을 승압한 후 정류하여 충전전원을 생성하는 충전부; 상기 충전전원을 소정의 충전시간 동안 입력받아 전기에너지의 형태로 저장하는 에너지저장부; 상기 충전시간보다 길게 설정된 소정의 동작주기마다 소정의 방전시간동안 온되어 상기 에너지저장부에 저장되어 있는 전기에너지를 부하에 전달하는 스위치부; 및 상기 동작주기마다 상기 스위치부에 트리거전원을 공급하는 제어부;를 포함하며, 상기 스위치부는, 상기 에너지저장부에 연결되는 제1전극; 상기 송전선을 통해 상기 부하에 상기 전기에너지를 전달하는 제2전극; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각과 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 제어부로부터 상기 트리거전원의 입력시 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각과의 사이에서 발생한 아크를 통해 상기 제1전극으로부터 전달받은 상기 전기에너지를 상기 제2전극으로 전달하는 제3전극;을 갖는다.In order to achieve the above technical problem, a preferred embodiment of the pulse power system according to the present invention, the charging unit for generating a charging power by rectifying after boosting the AC input power; An energy storage unit for receiving the charging power for a predetermined charging time and storing the charged power in the form of electric energy; A switch unit which is turned on for a predetermined discharge time at a predetermined operation period longer than the charging time and transfers electrical energy stored in the energy storage unit to a load; And a control unit supplying trigger power to the switch unit at each operation cycle, wherein the switch unit comprises: a first electrode connected to the energy storage unit; A second electrode transferring the electrical energy to the load through the transmission line; And spaced apart from each of the first electrode and the second electrode at a predetermined interval between the first electrode and the second electrode, and each of the first electrode and the second electrode when the trigger power is input from the controller. And a third electrode configured to transfer the electrical energy received from the first electrode to the second electrode through an arc generated in between.

바람직하게는, 상기 에너지저장부에 구비된 에너지저장소자와 병렬로 설치되며, 상기 전기에너지가 부하로 전달된 후 상기 에너지저장부에 구비된 상기 에너지저장소자에 잔류하는 전하를 덤프방전시키는 덤프부를 더 구비한다. Preferably, the dump unit is installed in parallel with the energy storage device provided in the energy storage unit, the dump unit for dumping and discharging the charge remaining in the energy storage device provided in the energy storage unit after the electrical energy is transferred to the load It is further provided.

바람직하게는, 상기 교류입력전원을 공급하는 배전부; 및 상기 에너지저장부에 구비된 에너지저장소자와 병렬로 접속되어 상기 에너지저장소자에 가해지는 상기 충전전압의 레벨을 측정하는 전압레벨측정부;를 더 구비하며, 상기 제어부는 상기 측정된 충전전압의 레벨이 사전에 설정된 충전목표전압보다 낮으면 상기 배전부에 상기 교류입력전원의 전압레벨을 높이도록 지시하는 제어신호를 출력한다.Preferably, the distribution unit for supplying the AC input power; And a voltage level measuring unit connected in parallel with the energy storage device provided in the energy storage unit to measure the level of the charging voltage applied to the energy storage device. When the level is lower than the preset charging target voltage, a control signal is output to the power distribution unit instructing to increase the voltage level of the AC input power.

바람직하게는, 상기 스위치부는, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극과 이격되어 설치되며, 적어도 상기 방전시간동안 온되어 상기 제1전극 내지 제3전극 방향으로 외기를 주입하는 송풍부;를 더 구비한다. Preferably, the switch unit, the blower is provided spaced apart from the first electrode to the third electrode, is turned on for at least the discharge time to inject outside air toward the first electrode to the third electrode; do.

바람직하게는, 상기 스위치부는, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극이 수용되는 공간을 형성하며, 상기 제1전극 내지 제3전극이 고정되는 지지대를 구비한 하우 징; 소정의 체결수단에 의해 상기 제1전극을 상기 지지대에 결착하는 제1전극커버; 및 소정의 체결수단에 의해 상기 제2전극을 상기 지지대에 결착하는 제2전극커버;를 더 구비한다.Preferably, the switch unit, the housing to form a space for accommodating the first electrode to the third electrode, the housing having a support for fixing the first electrode to the third electrode; A first electrode cover for binding the first electrode to the support by a predetermined fastening means; And a second electrode cover which binds the second electrode to the support by a predetermined fastening means.

이에 의해, 스위치의 양전극과 음전극 사이에 직접적인 송전경로를 형성하는 트리거전극을 배치함으로써 전극간 절연효과를 높임으로써 보다 안정적인 시스템의 동작이 가능하며, 충전전압 측정장치에 의해 측정된 충전전압레벨에 따라 트리거전극의 구동시점을 조절할 수 있고 변압기의 일차측에 공급되는 전원의 전압레벨을 조절하여 적정한 충전전압레벨을 유지할 수 있다. Thus, by arranging the trigger electrode to form a direct transmission path between the positive electrode and the negative electrode of the switch to increase the insulation effect between the electrodes it is possible to operate a more stable system, according to the charging voltage level measured by the charging voltage measuring device The driving time of the trigger electrode can be adjusted, and the proper charging voltage level can be maintained by adjusting the voltage level of the power supplied to the primary side of the transformer.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 펄스파워시스템의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the pulse power system according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 대한 바람직한 실시예의 상세한 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 대한 바람직한 실시예의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.1 is a block diagram showing a detailed configuration of a preferred embodiment of the pulse power system according to the present invention, Figure 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a preferred embodiment for the pulse power system according to the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스파워시스템(100)은 배전부(110), 충전부(120), 에너지저장부(130), 덤프부(140), 충전레벨측정부(150), 제어부(160), 스위치부(170) 및 송전부(180)를 구비한다.1 and 2, the pulse power system 100 according to the present invention includes a power distribution unit 110, a charging unit 120, an energy storage unit 130, a dump unit 140, and a charge level measuring unit 150. ), A control unit 160, a switch unit 170, and a power transmission unit 180.

충전부(120)는 배전부(110)로부터 입력되는 교류입력전원을 승압한 후 정류한다. 이를 위해 충전부(120)는 변압기(210), 정류기(220) 및 충전저항(230)을 구비한다. 변압기(210)는 220V의 교류입력전원을 10kV의 충전전원으로 승압한다. 정류기(220)는 10kV로 승압된 충전전원을 정류한다. 보다 안정적인 전원공급을 위해 서는 교류전원을 완파정류하는 것이 바람직하며, 도 2에 도시된 정류기는 브리지 정류기이다. 충전저항(230)은 충전전류의 크기를 제한한다. The charging unit 120 boosts AC input power input from the power distribution unit 110 and rectifies the AC input power. To this end, the charging unit 120 includes a transformer 210, a rectifier 220, and a charging resistor 230. The transformer 210 boosts the AC input power of 220V to the charging power of 10kV. The rectifier 220 rectifies the charging power boosted to 10kV. For more stable power supply, it is preferable to fully rectify the AC power, and the rectifier shown in FIG. 2 is a bridge rectifier. The charging resistor 230 limits the magnitude of the charging current.

에너지저장부(130)는 충전부(120)로부터 제공된 충전전원을 인가받아 고압으로 충전한다. 이를 위해 에너지저장부(130)에는 캐패시터(240)가 구비된다. 캐패시터(240)의 용량은 펄스파워시스템(100)의 충전전압과 출력에너지의 크기에 따라 결정되며, 복수의 캐패시터가 연결된 캐패시터 뱅크의 형태로 구현될 수 있다. E=½CV2이므로, 충전전압이 10kV일 때 60kJ의 출력에너지를 얻기 위해서는 캐패시터(240)의 용량은 1.2mF으로 결정된다. 에너지저장부(130)에 충전된 전압은 용도에 따라 다르나 대개 수십 kV 정도이며, 이 전압은 스위치부(170)의 스위칭동작에 의해 짧은 시간(예를 들면, 1ms) 동안 펄스파워시스템(100)에 연결되어 있는 부하에 인가되어 고압의 펄스를 부하에 공급한다. 펄스파암에 사용되는 펄스파워시스템(100)의 경우 부하에 인가되는 전압은 수십 kV이고, 전류는 수천 A의 대전력이며, 이 대전력을 극히 짧은 시간에 스위칭하는 것이 중요하다. The energy storage unit 130 receives the charging power provided from the charging unit 120 to charge at high pressure. To this end, the energy storage unit 130 is provided with a capacitor 240. The capacity of the capacitor 240 is determined according to the charging voltage of the pulse power system 100 and the magnitude of the output energy, and may be implemented in the form of a capacitor bank to which a plurality of capacitors are connected. Since E = ½CV 2 , the capacity of the capacitor 240 is determined to be 1.2mF to obtain an output energy of 60kJ when the charging voltage is 10kV. The voltage charged in the energy storage unit 130 varies depending on the application, but is usually about several tens of kV. It is applied to the load connected to supply high voltage pulse to the load. In the case of the pulse power system 100 used for the pulse wave, the voltage applied to the load is several tens of kV, the current is thousands of A large power, and it is important to switch the large power in a very short time.

덤프부(140)는 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터(240)와 병렬로 설치되며, 서로 직렬연결된 덤프릴레이(250)와 덤프저항(260)로 구성된다. 덤프릴레이(250)는 제어부(160)의 제어신호에 의해 단속 및 개방되며, 시스템의 안전을 위하여 작동 전후 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터(240)에 잔류하는 전하를 덤프(dump) 방전시킨다. 덤프저항(260)은 방전전류를 제한하는 역할을 한다.The dump unit 140 is installed in parallel with the capacitor 240 provided in the energy storage unit 130, and consists of a dump relay 250 and a dump resistor 260 connected in series with each other. The dump relay 250 is interrupted and opened by the control signal of the control unit 160, and dumps the charge remaining in the capacitor 240 provided in the energy storage unit 130 before and after operation for the safety of the system. Let's do it. The dump resistor 260 serves to limit the discharge current.

충전레벨측정부(150)는 적어도 하나의 저항(270, 280)과 전압계(290)로 구성 되며, 에너지저장부(130)에 구비된 캐패시터(240)에 충전된 전압을 측정한다. 펄스파워시스템의 경우 캐패시터(240)에 고전압이 충전된다. 따라서 직렬연결된 복수의 저항(270, 280) 중에서 하나의 저항에 걸리는 전압을 전압계(290)로 측정하면측정한계값이 낮은 전압계를 채용할 수 있는 이점이 있다. Charge level measuring unit 150 is composed of at least one resistor (270, 280) and voltmeter 290, and measures the voltage charged in the capacitor 240 provided in the energy storage unit 130. In the case of the pulse power system, a high voltage is charged in the capacitor 240. Therefore, when the voltage applied to one of the plurality of resistors 270 and 280 connected in series is measured by the voltmeter 290, a voltmeter having a low measurement limit value may be adopted.

제어부(160)는 트리거신호를 출력하여 스위치부(170)의 스위칭동작을 제어한다. 충전전압이 10kV일 때 1ms의 폭을 갖는 펄스에 의해 부하에 60kJ의 에너지를 전달하기 위해서는 적어도 6초의 충전시간이 필요하다. 따라서 스위치부(170)의 동작주기는 6초보다 크게 설정(예를 들면, 8초)되어야 한다. 도 3에는 본 발명에 따른 펄스파워시스템(100)의 캐패시터(240)로의 에너지충전 및 캐패시터(240)로부터 부하로의 에너지전달 과정이 도시되어 있다. 또한 설계상태에 따라 제어부(160)는 충전레벨측정부(150)로부터 입력되는 측정전압을 기초로 배전부(110)로부터 입력되는 입력전압(즉, 충전부(120)의 일차측 전압)의 크기를 조절한다. 나아가 제어부(160)는 스위치부(170)의 스위칭동작 이후 덤프부(140)로 덤프릴레이(250)의 단속을 지시하는 신호를 출력한다.The controller 160 outputs a trigger signal to control the switching operation of the switch unit 170. When the charging voltage is 10kV, a charging time of at least 6 seconds is required to deliver 60kJ of energy to the load by a pulse having a width of 1ms. Therefore, the operation period of the switch unit 170 should be set greater than 6 seconds (for example, 8 seconds). 3 shows an energy charging process of the pulse power system 100 to the capacitor 240 and an energy transfer process from the capacitor 240 to the load according to the present invention. In addition, according to the design state, the control unit 160 determines the magnitude of the input voltage (that is, the primary side voltage of the charging unit 120) input from the distribution unit 110 based on the measurement voltage input from the charging level measurement unit 150. Adjust Further, the control unit 160 outputs a signal instructing the interruption of the dump relay 250 to the dump unit 140 after the switching operation of the switch unit 170.

스위치부(170)는 제어부(160)의 트리거신호에 대응하여 입력되는 구동전원에 의해 단속되어 짧은 시간동안 에너지저장부(130)에 저장되어 있는 에너지를 부하에 제공한다. 도 4에는 스위치부(170)의 상세한 구성이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 스위치부(170)는 하우징(410), 스위치(420), 송풍팬(430) 및 안전망(440)으로 구성된다.The switch unit 170 is interrupted by the driving power input corresponding to the trigger signal of the controller 160 to provide the load with energy stored in the energy storage unit 130 for a short time. 4 illustrates a detailed configuration of the switch unit 170. Referring to FIG. 4, the switch unit 170 includes a housing 410, a switch 420, a blowing fan 430, and a safety net 440.

하우징(410)은 고전압이 가해지는 스위치(420)를 외부와 차단시키는 동시에 스위치(420)의 스위칭 동작시 스위치(420)에서 발생하는 고전압 및 고열의 외부전달을 방지한다. 하우징(410)의 소재로는 반응촉매가 혼합된 모노머를 주형에 주입한채 대기압에서 중합제조되어 기계적강도, 열적 성질, 내 마모성 , 내약품성 등의 물성이 뛰어난 MC나일론이 이용될 수 있다. 하우징(410)의 내부에는 스위치(420)가 설치되는 지지대가 마련된다.The housing 410 blocks the switch 420 to which the high voltage is applied to the outside and prevents external transfer of high voltage and high heat generated by the switch 420 during the switching operation of the switch 420. As the material of the housing 410, MC nylon having excellent physical properties such as mechanical strength, thermal properties, abrasion resistance, and chemical resistance may be used by polymerizing at a atmospheric pressure while injecting a monomer mixed with a reaction catalyst into a mold. Inside the housing 410 is provided a support on which the switch 420 is installed.

스위치(420)는 지지대 상에 위치하며, 외부로부터 구동전원이 입력되면 캐패시터(240)에 저장되어 있는 에너지를 부하에 인가한다. 스위치(420)는 양극단자(411), 음극단자(412), 트리거단자(413), 양전극(414), 음전극(415), 트리거전극(416), 양전극커버(417) 및 음전극커버(418)로 구성된다. 양극단자(411)는 캐패시터(240)의 +단자와 연결되며, 음극단자(412)는 송전부(180)의 전원입력단에 연결된다. 트리거단자(413)는 제어부(160)에 연결되거나 트리거전원공급부(미도시)에 연결되며, 트리거단자(413)를 통해 구동전원이 입력된다. 트리거전극(416)은 양전극(414)과 음전극(415) 사이에 위치하며, 양전극(414) 및 음전극(415)과 각각 일정거리(예를 들면, 3mm) 이격된다. 양전극(414)과 음전극(415)의 중심점은 동일한 직선상에 위치하며, 각각의 전극(414 내지 416)들에 의해 에너지저장부(130)와 송전부(180)의 송전경로가 형성된다. 이 때, 양전극(414)과 음전극(415)의 중심점을 연결한 직선에 수직한 방향으로의 각각의 전극(414 내지 416)의 단면은 원, 사각형, 호 형상인 것이 바람직하다. 나아가, 방전시의 파손을 방지하고, 전자가 도체의 표면에 집중되는 것을 방지하기 위해 양전극(414)과 트리거전극(416)의 서로 마주보는 면 및 음전극(415)과 트리거전극(416)의 서로 마주보는 면의 측면모서리는 라운딩 처리되는 것이 바람직하다. The switch 420 is positioned on the support, and when driving power is input from the outside, the switch 420 applies energy stored in the capacitor 240 to the load. The switch 420 includes the positive electrode terminal 411, the negative electrode terminal 412, the trigger terminal 413, the positive electrode 414, the negative electrode 415, the trigger electrode 416, the positive electrode cover 417, and the negative electrode cover 418. It consists of. The positive terminal 411 is connected to the + terminal of the capacitor 240, the negative terminal 412 is connected to the power input terminal of the power transmission unit 180. The trigger terminal 413 is connected to the controller 160 or to a trigger power supply (not shown), and driving power is input through the trigger terminal 413. The trigger electrode 416 is positioned between the positive electrode 414 and the negative electrode 415, and is spaced apart from the positive electrode 414 and the negative electrode 415 by a predetermined distance (for example, 3 mm). The center points of the positive electrode 414 and the negative electrode 415 are located on the same straight line, and the transmission paths of the energy storage unit 130 and the power transmission unit 180 are formed by the respective electrodes 414 to 416. At this time, it is preferable that the cross section of each of the electrodes 414 to 416 in a direction perpendicular to the straight line connecting the center points of the positive electrode 414 and the negative electrode 415 is a circle, a rectangle, or an arc shape. Furthermore, the surfaces of the positive electrode 414 and the trigger electrode 416 facing each other and the negative electrode 415 and the trigger electrode 416 each other to prevent breakage during discharge and to prevent electrons from concentrating on the surface of the conductor. The side edges of the opposite sides are preferably rounded.

도 5a 내지 도 5d에는 상이한 형상을 갖는 전극들의 배치상태가 도시되어 있다. 전극(414 내지 416)은 카본 또는 구리텅스텐합금으로 제조된다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 전극들의 간격은 d이다. 한편 도 5a 및 도 5d에 도시된 전극들은 스위치(420)를 상측에서 바라볼 때 각각 사각형 및 팔각형의 형상을 가지며, 도 5b 및 도 5c에 도시된 전극들은 양전극(414)과 음전극(415)의 중심점을 연결한 직선에 수직한 방향을 기준으로 각각 종단면 및 횡단면이 볼록한 형상을 갖는다. 이 때, 도 5a, 도 5b 및 도 5d에 도시된 형상을 갖는 전극들의 경우 동일한 크기의 양전극(414), 음전극(415) 및 트리거전극(416)을 채용하면 부품의 규격화로 인한 생산비용이 절감될 수 있다.5A to 5D show arrangements of electrodes having different shapes. The electrodes 414 to 416 are made of carbon or copper tungsten alloy. The spacing of the electrodes shown in FIGS. 5A-5D is d. Meanwhile, the electrodes illustrated in FIGS. 5A and 5D have rectangular and octagonal shapes, respectively, when the switch 420 is viewed from above, and the electrodes illustrated in FIGS. 5B and 5C may have a positive electrode 414 and a negative electrode 415. The longitudinal and transverse cross sections are convex, respectively, based on the direction perpendicular to the straight line connecting the center points. In this case, in the case of the electrodes having the shapes shown in FIGS. 5A, 5B, and 5D, the positive electrode 414, the negative electrode 415, and the trigger electrode 416 having the same size may reduce production costs due to standardization of components. Can be.

트리거전극(416)으로 고전압·대전류의 구동전원이 인가되면 양전극(414)과 트리거전극(416) 사이에 트리거 아크가 발생한다. 양전극(414)과 트리거전극(416) 사이에는 고에너지의 전계가 걸려있으므로, 트리거 아크에 의해 두개의 전극(414, 416) 사이에 절연파괴가 일어나 두개의 전극(414, 416) 사이에 주전류아크가 발생한다. 이러한 현상은 거의 동시(실질적으로는 순차적으로)에 트리거전극(416)과 음전극(415) 사이에서도 발생한다. 따라서 양전극(414), 트리거전극(416) 및 음전극(415) 사이에 발생한 주전류아크에 의해 전송경로가 형성되며, 형성된 전송경로를 통해 수천~수만 암페어의 주전류가 송전부(180)로 흐르게 된다. When a high voltage and high current driving power is applied to the trigger electrode 416, a trigger arc is generated between the positive electrode 414 and the trigger electrode 416. Since a high-energy electric field is applied between the positive electrode 414 and the trigger electrode 416, insulation breakdown occurs between the two electrodes 414 and 416 due to the trigger arc, thereby causing a main current between the two electrodes 414 and 416. An arc occurs. This phenomenon also occurs between the trigger electrode 416 and the negative electrode 415 almost simultaneously (substantially sequentially). Therefore, a transmission path is formed by the main current arc generated between the positive electrode 414, the trigger electrode 416, and the negative electrode 415, and the main current of several thousand to tens of amps flows through the transmission path 180 through the formed transmission path. do.

이 때, 주전류는 양전극(414), 트리거전극(416) 및 음전극(415)을 순차적으로 거치게 되며, 이는 본 발명에 따른 펄스파워시스템(100)에 구비되는 스위치 (420)가 갖는 특성이다. 종래의 펄스파워시스템에 채용된 스위치의 경우 트리거전극은 양전극과 음전극 사이에 주전류아크를 형성하여 주전류가 양전극으로부터 직접 음전극으로 흐르게 하는 역할을 수행한다. 이와 달리 본 발명에 따른 펄스파워시스템(100)에 채용되는 스위치의 경우 주전류가 트리거전극(416)을 경유하여 양전극(414)으로부터 음전극(415)으로 흐르게 된다. 따라서 트리거전극(416)은 각각의 전극(414 내지 416)들의 중심점을 연결한 직선방향으로 일정한 길이를 가져야 한다. 이 때, 트리거전극(416)에 전류가 흐르기 위해서는 각각의 전극(414 내지 416)들의 중심점을 연결한 직선방향으로의 트리거전극(416)의 길이가 트리거전극(416)과 다른 두개의 전극(414, 415) 사이의 이격거리보다 긴 것이 바람직하다. 이와 같이 양전극(414)과 음전극(415) 사이에 일정한 길이를 갖는 트리거전극(416)을 게재시킴으로써 양전극(414)과 음전극(415) 사이의 절연길이를 증가시킬 수 있다.At this time, the main current passes through the positive electrode 414, the trigger electrode 416 and the negative electrode 415 sequentially, which is a characteristic of the switch 420 provided in the pulse power system 100 according to the present invention. In the case of the switch employed in the conventional pulse power system, the trigger electrode forms a main current arc between the positive electrode and the negative electrode, and serves to cause the main current to flow directly from the positive electrode to the negative electrode. In contrast, in the case of the switch employed in the pulse power system 100 according to the present invention, a main current flows from the positive electrode 414 to the negative electrode 415 via the trigger electrode 416. Therefore, the trigger electrode 416 should have a constant length in a straight direction connecting the center points of the respective electrodes (414 to 416). At this time, in order for the current to flow in the trigger electrode 416, the length of the trigger electrode 416 in the linear direction connecting the center points of the respective electrodes 414 to 416 is two electrodes 414 different from the trigger electrode 416. , 415 is longer than the separation distance between. As such, by placing a trigger electrode 416 having a predetermined length between the positive electrode 414 and the negative electrode 415, the insulation length between the positive electrode 414 and the negative electrode 415 can be increased.

양전극커버(417) 및 음전극커버(418)는 각각 양전극(414)과 음전극(416)을 지지대에 고정하는 수단이다. 이와 같이 양전극커버(417) 및 음전극커버(418)를 이용하여 각각의 전극(414, 415)을 지지대에 고정시킴으로써 전극을 용이하게 교체할 수 있는 이점이 있다.The positive electrode cover 417 and the negative electrode cover 418 are means for fixing the positive electrode 414 and the negative electrode 416 to the support, respectively. As described above, the electrodes can be easily replaced by fixing the electrodes 414 and 415 to the support using the positive electrode cover 417 and the negative electrode cover 418.

송풍팬(430)은 스위치(420)의 상부에 위치하여 스위칭 동작시 발생하는 열을 식히는 동시에 전극(414 내지 416)으로부터 전극가루들을 제거한다. 한편 안전망(440)은 스위치(420)의 스위칭동작시 발생하는 전계 및 스파크가 송풍팬(430) 방향으로 향하는 것을 차단한다. The blowing fan 430 is positioned above the switch 420 to cool the heat generated during the switching operation and removes electrode powders from the electrodes 414 to 416. On the other hand, the safety net 440 blocks the electric field and spark generated during the switching operation of the switch 420 toward the blowing fan 430.

송전부(180)는 스위치부(170)의 스위칭 동작에 의해 전달된 고전압·고전류 의 펄스를 부하에 전달한다. 펄스파워시스템에서 부하는 일정간격 이격된 양전극과 음전극을 갖는 방전봉으로, 송전부(180)를 통해 고전압·고전류의 펄스가 인가되면 양전극과 음전극 사이에 플라즈마 방전이 이루어진다. The power transmission unit 180 transmits a pulse of high voltage and high current transmitted by the switching operation of the switch unit 170 to the load. In the pulse power system, the load is a discharge rod having positive and negative electrodes spaced at regular intervals, and when a high voltage and high current pulse is applied through the power transmission unit 180, plasma discharge is performed between the positive electrode and the negative electrode.

도 6은 본 발명에 따른 펄스파워시스템에 연결된 부하에 가해지는 펄스의 크기 및 에너지의 파형을 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 특성을 갖는 펄스가 부하에 전달될 때 부하의 저항값을 도시한 도면이다. 6 is a view showing the waveform of the magnitude and energy of the pulse applied to the load connected to the pulse power system according to the present invention, Figure 7 is a resistance of the load when a pulse having the characteristics shown in FIG. It is a figure which shows a value.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 펄스파워시스템(100)의 방전전압이 7.5kV일 때, 부하에 가해지는 펄스의 최대 전류는 약 18kA임을 알 수 있다. 또한 펄스폭은 약 1ms이며, 부하에 최대 전류값이 전달되는 시점의 전압은 약 6kV이다. 따라서 부하에는 약 12~13MW의 대전력이 가해지며, 이 때, 부하에 전달되는 에너지는 12~13kJ이다. 한편, 도 7에 도시된 바와 같이 대전력의 펄스가 가해지는 동안 +단자와 -단자가 개방되어 있는 부하의 각 단자에 플라즈마가 형성되어 부하측의 저항값이 최대 300Ω까지 낮아짐으로써 전기적 통전상태가 이루어지게 된다. 6 and 7, when the discharge voltage of the pulse power system 100 according to the present invention is 7.5kV, it can be seen that the maximum current of the pulse applied to the load is about 18kA. In addition, the pulse width is about 1ms, and the voltage at the time of delivering the maximum current value to the load is about 6kV. Therefore, a large power of about 12 ~ 13MW is applied to the load, and the energy delivered to the load is 12 ~ 13kJ. Meanwhile, as shown in FIG. 7, plasma is formed at each terminal of the load in which the + terminal and the-terminal are open while a large power pulse is applied, so that the resistance value of the load side is lowered up to 300 Ω, thereby making the electric conduction state. You lose.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 펄스파워시스템은 건축물의 기반공사 중의 한 방법인 말뚝공법에 사용될 수 있다. 이하에서는 펄스파워시스템이 말뚝공법에 사용되는 경우에 공법의 수행과정을 설명한다. 먼저, 펄스파워시스템의 스위치를 온시킴과 동시에 에너지저장소자(즉, 캐패시터)에 축적된 고전압이 몰탈(mortar) 내에 들어있는 임펄스 방전장치의 양전극에 인가된다. 전압인가 후 임펄스 방전장치의 양전극에서 전기방전이 시작되고 임펄스 방전장치의 주위에는 작은 공간(버블)이 형성된다. 이 버블은 내부의 높은 온도와 압력에 의해 수 ㎲의 빠른 속도로 그 공간이 확장되어지며, 버블 내부의 운동에너지가 충격파로 변환된다. 이때 형성되는 충격파는 유체역학적 작용을 하여 몰탈을 통해 지반으로 전해진다. 지반에 충격파가 접속되면 지반과 몰탈의 임피던스가 현저히 다르기 때문에 이 경계면에서는 반사가 일어나게 되고 이 반사에 의해 충격파가 닿은 면에 있는 지반은 순간적으로 압축되고 곧바로 팽창되기 때문에 부분적인 지반 압밀 현상이 일어나게 된다. 그와 동시에 이미 팽창된 공간(버블) 내부의 압력이 주위 매질 즉 몰탈의 압력보다 낮아지게 되어 공간이 줄어들고 해당 공간은 몰탈로 채워지게 된다.Pulse power system according to the present invention as described above can be used in the pile method which is a method of the foundation construction of the building. Hereinafter, the process of performing the method in the case where the pulse power system is used in the pile method. First, the high voltage accumulated in the energy storage element (ie, the capacitor) is applied to the positive electrode of the impulse discharge device in the mortar while turning on the switch of the pulse power system. After the voltage is applied, electric discharge starts at both electrodes of the impulse discharge device, and a small space (bubble) is formed around the impulse discharge device. The bubble expands its space at a rapid rate of several 에 by the high temperature and pressure inside, and the kinetic energy inside the bubble is converted into a shock wave. The shock wave formed at this time is hydrodynamically transmitted to the ground through mortar. When the shock wave is connected to the ground, the impedance of the ground and mortar is remarkably different, so reflection occurs at this interface, and the ground on the surface where the shock wave is touched by this reflection is compressed and immediately expanded, so that partial ground consolidation occurs. . At the same time, the pressure inside the already expanded space (bubble) is lower than the pressure of the surrounding medium, or mortar, reducing the space and It will be filled with mortar.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

본 발명에 따른 펄스파워시스템에 의하면, 스위치의 양전극과 음전극 사이에 직접적인 송전경로를 형성하는 트리거전극을 배치함으로써 전극간 절연효과를 높임으로써 보다 안정적인 시스템의 동작이 가능하다. 또한 스위치를 냉각시키고 분산먼지를 제거할 수 있는 환풍장치를 채용함으로써 스위치의 내구성을 향상시키는 동시에 분진먼지로 인한 작동오류를 최소화할 수 있다. 나아가 충전전압 측정장치에 의해 측정된 충전전압레벨에 따라 트리거전극의 구동시점을 조절할 수 있고 변압기의 일차측에 공급되는 전원의 전압레벨을 조절하여 적정한 충전전압레벨을 유지할 수 있다. According to the pulse power system according to the present invention, by arranging the trigger electrode to form a direct transmission path between the positive electrode and the negative electrode of the switch to increase the insulation effect between the electrodes it is possible to operate the system more stable. In addition, by adopting a ventilator that cools the switch and removes the scattering dust, it is possible to improve the durability of the switch and at the same time minimize the operation error due to dust dust. Further, the driving time of the trigger electrode may be adjusted according to the charging voltage level measured by the charging voltage measuring device, and the appropriate charging voltage level may be maintained by adjusting the voltage level of the power supplied to the primary side of the transformer.

Claims (10)

교류입력전원을 승압한 후 정류하여 충전전원을 생성하는 충전부;A charging unit configured to generate a charging power by rectifying the AC input power; 상기 충전전원을 소정의 충전시간 동안 입력받아 전기에너지의 형태로 저장하는 에너지저장부;An energy storage unit for receiving the charging power for a predetermined charging time and storing the charged power in the form of electric energy; 상기 충전시간보다 길게 설정된 소정의 동작주기마다 소정의 방전시간동안 온되어 상기 에너지저장부에 저장되어 있는 전기에너지를 부하에 전달하는 스위치부; 및A switch unit which is turned on for a predetermined discharge time at a predetermined operation period longer than the charging time and transfers electrical energy stored in the energy storage unit to a load; And 상기 동작주기마다 상기 스위치부에 트리거전원을 공급하는 제어부;를 포함하며,And a control unit supplying trigger power to the switch unit at each operation cycle. 상기 스위치부는,The switch unit, 상기 에너지저장부에 연결되는 제1전극;A first electrode connected to the energy storage unit; 상기 송전선을 통해 상기 부하에 상기 전기에너지를 전달하는 제2전극; 및A second electrode transferring the electrical energy to the load through the transmission line; And 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각과 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 제어부로부터 상기 트리거전원의 입력시 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각과의 사이에서 발생한 아크를 통해 상기 제1전극으로부터 전달받은 상기 전기에너지를 상기 제2전극으로 전달하는 제3전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.The first electrode and the second electrode are disposed to be spaced apart from each of the first electrode and the second electrode by a predetermined interval, and the first electrode and the second electrode when the trigger power input from the control unit And a third electrode configured to transfer the electrical energy received from the first electrode to the second electrode through an arc generated therebetween. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에너지저장부에 구비된 에너지저장소자와 병렬로 설치되며, 상기 전기에너지가 부하로 전달된 후 상기 에너지저장부에 구비된 상기 에너지저장소자에 잔류하는 전하를 덤프방전시키는 덤프부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.It is installed in parallel with the energy storage device provided in the energy storage unit, and further comprising a dump unit for dumping and discharging the charge remaining in the energy storage device provided in the energy storage unit after the electrical energy is transferred to the load Pulse power system characterized by. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 덤프부는,The dump unit, 일단은 상기 에너지저장소자와 접속되며, 상기 제어부로부터 입력되는 구동전원에 의해 단속 및 개방되는 덤프릴레이; 및A dump relay having one end connected to the energy storage element and intermittently opened by a driving power input from the controller; And 일단은 상기 덤프릴레이의 타단에 접속되고 타단은 접지되어 상기 덤프방전시 방전전류를 제한하는 덤프저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.And a dump resistor having one end connected to the other end of the dump relay and the other end being grounded to limit discharge current during the dump discharge. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 교류입력전원을 공급하는 배전부; 및A distribution unit for supplying the AC input power; And 상기 에너지저장부에 구비된 에너지저장소자와 병렬로 접속되어 상기 에너지저장소자에 가해지는 상기 충전전압의 레벨을 측정하는 전압레벨측정부;를 더 포함하며,And a voltage level measuring unit connected in parallel with the energy storage device provided in the energy storage unit to measure the level of the charging voltage applied to the energy storage device. 상기 제어부는 상기 측정된 충전전압의 레벨이 사전에 설정된 충전목표전압보다 낮으면 상기 배전부에 상기 교류입력전원의 전압레벨을 높이도록 지시하는 제 어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.And the control unit outputs a control signal instructing the power distribution unit to increase the voltage level of the AC input power when the level of the measured charging voltage is lower than a preset charging target voltage. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스위치부는,The switch unit, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극과 이격되어 설치되며, 적어도 상기 방전시간동안 온되어 상기 제1전극 내지 제3전극 방향으로 외기를 주입하는 송풍부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.And a blower unit spaced apart from the first electrode to the third electrode and turned on for at least the discharge time to inject outside air in the direction of the first electrode to the third electrode. . 제 1항, 제 2항, 제4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5, 상기 제1전극의 중심점과 상기 제2전극의 중심점은 동일한 직선상에 위치하며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 대향하는 상기 제3전극의 면들은 상기 제1전극의 중심점과 상기 제2전극의 중심점을 연결한 직선과 직교하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.The center point of the first electrode and the center point of the second electrode are located on the same straight line, and the surfaces of the third electrode facing the first electrode and the second electrode may be the center point of the first electrode and the second electrode. Pulse power system, characterized in that orthogonal to the straight line connecting the center point of the electrode. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극의 서로 마주보는 면은 각각의 전극의 외부방향으로 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.Pulsed power system, characterized in that the surface facing each other of the first electrode to the third electrode is formed to have a predetermined curvature in the outward direction of each electrode. 제 1항, 제 2항, 제4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5, 상기 스위치부는,The switch unit, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극이 수용되는 공간을 형성하며, 상기 제1전극 내지 제3전극이 고정되는 지지대를 구비한 하우징;A housing having a space for accommodating the first electrode to the third electrode and having a support for fixing the first electrode to the third electrode; 소정의 체결수단에 의해 상기 제1전극을 상기 지지대에 결착하는 제1전극커버; 및A first electrode cover for binding the first electrode to the support by a predetermined fastening means; And 소정의 체결수단에 의해 상기 제2전극을 상기 지지대에 결착하는 제2전극커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.And a second electrode cover which binds the second electrode to the support by a predetermined fastening means. 제 1항, 제 2항, 제4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5, 상기 제1전극 내지 상기 제3전극은 카본 또는 구리텅스텐합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.The first electrode to the third electrode is a pulsed power system, characterized in that made of carbon or copper tungsten alloy. 제 1항, 제 2항, 제4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5, 상기 제1전극의 중심점과 상기 제2전극의 중심점을 연결한 직선방향으로의 상기 제3전극의 길이는 상기 제1전극과 상기 제3전극의 이격거리 또는 상기 제2전극과 상기 제3전극의 이격거리보다 큰 것을 특징으로 하는 펄스파워시스템.The length of the third electrode in a linear direction connecting the center point of the first electrode and the center point of the second electrode is the separation distance between the first electrode and the third electrode or between the second electrode and the third electrode. Pulse power system, characterized in that greater than the separation distance.
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