KR100830115B1

KR100830115B1 - 아연도금용 폭방향 균일성 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR100830115B1
Application number: KR1020010082780A
Authority: KR
Inventors: 정원철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-05-20
Also published as: KR20030052752A

Abstract

본 발명은 공간벡터변조를 이용한 분말아연도금의 강판폭방향 도금균일성 제어에 관한 것이다. 분말도금에서 폭방향의 전계분포를 균일하게 만드는 장치에 있어서 폭방향으로 3개로 분리된 고전압을 인가할 수 있는 분할된 독립전극을 형성하고 각각의 전극에 공간벡터제어가 가능한 전원을 마련하고, 폭방향의 전계분포를 균일하게 만드는 방법에 있어서 강판의 에지에 집중되는 전계의 분포를 상쇄하는 형태로 전극의 형상에 따른 전계분포를 계산하고 이를 바탕으로 에지와 가운데 부분의 위상각을 고려한 공간벡터 변조 방식을 적용한 전압제어를 행함으로써 강판에지로의 전계 분포를 균일하게 함으로써 안정적인 코로나발생을 통한 아연입자에 미치는 정전기력의 척력 및 인력을 제어하여 아연입자의 거동을 강판의 폭방향 전체에 균일하게 제어하는 공간벡터 변조를 이용한 분말아연도금의 폭방향 균일성 제어방법에 관한 것이다.

공간벡터, 벡터변조, 정전기

Description

아연도금용 폭방향 균일성 제어장치 및 방법{Space Vector Control Method For The Uniform Coating Powder Zinc Galvanizing Process}

도 1a, 도 1b. 기존의 분말아연 도금시스템의 구성을 도시한 개략도 및 일부 사시도

도 2. 종래의 전극의 형태와 전계의 분포를 나타낸 개략도

도 3. 이 발명의 한 실시예에 따른 전극장치의 개념도

도 4. 연속분포에서의 공간벡터의 좌표축과 벡터의 개략도

도 5. 양자화된 공간벡터와 이를 이용한 변조방식의 개략도

도 6. 이 발명의 한 실시예에 따른 전극의 형태와 전계의 분포를 나타낸 개략도

도 7. 이 발명의 한 실시예에 따른 제어방법을 구현하기 위해 이용되는 벡터변조의 개념도

도 8. 제어회로를 이용하여 수행되는 제어로직의 다이어그램

********** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **********

10: 챔버 11: 용융아연

12: 아연욕 13: 유량 조절 밸브

14: 혼 15: 초음파 발생장치

16: 고전압 전극 17: 고전압 발생장치

18: 아연입자 19: 도금 강판

20: 드래인 펌프 21: 전원제어부

22: 가변직류전원 23: 충전출력부

24a,24b,24c: 전압측정기 25: 수치제어기

26: 벡터전압제어기 27:전압스위칭회로

28: 고전압케이블

본 발명은 미립화된 아연입자를 고전압전극에 의해 발생된 정전기력에 의해 강판에 부착하여 아연도금강판을 만드는 방법에 관한 것으로서, 특히 강판 폭방향의 도금 균일성을 제어하는 새로운 방법에 관한 것이다.

아연입자를 이용하여 도금강판을 만드는 방법에 관한 종래기술은 다음과 같다. 도 1a 및 도 1b에 보이듯이, 아연의 용융에 필요한 열원을 공급하는 히터에 의해 용융된 용융아연(11)을 저장하는 아연욕(12), 용융아연의 유량을 조절하는 밸브(13), 그리고 용융아연을 미립화시키는 초음파발생장치(15)와 직접 아연이 닿는 혼(14), 이 혼에 의해 미립화된 아연입자(18)가 도금될 강판(19), 아연입자에 정전기력을 인가하는 고전압발생장치(17)와 고전압 전극(16)으로 구성된다. 또한 잔류 아연을 배출하는 드래인 펌프(20)도 포함된다. 그리고 도금 구간을 밀폐하는 챔버(10)가 필요하다.

이와 같은 아연을 도금하는 방법은 아연입자의 강판으로의 부착을 위하여 아연입자의 하전 및 강판과 전극사이에 형성된 정전기력을 이용하는 것이 필수적이다. 이렇게 정전기를 이용하는 것은 대표적인 예가 집진기이다. 출원번호 1999-18620, 강판의 도금방법 및 이에 사용되는 장치(김상헌,정원철) 의 특허에 따르면 정전기를 발생할 수 있는 고전압 장치를 구비하고 분말아연을 강판과 전극사이에 투입하면 정전기력에 의하여 부착된다는 일반적인 내용을 담고 있으나 폭 방향 도금균일성 제어방법에 대해서는 기재되어 있지 않다.

출원번호 2001-14502, 용융아연 도금강판의 제조방법(김상헌)에 따르면 도금효율을 높이기 위하여 직류 고전압 대신 펄스에 직류가 중첩된 고전압을 사용하고 있다. 펄스의 사용으로 직류보다는 부착효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단되나 전극의 구성 및 이에 따른 폭 방향 전압의 설정 방법에 대해서는 기재되어 있지 않으며 아래에 기술할 몇가지 근원적인 문제점 때문에 질소분위기에서의 폭방향 균일성에 대한 근본적인 해결이 불가능하다.

분말도금시 폭방향으로 도금의 균일성을 확보하기 어려운 근본적인 이유는 전극의 에지효과 때문이다. 즉 전계의 분포는 전극의 형상에 따라 크게 변화하는데 전극의 에지와 같이 곡률반경이 작은 날카로운 모서리의 경우 전계의 집중이 일어난다. 하전된 아연분말은 전계의 분포를 따라 이동함으로써 강판의 에지쪽으로 과도금이 일어나는 현상이 발생한다.

도 2의 (a)는 현재 도금에 사용되고 있는 전극과 강판의 형태를 나타내는데, 도 2의 (b)와 같이 강판과 전극의 가운데 부분은 전계의 중첩이 일어나서 균일한 전계가 전극으로부터 강판으로 공급되나 강판과 전극의 에지부근에서는 에지효과에 의하여 전계의 분포가 강판의 에지쪽으로 집중된다. 도 2의 (c)는 이때의 전계집중에 따른 전계의 세기를 나타낸다. 이렇게 에지쪽으로 전계가 집중하는 경우 강판의 도금균일성 확보는 불가능하였다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 분말도금에서 폭방향의 전계분포를 균일하게 만드는 장치에 있어서 직류에 중첩된 펄스 고전압을 인가할 수 있는 폭방향으로 3개로 분할된 독립전극을 형성하고 각각의 전극에 공간벡터제어가 가능한 전원을 마련하고, 폭방향의 전계분포를 균일하게 만드는 방법에 있어서 강판의 에지에 집중되는 전계의 분포를 상쇄하는 형태로 전극의 형상에 따른 전계분포를 계산하고 이를 바탕으로 에지와 가운데 부분의 위상각을 고려한 공간벡터 변조 방식을 적용한 전압제어를 행함으로써 강판에지로의 전계 분포를 균일하게 함으로써 안정적인 코로나발생을 통한 아연입자에 미치는 정전기력의 척력 및 인력을 제어하여 아연입자의 거동을 강판의 폭방향 전체에 균일하게 제어하는 공간벡터 변조를 이용한 분말아연도금의 폭방향 균일성 제어방법 을 제공하는데 그 목적이 있다 .

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 도금될 강판(19)과 이에 대향하여 일정거리에 위치한 다수의 선으로 형성된 폭방향으로 3개로 분리된 전극(16a,16b,16c)과 이런 전극에 정전기력을 인가하기 위한 전원부(30) 및 전원제어부(21)로 구성된다. 우선 전극의 구성에 있어서 에지전극(16a,16c)과 중앙전극(16b)의 3개의 전극으로 형성된다. 세 전극간의 간격은 전압간섭이 일어나지 않는 범위에서 최대한 가깝게 한다.

전원부(30)의 구성에 있어서 에지전극(16a,16c)과 중앙전극(16b)에 각각 전압을 인가할 수 있는 충전출력부(23)을 가진 가변직류전원(22)을 구성상의 특징으로 하는 3대의 전원을 구비한다. 이렇게 전원부의 충전출력부(23)는 고전압케이블(28)에 의해 3개의 전극에 각각 독립적으로 연결된다. 전원제어부(21)는 전계 분포제어를 위해서 전압의 궤환이 필요한데 이를 위하여 3대의 전압측정기(24a,24b,24c)를 설치함으로써 양에지전극(16a,16c)과 중앙전극(16b)의 전압측정을 가능하게 한다. 이와 같이 전압측정기(24a,24b,24c)에 의해 궤환된 값은 수학식에 의해 출력전압공간벡터를 설정하는 프로그램이 입력된 수치제어기(25)에 입력되고 수치제어기(25)는 수학식에 따라 양에지전극(16a,16c) 및 중앙전극(16b)에 인가할 전압공간벡터의 제어량을 각각 출력한다. 이렇게 출력된 제어량은 3대의 벡터전압제어기(26)에 입력되고 전압스위칭회로(27)에 의하여 각각 3대의 전원(22)을 구동하게 된다.

한편 본발명에서는 공간벡터변조를 이용한 분말아연도금의 강판 폭방향 도금균일성 제어방법이 제공된다. 이러한 공간벡터변조를 이용한 제어방법은, 3상의 독립전원을 인가할수 있는 3개의 폭방향 고전압 전극을 강판에 대응하여 설치하고 공간벡터제어 인버터를 구비하여, 전극에지에서의 전계를 계산, 제어량을 설정하는 단계와 전압 및 전류를 제어하여 고전압 전극의 전압의 세기와, 전극에서 분말아연을 하전시키는 전류량을 탐지하는 탐지 단계 및 측정된 전압의 세기 및 전류량과 전압으로부터 변조할 공간벡터량을 결정하여 전압 발생장치에서 출력하는 출력단계를 포함한다.

공간벡터란 전원이 인가된 전극에 분포하는 전압, 전류 및 전계를 공간상에 벡터형식으로 표현한 벡터를 말한다. 즉 강판 폭방향의 전계는 에지효과에 의해 동 일한 전압이 인가되더라도 에지에서의 전계의 세기가 크다. 이런 전계의 세기를 벡터의 궤적으로 표시하여 벡터좌표축상에 표시하면 공간상에 분포하는 전계의 세기를 하나의 수식으로 표현할 수 있고 이 궤적이 완전원형인 경우 강판 폭방향으로 균일한 전계가 분포함을 나타낸다. 기존전극의 형태에서는 에지쪽에 집중된 전계로 인하여 타원형태의 궤적이 구하여지므로 양자화된 전압공간벡터를 변조하여 역방향으로 인가함으로써 폭방향 전계불평형을 억제할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.도3과 같이 정전기 전극은 선대 평판이나 판대 판 모양으로 설계할 수 있다. 분말도금용의 전극은 선대 평판의 구조를 채택하였다. 정전기 현상을 만들기 위해서는 방전극에 고전압을 인가하고 판을 접지시키는 구조를 하여야 한다. 공간벡터변조를 위한 전원인가를 위해서는 전극의 구조를 3단으로 분리하여야 한다. 즉 양측 에지와 가운데 부분의 전극으로 분리한다. 이와 같이 분리된 3개의 전극에는 3상의 상관관계를 고려한 공간벡터 변조 방식을 적용할 수 있다.

우선 공간벡터 변조방식에 대하여 설명하겠다. 공간벡터 변조방식이란 3상의 유도전동기제어를 위하여 1970년대에 확립된 전원 제어방식이다. 3상에 인가되는 전압의 상관관계를 공간벡터라는 하나의 벡터로 해석하여 0 ~ 360도 구간에서 3상의 전압, 전류 및 전계의 분포를 제어하는 방식이다. 아래에서 공간벡터변조방식의 이론에 대하여 설명하겠다.

수학식 1을 만족하는 어떤 3개의 시간함수는 실수-허수축의 2차원 공간상에 표시될 수 있다. 즉 도 4와 같이 벡터 [u_a 0 0]는 수평축을 나타내고 벡터[0 u_b 0] 는 120도만큼 , 벡터 [0 0 u_c] 는 240도만큼 회전한 벡터로 선택된다. 임의의 공간벡터 u(t)를 복소수 형태의 벡터로 표시하면 수학식 2와 같이 된다.

u_a (t), u_b (t), 그리고 u_c (t) 를 각각 전극의 왼쪽 에지, 가운데 그리고 오른쪽 에지에 인가되는 전압이라고 하면 수학식 3과 같이 표시된다. 여기서 Vm은 최대 상전압을, j는 복소수를 나타내는 수학기호이고, ω는 각속도를, t는 시간을 나타낸다. 이 벡터들을 공간벡터로 표시하면 수학식 4와 같다.

인버터의 출력전압을 나타내는 공간벡터 Vn은 수학식 5와 같이 표시된다. 3상에 해당되는 각 상을 스위칭함수 1또는 0으로 대체하면 강판의 양 에지와 가운 데 출력전압의 양자화된 공간벡터를 수학식 6과 같이 얻을 수 있다. 여기서 Vd는 인버터에 인가되는 직류전압이며 도 5는 양자화된 벡터를 보여준다.

상기 수학식에서 V_a, V_b, V_c는 크기가 같고 위상차가 120°차이 나는 3상전원(3phase voltage source)의 크기를 나타낸다. 공간벡터 변조 방식이란 수학식 6에 의해 구해진 양자화된 7개의 벡터를 이용하여 시간적으로 변조하여 강판의 에지와 가운데 부분의 공간상의 전계의 세기를 제어하는 방식이다. 인접한 두개의 양자화된 공간벡터로부터 변조하는 방식은 수학식 7에 나타난다.

이상에서는 공간벡터 변조의 기본원리에 대하여 설명하였다. 아래에서는 이런 공간벡터 변조방식이 어떻게 분말아연도금에서 폭방향 균일성 제어에 이용될 수 있는가에 대하여 도면과 수식을 이용하여 설명하겠다.

도 6의 (a)는 이 발명의 실시예에 따른 공간벡터변조를 이용한 분말아연도금 강판의 폭방향 균일성 제어를 위한 전극의 형태를 나타내고 있다. 공간벡터변조를 이용하기 위하여 3상의 전압을 인가할 수 있는 양 에지와 가운데 부분의 3개의 분할된 전극을 형성한다. 한편 에지효과에 의한 전극의 에지에서의 전계의 세기는 수학식 8과 같이 주어지고 가운데 전극의 전계의 세기는 수학식 9와 같이 주어진다. 수학식 8과 수학식 9를 수학식 3에 대입하면 수학식 10과 같은 공간벡터를 얻게 된다.

상기 수학식에서 ρ_L은 전극간의 가스 밀도(gas density)를 나타내고, a는 코로나 반경을 나타내고, ε은 유전율을 나타내며, D는 방전극과 강판간의 거리를 나타낸다. 도 6의 (a)는 수학식 10을 대입한 전계의 분포를 공간벡터로 표시한 것이다. 즉 양 에지전극과 가운데 전극에 같은 크기의 직류고전압을 인가해 주면 곡류반경의 영향으로 에지의 전계의 세기가 강하게 나타난다. 도 6의 (b)와 같이 전극의 x 방향으로 0 ~ 360도 구간을 전계 벡터의 세기로 나타내어 구간별로 살펴보면 강판의 왼쪽 에지인 0도에서 벡터의 세기가 가장크고 가운데 전극으로 갈수록 작아지며 다시 오른쪽 에지인 360도에 이르면 커지게 된다. 이와 같은 벡터의 분포를 회전 좌표축에 표시하면 도 6의 (c)와 같이 된다. 벡터의 세기가 0도부근이 크고 180도 부근이 작으므로 불완전 타원형태를 띠고있다. 만약 이 벡터의 분포궤도가 완전원형이면 전극의 길이방향으로 균일한 전계의 세기가 인가됨을 알 수 있다.

이와 같이 불평형 전계에 해당되는 벡터에 수학식 11과 같이 역방향 전계를 형성하는 양자화된 벡터를 시간에 대한 변조방식으로 수학식 12와 인가해 주면 0 ~360도 구간에서의 전계분포를 원형에 가깝게 만들 수 있으므로 균일한 전계분포를 얻게된다.

도 7의 (a)는 이와 같은 사상으로 공간벡터를 제어하는 방법에 대하여 개략적으로 나타낸 도식이다. 도 7의 (b)는 예로서 불평형전계 E1과 E6를 역방향으로 상쇄하기 위하여 시간 t1 동안 E3을 인가하고 시간t2 동안 E4를 인가하며 기본바이어스를 형성하기 위해 시간 t0 동안 E1 또는 E6을 인가하는 개략도를 나타낸다.

상기의 수학식들을 바탕으로 공간벡터 변조를 이용한 분말아연도금의 강판 폭방향 균일성 제어방법을 도 8에 도시된 각 단계별로 상세히 설명한다.

도 8에 도시된 S1에서는 고전압 전극과 방전극 사이의 극간거리를 설정하고, S2에서는 방전극 전극간 거리 및 전극의 직경을 설정한다. S3에서는 수학식 8과 같이 전극에지의 전계의 세기를 계산하고 S4에서는 수학식 9와 같이 전극 가운데에서의 전계의 세기를 계산한다. S5에서는 수학식 10과 같이 3개의 전극에 인가될 전계의 세기를 설정한다.

S6에서는 수학식 11과 같이 전극의 에지와 가운데에서의 양자화된 전계벡터를 설정한다. S7에서는 수학식 12와 같이 공간벡터변조에 사용할 전계의 벡터를 설정한다. 이와 같이 설정이 끝난후 S8에서는 불평형 전계 E1과 E6에 대한 카운터 전계벡터 E3, E4의 인가시간 t1,t2의 크기를 결정한다. S9에서는 실제 전계를 측정한다. S10에서는 S9에서 측정된 전계가 적정범위인 원형의 궤도인가를 비교한다. 만약 범위를 넘어서게 되면 S7 로 궤행하여 적정한 범위를 다시 설정한다. 만약 범위내라면 S11에서 계산된 공간벡터전압을 정전기전극으로 출력하고 폭방향 균일성 제어를 완료한다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 본 발명 분야의 당업자는 본 발명 사상과 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 전극의 구성상 에지와 가운데 부분이 분리된 3상 벡터제어가 가능한 전극을 형성하고, 폭방향의 전계분포를 균일하게 만드는 방법에 있어서 강판의 에지에 집중되는 전계의 분포를 상쇄하는 형태로 전극의 형상에 따른 전계분포를 계산하고 이를 바탕으로 에지와 가운데 부분의 위상각을 고려한 공간벡터 변조 방식을 적용한 전압제어를 행함으로써 강판 에지로의 전계 분포를 균일하게 하고 이로써 아연입자의 거동을 강판의 폭방향 전체에 균일하게 되도록 함으로써 분말아연의 강판으로의 부착의 균일성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

강판을 도금하기 위하여 공간벡터변조를 이용한 금속분말 도금의 폭방향 균일성 제어장치에 있어서,

상기 강판의 일면과 타면에는 강판의 진행방향을 따라 폭방향으로 양에지부와 중심부에 배치된 복수의 전극과;

상기 복수의 전극에 각각 독립적으로 연결되어 정전기력을 인가하기 위한 전원부;

상기 복수의 전극 및 상기 전원부에 연결되어 상기 전극의 전압을 측정함으로써 전계분포의 제어를 수행하기 위한 전압의 궤환을 수행하는 전원제어부;

상기 전원제어부로 부터의 궤환값에 따라 전압공간벡터의 제어량을 산출하는 수치제어기;

상기 수치제어기에 연결되어 상기 수치제어기에서 출력된 제어량에 따라 전원부를 구동시키는 벡터전압제어기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 전압제어가 가능한 폭방향 균일성 제어장치.
강판을 도금하기 위하여 공간벡터변조를 이용한 금속분말 도금의 폭방향 균일성 제어방법에 있어서,

고전압 전극과 방전극 사이의 극간거리를 설정하고 방전극 전극간 거리 및 전극의 직경을 설정하는 단계;

전극에지 및 전계의 세기를 계산하고 전극 가운데에서의 전계의 세기를 계산하여 3개의 전극에 인가될 전계의 세기를 설정하는 단계;

전극의 에지와 가운데에서의 양자화된 전계벡터를 설정하는 단계;

공간벡터변조에 사용할 전계의 벡터를 설정하는 단계;

불평형 전계에 대한 카운터 전계벡터의 인가시간을 결정하는 단계;

폭방향 전계의 세기를 측정하는 단계;

측정된 전계가 원형궤도 전계범위 내인지를 비교하여 그 범위를 넘는 경우에는 공간벡터변조에 사용할 전계벡터를 설정하는 단계로 궤행하여 상기 전계벡터를 다시 설정하고, 그 범위 내이면 계산된 공간벡터 전압을 정전기전극으로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폭방향 균일성 제어방법.