KR102122936B1 - 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치에 관한 것으로, 버튼형과 다중 전극형 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치에 관한 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 구성으로 인해 총 출력 내에서 토치 전극 특성(버튼형과 다중전극형)에 따라 고전압을 발생하도록 구성되어 총 출력 범위내에서 두 형태의 토치를 각각의 운전특성에 따른 전류 및 전압을 원하는 비율로 자유롭게 혼합할 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치{Power Supply Equipment on ignition the Plasma Torch with Button-Type and/or Multi-Type Electrode}

본 발명은 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버튼형과 다중 전극형 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적인 플라즈마 전원공급 장치는 토치를 이용한 용융 대상물질의 전기전도도 변화에 따라 이송식 또는 비이송식 모드로 자동전환이 가능하고, 이송식과 비이송식 아크를 동시에 발생시킬 수 있는 절연게이트쌍극트랜지스터(IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor) 소자를 사용하는 방법을 채택하고 있다.

IGBT는 정류 후 단속(chopping)하기 때문에 입력 측에 축전기(Capacitor)를 사용할 수 없는 실리콘제어정류기(Silicon Controlled Rectifier)와 달리 전단에 고조파를 발생시키지 않는 장점이 있다.

뿐만 아니라 IGBT는 역률이 우수하기 때문에 별도의 역률보상회로를 설치하지 않아도 90% 이상의 역률이 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기소자를 이용한 전원공급 장치는 수백 kW급 출력을 발생시키는 플라즈마 토치에 대해서는 모드전환 운전이 가능한 반면, 고전류(kA 규모) 및 고전압(kV 규모)을 이용하는 MW급 고출력을 이용하는 토치의 경우 내부 전극 특성에 따라 운전모드 전환시(이송식↔비이송식) 이상 방전(abnormal arcking)이나 불안정한 출력발생의 원인이 된다.

또한 구성된 전극 특성에 따른 별도의 전원공급 장치를 설치해야 되며, 토치 사용전환에 따라 전원공급 장치 변경도 수반되어야 하는 번거로움이 발생하여 운전의 비효율과 토치 수명 및 전원설비 건전성에 위해 요인으로 작용하게 된다.

등록번호 : 10-1017585

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고자 고안한 것으로, 총 출력 범위내에서 두 형태의 토치(버튼형 및 다중전극형)를 각각의 운전특성에 따른 전류 및 전압을 원하는 비율로 혼합할 수 있도록 하는 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치를 제공함에 있다.

본 발명은 변압기로부터 인입되어 ACB 차단기를 통해 주 변압기로 흐르는 전류를 직류전압으로 전환하는 AC 입력부; 상기 입력부의 출력을 정류하여 절연게이트 쌍극트랜지스터 스위칭에 의해 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하는 변환부; 상기 변환부의 출력을 직류리액터를 통해 전원을 공급하는 DC 출력부; 및 상기 DC 출력부의 신호를 플라즈마 토치내 각 전극에 직류 고전압을 걸어 연결결선에 따라 다중전극형 또는 버튼형 타입으로 결선되도록 하는 점화부;를 포함할 수 있다.

바람직하게 DC출력부는 정류된 전기를 절연게이트쌍극트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭에 의하여 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하는 단속기에서 출력되는 전류를 감지하여 제어기의 A/D변환기부로 아날로그 값을 전송하는 직류전류 변환기를 포함할 수 있다.

바람직하게 DC출력부는 점화부 연결시, P1은 양극1에 연결, P2는 보조1에 연결, P3는 음극1에 연결, GND는 음극2에 연결되어 다중전극형 토치 전원으로 결선될 수 있다.

바람직하게 DC출력부는 점화부 연결시, P는 양극3을 통해 GND에 연결, P1은 양극2에 연결, P2는 양극1에 연결, P3는 음극1에 연결되어 버튼형 토치 전원으로 결선될 수 있다.

본 발명은 상술한 기술적 구성으로 인해 총 출력 내에서 토치 전극 특성(버튼형과 다중전극형)에 따라 고전압을 발생하도록 구성되어 총 출력 범위내에서 두 형태의 토치를 각각의 운전특성에 따른 전류 및 전압을 원하는 비율로 자유롭게 혼합할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 전원 단선도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 다중전극형 토치의 결선을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 버튼형 토치의 결선을 나타낸 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 다만, 첨부된 도면은 요부에 대한 설명의 편의를 위해 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있고, 설명에 사용되는 용어 및 명칭은 사전적인 의미가 아닌 구성의 형상이나 작용, 역할 등에 의해 함축적으로 정해질 수 있으며, 위치에 대한 설명은 특별한 언급이 없는 한 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 선등록된 공지기술 및 통상적 기술에 대한 구체적인 설명은 요지를 흐릴 수 있어 생략 또는 간단한 부호나 명칭으로 대체한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 전원 단선도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 전원공급장치 회로내에 토치 전극별 운전을 위한 회로를 구성할 수 있다.

도 1에서의 전원공급장치 구성을 설명하면, AC 입력부는 CHMC, ACB, ACF, Main TR, 변환부(정류 및 제어부)는 Diode Stack(CD, FL, PT), IGBT Chopper Stack(FC, CP, PT), DC 출력부는 DCLA, DCLB, DCCT를 포함한다.

이들 용어를 설명하면, CHMC : Charge MC (ACB 충전용 magnetic contactor), ACB : 기중차단기 (Air Circuit Breaker), ACF : 필터(AC Filter), CD : 정류 다이오드 (Current Diode), FL : 필터 리액터 (Filter Reactor), PT : 전압측정센서 (Phase Transmitter), DCHR : DC 저항 (DC Register), FC : 필터용 콘덴서 (Filter Capacitor), CP : IGBT Module, DCLA : 직류 리액터 (DC Reactor A), DCLB : 직류 리액터 (DC Reactor B), DCCT : 직류전환 변환기 (DC Current Transmitter)

입력부에는 변압기(TR, Transformer)로부터 22.9KV/575V 60Hz가 인입되어 차단기(ACB, air circuit breaker) 및 ACB 충전용 magnetic contactor(CHMC)를 통해 AC 입력부 주 변압기(Main Transformer)로 흐르는 전류를 직류 전압으로 전환하여 1800kVA를 제어기의 A/D (Analog/Digital) 변환기(Converter)로 보내기 위해 diode stack(CD)으로 인입된다.

변환부(정류 및 제어부)에는 다이오드(Diode)가 있는데 3상 교류 전기를 전파 정류하여 직류 전기로 변환하고, 축전기(Capacitor)는 정류부에서 정류되어진 직류 전기를 충전하는 역할을 한다. 단속기(Chopper)는 정류된 전기를 절연게이트쌍극트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭에 의하여 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하며, 회로보호기(CP, circuit protector)와 변압기(PT, power transformer)를 거쳐 직류전환 변환기(DCCT, DC current transformer)로 인입된다.

DC 출력부의 직류전류 변환기(DCCT)는 단속기에서 출력되는 전류를 감지하여 제어기의 A/D 변환기부로 아날로그(Analog) 값을 전송하며, 직류 리액터가 연결되어 있어 안정적인 전원을 공급하는 역할을 하고, 출력은 판넬 상단 P 및, N의 부스바에 공급한다.

점화부에는 DC 출력부에서 넘어온 신호를 플라즈마 토치내 각 전극에 직류 고전압을 걸어주며 연결결선에 따라 다중전극형과 버튼형 전극에 양극(음극) 또는 음극(양극)으로 결선되도록 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치는 MW급 플라즈마 토치 전원공급장치로서, IGBT 소자를 사용하고 MW급 출력부를 2개 구성하여 총 3MW 출력을 발생하도록 결선하고 있으며, 총 출력내에서 토치 전극 특성(버튼형과 다중전극형)에 따라 고전압을 발생하도록 구성된다.

기존의 kW급 규모의 폐기물 용융용 전원공급 장치는 이송식 토치와 비이송식 토치에 각각 다른 독립적 전원을 공급하고 있으나 본 MW급 플라즈마 토치 전원공급 장치는 총 출력 범위내에서 두 형태의 토치(버튼형 및 다중전극형)를 각각의 운전특성에 따른 전류 및 전압을 원하는 비율로 자유롭게 혼합할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 다중전극형 토치 DC Power Supply 회로 및 적용내용을 나타낸 예시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 다중전극형 토치에서 보조음극은 점화 및 초기 방전을 유지하도록 한다.(≥ 3 kV RF (1MHz) @ ≥ 200 V DC), 양극1은 보조음극 및 음극1로 방전 확대 (Open Voltage ≥ 1 kV DC )이고, 양극1+음극1은 비이송식 운전(보조음극 out)이며, 양극 1 + 음극 1 및 음극 2 : 비이송식 및 이송식 동시 운전이고, 양극 1 + 음극 2 : 이송식 운전 (음극 1 최소화)이다.

다중전극형 토치에 있어 DC출력부에서 P1은 양극1에 연결, P2는 보조1에 연결, P3는 음극1에 연결, GND는 음극2에 연결된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치의 버튼형 토치 DC Power Supply 회로 및 적용내용을 나타낸 예시도이다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 양극 1 + 음극 : 점화 및 초기 방전 유지 (≥ 3 kV RF (1MHz) @ ≥ 200 V DC)이고, 양극 2 + 음극 및 양극 1 : 방전 확대 (Open Voltage ≥ 1 kV DC )이며, 양극 2 + 음극 : 비이송식 운전 (양극 1 out)이고, 양극 3 + 음극 및 양극 2 : 비이송식 및 이송식 동시 운전이며, 양극 3 + 음극 : 이송식 운전 (양극 2 최소화)이다.

버튼형 토치에 있어 DC출력부에서 P는 양극3을 통해 GND에 연결, P1은 양극2에 연결, P2는 양극1에 연결, P3는 음극1에 연결된다.

이하, 본 발명에서 제안한 구성의 응용을 설명을 하면 다음과 같다.

본 발명은 본 발명에서 추구하고자 하는 구성의 원리와 그 원리에 대한 이해를 돕고자 본 발명의 구성과 그 구성에 포함되는 구체적인 구성요소를 도면화하고 그 도면을 기반으로 하여 설명을 한 것이며, 본 발명에 포함되는 구성 및 그 구체적인 구성요소는 추구하고자 하는 원리를 감안하여 구조, 형태, 모양, 배치, 방향, 수량이 결정되며 이를 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있을 것이다. 본 발명에서 제시한 구성 및 그 구체적인 구성요소는 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명에서 얻고자 하는 효과와 그 효과로부터 더 나은 효과를 얻기 위해 어떠한 원리를 적용하는 것이 가장 바람직한 것인지를 예시한 것이다. 이에 따라서 본 발명은 상술한 구성들을 모두 포함하여 본 발명은 완성하는 것이 가장 바람직하나, 원가절감, 제조의 편의성, 환경조건 또는 필요에 따라 상기에서 설명한 구성 중 일부를 선택 또는 배제하여 완성할 수 있고, 하나 또는 일부의 구성을 따로 떼어내어 다른 구성과 병합하여 완성할 수도 있다. 그리고 상기에서 설명한 각 구성은 원리, 용도, 기능, 역할, 작용, 효과 등을 감안하여 이 기술분야가 아닌 다른 기술분야에 독립적으로 적용될 수 있을 것이다.

이상으로, 본 발명의 설명을 모두 마치며, 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 기술자라면 상술한 구체적인 내용을 통해 본 발명에서 추구하고자 하는 요지를 충분히 파악할 수 있을 것으로 보이고, 더 이상 설명하지 않아도 설명하지 않은 부분에 대해서도 충분히 유추 가능할 것이라 보이며, 이에 본 발명의 청구항은 상술한 설명을 기반으로 하여 권리범위를 가능한 포괄하는 범위로 특정하여 청구할 수 있을 것이고, 이를 통해 이 기술분야 및 이와 연관된 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명에서 언급한 내용을 기초로 하여 해당분야에 다양하게 수정 및 변경하여 적용할 수 있을 것이며, 이로 말미암아 이 기술분야 및 이와 연관된 기술분야의 발전은 물론 사용상의 효율성을 더욱더 증대시킬 수 있을 것이다.

100 : AC 입력부
200 : 변환부(정류 및 제어부)
300 : DC출력부
400 : 점화부

Claims (4)

1. 변압기로부터 인입되어 ACB 차단기를 통해 주 변압기로 흐르는 전류를 직류전압으로 전환하는 AC 입력부; 상기 입력부의 출력을 정류하여 절연게이트 쌍극트랜지스터 스위칭에 의해 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하는 변환부; 상기 변환부의 출력을 직류리액터를 통해 전원을 공급하는 DC 출력부; 및 상기 DC 출력부의 신호를 플라즈마 토치내 각 전극에 직류 고전압을 걸어 연결결선에 따라 다중전극형 또는 버튼형 타입으로 결선되도록 하는 점화부;를 포함하며,
   상기 DC출력부는,
   플라즈마 토치 외측에 음극2가 위치하고, 토치 내부 전극 중 중간을 기점으로 전방전극과 후방전극으로 나뉘어 연결되며, 상기 음극2 측을 향하는 전방전극에 음극1이 위치하고, 후방전극에 양극1이 위치하며, 양극1 후단에 보조음극(보조1)이 위치하여 연결되는 다중전극형 토치로 점화부 연결시, DC출력부의 단자신호 중, P2단자 신호가 토치의 보조음극(보조1)에 연결된 경우 점화 및 초기 방전을 유지하도록 하고, P1단자 신호가 토치의 양극1에 연결된 경우 방전 확대하며, P1단자 신호가 토치의 양극1에 연결과 동시에 P3단자 신호가 토치의 음극1에 연결된 경우 비이송식 운전하고, P1단자 신호가 토치의 양극1에 연결되고 P3단자 신호와 토치의 음극1 연결 및 GND 단자신호와 토치의 음극2에 연결시, 비이송식 및 이송식 동시 운전, P1단자 신호가 토치의 양극1 연결되고, GND단자신호와 토치의 음극2 연결시 이송식 운전으로 모드 전환하며,
   플라즈마 토치 외측에 양극3이 위치하고, 토치 내부 전극 중 중간을 기점으로 전방전극과 후방전극으로 나뉘어 연결되며, 양극3 측을 향하는 전방전극에 양극2가 위치하고, 후방전극에 양극1이 위치하며, 양극1 후단에 음극1이 위치하여 연결되는 버튼형 토치로 점화부 연결시, DC출력부의 단자신호 중, P2단자 신호가 토치의 양극1에 연결, P3단자 신호가 토치의 음극1에 연결되면 점화 및 초기 방전 유지하고, P1단자 신호가 토치의 양극2 연결, P3단자 신호가 토치의 음극1 연결 및 P2단자 신호가 토치의 양극1 연결시 방전확대, P1단자 신호가 토치의 양극2에 연결하고 P3단자 신호가 토치의 음극1에 연결시 비이송식 운전, P단자신호가 토치의 양극3을 통해 GND 연결하고, P3단자 신호가 토치의 음극1 연결 및 P1단자 신호가 토치의 양극2 연결시 비이송식 및 이송식 동시 운전, P단자신호가 토치의 양극3을 통해 GND 연결하고, P3단자 신호가 토치의 음극1에 연결시 이송식 운전으로 모드 전환하며,
   상기 DC출력부의 단자신호 중, P단자는 변환부(200)에서 정류된 전기를 절연게이트 쌍극트랜지스터 스위칭에 의하여 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하고 회로보호기(CP)와 변압기(PT)를 거쳐 출력되는 신호이고, P1단자는 변환부(200)에서 정류된 전기를 절연게이트 쌍극트랜지스터 스위칭에 의하여 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하고 회로보호기(CP)와 변압기(PT)를 거쳐 직류 리액터와 직류전류 변환기(DCCT)를 통해 출력되는 신호이며, P2단자와 P3단자는 변환부(200)에서 정류된 전기를 절연게이트 쌍극트랜지스터 스위칭에 의하여 출력 전압 및 전류의 크기를 결정하고 회로보호기(CP)와 변압기(PT)를 거쳐 직류전류 변환기(DCCT)를 통해 출력되는 DC 출력부의 신호인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치를 기동하는 전원공급장치.
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