KR20000067079A

KR20000067079A - 80ｃ196ｋｃ를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템

Info

Publication number: KR20000067079A
Application number: KR1019990014579A
Authority: KR
Inventors: 우병균
Original assignee: 김형벽; 현대중공업 주식회사
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-11-15

Abstract

본 발명은 전기집진기 디지털 제어시스템을 구현하기 위한 것에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기집진기 시스템에서 전력제어를 구현하기 위해 사용되는 디지털 제어시스템을 구현하기 위하여 80C196KC 마이크로 컨트롤러를 이용함으로써 80C196KC 내부에 장착되어 있는 각종 기능을 이용하여 추가적인 회로 구성을 간략화 하여 고속으로 작동하는 80C196KC를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템에 관한 것이다.

본 발명은 전기집진기 시스템에서 전력제어를 구현하기 위해 사용되는 디지털 제어시스템(E.P.Controller)을 구현하기 위하여 80C196KC를 이용한 하드웨어를 사용한 것으로서, 80C196KC의 AD 변환 단자를 이용하여 아날로그(Analog)값을 마이크로 컨트롤러가 사용할 수 있는 디지털(Digital)값으로 변환하기 위한 인터페이스(Interface) 회로와 고속 입력 단자를 사용하여 아크(Arc)를 감지하는 인터페이스 회로, 인터럽트(Interrupt)단자를 이용하여 정밀한 파형제어를 가능하게 하는 초기점 감지회로 그리고, 고속 출력 단자를 이용하여 SCR의 파형제어를 구현하기 위한 인터페이스 회로를 구성하였다.

Description

80Ｃ196ＫＣ를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템{Digital Control System for Electrostatic Precipitator by Using 80C196KC}

일반적으로, 전기집진기는 산업 및 폐기 가스로부터 배출되는 분진을 포집하기 위해 전기집진기에 고전압을 인가하는 장치이다. 배출되는 분진을 최소화하기 위해서 인가전압을 상향 조정하여 전기집진기 구동을 위한 전력소비가 증가하게 되었다. 전력소비를 최소화하기 위해서 가스의 변화(저항, 온도, 습도 등)에 따라 변하는 방전 전압을 짧은 시간 안에 예측하고 방전 발생 횟수를 최소화하는 전력제어 방식이 사용되고 있다. 최근 짧은 시간내에 방전을 감지하고 방전 발생 횟수를 최소화하는 전력제어를 구현하기 위해 마이크로 프로세서를 이용한 디지털 제어방식을 사용하고 있다.

먼지를 포집하기 위해서는 방전극(중성의 먼지를 포집하기 위하여 음(negative) 전압 상태에서 전자를 방출시킬 수 있는 봉 형태의 극)에 음전위(negative voltage)를 인가하여 전자를 발생시키고 중성의 먼지이온을 음이온으로 변화시켜야 한다. 음이온으로 성질이 바뀐 먼지 이온은 그라운드(ground) 상태의 집진극에 충돌하여 중성의 이온으로 변화된다. 이러한 과정을 통해 먼지는 집진극에 포집되게 된다. 인가된 전압이 너무 높을 경우 방전이 발생하여 필요 이상의 전자가 방출되고 전력소비도 증가하게 된다.

집진극에 포집된 먼지는 시간이 지날수록 층을 형성하게 되며 고저항의 먼지가 집진극에 층을 이룰 경우 층 사이에 전압 강하가 발생되게 된다. 전압강하가 어느 임계점에 도달하면 포집된 먼지층 사이에서 방전이 발생하며 이로 인해 먼지가 재비산되는 현상이 발생된다. 이를 백 코로나(back corona)라고 하며 집진 효율을 감소시키는 가장 큰 원인으로 작용하게 된다.

방전극에 전압을 인가하는 형태는 크게 일정 전압 인가 방식(fullwave)과 전압인가를 간헐적으로 하는 간헐 하전(intermittent)으로 나눌 수 있다. 일정 전압 인가 방식은 장기간 사용하며 유입되는 먼지의 성질에 따라서 백 코로나가 발생하며 이를 방지하기 위하여 간헐 하전 방식이 개발되었다.

상기의 방전과 백 코로나는 집진극에 실제적으로 인가되는 전압(voltage)과 전류(current)를 통해 인식이 가능하며 이를 제어하기 위해서 아날로그 형태와 디지털 형태의 제어기가 개발되었다. 아날로그 제어기의 경우 방전 인식 및 제어 속도가 느리기 때문에 방전 발생 후 원하는 전압까지 전력 소비를 증대시키는 요인으로 작용하며 이를 극복하기 위한 방법으로 집진 현상을 고속으로 모니터링하고 제어할 수 있는 디지털 제어시스템이 개발되었다.

또한, 산업현장에서 전력제어를 위해 사용되는 SCR은 양극(Anode:순방향), 음극(Cathode:역방향), 그리고 게이트(Gate:SCR을 동작시키기 위한 단자로서, 이 단자를 작동시키면 SCR에 인가된 전압이 통전된다) 단자로 구성되어 있다. SCR의 사용 범위는 고전력(10MVA)에서 저전력(1KVA)범위까지 매우 다양하게 사용될 수 있으며 동작원리는 양극과 음극 사이의 전압이 순방향일 경우 게이트에 인가하는 순방향 전압의 시점을 제어하여 전력제어를 할 수 있다. 따라서, 전기집진기 제어시스템의 가장 중요한 제어변수는 정밀한 SCR 게이트 제어라고 할 수 있다.

지금까지 개발된 전기집진기 디지털 제어시스템의 경우 고속의 집진현상을 분석하기 위하여 일반 CPU를 사용하였으며 주변 장치로서 집진극에 인가되는 전압 전류를 측정하기 위한 아날로그/디지털 변환 회로, 전압의 크기 및 형태를 제어하기 위한 SCR(Silicon controlled rectifier) 게이트(Gate) 제어회로, SCR 게이트의 신뢰성 및 적정 각도를 유지 제어하기 위한 타이머(Timer/Counter) 회로, 펄스 발생회로 등 부가적인 회로로 구성되어 있다. 따라서, 제어기의 크기가 비대해지고 주변 장치를 제어하기 위한 소프트웨어 구성이 복잡해지며 주변 장치들을 조합하여 원하는 기능을 구현해야 하기 때문에 회로가 복잡해지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고속의 집진현상을 분석하기 위하여 일반 CPU를 사용하는 경우 주변 장치로서 아날로그/디지털 변환 회로, SCR(Silicon controlled rectifier) 게이트(Gate) 제어를 위한 타이머(Timer/Counter) 회로, 펄스 발생회로 등 부가적인 회로의 구성이 필수적이다.

본 발명에서 사용한 80C196KC는 세계 최초의 16비트 단일칩 마이크로 컨트롤러인 인텔의 8096계열이 1982년 처음 발표한 8096을 시작으로 1988년 80C196KB가 발표되고 1990년 80C196KC가 소개되어 많이 사용되고 있다. 80C196KC에서는 CHMOS 기술을 사용하여 16MHz 클럭에서 동작하며 80C196KB보다 약 33％의 성능 향상을 가져왔다. 80C196KC는 내부에 488바이트의 데이터(레지스터) RAM이 내장되어 있으며 ROM/EPROM 버전인 경우 내부에 16K 바이트의 ROM/EPROM이 들어있다. 주변 장치로는 3개의 펄스폭 변조(PWM) 출력, 2개의 타이머/카운터, 입력된 펄스의 폭을 측정하는 고속 입력 장치(HSI), 원하는 폭의 펄스를 만들어내는 고속 출력 장치(HSO), 10비트의 AD변환기, 그리고, 직렬 포트가 내장되어 있다. 따라서, 본 발명은 80C196KC 내부에 장착되어 있는 각종 기능을 이용하여 추가적인 회로 구성이 필요없이 고속으로 작동할 수 있는 80C196KC를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템을 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 전기집진기 제어시스템

도 2 는 본 발명의 AD 변환을 위한 인터페이스 회로

도 3 은 본 발명의 ARC 감지를 위한 인터페이스 회로

도 4 는 본 발명의 120Hz 인터럽트 회로

도 5 는 본 발명의 SCR 파형제어를 위한 인터페이스 회로

도 6 은 본 발명의 제어 순차도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1 과 같은 전기집진기 시스템에서 전력제어를 구현하기 위해 사용되는 디지털 제어시스템(E.P.Controller)을 구현하기 위하여 80C196KC를 이용한 하드웨어를 사용한 것으로서, 80C196KC의 AD 변환 단자를 이용하여 아날로그(Analog)값을 마이크로 컨트롤러가 사용할 수 있는 디지털(Digital)값으로 변환하기 위한 인터페이스(Interface) 회로와 고속 입력 단자를 사용하여 아크(Arc)를 감지하는 인터페이스 회로, 인터럽트(Interrupt) 단자를 이용하여 정밀한 파형제어를 가능하게 하는 초기점 감지회로 그리고, 고속 출력 단자를 이용하여 SCR의 파형제어를 구현하기 위한 인터페이스 회로를 구성하였다.

도 2 는 전기집진기의 2차 전류, 전압, 1차 전류, 전압, 그리고 Opacimeter의 출력신호를 처리하기 위한 AD 변환 인터페이스 회로로서 분리 앰프(Isolation Amp)를 사용하여 외부와의 노이즈를 차단하고, 이를 통해 정확한 아날로그 입력값을 AD 변환 단자에 입력하도록 하고, 외부로부터 입력되는 직류 전압을 절연소자(Isolation Amp)를 이용하여 외부 전원에 의한 노이즈 제거 및 회로의 안정화를 구현한 다음 오피 앰프(OP Amp)를 사용하여 비 반전 증폭을 하여 직류 0 ∼ 5Volt 신호로 변환한다. 0 ∼ 5Volt로 변환된 신호는 80C196KC의 A/D 변환 단자로 바로 입력이 되어 AD 변환을 할 수 있게 된다.

도 3 은 아크 감지를 위한 회로로서, OP Amp를 이용한 비교기를 설계하여 아크 발생시 변압기의 상호 인덕턴스에 의해 존재하는 1차 전류와 전압의 위상차를 감지하여 80C196KC의 고속 입력 단자로 신호가 입력되도록 구성하였다. 상기, 입력된 신호를 이용하여 위상차를 정확히 감지함으로서 하드웨어적으로 아크를 감지할 수 있다.

집진기에 방전이 일어날 경우 집진기에 가해지는 2차 전압, 전류의 급격한 변화에 의한 변압기의 상호 인덕턴스를 발생시키며 이는 변압기 1차 전류 전압의 위상차를 발생시킨다. 본 설계된 회로는 60Hz 혹은 50Hz 구형파인 1차 전류 전압을 비교기를 이용하여 디지털 신호인 펄스 파형을 발생시킴으로서 디지털 제어가 가능하도록 하였다. 펄스 형태로 나타나는 전압과 전류의 발생 시점을 비교하여 발생 시점이 많이 차이나는 경우 아크(Arc)로 인식할 수 있다. 상기의 회로는 2차 전압 전류 측정을 통해 소프트웨어로 아크 발생 시점 인식이 가능하지만 집진기 내부에 아크가 발생할 경우 시스템 안전이 저해될 수 있는 관계로 하드웨어적으로 2차 검사 목적으로 사용된다. 즉, 상기 회로는 위상차를 계산하기 위하여 1차 전압 전류의 위상각 차이를 80C196KC의 고속 입력 단자 신호로 입력하기 위한 아날로그 인터페이스 회로이다.

도 4 는 전기집진기의 전력제어를 위해 사용하는 SCR의 정밀한 파형제어를 위하여 사용되는 120Hz 감지 회로로서, 오피 앰프(OP Amp)를 이용한 비교기와 저항과 축전기를 이용한 시정수를 변화시켜서 펄스 파형을 만들어 80C196KC의 인터럽트 단자로 입력되도록 구성하였다. 상기, 입력된 펄스 파형을 이용하여 정확한 초기점 감지가 가능하며 이를 기준으로 정밀한 SCR 파형제어가 가능하다.

상기, 설계된 회로는 상용 전원의 전압 레벨을 변화시킨 신호를 비교기로 입력하여 펄스파를 발생시킨 다음 저항과 축전기를 이용하여 약간의 시간지연을 시키고 시간 지연이 이루어지지 않은 신호와 시간 지연이 된 신호를 Exclusive-OR 하여 펄스 파형을 만든다. SCR 게이트를 정밀하게 제어하기 위해서는 60Hz 혹은 50Hz의 상용 전원의 발생시점 즉 sine파의 초기 위치 감지가 매우 중요하다. sine파는 180도에서 양의 값을 가지고 180 ∼ 360도 까지는 음의 값을 가진다. SCR 게이트는 상용 전원의 양의 sine값과 음의 sine값을 개별적으로 제어할 수 있도록 구성되어 있으며 이는 도 1 에 나타낸 구성과 같다. 본 회로는 상용 전원의 60Hz 혹은 50Hz의 초기 발생 시점 인식 및 인식시간을 가변 저항으로 조절할 수 있도록 설계되었다. 상기, 발생된 펄스 파형을 80C196KC의 외부 인터럽트 단자로 입력하여 상용 전원의 Zero Crossing 시점과 정확히 일치시켜 제어 프로그램을 수행할 수 있다.

또한, SCR의 파형제어를 구현하기 위한 인터페이스 회로는 도 5 와 같이 80C196KC의 PWM 단자와 고속 출력 단자, 전기집진기가 운전중임을 나타내는 RUN 입력과 상용 전원의 순방향과 역방향을 나타내는 60Hz 입력의 논리곱으로 구성되며 외부 SCR의 게이트를 도통하는데 충분한 전류를 공급하기 위한 Pull-up 회로와 MOSFET으로 구성하였다. 여타의 전기집진기의 SCR 제어방식에 사용하는 Timer회로의 기능을 고속 출력 단자가 대신하여 Timer 회로의 추가적인 설계없이 SCR을 정밀히 제어하기 위한 기능을 구현하였으며 SCR의 게이트에 인가되는 전압을 연속적인 펄스로 구현하기 위해 사용되는 펄스 발생 회로를 대신하여 80C196KC의 PWM 단자를 사용하여 펄스 발생 회로의 기능을 구현하였다.

또한, 본 발명의 회로는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)의 Gate와 Cathode에 전압을 인가하여 전력 제어를 하기 위한 회로이다. 80C196KC의 PWM 출력 단자의 출력신호와 현재 상용 전원이 순방향과 역방향에 따라 전압 레벨이 달라지는 60Hz 신호 그리고, 80C196KC의 고속 출력 단자에서 제어된 출력 파형을 논리합하여 SCR을 구동할 수 있는 회로로 구성하였다. 상용 전원의 60Hz가 양의 방향으로 발생할 경우 2개의 SCR 게이트 중 단 하나만이 전원이 통과되고 반대 방향의 60Hz 전원이 인가될 경우 이전에 열려있던 게이트는 닫혀지고 그 반대편이 열리게 된다. 게이트가 열림으로서 1차 전원이 인가된다. 본 회로는 80C196KC의 PWM단자, HSO단자, CPU에 전원이 인가될 경우 항상 ON이 되는 RUN단자 그리고, 인가 전원의 방향성(양 혹은 음)에 따라 2개의 SCR 게이트를 독립적으로 ON/OFF할 수 있는 기능으로 구성되어 있다.

도 6 은 도 1 내지 도 5의 회로를 이용하여 SCR 게이트를 제어하기 위한 Timming 선도이다. 우선 이전의 집진기 전압 및 전류 측정을 통해 변경하고자 하는 전압을 결정한다. 전압 제어를 위해서 주 전원의 발생시점을 감지하고 SCR 게이트 각도값을 제어한다. 제어된 게이트 각도가 0도인 경우 게이트를 모두 열어 최대 전압이 인가되는 경우이며, 180도 근처에서 게이트를 열 경우 인가되는 전압은 거의 0이 된다. 상기의 관계를 이용하여 최적의 집진 알고리즘을 구현할 수 있다.

본 발명은 상기 기술된 인터페이스 회로와 80C196KC, ROM, RAM, 그리고 여타 주변회로를 구성하여 80C196KC를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템의 전력 제어를 구현할 수 있는 디지털 제어시스템(E.P.Controller)의 하드웨어(Hardware)를 구성하였다.

80C196KC에 입력되는 1차 전류, 전압, 2차 전류, 전압, 그리고 고속 입력 단자를 이용하여 80C196KC로부터 출력되는 PWM, 고속 출력 장치를 이용하여 SCR의 위상을 변화하여 전력제어를 할 수 있도록 하였다.

입력된 신호들을 이용하여 직류 전압 인가 방식이나 간헐 하전 전압 인가 방식을 이용하여 출력 신호를 제어할 수 있도록 ROM 프로그래밍을 함으로써 추가적으로 다른 회로의 구성이 필요없이 고속으로 작동하여 고전압을 인가할 수 있어 전력제어를 구현할 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

전기집진기 시스템에서 전력제어를 구현하기 위해 사용되는 디지털 제어시스템을 구현하기 위하여 80C196KC를 이용한 하드웨어에 있어서, 80C196KC의 AD 변환 단자를 이용하여 아날로그 값을 마이크로 컨트롤러가 사용할 수 있는 디지털 값으로 변환하기 위한 인터페이스 회로와 고속 입력 단자를 사용하여 아크를 감지하는 인터페이스 회로, 인터럽트 단자를 이용하여 정밀한 파형제어를 가능하게 하는 초기점 감지회로 그리고, 고속 출력 단자를 이용하여 SCR의 파형제어를 구현하기 위한 인터페이스 회로들을 이용한 것을 특징으로 하는 80C196KC를 이용한 전기집진기 디지털 제어시스템.