KR200260855Y1 - 강전 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안의 강전 제어시스템은, 내전압이 강한 다수의 광전개폐소자를 복수로 연결하고 다양한 프로그램 연산결과를 광전신호로 송신하여 원격으로 제어할 수 있는 제어시스템에 관한 것이다.

본 고안은 강전의 인가 및 차단을 조종하며 강전제어를 위한 선택 및 제어값을 입력하는 입력조종부, 입력조종부의 조종 및 입력에 따르며 프로그램된 처리과정을 통하여 강전제어에 필요한 각 구성부들의 동작을 총괄하는 마이크로 프로세서, 처리된 데이터를 저장하며 저장 데이터를 독출하는 데이터저장부, 처리된 데이터를 입력받아 아날로그신호로 변환하는 신호변환부, 신호변환부로부터의 변환된 신호에 따라 광전신호를 출력하는 광전신호송신부, 그리고 광전신호송신부로부터의 수신한 광전신호에 따라 도통됨으로써 강전의 통전을 제어하도록 직렬로 연결되는 복수의 광전개폐소자를 포함하고 있다.

따라서 본 고안은 수십 내지 수백만 볼트의 고전압에 직접적인 연결없이 제어함으로써 제어시스템이나 장치에 손상을 방지한다. 동시에 강전 제어에 따른 인명 및 장비의 손상을 방지하여 강전제어기술의 발전에 기여할 것으로 예상된다.

Description

강전 제어시스템{A control system for extremely high voltage}

본 고안은 고전압의 강전 제어에 관한 것으로, 내전압이 강한 다수의 광전개폐소자를 복수로 연결하고 다양한 프로그램 연산결과를 광전신호로 송신하여 원격으로 제어함으로써 제어시스템이나 장치에 손상을 방지하고 보다 안전하게 제어를 수행할 수 있는, 강전 제어시스템을 제시한 것이다.

일반적으로 사용하는 전기는 수십에서 수천 볼트 정도의 크기를 가지는 경우가 대부분이다. 각 가정에서 사용하는 전원은 보통 수백볼트 내외이고 전주를 통한 전원 역시 수천볼트 정도이다.

개념상 차이는 있으나 보통 일반적으로 사용하는 전원은 약전으로 분류되고 있다. 이러한 개념에 반해 수십만에서 수백만 정도의 크기를 갖는 전원을 강전으로 분류한다. 강전에서는 일반적인 약전에서와 달리 고압에 따른 특이한 현상이 많으며 강전으로 인한 사고는 매우 큰 손실을 발생시키게 된다.

또한 강전의 도통을 제어하기 위해서는 절연된 상태에서 제어가 이루어져야 하나 수십 수백만 볼트의 절연은 매우 어려운 문제이다. 즉 수백만 볼트를 제어하기 위해 연결되는 시스템이나 장치는 연결된 강전에 의해 타버리는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하는 제어 즉 강전과의 절연된 상태에서의 제어가 요구된다.

뿐만아니라 기술과 산업의 발달에 따라 각 부문에서 고전압의 강전을 사용하고 있다. 이러한 강전은 극한의 기술을 발생시켜야 하는 설비나 또는 강력한 에너지를 발생시켜야 하는 에너지계 설비에서는 필수적이다.

더욱이 이를 효과적으로 제어하는 기술은 많지 않은 상태이다. 강전은 전술한 바와 같이 한 번의 사고가 매우 큰 손실을 초래하기 때문에 이를 방지하기 위한 기술이 필요하다. 아울러 기술과 산업의 발달에 따라 보다 높은 고전압이 사용될 것으로 예견되며 따라서 강전을 보다 안전하게 제어할 수 있는 기술이 산업계에서 많이 요구되고 있다.

따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은, 내전압이 강한 다수의 광전개폐소자를 복수로 연결하고 다양한 프로그램 연산결과를 광전신호로 송신하여 원격으로 제어함으로써 제어시스템이나 장치에 손상을 방지하고 보다 안전하게 제어를 수행할 수 있는, 강전 제어시스템에 대한 기술을 제공함에 있다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 강전 제어시스템의 블록도.

도 2는 본 실시예에 따른 강전 제어시스템을 적용한 이온가속기의 구성도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

101 : 입력조종부 102 : 마이크로프로세서

103 : 데이터저장부 104 : 신호변환부

105 : 광전신호 송신부 106 : 신호전환부

107 : 광전개폐소자

201 : 이온원전자석 202 : 중간전극

203 : 필라멘트 204, 205 : 양극(anode)

206 : 표적음극 207 : 방사보호전극

208 : 압축전극 209 : 인출계전극

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 강전 제어시스템은,

강전의 인가 및 차단을 조종하며 강전제어를 위한 선택 및 제어값을 입력하는 입력조종부, 입력조종부의 조종 및 입력에 따르며 프로그램된 처리과정을 통하여 강전제어에 필요한 각 구성부들의 동작을 총괄하는 마이크로 프로세서, 마이크로 프로세서에서 처리된 데이터를 저장하며 마이크로 프로세서의 제어에 따라 필요한 저장 데이터를 독출하는 데이터저장부, 마이크로 프로세서의 제어에 따라 처리된 데이터를 입력받아 아날로그신호로 변환하는 신호변환부, 신호변환부로부터의 변환된 신호에 따라 광전신호를 출력하는 광전신호송신부, 그리고 광전신호송신부로부터의 수신한 광전신호에 따라 도통됨으로써 강전의 통전을 제어하도록 직렬로 연결되는 복수의 광전개폐소자를 포함하고 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안에 따른 강전 제어시스템을 자세히 설명한다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 강전 제어시스템의 블록도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 강전 제어시스템을 적용한 이온가속기의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 강전 제어시스템은 입력조종부(101), 마이크로프로세서(102), 데이터저장부(103), 신호변환부(104), 광전신호 송신부(105), 신호전환부(106) 그리고 복수의 광전개폐소자(107)를 포함하고 있다.

본 실시예의 강전 제어시스템은 수십 내지 수백만 볼트의 고전압을 사용하는 시스템이나 장치들에 있어서 인가하는 고전압 즉 강전을 제어하기 위한 것이다. 전술한 바와 같이 본 실시예에서의 강전은 수십만 볼트에서 수백만 볼트에 이르는 고압이다. 이러한 고압에서는 약전과는 다른 개념으로 접근하여 제어하는 것이 요구된다.

도 2에 도시한 바와 같이 이온가속기는 이온원전자석(201 ; source electromagnet), 중간전극(202 ; intermediate electrode), 필라멘트(203 ; filament), 2개의 양극(204,205 ; anode), 표적음극(206 ; target cathode), 방사보호전극(207 ; radiation electrode), 압축전극(208 ; suppression electrode) 그리고 인출계전극(209 ; extraction electrode)을 포함하고 있다.

도시한 바와 같이 이온가속기는 크게 플라즈마 형성부와 이온빔 형성부(인출부)로 나누어지며, 플라즈마 형성부 및 이온빔 인출부와 관련된 파라미터들이 이온빔의 특성을 결정하게 된다. 이러한 파라미터로는 플라즈마 밀도, 플라즈마 전자수, 인출 전압, 그리고 인출부의 기하학적 형태 등이 있다.

플라즈마 상태를 형성하기 위해서는 중성 원자의 이온화가 필요하며 이를 위한 이온화방법에는 표면이온화, 광이온화, 그리고 필드(field)이온화 등 여러 가지가 있다. 이 중 가장 광범위하게 채택되고 있는 이온화 방법은 전자 충돌을 이용한 기체상태로부터의 이온화이다.

이온 인출 과정은 기본적으로 이온의 저수지 역할을 하는 플라즈마의 가속 전극 사이에 고전압을 적용하도록 구성된다. 그러나 전술한 바와 같이 고전압에서는 연계된 장치로 이상 전압 유입에 의한 인적재해와 물적재해를 가져오고 있으며, 본 고안에서는 이러한 문제점을 해결하는 강전 제어시스템을 제시하고자 한다.

이온가속기에서는 이온원전자석(201)의 영향을 받아 열음극의 필라멘트(203)에서 열전자가 방출되며, 이 과정에서 중간전극(202)과 방전을 일으키므로써 전자의 증배가 일어난다. 이 중간전극(202)의 내부는 이온원 전자석의 자장차폐영역에 속하게 된다. 그리고 이 영역에서의 방전전류밀도는 방전전압, 기체압력 및 열전자 방출밀도에 의해 결정된다. 이온원전자석(201)의 자장영향을 받는 증배된 전자는 중간전극(202)의 개구 근처에서 압축됨으로써 더욱 높은 밀도를 갖게 되며, 다음의 PIG(Penning Ion Gauge) 방전영역에 공급된다.

PIG 방전영역에는 도시한 바와 같이 원추형의 제1양극(204)과 다음의 제2양극(205), 그리고 표적음극(206)이 위치하고 있다. 이 PIG 방전영역은 이온원 전자석(201)의 비균일자장(inhomogeneous magnetic field), 그리고 음전위가 인가되어 있는 중간전극(202)과 표적음극(208)에 의해 형성되는 자장의 영향을 받게 되며, 이 자장영향에 의한 전장분포에 반사운동이 결합됨으로써 나선형 운동을 하면서 방전을 일으켜 기체를 이온화시키게 된다. 따라서 이러한 방전은 1개의 전자당 기체분자를 이온화시키는 확률을 높이게 된다.

결국 방전된 열전자는 높은 에너지와 긴 비정(flight length)에 의해 고밀도의 비교적 균일한 분포의 플라즈마를 인출전극 근처에 형성시키게 되며, 고밀도 플라즈마계에 인가된 인출전압에 의해 대전류의 높은 에너지를 갖는 이온빔을 발생시킨다.

이러한 이온 가속기의 각 구성부에는 수십 내지 수백만 볼트에 해당하는 강전의 고전압을 인가시켜야 하며, 고에너지 대전류의 이온빔을 발생시키기 위해 효과적으로 제어되어야 한다.

본 고안에서는 강전의 인가 및 차단에 있어서, 해당 전원에 직접적인 접촉이 없이 원격제어(remote control)하는 방식을 취하고 있다. 물론 강전의 고전압에 대해 확실한 절연을 실시할 수 있으면 굳이 원격제어방식이 아니어도 제어가 가능하다. 그러나 전술한 바와 같이 수십 내지 수백만 볼트의 강전에 제어시스템이나 제어장치가 연결되는 경우 타버리는 경우가 있으므로, 해당 강전과 차단된 상태에서 제어를 수행하는 개념을 도입하고 있다.

즉 복수의 광전개폐소자(107)는 도 1에 도시한 바와 같이 직렬로 연결되어양끝단이 강전의 한쪽 라인을 개폐(open, close)하게 된다. 예를 들어 1개의 광전소자가 약 2000볼트의 내성을 가지고 개폐를 수행할 수 있는 경우 1백만 볼트의 강전을 개폐하는 경우 500개의 광전소자를 직렬로 연결하는 경우는 1백만 볼트의 내성에 견딜 수 있게 된다. 따라서 이러한 광전소자를 제어하게 되면 1백만 볼트의 고압을 제어할 수 있게 된다.

이러한 복수의 광전소자를 제어하기 위해, 먼저 입력조종부(101)는 강전의 제어에 필요한 조건, 즉 제어하고자 하는 강전의 크기 그리고 단자 X 및 단자 Y가 단속되어야 하는 시간 또는 단속시간의 프로그램적인 제어 등에 필요한 조건으로 제어시키게 된다. 여기서 단자 X 및 단자 Y는 이온가속기의 각 구성부로 인입되는 전원공급라인의 하나이다. 물론 안전을 위해 전원공급라인 각각에는 본 실시예에 따른 강전 제어시스템을 적용시키는 것도 가능하고 또 보다 바람직한 방법이라 할 수 있다.

본 실시예의 강전 제어시스템에서, 입력조종부(101)는 제어해야 할 곳에 인입시켜야 할 강전의 인가 및 차단을 조종하며, 단속해야 할 시간 그리고 프로그램적인 단속 등을 제어하기 위한 선태값이나 제어값들을 입력조종하는 부분이다. 즉 전술한 바와 같이 인가시켜야 할 강전은 시간의 흐름과 관계없이 계속적으로 인가시키는 경우가 있는 가 하면, 디지털 신호처럼 일정 시간씩 단속시켜 제어해야 하는 경우 등 다양한데, 이러한 제어상태에 대한 수치를 입력하는 부분이 입력조종부(101)이다.

마이크로프로세서(102)는 입력조종부(101)에서 입력된 선택값 및 수치에 따라 연산을 수행하며 이러한 연산은 일정한 처리 규칙(rule), 즉 프로그램된 연산과정으로 처리된다. 아울러 이 마이크로프로세서(102)는 본 실시예의 강전 제어시스템을 구성하는 각 구성부들의 동작을 체크하고 지시함으로써 총괄한다.

데이터저장부(103)는 마이크로프로세서(102)에서 처리되는 데이터나 각종 연산값을 저장하는 부분이다. 아울러 저장된 각종의 데이터는 마이크로프로세서(102)의 제어에 따라 독출됨으로써 필요한 연산 및 제어에 이용된다.

신호변환부(104)는 마이크로프로세서(102)로부터 입력받은 제어신호들을 아날로그 값으로 변환시키는 부분이다. 즉 마이크로프로세서(102)에서는 디지털 신호에 의해 필요한 연산을 수행하고 처리하여 출력시키게 되며, 본 신호변환부(104)는 이러한 신호를 아날로그 신호로 변환시켜 출력한다.

광전신호 송신부(105)는 신호변환부(104)로부터 입력받은 제어신호에 따라 복수의 광전개폐소자(107)에 인가시켜야 할 광전신호를 발생시키게 된다. 이러한 광전신호는 원격제어를 위한 것이므로 적외선, 자외선 기타 레이저 형태의 광선 등도 가능하다. 이 광전신호 송신부(105)는 광전개폐소자(107)에서 수광할 수 있는 광전신호를 발생시켜야 하므로 광전개폐소자(107)의 종류 및 형태에 직접적인 관련을 가지는 부분이다. 광전개폐소자(107)로는 포토커플러(photo coupler)나 포토디텍터(photo dector) 등이 일반적이며, 이 외에도 강한 내성전압을 가지며 외부에서 방출되는 광전신호를 받아 동작할 수 있는 소자라면 광전개폐소자(107)로서 사용이 가능하다.

이러한 복수의 광전개폐소자(107)는 제어하고자 하는 전원의 크기 및 형태에따라 필요한 수만큼 연결하게 되고, 첫 번째 또는 마지막 광전개폐소자(107)에는 제어해야 할 전원라인을 연결하고 반대편에서 새로운 전원라인을 이끌어 내도록 연결하게 된다.

따라서 마이크로프로세서(102)에서 처리된 제어결과는 광전신호송신부(105)에서 광전신호로 방사되고, 이러한 광전신호를 동시에 수광하게 되는 복수의 광전개폐소자(107)는 수십 내지 수백만 볼트의 강전을 도통시키게 된다. 그러나 이러한 고압의 강전라인과 제어연산을 수행하는 부분은 서로 떨어져 있기 때문에 완전한 차단(절연) 상태에서 제어가 수행된다.

본 실시예에서는 광전신호송신부(105)로부터 방사되는 광전신호의 수신을 위해 광전신호송신부(105)와 복수의 광전개폐소자(107)는 서로 송수신이 잘되도록 일정한 공간을 마련하여 설치하는 것이 바람직하다.

신호전환부(106)는 강전제어를 위한 또 다른 장치를 연결시킬 수 있는 부분이다. 즉 마이크로 프로세서(102)에서 처리된 연산결과를 이용하여 강전을 제어함에 있어서 강전과 절연된 상태에서 신호변환을 일으킬 수 있는 장치를 연결할 수도 있다. 이러한 장치의 입력측에는 마이크로 프로세서(102)로부터의 처리 결과를 받고 출력측에는 강전라인을 연결하지만, 그 중간의 절연상태가 아주 양호하여 수십 내지 수백만 볼트의 강전에도 무리없이 제어할 수 있는 장치를 연결하기 위한 것이다.

아울러 본 고안에서는 비례연산적미분(PID) 제어를 적용함으로써 광전신호송신부(105)에서는 일정한 광전신호를 방사하게 되고 따라서 원격제어신호의 송수신효율을 극대화시킴으로써 강전제어의 완벽성을 기할 수 있는 등 본 고안의 기술개념을 바탕으로 보다 다양하게 실시하는 것이 가능하다.

본 고안은 수십 내지 수백만 볼트의 고전압에 직접적인 연결없이 제어함으로써 제어시스템이나 장치에 손상을 방지하고 보다 안전하게 제어를 수행하게 된다. 아울러 본 고안은 고전압을 인가해야 하는 각종 설비나 장비에 손상을 주지 않고 이를 제어하는 운영자의 신체접촉을 근본적으로 차단하게 된다. 따라서 본 고안은 강전 제어에 따른 인명 및 장비의 손상을 방지하고 기존의 고전압 절연제어를 지능화 시켜 물리적 문제들을 최적화시켜 줌으로써 강전제어에 대한 기술의 발전에 기여할 것으로 예상된다.

Claims (4)

1. 강전 제어에 있어서,

   상기 강전의 인가 및 차단을 조종하며 상기 강전제어를 위한 선택 및 제어값을 입력하는 입력조종부;

   상기 입력조종부의 조종 및 입력에 따라 프로그램된 연산과정의 처리를 통하여 상기 강전제어에 필요한 각 구성부들의 동작을 총괄하는 마이크로 프로세서;

   상기 마이크로 프로세서에서 처리된 데이터를 저장하며 상기 마이크로 프로세서의 제어에 따라 필요한 저장 데이터를 독출하는 데이터저장부;

   상기 마이크로 프로세서의 제어에 따라 처리된 데이터를 입력받아 아날로그신호로 변환하는 신호변환부;

   상기 신호변환부로부터의 변환된 신호에 따라 광전신호를 출력하는 광전신호송신부; 및

   상기 광전신호송신부로부터의 수신한 광전신호에 따라 도통됨으로써 상기 강전의 통전을 제어하도록 직렬로 연결되는 복수의 광전개폐소자를 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 강전 제어시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마이크로 프로세서에 연결하여 상기 강전과 절연된 상태에서 강전제어를 수행하는 장치와의 연결을 통해 강전을 제어하기 위한 신호전환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 강전 제어시스템.
3. 제1항에 있어서, 복수의 광전개폐소자는

   포토커플러(photo coupler)인 것을 특징으로 하는, 강전 제어시스템.
4. 제1항에 있어서, 복수의 광전개폐소자는

   포토디텍터(photo detector)인 것을 특징으로 하는, 강전 제어시스템.