KR20060002346A - 고주파 오존발생기의 공진점 운전을 위한 주파수 변조 방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중,대용량의 오존발생기의 고주파 운전에 관한 것으로 오존발생기는 대표적인 L-C-R 회로인데 이때 가장 우수한 효율 및 출력 특성을 보장하기 위해 공진위치에서 운전하는 것이 바람직하다. 본 발명은 부하 임피던스가 변하게 되더라도 최적의 오존 발생을 확보하기 위해 변화된 임피던스에 결합되는 주파수에서 동작하도록 회로를 구성하도록 하는 것을 특징으로 한다.

고주파 오존발생기, 공진, 주파수변조

Description

고주파 오존발생기의 공진점 운전을 위한 주파수 변조 방식{The Frequency Modulation Method Operating at Resonance Frequency of High Frequency Ozone Generator }

그림1은 일반적인 형태의 오존 발생기 전기회로를 나타낸 것으로 직류전원 공급부(100)와 교류출력발생을 위한 인버터부(101), 방전관에 고압을 인가하기 위한 고압변압기(102) 및 방전관(103)으로 구성되어 있다.

그림2는 다수의 병렬로 연결된 방전관 중 일부가 고장으로 인해 자동 제거되었을때의 임피던스 변화에 대한 그림으로 S1(200)로 표시된 곡선은 사고전의 부하 상태에 대한 임피던스 곡선이며, S2(201)로 표시된 곡선은 방전관 일부가 제거된 후의 임피던스 곡선이다.

그림3은 본 발명에서 요구되는 신호를 처리하는 그림으로 기존의 오존발생 인버터에 직류측 전류와 교류측 전류를 측정하고 이를 필터회로를 거친 후 두 전류의 오차 신호를 발생시키는 그림이다.

그림4는 그림3에서 측정된 전류의 오차 신호로 부터 제어를 거쳐 새로운 공진 주파수를 찾아나가는 과정을 예시한 그림이다.

그림5는 그림3에서 측정된 전류의 오차 신호를 사용하여 인버터의 출력 주파수를 조정하는 제어블록다이어그램이다.

그림6은 본 발명의 다른 실시예로서 간단한 프로세서로 적용이 가능한 방법을 보여주는 블록다어그램이다.

오존은 독성이 있는 물질이긴 하지만 강력한 산화력과 살균 능력으로 인하여 산업계에서는 중요한 생산설비로 그 사용량이 증가하고 있으며 특히 정수설비, 오폐수 처리 설비, 화학공정등에 많이 사용되어지고 있다. 한편 산업체에 사용되어지는 중,대형의 오존발생기는 1kHz 미만의 중주파수에서 동작시키는데 이러한 중주파수 운전은 효율 및 역률이 낮을 뿐 아니라 필요 이상의 고압이 발생하여 수명을 단축시키고 고압에 견뎌야하는 기기들로 인한 가격 상승의 원인을 제공한다. 이에 대해 고주파 변환기는 출력 고압변압기의 크기를 줄일 수 있을뿐 아니라 오존의 생산 능률을 향상시켜 향후의 기술로 부각되어질 수 있는 분야이다. 이러한 고주파 오존발생기에 대한 필요성이 제기되고는 있지만 고주파 방식은 주로 소용량에 나타나고 있을 뿐 대용량화에까지 미치지 못하고 있는 실정이다. 본 발명에서는 대용량 고주파 오존발생기에서 나타나는 한가지 문제점을 해결하므로 미래형 고주파 오존발생기의 상용화에 진일보하고자 한다.

오존을 생성하는 오존 발생관은 보통 유리나 세라믹을 사용하는데 이러한 재질은 길이나 크기가 고정되어 바꾸기가 용이하지 않으므로 대용량의 오존발생기에서는 주로 병렬로 연결하여 사용하는 것이 일반적이다. 이를 전기적으로 보면 다수의 커패시터가 병렬로 연결되어 있는 것과 같으며 입력단의 리액터와 함께 L-C 공진회로를 형성한다. 물론 오존이 생성되는 과정 즉 부분 방전과정은 손실을 일으키는 과정이므로 저항으로 등가화 할 수 있고 전체적으로 L-C-R회로를 구성한다. 이러한 회로에서 입력 주파수를 공진 주파수 대역에 맞춰 운전하는 것이 가장 높은 효율의 오존을 생성하는 방안이 될 수 있다. 그 이유는 공진 주파수 이외의 고조파는 크기가 오존을 발생시킬 만큼 높지 않기 때문에 불필요한 유전손실 만을 발생시키며 역율도 함께 떨어뜨리는 문제를 가지고 있기 때문이다.

비록 공진주파수 대역에서의 운전이 효율적이긴 하지만 이 방식은 부하 변동에 민감한 단점을 가지고 있다. 즉 부하가 변하면 공진주파수 대역도 변하게 되는데 이때 고정된 주파수로 운전을 계속할 경우 출력전압이 현저히 감소해 버리고 이로 인해 오존발생도 함께 줄어드는 문제점이 나타날 수 있다. 한편 병렬로 연결된 방전관은 일부가 파손될 때 마다 수리, 보수를 하게 되면 전체 가동율이 낮아지게 되므로 일부 방전관이 파손되더라도 운전을 계속 유지하기 위해 각 방전관에 휴즈 등과 같은 회로 차단기구를 연결하여 파손이 감지된 방전관 만을 회로로부터 분리시킨다. 이를 전기적으로 보면 병렬로 연결된 커패시터 중 일부가 제거되는 것을 의미하고 이로인하여 전체 회로의 공진 주파수가 바뀌게 되어 오존 생성에 영향을 받게 된다. 특히 오존은 전압에 의한 부분방전으로 부터 생성되기 때문에 일정 전 압을 오존관에 인가하는 것이 중요하며 상기에서 부하의 임피던스가 변하면 방전관에 걸리는 전압도 함께 변하여 오존 생성량이 달라진다.

본 발명은 이렇게 오존관의 갯수 차이로 인하여 부하가 바뀌드라도 오존관에 일정 전압이 인가되도록 하므로 방전관에서의 전압 조건을 일정하게 유지시킬 수 있어 동작의 안정성 및 오존 수율의 극대화를 구현하는 방안을 제시코자 한다.

커패시터로 표현되어지는 방전관의 일부가 제거되면 등가적으로 커패시턴스가 줄어드는 결과를 가져오며 공진주파수는 더 큰 쪽으로 움직이게 된다. 이때 만약 일정 주파수로 운전을 계속한다면 운전주파수 대역은 부하의 공진주파수를 벗어나 있으므로 임피던스가 상승하여 방전관으로 걸리는 전압이 감소하고 유입되는 전류도 줄어든다. 전류가 감소되었다는 현상으로부터 방전관 일부가 제거되어졌다는 사실을 추측 할 수도 있으나 전류는 부하의 외적요인 즉 방전관의 온도, 냉각수량, 유입되는 산소나 공기 상태 등에 따라 많은 변화를 일으키므로 전류의 변화 만으로는 방전관이 제거되었다는 객관적인 사실이 될 수 없다. 이에 본 발명은 좀더 확실한 방법 즉 임피던스의 변화를 감지하고 이를 제어에 궤환적으로 이용하여 새로운 공진점에 해당하는 주파수를 찾아나가도록 하는 방법을 채택하고 있다. 공진점 근처에서는 임피던스가 거의 '0'에 가깝지만 공진점을 벗어나면 임피던스는 급격히 상승하게 되며 이와 함께 무효전류도 따라서 상승하는데 본 발명에서는 이 무효전류를 측정하고 측정된 무효전류를 극소화 하는 방향으로 제어를 진행하므로 결과적 으로 인버터의 출력 주파수가 부하의 공진주파수와 일치되도록 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.

그림1은 통상의 오존발생용 전력변환기 즉 인버터를 블록다이어그램으로 표시하고 있으며 크게 입력정류부(100), 인버터부(101), 출력리액터(102), 출력변압기(103), 방전관(104) 및 접지(105)를 보여준다. 입력정류부(100)는 단상 또는 3상 교류를 입력 받아 정류기를 통하여 직류를 인버터에 공급하는 정류회로로 구성되어 있으나 본 발명의 범주가 아니므로 간략히 직류전원으로 표현하였다. 인버터부(101)에서는 입력정류부(100)로부터의 직류전원을 공급받아 임의의 주파수와 전압을 만드는데 출력주파수 범위에 따라 저주파, 중주파, 고주파로 나뉘어진다. 주파수가 높을수록 오존 발생량이 증가하며 발생관(104) 내에서의 열적 안정성도 향상되지만 주변 기기와 신뢰성 확보 등으로 인해 대용량에서는 주로 저주파 또는 중주파 방식이 많이 채택되고 있다. 비록 고주파 방식의 대용량 오존 발생기가 드물긴 하지만 단위 크기당 오존의 생산량을 늘이거나 효율을 개선하기 위해 고주파 방식에 대한 개발은 필수적이며 본 발명은 그 중 한가지 문제를 해결하고자 한다. 오존 발생관(104) 내에서 부분방전이 유지되어야 하지만 관 표면의 불균일 등으로 인해 아크 발생의 가능성이 상존하고 있다. 이때 출력 리액터(102)는 전류의 급격한 변화를 억제하는 역할을 하여 순간적인 아크의 발생을 최대한 억제하는 역할을 담당한다. 고주파오존의 발생량을 높이기위해 오존발생관(104)에는 수천V 이상의 고압을 인가하는데 출력변압기(104)는 인버터(102)에서 출력된 수백V의 저압을 수천V 고압으로 변환시킨다. 방전관(105)은 유리나 세라믹 재질로 이뤄져 있으며 고압인 가 시 유리나 세라믹 표면에서 부분방전이 형성되고 이 부분방전은 산소를 분해하여 오존을 만드는데 필요한 에너지를 공급한다. 이와 함께 부분방전은 열도 발생시키는데 열은 오존을 해리시켜 산소분자로 되돌리는 작용을 하므로 오존 발생관은 냉각 상태를 유지하도록 해야 하며 이를 위해 외부에서 별도의 냉각수를 공급하는 체제를 갖추고 있다. 대용량 발생장치일 경우 각각의 오존관을 병렬로 연결하여 사용하며 각 관은 별도의 휴즈 등과 같은 회로 차단 장치가 구성되어 방전관의 손상으로 인한 아크 발생 시 즉각 차단하여 2차 고장이 생기지 않도록 한다. 오존 발생기는 고압이 인가될 뿐 아니라 냉각을 위한 냉각수도 함께 공급되어야 하므로 고압의 한 극을 반드시 접지(106)하여 안전한 운전이 되도록 한다.

그림1의 입력 리액터(103), 고압 트랜스(104) 및 방전관(105)를 포함한 부하는 전체적으로 L-C-R 회로를 구성하며 주파수에 대한 임피던스 크기가 그림2에 도시되어 있다. S1 곡선(200)은 모든 방전관이 정상적으로 동작할 때의 임피던스 곡선으로서 주파수에 따라 변화하는 특성 곡선을 가지며 주파수 f1에서 공진점 P1에 도달하며 이때는 유도성 임피던스와 용량성 임피던스가 서로 상쇄되어 저항 성분에 의한 임피던스 만이 존재한다. 만약 인버터의 출력 주파수를 f1으로 운전하면 그때의 부하 임피던스는 가장 낮은 Z1에서 동작하며 최대 출력이 부하에 전달된다. 만일 일부 방전관이 불량등으로 인해 회로에서 분리되면 임피던스 곡선은 S2로 바뀌어지는데 인버터가 주파수를 바꾸지 않은 상태 즉 주파수 f1을 유지하고 있다면 부하점은 P2로 변경되고 그때의 임피던스는 Z2가 되어 적은 출력이 부하에 공급된다. 본 발명의 전략은 인버터의 출력주파수를 f1에서 f2로 바꾸어 운전점 P2를 P3 위치 로 재조정하므로 바뀌어진 부하조건에 대해서도 최적의 출력을 얻을 수 있는 제어 방법을 제공하는데 있다. 주파수가 f1에서 f2로 바뀌어졌기 때문에 S1과 S2의 공진점 P1과 P3는 동일한 임피던스를 가지지 않으며 높은 주파수의 임피던스 Z3가 보다 낮은 주파수의 임피던스 Z1보다 높은것이 일반적이다.

그림3은 본 발명을 구현하기 위한 검출회로부를 도시한 그림으로 두 개의 전류 측정을 필요로 한다. 전체 회로구성은 그림1과 동일하며 입력정류부(300), 인버터부(301), 리액터, 출력변압기(302) 및 방전관(303)으로 구성되어 있다. 두 개의 전류 검출기 중 하나는 인버터에서 출력되는 교류단 전류검출기(304)이며 다른 하나는 인버터의 직류 입력에 연결된 직류단 전류검출기(308)이다. 먼저 교류단 전류검출기(304)는 인버터(301)가 고주파 전압, 전류를 발생하므로 고주파 전류측정이 가능한 검출기여야 한다. 전류검출기(304)에서 검출된 교류파형을 정류회로(305)를 통하여 일단의 맥류로 변환한 다음, 필터(306)을 통과시켜 맥류성분을 제거한 후 필요로 하는 교류성분 전류(307)를 확보한다. 한편 직류전류를 측정하기 위한 직류검출기(308)은 교류측정용 CT(Current Transformer)로는 측정이 곤란하며 션트(Shunt) 또는 HCT(Hall-effect Current Transformer) 등과 같은 직류전류를 측정할 수 있는 검출기를 사용하여야 한다. 이렇게 측정된 직류성분에도 고조파 성분이 포함되어 있으므로 필터(309)를 통하여 평활시켜 직류성분 전류(310)로 확보한다. 교류성분 전류(307)와 직류성분 전류(310)를 감산연산기(311)을 거쳐 전류오차신호(Δi)를 얻는다. 두 성분 전류(307, 310)의 차이점은 교류성분 전류(307)에는 부하의 상태에 따라 유효전류와 무효전류가 모두 포함된 전류가 나타나지만 직류성분 전류(310)에는 유효성분 만이 검출되는 특징을 가지고 있다. 만약 인버터(301)가 공진주파수에서 운전되어지고 있다면 부하에서 무효전류는 상쇄되어 나타나지 않으므로 교류전류의 역률은 1이되고 이를 정류한 전류(307) 또한 유효 성분전류 만이 검출되어 직류성분 전류(310)와 동일한 값을 나타낼 것이다. 결국 감산연산기(311)의 출력(Δi)은 '0'이 된다. 그림2의 P2 지점과 같이 운전점이 공진점을 벗어나게 되면 유도성 또는 용량성 중 더 지배적인 부하 영역으로 치우치게 되는데(공진점에서 좌측 영역은 용량성 부하이며 우측 영역은 유도성 부하 영역이다), 유도성이든 용량성이든 무효전류가 만들려지고 이 전류가 부하를 순환하므로 교류성분 전류(307)는 직류성분 전류(310)보다 더 큰 값을 가지게 되는데 역률이 1보다 작은 경우에 해당된다.

그림4는 그림3의 감산연산기(311)로부터 연산된 오차전류(Δi)를 최소화하는 제어 과정이 도식적으로 표현되어 있다. S1 임피던스 곡선의 부하에서 주파수 f(n)으로 운전되다가 S2 임피던스 곡선으로 부하가 변하게 되면 그때의 임피던스는 Z2(n)으로 상승하여 적은 전류가 부하로 흐름과 동시에 무효전류 성분으로 인해 오차전류(Δi)가 얻어진다. 이렇게 얻어진 오차전류(Δi)를 줄이기 위해 인버터에서 출력되는 주파수를 f(n+1)로 한 단계 상승시켜 출력 시키면 운전점은 (n)에서 (n+1)로 바꿔지며 임피던스는 Z(n+1)로 줄어든다. 다시 측정된 오차전류(Δi)의 크기를 근거로 주파수를 f(n+2)로 상승시키면 운전점은 (n+2)로 이동하고 임피던스도 Z2(n+2)로 줄어들어 더 큰 전압과 전류가 부하로 인가된다. 이러한 과정을 계속 반복하여 운전점(n+p-1)을 거쳐 최종적으로 운전점(n+p)에 도달하여 제어를 멈추게 된다. 이때의 인버터 출력 주파수는 f(n+p)이며 부하 임피던스는 Z3(=Z2(n+p))에 도달하여 가장 높은 출력이 얻어진다.

그림5는 그림4의 주파수 제어 과정을 제어블록도로 표현한 실시예로 입력은 교류 성분전류(307)와 직류 성분전류(310)의 차를 나타낸 오차전류(Δi)의 현재값(Δi(n))과 과거값(Δi(n-1))이며 출력은 연산된 출력 주파수(f(n+1))이다. 먼저 두 오차전류(Δi(n-1),Δi(n))를 감산연산기에 통과시키고 그 연산된 값을 오차증폭기(502)에 입력한다. 오차증폭기(502)는 비례제어기, 비례적분제어기 등 임의의 제어기로 구축이 가능하며 여기서는 단순히 증폭율 K1을 갖는 제어기로 표현하고 있다. 여기서 K1은 상수일 수도 있으며 주파수의 함수 일수도 있으나 반드시 양의 값을 가져야 한다. 이 오차 증폭기(502)에서는 입력된 제1오차전류 Δi(n-1) (500)이 제2오차전류 Δi(n) (501) 보다 크면 두 값의 차에 K1을 곱한 양의 값을 출력시키고 그 반대이면 두 값의 차에 K1을 곱한 음의 값을 출력시킨다. 이렇게 연산된 출력값(503)은 승산기(508)에서 주파수 오차증폭기(507)의 결과값(504)과 함께 승산된 후 현재 출력주파수(506)인 f(n)에 더해져서 새로운 출력주파수(505) f(n+1)을 생성한다. 현재 출력주파수(506)과 새로운 출력주파수(505)은 감산연산기와 주파수 오차증폭기(507)을 통하여 되먹임되어지므로 시스템 동작의 안정성을 확보할 수 있다. 주파수 오차증폭기(507)은 현재 출력주파수(506)와 새로운 출력주파수(505)의 감산연산기 결과를 입력받고 이를 증폭하여 승산기(508)의 한 입력으로 사용한다. 주어진 블록다이어그램은 아날로그 등과 같이 회로적으로 처리할 수도 있으며 프로세서를 이용하여 프로그램으로 처리할 수도 있다.

그림6은 그림5의 제어제어 과정을 제어블록도로 표현한 실시예로 소용량의 간단한 프로세서로 동작이 가능한 제어 논리를 제공한다. 입력 및 출력은 그림5와 같이 교류 성분전류(307)과 직류 성분전류(310)의 차를 나타낸 오차전류(Δi)의 현재값(Δi(n))과 과거값(Δi(n-1))이며 출력은 연산된 출력 주파수(f(n+1)이다. 먼저 두 오차전류((Δi(n-1),Δi(n))를 감산연산기에 통과시키고 그 연산된 값을 비교기(602)에 입력한다. 비교기(602)는 오차전류(Δi(n-1))이 오차전류(Δi(n)) 보다 크면 양의 단위값을 출력시키고 그 반대이면 음의 단위값을 출력시킨다. 이 단위값(603)은 제1승산기(608)에서 주파수 오차비교기(607)의 결과값(604)과 함께 승산된 후 제2승산기(610)에서 주파수증분항(609)인 Δf와 승산되어 현재 출력주파수(606)인 f(n)에 더해져서 새로운 출력주파수(605)인 f(n+1)을 생성한다. 현재 출력주파수(606)과 새로운 출력주파수(605)는 감산연산기를 통하여 되먹임되어지므로 시스템 동작의 안정성을 확보할 수 있다. 주파수 오차비교기(607)은 현재 출력주파수(606)과 새로운 출력주파수(605)의 감산연산기 결과의 극성을 단위화하여 출력한다. 즉 새로운 출력주파수(605)가 현재 출력주파수(606) 보다 크면 양의 단위값을 출력시키고 작으면 음의 단위값을 출력시키므로 출력주파수가 발산하지 않고 안정적으로 동작하도록 운전하는 역할을 한다. 지금까지의 설명에서 제1승산기(608)은 논리적으로 표현할 수 있는데 두 오차비교기(602, 607)의 출력이 (1, 1) 또는 (-1, -1)일 경우 '1'을 출력하고 (1, -1) 또는 (-1, 1)일 경우 '-1'을 출력하도록 하므로 구현이 가능하며, 이와 같은 논리로 제2승산기(610) 역시 제1승산기(608)의 출력이 '1'이면 'Δf'를 출력하고 '-1'이면 '-Δf'를 출력하므로 간단하게 구현할 수 있다. 주파수증분항(609)인 Δf는 시스템의 특성에 맞은 적정한 값을 선정하여야 하며 무리한 큰 값을 지정하게 되면 출력주파수가 안정점을 찾지 못하고 계속 스윙할 수 있으므로 신중하게 결정하여야 한다. 통상적으로 시스템과 함께 주파수 증분값 Δf가 결정되면 시스템을 바꾸지 않는한 결정된 주파수 증분값 Δf를 사용해도 무방할 것으로 보인다.

그림5와 그림6은 본 발명이 의도하는 제어 방법에 대한 실시예로서 이와 유사한 형태의 많은 변화가 가능할 수 있으므로 논리적으로 차이가 없다면 그림5나 그림6과 다른 제어블록도를 제공한다고 하여도 본 발명의 범주에 속한다고 보아야 할 것이다. 한 예로 두 오차비교기의 극성을 모두 바꾸어도 결국에는 동일한 출력을 얻을 수 있으며, 입력과 출력의 극성을 바꾸어도 동일한 제어 회로 구현이 가능할 것이다. 궁극적으로 본 발명에서 의도하는 것은 공진점에서 부하를 제어하기 위해 유효전류와 무효전류 성질 차이를 활용하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한 본 발명은 오존 발생기에 대하여 주로 기술하였지만 이와 유사한 현상을 보이는 부하에 본 발명의 제어 방법을 적용할 수 있다. 예로서 인덕션 히터 같은 경우 부하 성격은 인덕터-저항으로 이뤄져 있긴 하지만 커패시터를 직렬로 부가하므로 공진모드 운전이 가능할 수 있으며 여기서도 최대 출력을 얻기위한 주파수 제어 방법을 적용할 수 있으며 이 역시 본 발명이 의도하는 범주에 들어간다고 할 수 있다.

본 발명은 방전관 중 일부가 제거므로 인해 변화된 부하 임피던스의 공진주 파수 대역에 적응적으로 인버터의 스위칭 주파수를 바꿔주므로 인버터와 부하가 공진상태에서 운전되도록 제어해주어 출력전압을 항상 일정하게 유지시키며 각 방전관이 주어진 최대의 오존 발생 능률을 유지토록 하므로 오존 발생의 생산성을 극대화 할 수 있는 장점이 있으며 손실을 최소로 유지할 수 있고 일정전압이 방전관에 인가되도록 제어되므로 인해 유지, 보수 측면에서도 유리한 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Claims (2)

1. 단상 인버터에 있어 정류된 직류전원으로부터 공급되는 직류전류의 평균치를 구하고, 인버터의 출력교류전류를 정류하고 정류된 맥류전류의 평균치를 구한 다음 이 두 값의 차(Δi)를 구하고, 이 전류차(Δi)의 과거값(500)과 현재값(501)을 제1연산증폭기(502)에 인가하여 결과(503)를 구하고, 출력주파수의 현재값(506)과 갱신된 출력주파수(505)를 제2연산증폭기(507)에 인가하여 결과(504)를 구하고, 이렇게 판정된 두 극성값(503,504)을 승산기(508)를 통과시킨 결과(509)를 출력주파수의 현재값(506)에 더하여 갱신된 출력주파수(505)를 생성하는 방법.
2. 상기와 동일한 전력변환 구조를 가지고 동일한 전류 검출을 행하는 인버터에서 전류차(Δi)의 과거값(600)과 현재값(601)을 비교기(602)에 인가하여 극성을 판정하고(603), 출력주파수의 현재값(606)과 갱신된 출력주파수(605)를 비교기(607)에 인가하여 극성을 판정하고(604), 이렇게 판정된 두 극성값(603,604)을 승산기(608)를 통과시킨 결과와 주파수 증분(609)을 승산기(610)에서 승산한 후 이 값을 출력주파수의 현재값(606)에 더하여 갱신된 출력주파수(605)를 생성하는 방법.

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