KR20100079483A - 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치 - Google Patents

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혼합형 플라즈마 토치는 이행형 플라즈마 토치의 문제점인 운전의 불안정성을 해결하기 위하여 이행 아크에 적당량의 비이행 아크를 포함하여 운전하는 기기이다.
종래의 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치는 두 개의 정류기들을 사용하고 있으나 본 발명은 하나의 정류기와 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(insulated gate bipolar transistor stack)을 이용하여 혼합형 플라즈마 토치의 비이행 아크와 이행 아크의 전류량을 조절할 수 있다. 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택 중 하나는 비이행 아크와 이행 아크의 전류량의 합을 결정하고, 그의 개방 시간은 아크 경로 내의 전기전도도 변화에 따라 지속적으로 변한다. 한편, 다른 하나는 비이행 아크의 전류량을 결정하고, 그의 개방 시간은 일정하게 유지된다.
상기와 같은 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치는 두 개의 정류기를 사용하는 경우에 비해, 장치비가 절약되고, 설비가 안정적이며, 용탕의 가열 효율 및 토치의 전극 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.
혼합형 플라즈마 토치, 절연게이트 양극성 트랜지스터, 정류기

Description

혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치{POWER SUPPLY FOR DUAL-MODE PLASMA TORCH}
본 발명은 플라즈마 토치의 전원 장치에 관한 것으로서, 특히 비이행 모드 및 이행 모드로 작동하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치에 관한 것이다.
근래 소각 재나 석면 또는 방사성 폐기물 등과 같은 유해 폐기물을 안정화 처리하기 위하여, 플라즈마 토치를 이용한 용융 및 유리화 방법이 점점 널리 이용되고 있다. 이러한 금속이나 무기물의 용융에 사용되는 산업용 아크 플라즈마 토치들은 가동 형식에 의해 비이행형 토치와 이행형 토치로 나누어지고, 각각 장/단점을 갖는다.
비이행형 토치는 대상물의 영향을 받지 않아 안정적으로 동작하지만, 에너지 전달 효율이 감소한다. 이행형 토치는 대상물의 에너지 전달 효율이 높지만, 대상물이 전도성을 가질 때에만 동작할 수 있고, 아크가 외부 가스의 환경의 영향을 받기 때문에 동작이 불안정하다. 그래서 일반적으로 비이행형 토치는 비금속류를 가열하기 위한 수단으로, 이행형 토치는 금속류를 가열하기 위한 수단으로 사용된다. 그런데 비금속류라 할지라도 용융상태에 이르게 되면 어느 정도의 전도성을 갖게 된다. 이때에는 이행형 토치가 사용되는 것이 훨씬 경제적이기 때문에, 이행형 토치가 비금속류에도 적용될 수 있도록 하는 시도가 오래전부터 시도되었다. 그러나 이러한 시도는 아크를 점화하는 방법 및 아크의 안정성 확보의 어려움을 갖고 있다.
이러한 어려움을 해결하기 위하여, 미국의 Retech사는 혼합형 플라즈마 아크 토치(dual mode plasma arc torch) 시스템을 개발하였다. 이런 시스템은 두 개의 정류기를 사용하고, 우선 토치가 비이행형 모드로 동작하다가, 슬래그가 전도성을 띨 때 이행형 모드로 자동 전환되는 방식이다. 이때 두 모드에 대한 전류량은 슬래그의 전도도에 따라 결정된다.
그러나 이와 같은 방법에서는 각 운전 모드의 아크 전류가 독립적으로 조절되기 어렵고 두 개의 분리된 정류기가 사용되어야 한다는 단점이 있다. 아울러, 아크의 안정성을 유지하기 위하여, 일정량의 비이행형 전류가 계속해서 공급되도록 한 개의 정류기가 항상 운전되어야 하는 단점도 있다.
본 발명의 목적은 한 개의 정류기와 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택을 사용하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치를 제공함으로써 설치비용 절감, 이행 아크의 안정성 확보, 용탕의 가열 효율 및 토치의 전극 수명을 향상시키는 데 있다.
본 발명은 비이행 아크 및 이행 아크를 포함하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급장치에 있어서, 상기 혼합형 플라즈마 토치로 전류를 공급하는 하나의 정류기; 및 상기 정류기와 병렬로 배치되어 상기 정류기로부터 전류를 공급받아, 전류량을 제어하여 상기 혼합형 플라즈마 토치에 공급하는 한 쌍의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(insulated gate bipolar transistor stack; IGBT stack)들을 포함하되, 상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들이 상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크의 전류량을 제어함에 따라, 상기 혼합형 플라즈마 토치가 비이행 모드 또는 이행 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급장치를 개시한다.
아울러, 상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들은, 상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크로 공급되는 전류량의 합을 결정하는 제1 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택; 및 상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크로 공급되는 전류량의 비를 결정하는 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택을 포함하되, 상기 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택은 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태의 비율에 따라, 상기 혼합형 플라즈마 토치를 비이행 모드, 이행 모드 또는 이들의 혼합모드로 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급 장치를 개시한다.
또한, 각각의 상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들은, 상기 혼합형 플라즈마 토치에 공급되는 전류를 제어하기 위해 온/오프 상태로 되는 한 쌍의 절연게이트 양극성 트랜지스터 쵸퍼(IGBT chopper)를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치를 개시한다.
본 발명에 따른 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치는 하나의 정류기와 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택을 포함하여, 전원 장치의 규모를 감소시킬 수 있고, 이에 따른 비용도 절감할 수 있다. 아울러, 모드에 따른 전류량을 조절할 수 있기 때문에, 낮은 비이행 전류 값이 유지되어 토치 노즐의 침식 속도를 감소시킨다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치(100)를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치(100)가 혼합형 플라즈마 토치(200)에 연결된 모습을 나타내는 개략도이다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치(100)는 정류기(101), 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들(102, 103), 변압기(104) 및 리액터(105)를 포함하고, 정전류(constant current) 방식으로 작동하면서 혼합형 플라즈마 토치(200)의 비이행 아크(203)와 이행 아크(204)의 전류량을 안정적으로 조절한다.
정류기(101)는 혼합형 플라즈마 토치(200)에 전류를 공급한다. 아울러, 정류기(101)의 음극(-) 공통 단자(grounding)는 혼합형 플라즈마 토치(200)가 장착된 용융로의 외함에 연결된다.
절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들(102, 103)은 정류기(101)의 음극(-) 출력 단자와 양극(+) 출력 단자 사이에 병렬로 연결되고 제 1 및 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(102, 103)을 포함한다.
제 1 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(102)의 출력은 혼합형 플라즈마 토치의 후방 전극((201)에 연결되고, 제 2 절연 게이트 양극성 트랜지스터 스택(103)의 출력은 혼합형 플라즈마 토치의 전방 전극(202)에 연결된다. 아울러, 제 1 및 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(102, 103)의 음극(-) 공통단자는 혼합형 플라즈마 토치(200)가 장착된 용융로의 외함에 연결한다. 또한, 제 1 및 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(102, 103)은 각각 두 개의 쵸퍼(chopper)들(121, 131)을 포함하고, 혼합형 플라즈마 토치(200)가 비이행 모드, 이행 모드 또는 이들의 혼합모드로 작동하도록 한다.
혼합형 플라즈마 토치(200)에 공급되는 전체 전류(It; 비이행 전류(Int) + 이행 전류(Itr))는 제 1 절연게이트 양극성 트랜지스터(102)에 의해 결정되며, 비이행 전류(Int) 및 이행 전류(Itr)의 비는 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)에 의해 결정된다. 여기에서, 비이행 전류(Int)는 혼합형 플라즈마 토치(200)의 비이행 아크(203)에 공급되는 전류이고, 이행 전류(Itr)는 혼합형 플라즈마 토치(200)의 이행 아크(204)에 공급되는 전류이다. 예를 들어, 혼합형 플라즈마 토치(200)를 비이행 모드로 작동시키고자 할 때, 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)가 온(on) 상태에 이르게 하여 전방전극(202)을 통하여 전류가 흐르도록 한다. 반면에 혼합형 플라즈마 토치(200)를 이행 모드로 작동시키고자 할 때, 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)가 오프(off) 상태에 이르게 하여 전방 전극(202)으로 전류가 흐르지 않도록 한다.
플라즈마 용융로의 작동 초기에는 슬래그층((205) 때문에 용탕의 전기저항값(Rmp)이 매우 높다. 이로 인해, 혼합형 플라즈마 토치(200)가 이행 모드로 작동하는 것이 불가능함에 따라 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)가 온 상태에 이르게 해야 한다. 이때, 혼합형 플라즈마 토치(200)에 흐르는 전류의 대부분은 비이행 전류(Int)이고 이행 전류(Itr)는 수 암페어(ampere) 이하에 불과하다.
혼합형 플라즈마 토치(200)의 비이행 모드 작동이 진행됨에 따라, 슬래그 층(205)은 전기전도성(electrical conductivity)을 띠게 되어 용탕의 전기저항값(Rmp)이 감소한다. 이로 인해, 비이행 전류 통로의 전체저항(Rnt)과 이행 전류 통로의 전체저항(Rtr)의 비에 따라 플라즈마 토치(200)는 혼합 모드로 작동할 수 있다. 이때, 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)를 오프 상태로 하여 비이행 전류통로의 전체 저항값(Rnt)을 높이면 정전류 방식의 혼합형 플라즈마 토치의 전원장치(100)에 의해 이행 전류량(Itr)이 자연히 증가하게 된다. 이를 혼합형 플라즈마 토치(200)의 작동 전압의 관점에서 나타내면, 전방 전극(202)과 금속층(206) 사이의 전압(V2)이 증가하기에, 이행 전압(Vtr)이 증가한다. 이때 용탕의 전기전도도가 너무 작아 운전한계전압(Vlink)까지 도달하게 되면 이행 전압(Vtr)은 더 이상 증가하지 못한다.
혼합형 플라즈마 토치(200)의 작동은 용융로 내 슬래그층(6)이 충분한 전기전도도에 이른 상태에서, 제 2 절연게이트 양극성 트랜지스터(103)의 온/오프 시간을 조절하여 비이행 전류(Int)와 이행 전류(Itr)를 임의의 비율로 제어함으로써 이루어진다. 한편, 혼합형 플라즈마 토치의 전원장치(100)는 정전류 방식으로 작동하기에, 이행 전류통로의 전체 저항(Rtr)이 증가하면, 자동적으로 제 1 절연게이트 양극성 트랜지스터(102)가 더욱 온 상태로 되어 이행 전압(Vtr)이 증가하고 이에 따라 비이행 전류(Int)도 증가한다. 이러한 비이행 전류(Int)의 증가는 플라즈마 컬럼의 저항을 감소시켜 결과적으로 다시 전체저항이 감소된다. 따라서 용융로 내 슬러그 층(6)의 전기 전도도가 낮은 경우라도 이행 전압(Vtr)의 변동폭이 크지 않다.
변압기(104)는 정류기(101)의 작동에 적절한 값을 갖는 전압을 변경한다.
리액터(105)는 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들(102, 103)과 플라즈마 토치 전극(201, 202)들 사이에 설치되고, 토치의 돌입 전류를 억제한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치는 하나의 정류기와 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터(102, 103)를 이용하여 비이행 아크 및 이행 아크의 전류량을 조절할 수 있기에, 일반적인 전원 장치에 비하여 정류기가 하나 감소하여 경제적이다. 아울러, 두 개의 정류기를 이용할 때에는 아크의 안정성을 위하여 비이행 전류가 일정량 계속하여 제공되어야 하지만, 본 발명은 이행 전류의 감소는 비이행 잔류의 증가를 자동적으로 초래하기에 전기 아크 에너지의 효율이 증가하게 된다. 또한, 정상 작동시 비이행 전류는 이행 전류의 10%이하로 유지할 수 있기에, 토치 전극의 침식 속도는 감소된다.
도 3은 도 1에 도시된 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치에서 아크의 저항값 증가에 따른 이행 및 비이행 전압 및 전류의 거동을 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합형 플라즈마 토치(200)가 장착된 로(furnace)에서 폐기물의 투입으로 인해 일시적으로 이행 전류 통로의 저항(Rtr)이 커졌다가 해소되는 경우, 전압이 변하는 것을 볼 수 있다.
구체적으로 13:05 시각에서 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(103)의 쵸퍼(131)를 적당히 온 상태로 하여, 비이행 전류(Int)(b)를 약 30암페어로 유지하고, 약 2분 후에 폐기물을 투입한 경우를 살펴보자. 투입 직후 폐기물에 포함된 유기물과 먼지 등의 영향으로 인해, 이행 플라즈마 컬럼의 전압(Vtr)(d)이 약 150볼트 증가하면서 이행 전류(Itr)(c)는 감소하는 것을 볼 수 있다. 전원 장치는 정전류 방식으로 운전되므로 이행 전류(Itr)(c)가 줄어든 만큼 비이행 전류(Int)(b)는 증가하고, 전류의 증가에 따른 비이행 플라즈마 컬럼 저항(Vnt)의 감소로 인해 비 이행 전압(Vnt)(a)은 오히려 줄어든다.
이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치가 혼합형 플라즈마 토치에 연결된 모습을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치에서 아크의 저항값 증가에 따른 이행 및 비이행 전압 및 전류의 거동을 나타내는 그래프이다.

Claims (3)

  1. 비이행 아크 및 이행 아크를 포함하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급장치에 있어서,
    상기 혼합형 플라즈마 토치로 전류를 공급하는 하나의 정류기; 및
    상기 정류기와 병렬로 배치되어 상기 정류기로부터 전류를 공급받아, 전류량을 제어하여 상기 혼합형 플라즈마 토치에 공급하는 한 쌍의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택(insulated gate bipolar transistor stack; IGBT stack)들을 포함하되,
    상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들이 상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크의 전류량을 제어함에 따라, 상기 혼합형 플라즈마 토치가 비이행 모드 또는 이행 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들은,
    상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크로 공급되는 전류량의 합을 결정하는 제1 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택; 및
    상기 비이행 아크 및 상기 이행 아크로 공급되는 전류량의 비를 결정하는 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택을 포함하되,
    상기 제2 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택은 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태의 비율에 따라, 상기 혼합형 플라즈마 토치를 비이행 모드, 이행 모드 또는 이들의 혼합 모드로 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택들은, 상기 혼합형 플라즈마 토치에 공급되는 전류를 제어하기 위해 온/오프 상태로 되는 한 쌍의 절연게이트 양극성 트랜지스터 쵸퍼(IGBT chopper)를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 토치의 전원 장치.
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