KR20120064504A - 전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템 - Google Patents

전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전류 차단 회로는, 전압원과 LC 공진회로 사이에 구비된 적어도 하나의 저항; 및 상기 적어도 하나의 저항과 직렬 연결되어 상기 전압원과 LC 공진회로 사이의 접속을 제어하는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 온(on) 상태에서 기 설정된 시간 경과 후 상기 전압원에 의해 상기 LC 공진회로가 충전되면 오프(off) 상태로 되며, 상기 LC 공진회로에서 공진전류의 흐름을 제어하는 사이리스터(thyristor)가 공진전류의 흐름을 차단하는 시점 이후에 온(on) 상태로 되는 것을 특징으로 한다.

Description

전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템 {Current blocking circuit and micro pulse system comprising the same}
본 발명은 전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진회로 동작 시 외부 전류의 유입을 방지할 수 있는 액티브 스위치를 이용한 전류 차단 회로 및 이를 구비하는 마이크로 펄스 시스템에 관한 것이다.
마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)은 μs 단위의 짧은 폭을 갖는 펄스를 발생시키는 장치이다. 그리고, 전기집진용 마이크로 펄스 시스템은 마이크로 펄스 시스템을 전기집진장치에 적용한 것으로, 네가티브 마이크로 펄스(Negative Micro Pulse) 하전 방식으로 방전극과 집진판 사이에 코로나 개시전압인 DC 하전(VDC)을 설정한 후 짧은 폭(예, 90~120μs)을 지닌 펄스전압(VPS)을 중첩하여 집진실에 인가함으로써 분진을 제거하는 장치이다. 전기집진용 마이크로 펄스 시스템의 하전 방식은 두 개의 다른 하전을 독립 제어하여 집진하는 것으로서, 전기 음성도가 큰 기체 분자가 전자와 반응하여 음이온을 생성시키고, 분진은 음이온에 의해 대전되어 집진극으로 이동해서 집진판에 포집된 후 기계적 탈진 장치에 의해 제거되게 된다.
이와 관련하여, 도 1은 종래기술에 따른 전류 차단 방식을 설명하기 위한 전기집진용 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)의 구성도를 나타낸 것이다. 그리고, 도 2는 도 1의 마이크로 펄스 시스템의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 전기집진용 마이크로 펄스 시스템(MPS)은 방전극과 집진판을 구비하는 전기집진장치(ESP: electrostatic precipitator)(참고로, 전기집진장치는 도 2의 등가 회로도에서 커패시터 CF로 표시됨), 전기집진장치(ESP)에 개시전압을 제공하는 DC 전압원(VDC), 펄스 생성을 위한 전압을 제공하는 펄스 전압원(VPS), LC 공진회로를 형성하기 위한 인턱터(inductor; LS)와 커패시터(capacitor; CS), 펄스 전압원과 LC 공진회로를 연결하는 커플링 리액터(LPS), DC 전압원과 LC 공진회로를 연결하는 커플링 리액터(LDC), LC 공진회로를 제어하기 위한 고전압 스위치(high voltage switch)(이는 주로 여러 개의 사이리스터(thyristor)로 형성됨) 등을 포함한다.
이하 종래기술에 따른 전기집진용 마이크로 펄스 시스템(MPS)의 동작을 간단히 설명하면, DC 전압원(VDC)과 펄스 전압원(VPS)이 온(on)되어 전원을 공급하면, 전기집진장치(ESP)(즉, 커패시터(CF))와 커패시터(CS)에 전압이 인가되고, 커패시터(CS)는 VPS+VDC로 충전되고 커패시터(CF)는 -VDC로 충전된다. 그리고, 사이리스터(T; thyristor)의 게이트(gate)에 신호가 인가되면, 사이리스터(T)가 온(on)되면서 인덕터(LS)와 커패시터(CS, CF)의 LC 공진회로가 형성되고, 커패시터(CS, CF)에 충전되어 있던 전압의 합인 VPS(=VPS+VDC-VDC)에 의해 공진전류가 흐르게 된다. 참고로, 도 3은 이와 같이 공진회로로 동작하는 상태에 대한 등가 회로도를 나타낸 것이다.
그 후, 전류가 0 이하로 떨어지는 시점에 사이리스터(T)는 자연 전류(natural commutation)되며 오프(off)된다. 그러면, 인덕터(LS)와 커패시터(CF)에 충전된 에너지는 다시 다이오드(D; diode)를 통해 (-)전류가 흐르면서 커패시터(CS)로 넘겨져서, 처음의 충전 초기 상태로 복귀한다.
도 4는 전술한 바와 같이 동작하는 동안의 전류 및 전압 그래프를 나타낸 것인데, 사이리스터(T)에 게이트(gate) 신호(도 4의 VSW 참조)가 한 번 인가되면, LC 공진회로에는 사인파 전류(도 4의 ISW 참조)가 1 사이클(cycle) 형성되고, 그러면 집진극(CF)에는 (-)전압 파형이 -VDC에 중첩되어 나타나게 된다(도 4의 EP Output 참조). 그리고, 이 전압은 집진을 위해 사용되게 된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 전압원(VPS, VDC)과 LC 공진회로(LS, CS, CF)를 연결하는 커플링 리액터(LPS, LDC)는 사이리스터(T)가 온(on) 시 순간적으로 전류가 흐르지 못하게 하여 전압원과 LC 공진회로를 분리하는 역할을 한다. 즉, LC 공진 동작동안 공진전류 이외의 다른 전류가 LC 공진회로로 흘러 들어가지 못하게 하는 역할을 한다.
그러나, 종래기술의 경우 LC 공진회로로 전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서는 전류 차단(blocking) 특성을 좋게 하기 위해 커플링 리액터(LPS, LDC)로서 높은 인덕턴스(inductance) 값(예, 150H~400H)을 갖는 인덕터(inductor)를 사용해야 했는데, 이는 인덕터의 크기와 무게를 증가시키는 요인으로 작용하였다. 또한, 마이크로 펄스 시스템이 고전압(수십 kV ~ 수백 kV)에서 동작하기 때문에 인덕터의 절연 파괴가 발생하는 등의 심각한 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 LC 공진회로에 유입되는 외부 전류를 효율적으로 차단하는 액티브 스위치를 이용한 전류 차단 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 펄스 시스템의 크기 및 제조비용을 크게 감소시킬 수 있는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 전류 차단 회로는, 전압원과 LC 공진회로 사이에 구비된 적어도 하나의 저항; 및 상기 적어도 하나의 저항과 직렬 연결되어 상기 전압원과 LC 공진회로 사이의 접속을 제어하는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 온(on) 상태에서 기 설정된 시간 경과 후 상기 전압원에 의해 상기 LC 공진회로가 충전되면 오프(off) 상태로 되며, 상기 LC 공진회로에서 공진전류의 흐름을 제어하는 사이리스터(thyristor)가 공진전류의 흐름을 차단하는 시점 이후에 온(on) 상태로 되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 일 형태에 따른 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)은, 펄스 생성을 위한 전압을 공급하는 펄스 전압원; 공진전류를 형성하기 위한 공진회로부; 및 상기 펄스 전압원과 공진회로부를 연결하는 제1 전류 차단 회로부를 포함하고, 상기 제1 전류 차단 회로부는 서로 직렬로 연결된 제1 저항 및 제1 스위치를 구비하며, 상기 제1 스위치는 상기 공진회로부에 공진전류가 흐를 경우 외부 전류가 상기 공진회로부로 유입되는 것을 차단하도록 상기 공진전류의 흐름과 연동하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, LC 공진회로에 유입되는 외부 전류를 효율적으로 차단하는 효과를 가진다. 그리고, 이에 따라 본 발명에 따른 전류 차단 회로를 구비하는 마이크로 펄스 시스템(MPS)은 절연 불량을 해결하고 소형화할 수 있으며, 또한 그 제조 비용을 크게 감소시키는 효과를 가진다.
그리고, 본 발명에 따르면, 마이크로 펄스 시스템(MPS)에 비정상적인 상태가 발생할 경우 간단히 스위치만 제어(on/off)함으로써 회로를 용이하게 보호할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 종래기술에 따른 전류 차단 방식을 설명하기 위한 예로서, 종래기술에 따른 전기집진용 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)의 구성도를 예시한 것이다.
도 2는 도 1의 마이크로 펄스 시스템의 등가 회로도이다.
도 3은 마이크로 펄스 시스템의 공진회로 동작 상태에 따른 등가 회로도이다.
도 4는 마이크로 펄스 시스템의 동작 전류 및 전압 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 전류 차단 방식 및 이를 적용한 마이크로 펄스 시스템의 구성도를 예시한 것이다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)의 구성도를 예시한 것으로, 특히 전기집진장치를 포함하는 전기집진용 마이크로 펄스 시스템의 구성도를 예시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 펄스 시스템(MPS)은 전기집진장치(ESP: electrostatic precipitator)(참고로, 전기집진장치는 도 5의 회로도에서 커패시터 CF로 표시됨), 전기집진장치(CF)에 개시전압을 제공하는 DC 전압원(VDC), 펄스 생성을 위한 전압을 제공하는 펄스 전압원(VPS), LC 공진회로를 형성하기 위한 인턱터(LS)와 커패시터(CS), 펄스 전압원과 LC 공진회로를 연결하는 제1 저항(R1)과 제1 스위치(S1), 제1 저항(R1)과 병렬 연결된 제3 스위치(S3)(참고로, 제1 저항, 제1 스위치, 제3 스위치는 제1 전류 차단 회로부를 형성함), DC 전압원과 LC 공진회로를 연결하는 제2 저항(R2)과 제2 스위치, 제2 저항(R2)과 병렬 연결된 제4 스위치(S4)(참고로, 제2 저항, 제2 스위치, 제4 스위치는 제2 전류 차단 회로부를 형성함), LC 공진회로를 제어하기 위한 사이리스터(T; thyristor) 등을 포함한다.
참고로, 전기집진장치(ESP: electrostatic precipitator)(CF)는 방전극과 집진판을 구비하며, 방전극에 (-)전압이 인가되면 코로나 방전이 발생하여 이때 발생되는 음이온이 분진을 대전시켜 집진판으로 이동시키는 원리를 이용한다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 마이크로 펄스 시스템(MPS)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, DC 전압원(VDC)과 펄스 전압원(VPS)이 온(on)되어 전원을 공급하면, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 온(on)되어 전기집진장치(ESP)(즉, 커패시터(CF))와 커패시터(CS)에 전압이 인가된다. 즉, 펄스 전압원(VPS)의 전압이 제1 저항(R1) 및 제1 스위치(S1)를 통해 커패시터(CS, CF)에 인가되고, DC 전압원(VDC)의 전압이 제2 저항(R2) 및 제2 스위치(S2)를 통해 커패시터(CF)에 인가된다. 그리고, 이에 따라, 커패시터(CF)는 VPS+VDC로 충전되고 커패시터(CS)는 -VDC로 충전된다. 참고로, 완전 방전 상태에서는 커패시터의 등가 임피던스(impedance)가 매우 작으므로, 여기에 전압을 인가 시 상당히 큰 전류가 흐르게 되는데, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 초기 돌입전류(Inrush Current)를 방지하기 위해 사용하는 저항이다.
한편, 저항(R1, R2)의 전력 소모에 의한 영향을 최소화하기 위해, 제1 저항(R1)에 병렬 연결된 제3 스위치(S3)와 제2 저항(R2)에 병렬 연결된 제4 스위치(S4)가 일정시간 경과 후 온(on)되어, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 양단이 각각 단락(short circuit) 상태가 되도록 한다.
그리고, 사이리스터(T; thyristor)의 게이트(gate)에 신호가 인가되기 전에 LC 공진회로(LS, CS, CF)를 형성하기 위하여 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 오프(off)시킨다.
제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 오프(off)시킨 후, 사이리스터(T; thyristor)의 게이트(gate)에 신호를 인가하면, 사이리스터(T)가 온(on)되면서 인덕터(LS)와 커패시터(CS, CF)의 LC 공진회로가 형성되고, 커패시터(CS, CF)에 충전되어 있던 전압의 합인 VPS(=VPS+VDC-VDC)에 의해 공진전류가 흐르게 된다(도 3 참조).
그 후, 전류가 0 이하로 떨어지는 시점에 사이리스터(T)는 자연 전류(natural commutation)되며 오프(off)된다. 그러면, 인덕터(LS)와 커패시터(CF)에 충전된 에너지는 다시 다이오드(D; diode)를 통해 (-)전류가 흐르면서 커패시터(CS)로 넘겨져서, 처음의 충전 초기 상태로 복귀한다. 즉, 사이리스터(T)가 오프(off)되어 LC 공진회로에서 공진전류의 흐름을 차단하면, 일정시간 경과 후 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)는 다시 온(on)되어 전압원(VDC, VPS)에 의해 LC 공진회로를 충전시킨다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4)를 구동하기 위한 신호는 회로간 절연 및 노이즈(noise)에 의한 영향을 최소화하기 위하여 적외선 통신 방식을 사용한다.
도 5를 참조하면, 제1 스위치(S1)에는 이를 제어하는 제1 게이트 신호(gate signal) 수신부(G1)가 구비되고, 제2 스위치(S2)에는 이를 제어하는 제2 게이트 신호 수신부(G2)가 구비되며, 제3 스위치(S3)에는 이를 제어하는 제3 게이트 신호 수신부(G3)가 구비되고, 제4 스위치(S4)에는 이를 제어하는 제4 게이트 신호 수신부(G4)가 구비된다. 그리고, 제1 게이트 신호 수신부(G1) 및 제3 게이트 신호 수신부(G3)에 대하여는 제1 게이트 트리거 신호(gate trigger signal) 송신부(TG1)가 적외선 신호를 송신하여 제어하고, 제2 게이트 신호 수신부(G2) 및 제4 게이트 신호 수신부(G4)에 대하여는 제2 게이트 트리거 신호 송신부(TG2)가 적외선 신호를 송신하여 제어한다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 전술한 방식 외에도 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)에 대해 공통적인 게이트 신호 수신부를 구비하고, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)에 대해 공통적인 게이트 신호 수신부를 구비함으로써, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 각각 함께 제어하도록 구현할 수도 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징들을 변경하지 않고서 다른 구체적인 다양한 형태로 실시할 수 있는 것이므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 전류 차단 회로로서,
    전압원과 LC 공진회로 사이에 구비된 적어도 하나의 저항; 및
    상기 적어도 하나의 저항과 직렬 연결되어 상기 전압원과 LC 공진회로 사이의 접속을 제어하는 제1 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 전압원에 의해 상기 LC 공진회로가 충전되는 온(on) 상태에서 기 설정된 시간 경과 후 오프(off) 상태로 되며, 상기 LC 공진회로에서 공진전류의 흐름을 제어하는 사이리스터(thyristor)가 공진전류의 흐름을 차단하는 시점 이후에 온(on) 상태로 되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항과 병렬 연결된 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치가 온(on)되면 일정시간 후 온(on)되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 적외선 통신을 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이리스터는 상기 제1 스위치가 오프(off) 상태로 된 시점 이후에 상기 LC 공진회로에 공진전류가 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전류 차단 회로.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이리스터는 상기 제1 스위치의 오프(off) 동작과 연동되어 동작하는 것을 특징으로 하는 전류 차단 회로.
  6. 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템(MPS; Micro Pulse System)으로서,
    펄스 생성을 위한 전압을 공급하는 펄스 전압원;
    공진전류를 형성하기 위한 LC 공진회로와, 상기 LC 공진회로에서 공진전류의 흐름을 제어하는 사이리스터(thyristor)를 포함하는 공진회로부; 및
    상기 펄스 전압원과 공진회로부를 연결하는 제1 전류 차단 회로부를 포함하고,
    상기 제1 전류 차단 회로부는 서로 직렬로 연결된 제1 저항 및 제1 스위치를 구비하며, 상기 제1 스위치는 온(on) 상태에서 기 설정된 시간 경과 후 상기 펄스 전압원에 의해 상기 LC 공진회로가 충전되면 오프(off) 상태로 되며, 상기 사이리스터(thyristor)가 공진전류의 흐름을 차단하는 시점 이후에 온(on) 상태로 되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    DC 전압을 공급하는 DC 전압원; 및
    상기 DC 전압원과 공진회로부를 연결하는 제2 전류 차단 회로부를 더 포함하고,
    상기 제2 전류 차단 회로부는 서로 직렬로 연결된 제2 저항 및 제2 스위치를 구비하며, 상기 제2 스위치는 온(on) 상태에서 기 설정된 시간 경과 후 상기 DC 전압원에 의해 상기 LC 공진회로가 충전되면 오프(off) 상태로 되며, 상기 사이리스터(thyristor)가 공진전류의 흐름을 차단하는 시점 이후에 온(on) 상태로 되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전류 차단 회로부는 상기 제1 저항과 병렬 연결된 제3 스위치를 더 포함하고, 상기 제2 전류 차단 회로부는 상기 제2 저항과 병렬 연결된 제4 스위치를 더 포함하며,
    상기 제3 스위치 및 제4 스위치는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 온(on)되면 일정시간 후 온(on)되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 제1 신호에 의해 함께 제어되고, 상기 제3 스위치 및 제4 스위치는 제2 신호에 의해 함께 제어되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 적외선 통신을 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이리스터는 상기 제1 스위치가 오프(off) 상태로 된 시점 이후에 상기 LC 공진회로에 공진전류가 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  12. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이리스터는 상기 제1 스위치의 오프(off) 동작과 연동되어 동작하는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
  13. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    방전극과 집진판을 구비하며, 상기 공진회로부에서 제공되는 공진전류에 의해 동작하는 전기집진장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 차단 기능을 구비하는 마이크로 펄스 시스템.
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