KR20150121289A - 초전도 코일의 보호 회로 및 보호 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초전도 코일의 보호 방법은, 전원에서 출력되는 전류를 초전도 코일에 인가하는 단계; 상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계; 상기 초전도 코일의 양단 전압을 모니터링하는 단계; 및 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계에서는, 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 초전도 코일이 상전도로 전이 여부를 판단하는 단계; 및 상기 상전도로 전이되었다고 판단되면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

초전도 코일의 보호 회로 및 보호 방법{PROTECTION CIRCUIT AND PROTECTION METHOD OF SUPERCONDUCTING COIL}

본 발명은 초전도 코일을 보호할 수 있는 초전도 코일의 보호 방법에 관한 것으로, 상전도 상황에서 초전도 코일을 효과적으로 보호할 수 있는 초전도 코일의 보호 방법에 관한 것이다.

일반적으로 퀀치(quench) 현상이라 함은 전기저항이 없는 초전도체가 진공(眞空)에 따른 단열상태에서 임계온도, 임계전류, 임계자장을 넘어서게 되는 경우 저항이 발생하는 현상을 말하며, 퀀치 현상이 발생하면 초전도체가 초전도가 아닌 상전도 상태로 동작하게 된다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 초전도 회전기에서 초전도 코일이 권선된 계자 권선부에 직류전원을 공급하는 등가회로로써 퀀치(quench) 전후 상태를 도시한 회로도이다.

종래기술에 따른 초전도 회전기의 등가회로를 살펴보면, 전원부(15a)가 포함된 전원공급장치(15)에서 전선(13)을 통해 직류전원이 계자권선부(12a, 12b)에 공급되고, 초전도코일(L)에 공급전류(I0)가 공급되도록 한다. 도시한 스위치(14)는 미도시한 제어부의 제어에 의해 상기 초전도코일(L)과 상기 전원부(15a)의 연결을 스위칭한다.

이에 도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 회로도에서 퀀치(quench)가 발생되지 않는 정상적인 경우 계자 권선부(12a)는 초전도코일이 감겨 있어 내부저항(R0)이 영(0)이 되도록 하고, 초전도 코일은 인덕턴스(L)의 역할만을 수행하도록 한다.

그러나, 도 2에서 보는 것처럼 상기 계자 권선부(12b)에 퀀치(quench) 현상이 발생되는 경우 초전도 코일은 일정 저항값(R1>0)을 갖게 된다. 이에 따라 공급되는 전류(I0)에 의해 저항으로 인하여 줄열이 발생되고, 초전도 코일이 파손되는 문제가 발생된다.

도 1 및 도 2의 통상적인 등가회로에서 초전도 회전기의 계자 권선부(12)에 흐르는 전류-전압의 그래프를 살펴보면 도 3과 같음을 확인할 수 있다. 이러한 회로정수의 변화는 일정한 전류(constant current mode)로 운전을 할 경우, 도 3에 도시된 초전도 상태일 때는 전압이 거의 영(0)에 가깝지만, 초전도 상태가 깨지는 퀀치(quench)가 발생하면 저항이 발생하게 되어 전압이 비선형적으로 증가하게 된다. 이때, 퀀치(quench)에 의해 발생하는 저항(R1>0)으로 코일(12)에 저장된 자기 에너지와 외부전원(12)으로부터 인가되는 전류가 흐르게 되면, 엄청난 줄열이 발생하게 되면서 코일의 파손이 발생되게 된다.

미국등록특허 6,359,365호

본 발명은 초전도 코일에 상전도가 발생하는 상황에서 초전도 코일을 보호할 수 있는 초전도 코일의 보호 방법 및 보호 회로를 제공하고자 한다.

또는, 본 발명은 초전도 코일의 상전도 발생시 신속하게 조치할 수 있는 초전도 코일의 보호 방법 및 보호 회로를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 초전도 코일의 보호 방법은, 전원에서 출력되는 전류를 초전도 코일에 인가하는 단계; 상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계; 상기 초전도 코일의 양단 전압을 모니터링하는 단계; 및 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계에서는, 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 초전도 코일이 상전도로 전이 여부를 판단하는 단계; 및 상기 상전도로 전이되었다고 판단되면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계 이전에, 상기 양단 전압이 소정의 중간 기준값을 넘으면, 추가 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 초전도 코일의 보호 회로는, 충전된 전류가 흐를 수 있는 회로를 형성하는 초전도 코일을 보호하기 위한 보호 회로에 있어서, 상기 초전도 코일을 충전하기 위한 전류를 공급하는 전원부와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 전원 스위치; 상기 초전도 코일과 병렬 연결되는 보호용 커패시터; 상기 보호용 커패시터와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 스위치; 및 상기 초전도 코일의 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원 스위치을 오픈하는 제어부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는, 상기 스위치를 오픈한 후, 상기 전원 스위치를 클로우즈하여 상기 초전도 코일에 상기 전원부의 전류를 공급하고, 상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면, 상기 스위치를 클로우즈할 수 있다.

여기서, 상기 회로에서 전류가 흐르는 방향을 일정하게 하는 다이오드를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 보호용 커패시터 및 상기 초전도 코일과 병렬 연결되는 추가 보호용 커패시터; 및 상기 추가 보호용 커패시터와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 추가 스위치를 더 포함할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 초전도 코일의 보호 방법 또는 보호 회로를 실시하면, 초전도 코일에 상전도가 발생하는 상황에서 초전도 코일을 보호할 수 있는 이점이 있다.

또는, 본 발명의 초전도 코일의 보호 방법 또는 보호 회로는 초전도 코일의 상전도 발생시 신속하게 조치할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 초전도 회전기에서 초전도 코일이 권선된 계자 권선부에 직류전원을 공급하는 등가회로로써 정상 상태를 도시한 회로도.
도 2는 종래기술에 따른 초전도 회전기에서 초전도 코일이 권선된 계자 권선부에 직류전원을 공급하는 등가회로로써 퀀치(quench) 상태를 도시한 회로도.
도 3은 도 2의 초전도 회전기의 계자 권선부에 흐르는 전류-전압의 그래프.
도 4는 초전도 코일에 상전도 발생시 적절한 조치를 수행할 수 있는 구조의 초전도 코일 보호 회로를 도시한 회로도.
도 5는 도 4의 초전도 코일 보호 회로를 제어하는 제어부를 포함하는 초전도 코일 보호 시스템을 도시한 블록도.
도 6은 도 4의 보호 회로에서 시간 지연 발생 문제를 해결하는 구조의 초전도 코일 보호 회로를 도시한 회로도.
도 7은 초전도 코일에 대한 전류 충전 상태를 도시한 회로도.
도 8은 충전이 완료된 상태에서 스위치를 클로우즈시켜 동작하는 것을 도시한 회로도.
도 9는 동작 중 초전도 코일에 상전도가 발생하였을 때, 상기 보호용 커패시터(C)에 의한 보호 동작을 도시한 회로도.
도 10은 초전도 코일에 상전도가 발생하였을 때 상기 전원 스위치를 오픈하는 것을 도시한 회로도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일의 보호 방법을 도시한 흐름도.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 　 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되어 있다거나 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.

또한, 이하의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 4는 초전도 코일에 상전도 발생시 적절한 조치를 수행할 수 있는 구조의 초전도 코일 보호 회로를 도시하며, 도 5는 도 4의 초전도 코일 보호 회로를 제어하는 제어부를 포함하는 초전도 코일 보호 시스템을 도시한다. 즉, 도 4에 도시한 초전도 코일 보호 회로는, 충전된 전류가 흐를 수 있는 회로를 형성하는 초전도 코일을 보호하기 위한 보호 회로로서 기능할 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시한 초전도 코일 보호 회로는, 상기 초전도 코일(10)을 충전하기 위한 전류를 공급하는 전원부와 상기 초전도 코일(10)의 연결을 절환하는 전원 스위치(swp); 및 상기 초전도 코일(10)의 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원 스위치을 오픈하는 제어부(7)를 포함한다. 또한, 상기 초전도 코일(10)이 형성하는 회로에서 전류가 흐르는 방향을 일정하게 하는 다이오드(Df) 및 저항(Rf)을 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(7)는 비정상 상태를 판단하기 위해, 다수 개의 초전도 코일들(10-1, 10-2, 10-3)의 전압을 모니터링하고, 상기 저항(Rf) 및 전원(P), 전원스위치(swp)의 상태를 모니터링할 수 있다.

도시한 스위치(swp)는 미도시한 제어부의 제어에 의해 상기 초전도코일(L)과 상기 전원부(P)의 연결을 스위칭한다. 그런데, 도 4에 의한 초전도 코일 보호 회로는, 이상 상황이 발생시 상기 전원 스위치(swp)를 오픈하기까지의 시간 지연이 발생한다.

도 6은 도 4의 보호 회로에서 시간 지연 발생 문제를 해결하는 구조의 초전도 코일 보호 회로를 도시한다. 도 6의 회로도 도 5에 적용될 수 있음은 물론이다.

도시한 초전도 코일의 보호 회로는, 상기 초전도 코일을 충전하기 위한 전류를 공급하는 전원부(P)와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 전원 스위치(swp); 상기 초전도 코일(100)과 병렬 연결되는 보호용 커패시터(C); 상기 보호용 커패시터(C)와 상기 초전도 코일(100)의 연결을 절환하는 스위치(swc); 및 상기 초전도 코일(100)의 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원 스위치(swp)를 오픈하는 제어부(7)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 초전도 코일(100)이 형성하는 회로에서 전류가 흐르는 방향을 일정하게 하는 다이오드(Df) 및 저항(Rf)을 더 포함할 수 있다.

도 6의 보호 회로를 적용한 도 5의 제어부는, 상기 스위치(swc)를 오픈한 후, 상기 전원 스위치(swp)를 클로우즈하여 상기 초전도 코일(100)에 상기 전원부(P)의 전류를 공급하고, 상기 초전도 코일(100)에 회로 전류가 충전되면, 상기 스위치(swc)를 클로우즈한다.

상기 초전도 코일(100)에 병렬로 연결된 상기 보호용 커패시터(C)가 이상 상황에서 초전도 코일(100)로 인가되는 전류를 저감시키며, 초전도 코일(100)의 충전시에는 상기 병렬 연결된 보호용 커패시터(C)와의 연결을 차단하고, 상기 초전도 코일(100)의 충전이 완료되면 상기 보호용 커패시터(C)를 연결하고, 상기 초전도 코일(100)을 동작시킨다.

도시하지는 않은 다른 구현에서는, 상기 보호용 커패시터(C) 및 상기 초전도 코일(100)과 병렬 연결되는 추가 보호용 커패시터; 및 상기 추가 보호용 커패시터와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 추가 스위치를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는 상기 스위치 및 추가 스위치에 대한 스위칭 시간을 다르게 조절할 수 있다. 예컨대, 평상시에는 스위치만을 클로우즈시키고, 초전도 코일의 전압이 소정의 제1 기준치를 넘는 경우 상기 추가 스위치를 클로우즈시키고, 제2 기준치를 넘는 경우 상기 전원 스위치를 오픈시키는 방식으로 조절할 수 있다.

도 7 내지 도 10은 상전도 발생시 도 6의 회로가 초전도 코일을 보호하는 과정을 도시한 것이다.

도 7은 초전도 코일에 대한 전류 충전 상태를 도시한 것이며, 충전 상태에서는 상기 스위치(swc)를 오픈시켜, 상기 보호용 커패시터(C)로 인한 충전 전류 누설을 차단한다.

도 8은 충전이 완료된 상태에서 상기 스위치(swc)를 클로우즈시켜 동작하는 것을 도시한 것이다. 초전도 코일에 전류 충전이 완료된 경우, 초전도 코일을 포함한 회로에는 정전류가 흐르므로, 상기 보호용 커패시터(C)를 통과하는 전류는 0이 된다.

도 9는 동작 중 초전도 코일에 상전도가 발생하였을 때, 상기 보호용 커패시터(C)에 의한 보호 동작을 도시한다. 상전도가 발생하면 초전도 코일을 포함한 회로에는 시간적으로 변동하는 전류가 흐르게 되며, 이러한 전류는 상기 보호용 커패시터(C)를 통과하여 흐를 수 있어, 초전도 코일에 과전류가 흐르는 것을 억제할 수 있다. 상술한 상기 보호용 커패시터(C)의 동작은 도 5의 제어부(7)가 상전도 발생을 감지하기 전에 수행되므로, 신속한 보호 동작이 이루어진다.

도 10은 초전도 코일에 상전도 발생을 상기 제어부(7)가 감지하여, 상기 전원 스위치(swp)를 오픈하는 것을 도시한다. 이때, 도시한 바와 같이, 상기 보호용 스위치(swc)도 오픈할 수 있다. 상기 전원 스위치(swp)를 오픈하는 것은 앞서 설명한 도 4의 경우와 거의 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

도시한 초전도 코일의 보호 회로에서 수행되는 초전도 코일의 보호 방법은, 전원에서 출력되는 전류를 초전도 코일에 인가하는 단계(S110); 상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계(S120); 상기 초전도 코일의 양단 전압을 모니터링하는 단계(S140); 및 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.

상기 S110 단계 내지 S160 단계는, 도 5의 제어부(7)에 의해 수행될 수 있다.

상기 S110 단계는 초전도 코일을 전류 충전시키는 과정으로서, 도 7에 도시한 형태로 수행될 수 있다.

상기 S120 단계는 전류 충전이 완료된 초전도 코일을 정상 상태에서 동작시키는 과정으로서, 도 8에 도시한 형태로 수행될 수 있다.

상기 S160 단계는 초전도 코일로의 전원 공급을 차단하는 과정으로서, 도 10에 도시한 형태로 수행될 수 있다.

여기서, 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계(S160)에서는, 상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 초전도 코일이 상전도로 전이 여부를 판단하는 단계; 및 상기 상전도로 전이되었다고 판단되면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

추가 보호용 커패시터를 더 포함하는 보호 회로를 적용하는 경우, 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계(S160) 이전에, 상기 양단 전압이 소정의 중간 기준값을 넘으면, 추가 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 초전도 코일
P : 전원부
C : 보호용 커패시터
swc : 스위치
swp : 전원 스위치
Df : 다이오드
7 : 제어부

Claims (7)

1. 전원에서 출력되는 전류를 초전도 코일에 인가하는 단계;
   상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계;
   상기 초전도 코일의 양단 전압을 모니터링하는 단계; 및
   상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계
   를 포함하는 초전도 코일의 보호 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계에서는,
   상기 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 초전도 코일이 상전도로 전이 여부를 판단하는 단계; 및
   상기 상전도로 전이되었다고 판단되면 상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계
   를 포함하는 초전도 코일의 보호 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원과 상기 초전도 코일의 연결을 차단하는 단계 이전에,
   상기 양단 전압이 소정의 중간 기준값을 넘으면, 추가 보호용 커패시터를 상기 초전도 코일과 병렬 연결시키는 단계를 더 포함하는 초전도 코일의 보호 방법.
   
4. 충전된 전류가 흐를 수 있는 회로를 형성하는 초전도 코일을 보호하기 위한 보호 회로에 있어서,
   상기 초전도 코일을 충전하기 위한 전류를 공급하는 전원부와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 전원 스위치;
   상기 초전도 코일과 병렬 연결되는 보호용 커패시터;
   상기 보호용 커패시터와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 스위치; 및
   상기 초전도 코일의 양단 전압이 소정의 기준값을 넘으면 상기 전원 스위치을 오픈하는 제어부
   를 포함하는 초전도 코일의 보호 회로.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 스위치를 오픈한 후, 상기 전원 스위치를 클로우즈하여 상기 초전도 코일에 상기 전원부의 전류를 공급하고,
   상기 초전도 코일에 회로 전류가 충전되면, 상기 스위치를 클로우즈하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일의 보호 회로.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 회로에서 전류가 흐르는 방향을 일정하게 하는 다이오드
   를 더 포함하는 초전도 코일의 보호 회로.
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 보호용 커패시터 및 상기 초전도 코일과 병렬 연결되는 추가 보호용 커패시터; 및
   상기 추가 보호용 커패시터와 상기 초전도 코일의 연결을 절환하는 추가 스위치를 더 포함하는 초전도 코일의 보호 회로.
   

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