KR20160110745A - 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기용 전원장치 - Google Patents

Abstract

마이크로 펄스 하전 방식의 집진기용 전원장치를 개시한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치는 단일 전원을 갖는 단순한 구조를 가진다. 이에 따라, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치가 가지는 성능상의 장점을 동일하게 제공하면서도, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치와 비교하여 단순한 회로구성을 가지며, 그에 따라 제조원가를 크게 낮출 수 있다.

Description

마이크로 펄스 하전 방식의 집진기용 전원장치{Power Supply for Micro-pulse type Electrostatic Precipitator}

본 실시예는 전기집진기의 전원장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 마이크로 펄스 하전 방식의 전기집진기용 전원장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

전기 집진기는 크게 분진의 하전(Particle charging)과 집진(Charged Paricle collection)의 두 메커니즘에 의하여 이루어진다. 여기서, 하전 메커니즘은 분진에 전하를 하전(또는 충전) 시키는 작용이고, 집진 메커니즘은 전하를 띈 분진을 정전기력에 의하여 전극에 모으는(집진: Collection) 작용이다. 일반적으로 집진은 30kV 이하의 전압에서도 집진이 잘 이루어지므로, 집진기의 분진 제거 능력 혹은 집진 효율은 어떻게 분진에 하전을 잘 시키느냐에 의하여 결정된다. 분진에 하전을 잘 시키기 위해서는 집진기의 전극에서 강한 플라즈마를 발생시키어, 미세 분진에 전하가 많이 달라붙게 하는 것이다.

도 1은 종래의 고전압 직류 방식의 전기집진기 전원장치의 기본 구성도를 도시한 도면이다. 도 1의 고전압 직류 방식의 전기집진기 전원장치(100)는 분진의 하전 및 집진이 하나의 전원으로 동작한다. 이러한 고전압 직류 전원을 이용하는 집진기는 집진 전극(EPS) 사이에서 스파크(Spark)나 아크(Arc)가 쉽게 발생할 수 있기 때문에, 평균 동작 전압이 크게 낮아져야만 한다. 이로 인해 플라즈마 발생이 미약하게 되고, 하전이 부족하게 되어 집진율이 저조하게 된다.

도 2는 도 1의 장치에서 전극에 인가되는 전압에 따른 플라즈마의 발생 강도와 플라즈마 및 아크 발생 영역을 도시한 도면이다. 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 플라즈마 발생 시작점으로부터 전압이 상승함에 따라 플라즈마의 발생 강도가 급격히 증가하다가, 아크의 발생 시점으로부터는 전압이 감소하여도 아크 상태가 계속되게 되고, 이에 따라 집진 전극에서의 아크 전류가 급격히 증가하여 집진 시스템이 손상될 위험이 있다.

더욱이, 플라즈마 시작 전압 및 아크 발생 시작점이 주변 조건에 따라 변한다는 점은 이러한 아크로 인한 손상 위험의 대처를 더욱 어렵게 한다. 즉, 집진기 내를 통과하는 가스(Gas)의 온도, 먼지의 농도 및 먼지의 구성 요소, 집진기 내의 가스의 유속 및 압력 등의 변화에 따라 아크 발생 전압이 크게 변하게 된다. 따라서, 어떠한 환경 하에서도 전극에서 아크가 발생되지 않는 전압인 최소 전압을 인가하여야 하며, 이로 인하여 통상적인 플라즈마 발생 강도는 미약하게 된다. 결과적으로, 분진에의 전하의 하전량이 적어지게 되고, 집진 능력이 저하되게 된다.

이러한 직류 고전압 집진기의 단점을 크게 개선하기 위해 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치가 사용되어 왔다. 도 3a는 종래의 펄스 변압기 방식의 마이크로 펄스 하전 집진기 전원 장치의 구성도를 도시한 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치(300)는 집진 전극(EPS; 380)의 예비 충전을 위한 직류 고전압의 바이어스 전압(Bias voltage)을 인가하기 위한 특고압 직류 전원부(360), 특고압 정류 전압의 필터링(Filtering) 및 펄스 출력시 펄스 저지(Pulse blocking)을 위한 특고압 필터 리액터(370)와 집진 전극에 펄스를 발생시키기 위한 저압 펄스 전원부(310), 정류된 전원을 평활시키기 위한 리액터(315), 펄스 출력을 위해 전압을 충전하여 유지하게 하는 펄스 충전 캐패시터(316), 펄스 운전시 공진 회로를 이루게 하는 공진 리액터(320), 저전압 펄스를 특고압 펄스로 승압시키는 펄스 변압기(Pulse Transformer; 340), 펄스 스위칭을 위한 저압 반도체 스위치(330), 집진 전극(380)에 충전되어 있는 바이어스 전압을 유지시키도록(즉, 직류 전압 blocking)하면서 집진기의 집진 전극(등가적인 캐패시턴스 C_ep를 가짐; 380)과 펄스 공진 회로를 구성하게 하는 펄스 공진 캐패시터(350) 등으로 구성된다. 도 3b에 예시된 바와 같이, 도 3a의 특고압 직류 전원부(360)은 직류 전압 가변을 위한 전압 가변부(361), 특고압 승압 변압기(362), 특고압 정류기(363)로 구성된다. 또한 도 3a의 저압 펄스 전원부(310)는 펄스 전압의 크기를 조절할 수 있도록 가변 직류 저전압 전원 장치(도 3b의 311)로 구성될 수 있으며, 이는 매우 단순한 구조이다.

도 4는 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치의 주요 파형을 도시한 도면이다. 도 4에서 구간 I은 펄스 출력을 하지 않을 때의 집진기에 전극에 인가되는 직류 고전압 및 직류 전류를 나타낸다. 집진 전극에 인가하고자 하는 바이어스 직류 전압을 특고압 직류 전원부(360)에 의하여 인가하고 있는 상태에서, 저압 반도체 스위치(330)를 도통(ON) 시키면, C_ps(316)-L_pr(320)-C_pr(350)-C_ep(380)는 공진 회로를 이루며, 도 4의 구간 II와 같이 펄스 전압이 바이어스 직류 전압에 더해지게 된다. 구간 II는 펄스 출력시의 집진기에 인가되는 마이크로 펄스 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 도 4의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 출력 전압 파형에서, 마이크로 펄스 전압은 분진의 하전 작용을 담당하고, 직류 고 전압은 집진 작용을 수행한다.

집진 전극 사이에 일정 전압 이상을 인가하면 프라즈마의 발생이 시작되고, 이 플라즈마 상태를 지나서 시간이 경과함에 따라 아크 상태로 발전하게 된다. 그리고, 인가전압이 클수록 아크 상태까지 발전하는 시간이 줄어든다. 또한, 집진기 플랜트의 조건에 따라 변동하기는 하지만, 인가전압 유지 시간(펄스 전압의 폭)이 짧을수록 아크 상태로 발전시키지 않는 전압의 크기가 커진다. 따라서, 집진 전극에의 인가전압의 펄스폭을 줄일수록 높은 전압을 인가할 수 있고, 그에 따라 보다 강력한 플라즈마 발생이 가능하며, 궁극적으로 분진에의 하전이 더 많이 이루어져 집진 효율이 증대됨을 알 수 있다.

상기의 설명에 따라, 마이크로 펄스 하전 방식 집진기는 펄스 최대 전압을 직류 고전압 집진기의 전압보다 크게 증대시킬 수 있으므로 강력한 플라즈마를 균일하게 발생시킨다. 따라서, 매우 효과적으로 분진에 전하를 하전(Particle charging)시킬 수 있으므로 집진 성능을 최대로 높일 수 있다. 또한, 펄스 주기의 조정에 의해 역 코로나(Back corona)를 억제할 수 있으므로, 역 코로나에 의한 집진된 분진의 재분산을 방지하는 한편, 전극의 소손을 방지할 수 있다. 또한, 마이크로 펄스 하전 방식 집진기는 집진을 위한 직류 바이어스 전압을 낮출 수 있으므로, 전력 소모가 현격히 줄어든다는 큰 장점을 갖는다.

그러나, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식은 집진 효율 개선과 전력 소모 절감이라는 큰 장점을 가짐에도 불구하고, 집진기 전원장치의 구조가 복잡하고 제조원가가 급격히 상승하는 한편, 크기가 크고 무거워서 경제성이 저하된다.

본 발명은 종래의 마이크로 펄스 집진기 전원 장치의 단점인 구조가 복잡하고 제조 원가가 급격히 상승하며, 크기가 크고 무겁다는 단점을 해결하기 위한 것이다. 이를 위해, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식 집진기와 달리, 단일 전원을 갖는 단순한 구조를 가진 마이크로 펄스 하전 방식 집진기를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 전기 집진기의 전원장치는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원과, 상기 평활 캐패시터에 직렬로 결합된 공진 리액터 및 제1스위칭 소자와, 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기를 포함한다. 여기서 상기 평활 캐패시터, 상기 공진 리액터 및 상기 제1스위칭 소자는 상기 변압기의 1차 권선에 직렬로 결합된다. 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자를 더 포함한다. 위와 같은 구성에서, 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가한다.

예컨대, 상기 전원장치는 상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 제1 스위칭 소자를 기 설정된 제1주파수로 ON/OFF하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성할 수 있다. 또한, 상기 전원장치는 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)함으로써 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성할 수 있다.

상기 시스템의 실시예들은 다음의 특징들을 하나 이상 더 포함할 수 있다.

상기 직류 바이어스 전압을 형성하기 위해, 제1스위칭 소자는, 상기 기 설정된 제1주파수마다, 상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진주기(Tr)의 반주기보다 짧은 시간(T_ON) 동안 ON 된다. 상기 제1스위칭 소자를 ON 시키는 타이밍은 상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진주기(Tr)에 연관되어 제어될 수 있다.

상기 펄스 전압을 형성하기 위해, (1) 상기 제2스위칭 소자가 OFF 인 상태에서 상기 제1스위칭 소자를 상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진주기의 반주기(Tr/2)보다 긴 시간 동안 ON 시키고, (2) 상기 OFF 상태인 상기 제2스위칭 소자를 상기 제1스위칭 소자가 ON된 후 상기 공진주기의 반주기가 경과하기 전에 ON 시키고, 상기 제1스위칭 소자가 ON된 후 상기 공진주기보다 긴 시간이 경과한 후 OFF시킨다.

상기 공진 리액터는 가포화 리액터로 구성될 수 있으며, 상기 변압기의 1차 권선 대신에 2차 권선에 결합될 수 있다.

본 실시예의 다른 측면에 의하면, 전기 집진기의 전원장치는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원과, 상기 평활 캐패시터에 직렬로 결합된 공진 리액터 및 스위칭부를 포함한다. 여기서 상기 스위칭부는 서로 병렬 연결된 제1스위칭 소자 및 보조 스위칭 소자를 포함하고, 상기 보조 스위칭 소자에는 보조 리액터가 직렬 연결된다. 상기 전기 집진기의 전원장치는 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기를 포함하며, 상기 평활 캐패시터, 상기 공진 리액터 및 상기 스위칭부가 상기 변압기의 1차 권선에 직렬로 결합된다. 또한, 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자를 포함한다. 위와 같은 구성에서, 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 제1스위칭 소자, 상기 보조 스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가한다.

예컨대, 상기 전원장치는 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 보조 스위칭 소자를 기 설정된 제1주파수로 스위칭하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성할 수 있다. 또한, 상기 전원장치는 상기 보조 스위칭 소자를 OFF시킨 상태에서, 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)하여 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성할 수 있다.

본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기 집진기의 전원장치는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원과, 복수의 탭을 가진 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기와, 상기 평활 캐패시터에 병렬로 결합한 복수의 공진 리액터를 포함한다. 또한, 상기 전기 집진기의 전원장치는 각 공진 리액터에 직렬 연결된 복수의 제1스위칭 소자를 더 포함하며, 여기서 상기 복수의 공진 리액터 및 상기 복수의 제1스위칭 소자는 상기 변압기의 1차 권선의 각 탭에 직렬로 결합된다. 또한, 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자를 더 포함한다. 위와 같은 구성에서, 상기 전기 집진기의 전원장치는 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가한다.

예컨대, 상기 전원장치는 상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 복수의 제1 스위칭 소자 중 어느 하나를 기 설정된 제1주파수로 스위칭하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성할 수 있다. 또한, 상기 전원장치는 상기 복수의 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)하여 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치는 단일 전원을 갖는 단순한 구조를 가진다. 특히, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치가 가지는 성능상의 장점을 동일하게 제공하면서도, 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치와 비교하여 그 구성요소들이 현격히 줄었으며, 그에 따라 제조원가를 크게 낮출 수 있다.

도 1은 종래의 고전압 직류 방식의 전기집진기 전원장치의 기본 구성도를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 장치에서 전극에 인가되는 전압에 따른 플라즈마의 발생 강도와 플라즈마 및 아크 발생 영역을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 펄스 변압기 방식의 마이크로 펄스 하전 집진기 전원 장치의 구성도를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치의 주요 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.
도 6a 및 도 6b은 집진 전극에 직류 바이어스 전압을 인가하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b은 집진 전극에 인가되는 특고압 펄스 전압을 형성하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 집진기가 기동하면서 목표 직류 전압까지 상승된 후, 목표 직류 전압까지 상승시킨 후 유지시키면서 펄스 전압을 중첩시키는 경우의 파형을 도시한 도면이다. 도 8b는 도 8a에서 기동 후의 파형을 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.
도 10은 전류의 크기에 따른 가포화 리액터(920)의 인덕턴스 변화 특성을 도시한 그래프이다.
도 11은 도 9의 전원장치가 직류 바이어스 모드로 동작시 저압 반도체 스위칭 소자(S_LV; 540)에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.
도 13은 도 12의 전원장치가 직류 바이어스 모드로 동작시 직류 저압 반도체 스위칭 소자에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명의 설명에 있어서, 전압의 상승이라 함은 부(-)의 전압으로 크기가 커짐을 의미하며, 설명의 편의를 위하여 부(-)라 지칭하지 않고 전압의 크기만으로 설명하였다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치는 단일 전원을 갖는 단순한 구조를 가진다. 즉, 이하에서 설명할 본 발명에 따른 실시예들은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 종래의 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원장치(300)에서 제조 원가를 크게 높이는 요소들인, 특고압 펄스 공진 캐패시터(350), 펄스 출력시 펄스 저지(Pulse blocking)을 위한 특고압 펄스 저지 리액터(370), 직류 전압 가변을 위한 가변 직류 전압원(361), 특고압 승압 변압기(362) 및 특고압 정류기(363)를 필요로 하지 않는다. 다시 말해, 본 발명의 실시예들은 마이크로 펄스 하전 방식의 성능 및 장점을 모두 가지면서도, 제조원가, 크기 및 무게를 현격하게 줄일 수 있다.

1. 제1실시예

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 집진기 전원장치(500)는 전압 가변을 위한 가변 직류 전압원(V_s; 510), 평활 리액터(L_ps; 515), 평활 캐패시터(C_ps; 516), 저압 공진 리액터(L_pr; 520), 특고압 승압 펄스 변압기(T_PT; 530), 저압 반도체 스위치(S_LV; 540), 집진 전극(ESP, 등가 캐패시턴스 C_ep; 560) 및 반도체 스위치가 직렬로 구성되어 있는 특고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 포함한다. 여기서, 반도체 스위치를 보호하기 위한 구체적인 스너버 회로 등은 생략하였다.

이하에서는 도 6a 내지 도 8을 참조하여, 상기 집진기 전원장치(500)의 동작 원리를 설명한다. 상기 집진기 전원장치(500)의 동작 원리를 이해하기 위하여, 집진기의 집진 전극(560)은 '전기적으로 등가의 캐패시터(C_ep)에 등가 저항(R_ep)이 병렬 연결된 회로'로 동작함을 유의하여야 한다.

먼저, 도 6a 및 도 6b를 참조하여, 집진 전극에 직류 바이어스 전압을 인가하는 원리를 설명하기로 한다. 도 6a는 도 5의 전원장치가 직류 바이어스 모드로 동작시 집진 전극에 인가되는 전압 및 집진 전극에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이고, 도 6b는 저압 반도체 스위치를 듀티(Duty)를 증가시킴에 따라 집진 전극에 인가되는 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

집진 작용을 하는 직류 바이어스 전압은 고압 반도체 스위치(

; 550)를 OFF한 상태에서 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)를 스위칭함으로써 형성되며, 특히 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)의 ON 구간과 OFF 구간을 조정함으로써(즉, Duty를 조정함으로써) 상기 직류 바이어스 전압의 레벨을 가변할 수 있다. 다시 말해, 집진 전극(560)에 직류 바이어스 전압을 인가하기 위해, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)는 단속적으로 동작, 예컨대 시간 T_ON 동안은 ON 되는 반면, 이어지는 시간 T_OFF 동안은 OFF 된다. 이러한 ON-OFF 패턴은 주기적으로 반복된다. 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)의 스위칭 간격은 C_ps - L_pr - C_ep에 의해 규정되는 직렬 공진회로의 동작 주파수에 매칭되는 것이 바람직하다. 여기서, 각 반도체 스위치(S_LV, S_HV; 540, 550)에 병렬로 연결되어 있는 다이오드는 인위적으로 ON/OFF를 할 수 없으며, 각 다이오드에 인가되는 전압이 순방향이면 ON 되고, 역방향이면 OFF 되는 것은 자명하다. 따라서, 저압 캐패시터(C_ps; 516)의 전압은 가변 직류 전압원(510)에 의해 V_s로 충전되어 있다고 가정하면, 집진 전극(560)에 인가되는 직류 바이어스 전압은 수학식 1로 결정된다.

여기서, Vs는 가변 직류 전압원(510), V_{ep _dc}는 집진 전극(560)에 인가되는 직류 전압이며, T_ON은 저압 반도체 스위치(540)의 ON 시간, T_OFF는 저압 반도체 스위치(540)의 OFF 시간, T는 스위칭 주기(즉, T_ON + T_OFF)를 나타내며, N_p는 펄스 변압기(530)의 권수비이며, R_L은 집진 전극(560)의 등가 저항이다.

도 6a는 "고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 OFF시킨 상태에서, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)를 시간 T_ON 동안은 ON 시키고 T_OFF 동안은 OFF 시키는 패턴으로 주기적으로 동작시키는 경우"에 집진 전극(560)에 인가되는 직류 바이어스 전압(V_{ep _dc})과 집진 전극의 전류(I_ep)의 파형이 도시되어 있다. 시간 T_ON 동안에, 전력은 펄스 변압기(530)에서 고전압으로 변압되고, 집진 전극(560)을 충전시키며, 따라서 집진 전극(560)의 전압을 상승시킨다. 시간 T_OFF 동안에, 집진 전극(560)의 전압은 감쇠하는데, 이는 집진 전극(560) 상의 전하는 이온화된 입자들(즉, 분진들)의 이동에 의해 집진 전극(560) 내에서 방전되기 때문이다.

도 6b는 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)를 Duty 0부터 증가시킴에 따라 집진 전극(560)에 인가되는 전압(V_{ep _DC})의 변화를 도시하고 있다. 즉, 집진 전극(560)에 인가되는 전압(V_{ep _DC})은 저압 스위치(S_LV; 540)의 듀티(Duty)의 제곱에 비례함을 알 수 있다.

도 7a 및 도 7b은 집진 전극에 인가되는 특고압 펄스 전압을 형성하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 7a는 집진 전극(560)에 특고압 펄스 전압을 인가하기 위한 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)와 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)의 구간별 동작표를 도시한 도면이다. 여기서, 각 반도체 스위치(S_LV, S_HV; 540, 550)에 병렬로 연결되어 있는 다이오드(D_LV, D_HV)는 각 다이오드에 인가되는 전압이 순방향이면 ON 되고, 역방향이면 OFF 된다. 도 7b는 집진 전극(560)으로 흐르는 공진 한 주기의 펄스 전류 및 집진 전극(560)에 인가되는 공진 한주기의 펄스 전압 파형이다.

집진 전극(560)에 특고압 펄스 전압을 인가하기 위해서는 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)와 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 도 7a와 같이 동작한다. 먼저, 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)이 OFF되어 있는 상태에서, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)를 ON 시키고, 공진 리액터(520)와 집진 전극(560)의 등가 캐패시터(C_ep)와의 공진 반주기 (Tr/2) 이상 ON을 유지시킨 이후에 OFF 시키고, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)가 ON된 후 상기 공진주기의 반주기가 경과하기 전에 OFF 상태인 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 ON 시키고, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)가 ON 된 후 상기 공진주기(T_{r )} 보다 긴 시간이 경과한 후에 ON 상태인 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 OFF시키면, 도 7b에 도시되는 바와 같이, 집진 전극(560)으로는 공진 한주기의 펄스 전류가 +/- 한 사이클(Cycle) 흐르고, 집진 전극(560)에는 공진 한주기의 펄스 전압이 인가된다. 공진 반주기(T_r/2), 펄스 전류의 크기(I_{ep _pk}) 및 집진 전극(560)에 인가되는 펄스 전압의 최대치(V_{ep_pk})은 각각 수학식 2, 수학식 3 및 수학식 4로 표시된다.

여기서 L_pr은 공진 리액터(520)의 공진 리액턴스이고, C_ep는 집진 전극(560)의 등가 캐패시턴스(Capacitance)이며,

로 가정한다.

도 8a는 집진기를 기동함에 따라, 집진 전극(560)에 0 전압으로부터 시작하여 전압을 상승시키고, 목표 직류 전압까지 상승시킨 후 유지시키면서, 펄스 전압을 중첩시키는 경우의 파형을 도시한 도면이다. 고압 반도체 스위치(S_HV; 550)를 OFF시킨 상태에서, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)를 스위칭 주파수 f_dc로 하여 0 duty로부터 점차 증대시키면서 스위칭을 시키면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 집진 전극(560)에 인가되는 전압은 0 전압으로부터 점차 상승하게 된다. 집진 전극(560)에 인가되는 전압을 목표 바이어스 전압 V_dc(도 8a,도 8b에서는 약 -35kV)까지 상승시킨 후 스위칭 주파수 f_p로 도 7a에서 예시된 방식대로 펄스 운전시키면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 목표 바이어스 전압 V_dc에 펄스 전압이 중첩하게 된다.

도 8b는 도 8a에서 기동 후의 파형을 확대한 도면으로서, 바이어스 직류 전압을 유지하기 위한 직류 운전 모드와 바이어스 직류 전압에 펄스를 중첩시키기 위한 펄스 운전 모드와의 관계를 상세히 도시하고 있다.

본 실시예에서, 직류 운전 모드에서 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)의 On 구간은 매우 짧으면서도 전류 상승률은 매우 크기 때문에, OFF시는 큰 전류를 강제 스위치 OFF(Hard Switching)을 하게 되어 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)에 무리(Stress)가 줄 수 있다. 반면, 펄스 운전 모드에서 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)에 흐르는 전류는 DC 모드에서 보다 훨씬 크기는 하나, 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off switching)을 하므로, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)의 무리는 오히려 감소하게 된다.

제2실시예

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다. 도 9의 (a)에 도시된 실시예에서는, 상기 직류 바이어스 운전 모드에서의 저압 반도체 스위치의 무리(stress)를 줄이기 위하여, 도 5의 집진기 전원장치에서 공진 리액터를 가포화 리액터(Saturable Reactor, L_{pr _sat}; 920)로 구성하였다.

도 10은 전류의 크기에 따른 가포화 리액터(920)의 인덕턴스 변화 특성을 도시한 그래프이다. 가포화 리액터(920)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 설계에 의하여 미리 결정되는 일정 전류(즉, 포화전류) 이하에서는 큰 인덕턴스를 가지나, 일정 전류(포화전류) 이상 증대하면 리액터(920)의 코어가 포화되면서 인덕턴스가 크게 감소하는 특성을 띤다.

도 11은 도 9의 전원장치가 직류 바이어스 모드로 동작시 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이다. 가포화 리액터(920)의 특성으로 인하여, 도 11에 도시된 바와 같이, DC 바이어스 운전 모드에서의 전류가 서서히 상승하게 되며, 그에 따라 저압 반도체 스위치(S_LV; 540) Off시의 전류가 크게 낮아진다. 결과적으로, 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)의 무리(Stress)를 완화하고, 신뢰도를 증대시킬 수 있는 동시에, 스위칭 손실도 줄일 수 있다. 여기서, 가포화 리액터(920)의 자기 포화시 인덕턴스 값은 수학식 2 및 수학식 3의 공진 조건에 맞추어 설계하며, 비 포화시의 인덕턴스 값은 포화시 인덕턴스의 수 배 내지 수십 배 내에서 결정하며, 포화 전류는 최대 펄스 전류의 최대치(Peak 전류)의 40%이하에서 결정하는 것이 바람직하다.

제3실시예

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다. 본 실시예에 따른 집진기 전원 장치(1200)는 펄스 전압을 생성시키기 위한 저압 반도체 스위치와 직류 바이어스 전압을 제어하기 위한 저압 반도체 스위치가 별도로 구성되어 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)가 펄스 저압 반도체 스위치(S_{LV _a}; 1240)와 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)로 대체되었다. 또한, 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)에는 공진 리액턴스 값의 수 배에서 수십 배의 보조 리액터(L_pa; 1246)를 직렬로 결합되어 있다. 따라서, 펄스 저압 반도체 스위치(S_{LV _a}; 1240)는 도 5의 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)가 펄스 운전 모드에서 운용되는 것과 동일하게 운용되며, 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)는 도 5의 저압 반도체 스위치(S_LV; 540)가 직류 바이어스 모드에서의 운용되는 것과 동일하게 운용된다.

이와 같은 구성에 따르면, 매우 큰 펄스 전류를 감당해야하는 펄스 저압 반도체 스위치(S_{LV _a}; 1240)의 선정에 자유도가 높아진다. 즉, 펄스 전류는 항상 한 사이클(즉, "영(0)전류 → (+) 전류 크기 증대 → (+) 전류 감소 → 영(0)전류 → (-) 전류 크기 증대 → (-) 전류 크기 감소 → 영(0) 전류")를 형성하므로, 펄스 저압 반도체 스위치(S_{LV _a}; 1240)는 강제 OFF 능력을 가질 필요가 없으며, 결과적으로, 고속 사이리스터(Thyristor)와 같은 저가이면서도 펄스 운전 능력이 좋은 반도체 스위치를 사용할 수 있다.

도 13은 도 12의 전원장치가 직류 바이어스 모드로 동작시 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이다. 직류 바이어스 전압을 제어하기 위한 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)에는 공진 리액턴스 값의 수 배에서 수십 배의 보조 리액터(L_pa; 1246)를 직렬로 결합되어 있으므로, 도 13에 도시된 바와 같이, 직류 바이어스 모드에서 전류는 서서히 상승하며, 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245) OFF시의 전류도 크게 낮아진다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 직류 저압 반도체 스위치(S_{LV _b}; 1245)의 무리(Stress)를 완화시켜서, 신뢰도를 증대시킬 수 있는 동시에, 스위칭 손실도 줄일 수 있다. 이는 과포화 리액터를 채용한 제2실시예의 설명(특히, 도 11)과 유사하다.

제4실시예

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펄스 하전 방식의 집진기 전원 장치의 구성도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 저압 반도체 스위치(S_LV)의 강제 OFF시의 전류 부담을 줄이고자, 도 5의 1차측 공진회로부(L_pr-T_PT-S_LV)를 병렬로 연결된 복수의 공진회로부로 변경하였다. 이를 위해, 1차측에 복수의 탭을 가진 펄스변압기(1430)를 채용하였다. 여기서, 각 공진 리액터(1420_1~1420~N)의 값은 단일 회로로 하였을 때에 비해 N(병렬회로 수)배 만큼 크다. 다시 말해, 도 5의 공진 리액터(520)에 비해 도 14의 공진 리액터(1420_1 ~ 1420_N)는 각각 N배의 리액턴스를 갖는다.

위와 같은 구성에 따르면, 매우 큰 펄스 전류를 다수의 반도체 스위치(S_{LV -1}~S_{LV_N}; 1440_1~1440_N)로 분산하여 흐르게 하는 한편, 집진기의 전극(560)에 인가되는 바이어스 직류 전압을 얻기 위해서는 N개의 병렬회로 중 어느 하나의 회로를 도 6a 및 도 6b의 설명과 같이 동작시킨다. 이 경우, 1개 회로의 공진 인덕턴스는 N배가 되므로, 저압 반도체 스위치의 강제 OFF시의 전류를 1/N으로 줄일 수 있고, 따라서 반도체 스위치의 스트레스와 스위칭 손실을 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예들을 효과적으로 운전하기 위해서는, 펄스 전압 크기(V_p)와 바이어스 직류 전압 크기(V_dc)와 가변 직류 전압원의 크기(V_s)와의 관계를 고려하여 제어하는 것이 중요하다.

수학식 5에서 보이는 바와 같이, 변압기의 권선비(N_p)는 고정되기 때문에 집진 전극의 펄스 전압의 최대치(V_{ep _pk})는 가변 직류 전압원 크기(V_s)에 직접적으로 비례하며, 다른 제어 변수를 갖지 못한다. 한편, 바이어스 직류 전압의 크기(V_{ep _dc})는 Duty(T_on/T)에 의하여 결정할 수 있다. 따라서, 수학식 5에 따라 집진 전극에 인가하고자 하는 펄스 전압을 결정하고 그에 따라 가변 직류 전압원을 제어한 후, 수학식 6에 따라 집진 전극에 인가하고자 하는 바이어스 직류 전압을 얻기 위한 Duty(T_on/T)를 갖도록 저 전압 반도체 스위치를 동작시키는 것이 바람직하다. 상기 수학식 6은 본 발명의 실시예에 따라 변동될 수 있음은 자명하다. 예컨대, 공진 리액터로서의 가포화 리액터를 사용하는 경우에는 바이어스 직류 전압(V_{ep _dc})은 수학식 6과 일치하지는 않지만, 여전히 가변 직류 전압원(V_s)의 크기와 Duty(T_on/T)에 비례하여 증가하는 경향을 갖는다.

이상의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 예를 들어, 공진 리액터를 펄스 변압기 2차 측에 놓이게 하는 등 구성 요소의 위치를 변경하거나, 구성 요소들의 직렬이나 병렬을 갖게 하는 등, 본 발명의 틀 안에서 다양한 실시 예를 구상할 수 있다. 따라서, 상술한 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

500: 집진기 전원장치
510: 가변 직류 전압원(V_s) 515: 평활 리액터(L_ps)
516: 평활 캐패시터(C_ps) 520: 저압 공진 리액터(L_pr)
530: 특고압 승압 펄스 변압기(T_PT) 540: 저압 반도체 스위치(S_LV)
550: 특고압 반도체 스위치(S_HV) 560: 집진 전극(ESP)
920: 가포화 리액터(L_{pr _sat}) 1240: 펄스 저압 반도체 스위치
1245: 직류 저압 반도체 스위치 1420_1~1420_N: 공진 리액터
1430: 변압기 1440_1~1440_N: 제1스위칭 소자

Claims (15)

1. 전기 집진기의 전원장치에 있어서,
   AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원;
   상기 평활 캐패시터에 직렬로 결합된 공진 리액터 및 제1스위칭 소자;
   1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기, 여기서 상기 평활 캐패시터, 상기 공진 리액터 및 상기 제1스위칭 소자가 상기 변압기의 1차 권선에 직렬로 결합됨; 및
   상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자
   를 포함하고, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가하도록 구성된, 전기 집진기의 전원장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 제1 스위칭 소자를 기 설정된 제1주파수로 ON/OFF하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1스위칭 소자를, 상기 기 설정된 제1주파수마다, 상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진주기(Tr)의 반주기보다 짧은 시간(T_ON) 동안 ON 시키는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1스위치를 ON 시키는 타이밍은,
   상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진 펄스 주기에 연관된 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1스위칭 소자의 듀티(Duty)를 조절하여 상기 직류 바이어스 전압의 레벨을 조절가능한 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)하여 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2스위칭 소자가 OFF 인 상태에서 상기 제1스위칭 소자를 상기 집진 전극과 상기 공진 리액터 간의 형성되는 공진주기의 반주기(Tr/2)보다 긴 시간 동안 ON 시키고,
   상기 OFF 상태인 상기 제2스위칭 소자를 상기 제1스위칭 소자가 ON된 후 상기 공진주기의 반주기가 경과하기 전에 ON 시키고, 상기 제1스위칭 소자가 ON된 후 상기 공진주기보다 긴 시간이 경과한 후 OFF시키는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 공진 리액터는 가포화 리액터로 구성된 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 공진 리액터는,
   상기 변압기의 1차 권선 대신에 2차 권선에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
10. 전기 집진기의 전원장치에 있어서,
    AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원;
    상기 평활 캐패시터에 직렬로 결합된 공진 리액터 및 스위칭부, 여기서 상기 스위칭부는 서로 병렬 연결된 제1스위칭 소자 및 보조 스위칭 소자를 포함하고, 상기 보조 스위칭 소자에는 보조 리액터가 직렬 연결됨;
    1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기;
    상기 평활 캐패시터, 상기 공진 리액터 및 상기 스위칭부가 상기 변압기의 1차 권선에 직렬로 결합됨; 및
    상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자
    를 포함하고, 상기 제1스위칭 소자, 상기 보조 스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가하도록 구성된, 전기 집진기의 전원장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 보조 스위칭 소자를 기 설정된 제1주파수로 스위칭하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 보조 스위칭 소자를 OFF시킨 상태에서,
    상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)하여 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
13. 전기 집진기의 전원장치에 있어서,
    AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 컨버터 회로, 평활 리액터 및 평활 캐패시터로 구성된 가변 직류 공급원;
    복수의 탭을 가진 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 변압기;
    상기 평활 캐패시터에 병렬로 결합한 복수의 공진 리액터;
    각 공진 리액터에 직렬 연결된 복수의 제1스위칭 소자, 여기서 상기 복수의 공진 리액터 및 상기 복수의 제1스위칭 소자는 상기 변압기의 1차 권선의 각 탭에 직렬로 결합됨; 및
    상기 전기 집진기의 집진 전극과 함께 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 결합된 제2스위칭 소자
    를 포함하고, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자의 스위칭을 통해 상기 집진 전극에 조절 가능한 직류 바이어스 전압에 조절 가능한 펄스 전압을 중첩하여 인가하도록 구성된, 전기 집진기의 전원장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제2스위칭 소자를 OFF 시킨 상태에서, 상기 복수의 제1 스위칭 소자 중 어느 하나를 기 설정된 제1주파수로 스위칭하여 상기 집진 전극에 인가되는 상기 직류 바이어스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 영전류 스위칭(Zero Current Turn-off Switching)하여 상기 집진 전극에 인가되는 펄스 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 집진기의 전원장치.

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