KR20170061698A

KR20170061698A - 전기 아크 가스 히터용 전원

Info

Publication number: KR20170061698A
Application number: KR1020177011361A
Authority: KR
Inventors: 존 오스터메이어; 예로엔 헤울렌스
Original assignee: 우미코르
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-06-05
Also published as: CN107006087B; US10856373B2; AU2015327076A1; PL3202234T3; DK3202234T3; CA2961130A1; JP6879906B2; ES2683547T3; EP3202234B1; KR102329563B1; CA2961130C; AU2015327076B2; WO2016050627A1; HRP20181304T1; PT3202234T; EP3202234A1; US20210051775A1; CN107006087A; JP2017530683A; US20180235037A1

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치와 같은 전기 아크 가스 히터에 적절한 전원에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 토치에 전력을 공급하는 데 사용되는 스위치식 모드 DC 대 DC 컨버터에 있는 인덕터의 크기를 정하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 특히 비전달형 전기 아크 가스 히터를 구동하는 DC 전원으로서, 전위(U₀)를 제공하는 AC 대 DC 정류기; 스위칭 주파수(f_s)를 갖는 DC 대 DC 스위칭 컨버터; 대기 시간 공식(I)을 갖는 전류 제어 루프; 및 인덕턴스(L)를 갖는 밸러스트 인덕터를 포함하는 DC 전원으로서, 인덕턴스(L)는 공식 (II) 및 공식 (III)를 충족하는 것을 특징으로 하는 DC 전원에 관한 것이다. 그러한 디자인은, 토치의 전극 상의 침식 구역을 확산하기 위해 충분한 양의 전류 리플을 보장하면서, 전류 제어 루프의 안정성을 보장한다.

Description

전기 아크 가스 히터용 전원{POWER SUPPLY FOR ELECTRIC ARC GAS HEATER}

본 발명은 플라즈마 토치와 같은 전기 아크 가스 히터에 적합한 DC 전원에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로는 토치에 전력을 공급하는 데 사용되는 스위치식 모드 DC 대 DC 컨버터에서 인덕터의 치수를 정하는 것에 관한 것이다.

전기 아크 가스 히터는 사실상 임의의 타입의 가스를 극한의 온도로 가열하는 강력한 툴이다. 요즘에는 그러한 디바이스에 대해 이용 가능한 여러 설명, 예컨대 E. Pfender 저, 가스 일렉트로닉스 5장, "전기 아크 및 전기 아크 가스 히터(Electric Arcs and Arc Gas Heaters)"가 있다. 다양한 산업 용례에서, 플라즈마 상태로 가열되는 가스의 고준위가 인식된다. 예로는, 분말 분사 및 코팅, 나노 크기 분말 제조, 추출 야금(extractive metallurgy), 항공 우주 공학 등이 있다.

플라즈마 토치로도 또한 알려진 전기 아크 가스 히터에서, 가스는 입력 포트를 통해 통과 챔버로 진입하며, 상기 통과 챔버에서 전기 아크가 유지된다. 가스는 극한의 온도로 가열되고, 유출 포트를 통해 플라즈마로서 방출된다.

아크는 애노드 및 캐소드 - 양자 모두 가스 통과 챔버 내에 위치함 - 에 접속된 전원에 의해 생성되고 유지된다. 아크는 챔버 내에 구속된 상태로 유지되고, 이에 따라 비전달형이라고 한다. 상기한 아크 가스 히터의 예가 미국 특허 제4,543,470호에 제시되어 있다.

고출력 작동을 달성하는 것은 높은 아크 전압 및 전류의 조합을 뜻한다. 고전압 작동은 아크를 연장하는 것에 의해 달성될 수 있다. 보다 긴 아크는, 아크를 전극들 사이의 와류 완정화 및 전기 절연 구역을 통과하도록 강제함으로써 얻을 수 있다. 이러한 타입의 가스 히터는 "세그먼트식" 또는 "압박식"이라고 한다. 현재의 관행에 따르면, 최대 허용 전류는 전극 부식이 과도해질 수 있기 때문에 제한된다.

비전달형 아크는 대개 직류(DC)로 공급된다; 사실상 교류(AC)를 실제로 사용하면, AC 사이클의 각각의 제로-크로싱(zero-crossing)에서 아크가 반복적으로 중단되기 때문에 덜 안정한 작동으로 이어진다.

전기 아크는, 아크 전압은 감소하고 아크 전류는 증가하는 고유한 U-I(전압-전류) 특징을 갖는다. 이것은 DC 전원에 대한 규제 문제를 야기하는 음의 미분 저항에 해당한다. 상기한 문제는 P. Mogensen 및 J. Thornblom 저, 야금 가공의 플라즈마 기술, 챕터 6, "플라즈마 생성과 제어의 전기적 및 기계적 기술(Electrical And Mechanical Technology of Plasma Generation and Control)"에 잘 설명되어 있다.

DC 전압 소스와 직렬로 연결된 밸러스트 저항(ballast resistor)은 이론적으로 아크의 작동점을 안정화시키는 데 사용될 수 있지만, 저항에서의 옴 손실은 과도할 것이다.

이 문제에 대한 제1 해결책은 토치와 직렬로 연결된 밸러스트 인덕터와 실리콘-제어 정류기(ilicon-controlled rectifier)를 조합하는 것이었다. 인덕터의 역할을 연속적인 레귤레이터 작용들 사이에 부하에 대한 전류를 안정화시키는 것이다. 정류기는 부하 전반에 걸쳐 일정한 전류를 유지하도록 제어된다. 그러나, 스위칭 주파수가 주(主) 주파수의 작은 배수(전형적으로 6 또는 12)이고, 이에 따라 수백 Hz로 제한되므로, 전자 규정의 호출이 중요하다. 결과적으로, 큰 인덕턴스가 필요하다.

2008년 IEEE, 파워 일렉트로닉스 전문가 컨퍼런스, Y. Suh 저, "플라즈마 토치를 위한 중간 전압 출력 변환 시스템에 대한 연구(A study on medium voltage power conversion system for plasma torch)"에서는 상기한 원리에 따른 플라즈마 토치 작동을 위한 멀티 메가와트 DC 전원을 설계하려는 이론적인 시도가 이루어진다. 여기에서는, 인덕터의 크기는 정류 유닛의 스위칭 주파수에 반비례함이 이해된다.

보다 최근의 접근법은 DC 대 DC 스위칭 컨버터가 뒤따르는 정류 유닛을 포함하는 종래 기술의 DC 전원을 사용하는 것이다. 상기한 스위처는 메가와트 범위의 고출력을 위해 설계된 경우라도 2 Hz와 같은 비교적 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다. DC-DC 컨버터는 일정한 전류 공급부로서 거동하도록 조정된다. 이러한 목적으로, 펄스폭 변조 초퍼(chopper)가 사용되며, 펄스폭은 순간적인 토치 전류를 셋포인트값과 비교하는 피드백 컨트롤러에 의해 연속적으로 맞춰진다. DC 대 DC 컨버터는 또한 초퍼 펄스와 그리드 사이의 격리를 제공하여, 실리콘 제어 정류기에서 통상적인 대부분의 역률(power factor)과 그리드 오염을 해결한다.

이러한 타입의 구현이, 예컨대 미국 특허 제5,349,605호에 예시되어 있다.

인덕터의 역할은 토치의 안정한 작동을 보장하는 데 있어서 가장 중요하다. 상기의 P. Mogensen 및 J. Thornblom 저, 야금 가공의 플라즈마 기술, 챕터 6, "플라즈마 생성과 제어의 전기적 및 기계적 기술"에 설명된 바와 같이, 출력 인덕턴스의 크기는 세가지 주요 인자; 즉 (1) 전류 아크의 점화 후에 전류 증가율을 제어 루프가 취급할 수 있을 정도로 제한하는 것, (2) 전원 내의 스위칭 디바이스에 의해 생성되는 전류 리플을 감소시키는 원활한 작용을 제공하는 것, 및 (2) 플라즈마 토치를 시동할 때에 비단속적인 전류를 제공하는 것에 의해 결정된다.

밸러스트 인덕터의 크기가, 특정 전원 토폴로지(topology)가 플라즈마 토치에서의 전기 아크를 안정화할 수 있는지 여부를 결정하지만, 종래 기술에서는 특정 설비에 적절한 인덕턴스를 얻는 데 이용 가능한 기준이 없다. 사실상, "충분히 큰" 인덕터가 교시되는데, 이것은 관행상 이들 인턱터가 일반적으로 과설계된다는 것을 의미한다. 그러나, 플라즈마 발생기가 수천 암페어로 작동될 수 있기 때문에, 그러한 인덕터는 멀티 메가와트 DC 전원의 투자액의 상당 부분을 차지한다. 사실상, 인덕터의 비용은 인덕턴스와 최대 전류에 의해 조정된다.

본 발명에 따르면, 인덕턴스는 바람직하게는 소정 범위 내에서 선택되어야만 한다. 전류 피드백 루프의 안정성 기준을 이행하기 위해 하한이 필요하다. 소정의 최소 전류 리플에 대한 필요성에 의해 상한이 결정된다. 이 리플은 아크의 길이를 주기적으로 약간 변경하는 경향이 있고, 이에 따라 전극 상의 침식 구역을 확장시키기 때문에 요망된다. 이러한 마모의 확산은 보다 높은 전류 작동을 허용한다.

종래의 DC-DC PSU 설계 규칙과는 대조적으로, 최소 인덕턴스가 필요하며, 이 경우에는 최소 전류와 전원을 연속 모드로 유지하고자 하는 요구에 의해 결정되지 않는다. 산업용 토치는 사실상 비교적 높은 전류의 제한된 범위 내에서만 작동하는 것으로 의도된다.

본 발명은 특히, 비전달형 전기 아크 가스 히터를 구동하는 DC 전원으로서, 전위 U₀를 제공하는 AC 대 DC 정류기; 스위칭 주파수(f_s)를 갖는 DC 대 DC 스위칭 컨버터; 대기 시간(τ)을 갖는 전류 제어 루프; 및 인덕턴스(L)를 갖는 밸러스트 인덕터를 포함하는 DC 전원에 있어서, 인덕턴스(L)는

및

인 것을 특징으로 하는 DC 전원에 관한 것이다.

다른 실시예에서, 본 발명은, 비전달형 전기 아크 가스 히터의 작동 방법에 있어서, 전기 아크 가스 히터에는 500 A RMS가 넘는 전류가 공급되고, 전류는 DC 성분과 AC 성분을 포함하며, AC 성분은 크기가 50 A 내지 DC 성분의 20 %, 바람직하게는 50 A 내지 DC 성분의 10 %로 치솟는 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 비전달형 전기 아크 가스 히터의 작동 방법에 관한 것이다.

DC 대 DC 컨버터는 바람직하게는 벅 컨버터(buck converter)이다.

산업 용례에 대하여, AC 대 DC 정류기에 의해 전달되는 전위(U₀)는 바람직하게는 3000 V를 넘어야만 하고, 부하에 전달되는 출력은 1 내지 10 MW이어야만 한다. 그러한 전원은 특히 중공 전극을 지닌 비전달형 세그먼트식 플라즈마 토치에 전력을 공급하도록 되어 있다.

U₀는 AC 대 DC 정류기의 로딩(loading)된 출력 전압(볼트 단위)을 의미한다. 이러한 전압은 전기 아크를 모든 조건에서 유지하기 위해 충분한 전원을 제공할 만큼 충분히 높아야만 하며, 또한 밸러스트 인덕터의 최소 요구 크기를 증가시킨다.

스위칭 주파수(f_s)는 부하로의 전류를 조절하는 데 사용되는 펄스 폭 변조 초퍼의 주파수(헤르쯔 단위)를 의미한다.

제어 루프의 대기 시간(τ)은 전류 샘플링과 후속하는 제어 작용 사이의 시간 간격(초 단위)을 의미한다. 디지털 조정기의 경우, 대기 시간은 전류 샘플링 및 평균화, A/D 변환 시간, 및 제어 루프 계산을 포함한다. 대기 시간은 DC 대 DC 변환 유닛의 일부인 펄스 폭 변조기에 의해 부여되는 지연을 포함한다. 일반적으로, 짧은 대기 시간이 유익하며, 보다 작은 밸러스트 인덕턴스의 사용을 허용한다.

본 발명자들은, 고출력 비전달형 비세그먼트식 전기 아크 가스 히터에 있어서, 밸러스트 인덕터가

보다 큰 인덕턴스(L)(헨리 단위)를 가져야만 한다는 것을 발견하였다.

플라즈마 토치 내부의 전기 아크는 약 10 내지 100 μs의 시간대에서 매우 불안정하다. 이러한 시간대 내에서, 전기 아크 루트는 확률적으로 전극 표면 상에서 이동할 수 있다. 변하는 전류는 루트의 방랑을 더욱 증대시킬 것이고, 이에 따라 전극 소모를 확산시키고, 전극 수명을 증가시킬 것이다. 본 발명에 따르면, 이러한 효과를 증대시키기 위해 초퍼에서 생성되는 전류 리플을 사용한다.

DC 대 DC 스위칭 컨버터에서, 리플은, 초퍼의 듀티 사이클이 50 %에 달할 때에 최대이다. 그 특정 경우에, 리플은

로서 표현될 수 있다. 부차적인 효과를 무시하면, 리플은 D(D-1)로서 변하고, D는 초퍼 펄스의 듀티 사이클이다.

종래의 적절히 필터링된 DC를 사용하여, 본 발명자들은 500 A가 넘는 평균 전류에서 산업적 용도에 있어서 전극 소모가 너무 높아진다는 것을 알게 되었다. 다른 한편, 전극 부식은 놀랍게도, 전류 리플 피크에 대해 적어도 50 A 피크가 중첩되는 경우에 적절히 확산된다. 이것은, 조기 전극 부식을 피하면서 500 내지 2000 A의 평균 전류를 달성하는 것을 가능하게 한다. 이것은, 낮은 리플로 완벽한 일정한 전류 출력을 전달하도록 설계된 전통적인 전원과 대조된다. 전형적인 듀티 사이클이 50 %라고 가정하면, 밸러스트 인덕터에 대한 제약과 적어도 50 A의 리플 전류는

로서 결정될 수 있다. 이러한 방정식은 실제로 20 내지 80 %의 듀티 사이클에 대해, 즉 산업용 고출력 플라즈마를 위한 실용적인 작동 조건 범위에 걸쳐 유효하다.

도 1은 본 발명을 예시한다.

도 1은 본 발명을 예시한다. 도 1에는,

(1) U₀의 DC 전압을 생성하는AC 대 DC 정류기;

(2) 주파수 f_s에서 작동하는 펄스 폭 변조 초퍼;

(3) 인덕턴스(L)를 갖는 밸러스트 인덕터;

(4) 벅 컨버터 토폴로지의 일부인 플라이 백 다이오드(fly-back diode);

(5) 순간 토치 전류를 보고하는 센서;

(6) 소망하는 토치 전류 또는 셋포인트값;

(7) 순간 토치 전류를 셋포인트값과 비교하는 전류 조정기;

(8) 조정기의 출력에 기초하여 펄스 폭 변조를 구동하는 유닛; 및

(9) 플라즈마 토치

가 도시되어 있다.

아래의 예는 본 발명에 따른 장치를 예시한다. 4 MW 전원은 3000 V(U₀)의 공칭 부하 하에서 전압을 전달하는 정류 유닛과, 2 kHz(f_s)로 작동하는 IGBT 스위칭 디바이스가 장착된 초퍼 유닛을 포함한다.

밸러스트 인덕터는 공칭 출력 정격이 2.5 MW인 전기 아크 히터와 직렬로 배치된다. 부하에 대한 전류는 홀 프로브를 사용하여 측정되고, 값은 PID 조정기에 제공된다. 1000 A의 전류 셋포인트가 선택되고, 이러한 특정 토치에서 상기 전류 셋포인트는 약 1450 V의 전위에 대응한다. 초퍼의 듀티 사이클(D)은 이에 따라 약 48 %이다.

디지털 PID 조정기는 1 ms의 지연을 발생시키고, 초퍼는 0.5 ms의 다른 평균 지연을 추가한다. 이에 따라, 1.5 ms(τ)의 제어 루프 대기 시간이 고려된다. 본 발명에 따르면, 제어 루프의 안정성을 보장하기 위해서는 3 mH의 최소 인덕턴스가 필요하다.

최대 인덕턴스는 본 발명에 따르면 7.5 mH로 산출된다. 이것은 사실상 50 A의 피크 전류 리플에 대한 소망하는 피크를 보장한다.

전극 수명과 전원 견고성을 최대화하기 위해, 이러한 특정 설비에 대해서 4 mH의 값이 선택된다.

Claims

비전달형 전기 아크 가스 히터를 구동하는 DC 전원으로서,
- 전위(U₀)를 제공하는 AC 대 DC 정류기;
- 스위칭 주파수(f_s)를 갖는 DC 대 DC 스위칭 컨버터;
- 전류 제어 루프 대기 시간(τ); 및
- 인덕턴스(L)를 갖는 밸러스트 인덕터(ballast inductor)
를 포함하는 DC 전원에 있어서,
인덕턴스(L)는
및
인 것을 특징으로 하는 DC 전원.
제1항에 있어서, DC 대 DC 컨버터는 벅 컨버터(buck converter)인 것을 특징으로 하는 DC 전원.
제1항 또는 제2항에 있어서, U₀ > 3000 V인 것을 특징으로 하는 DC 전원.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 히터에 전달되는 출력은 1 내지 10 MW인 것을 특징으로 하는 DC 전원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 가스 히터는 중공형 전극을 지닌 비전달형 세그먼트식 플라즈마 토치인 것을 특징으로 하는 DC 전원.
비전달형 전기 아크 가스 히터의 작동 방법에 있어서,
히터에는 500 A RMS가 넘는 전류가 공급되고, 전류는 DC 성분과 AC 성분을 포함하며, AC 성분은 크기가 50 A 내지 DC 성분의 20 %로 치솟는 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 비전달형 전기 아크 가스 히터의 작동 방법.