KR20210054792A - 플라즈마 수처리용 제어 장치 - Google Patents

플라즈마 수처리용 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치에 관한 것으로 본 발명의 일면에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치는 소정의 교류전원을 입력받아 소정의 주파수를 가지는 전압을 출력하는 전력변환부, 전력변환부의 출력전압을 기설정된 비에 따라 승압하여 출력하는 고전압변압기, 고전압변압기의 출력전압에 따른 전원을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부, 플라즈마발생부의 플라즈마 발생에 따른 용존산소량, pH, 산화환원전위 및 전기전도도 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정하는 센서부 및 센서부에서 측정한 수질 상태값에 기초하여 전력변환부의 출력전압의 펄스폭을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부를 포함한다.

Description

플라즈마 수처리용 전원 제어 장치{POWER CONTROL APPARATUS FOR WATER PURIFICATION USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 중소벤처기업부의 지역특화산업육성사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호 : P0002719, 과제명 : 살균률 95%, 20[ton/hr]급 지능형 플라즈마/UV 하이브리드 AOP(Advanced Oxidation Process) 고효율 살균 시스템 개발]
플라즈마 수처리 기술은 플라즈마 방전을 통해 생성되는 UV, 충격파(Shock Wave) 및 다양한 활성라디칼(H, O, OH, H2O2, O3)을 이용하여 미생물을 살균하거나 유기물을 분해하여 오염된 물을 처리하는 기술로, 플라즈마 방전을 위해 고전압 전원이 요구된다.
종래의 수처리 장치는 수질 오염 정도에 상관없이 일정한 고전압 전원을 공급하여 불필요한 전력이 낭비된다는 문제점이 있다.
이에 사용자로부터 입력된 명령에 따라 수처리 장치의 전원 공급을 제어하는 기술이 개시되고 있지만, 이러한 종래기술의 경우 사용자가 수질 상태를 확인하고 수처리 장치의 전원을 제어하기 위한 명령을 입력해야하므로 번거로우며, 수질 상태 변화에 따른 즉각적인 전원 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1770597호 대한민국 등록특허번호 제10-1816474호
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수질 오염 정도에 따라 출력전압을 변경할 수 있는 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치는 소정의 교류전원을 입력받아 소정의 주파수를 가지는 전압을 출력하는 전력변환부, 전력변환부의 출력전압을 기설정된 비에 따라 승압하여 출력하는 고전압변압기, 고전압변압기의 출력전압에 따른 전원을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부, 플라즈마발생부의 플라즈마 발생에 따른 용존산소량(DO), pH농도, 산화환원전위(ORP) 및 전기전도도(EC) 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정하는 센서부 및 센서부에서 측정한 수질 상태값에 기초하여 전력변환부의 출력전압의 펄스폭을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 전력변환부는 소정의 교류전원을 입력받아 기설정된 전압값을 가지는 전압으로 출력하는 전원공급부, 제어부로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 전원공급부의 출력전압을 소정의 주파수와 펄스폭을 가지는 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부를 포함한다.
또한, 센서부는 DO측정센서, pH측정센서, ORP측정센서 및 EC측정센서 중 적어도 하나의 센서를 포함하여 용존산소량(DO), pH농도, 산화환원전위(ORP) 및 전기전도도(EC) 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정한다.
바람직하게는, 제어부는 센서부에서 측정한 수질 상태값에 기초하여 변경된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하여, 전력변환부의 출력전압의 펄스폭을 제어한다.
본 발명에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치는 수질 오염 정도에 따라 다른 평균 전압값을 가지는 전압을 출력함으로써 불필요한 전력사용을 줄이는 효과가 있다.
또한, 수질 오염 정보를 측정한 값과 기저장된 데이터를 비교하여 자동으로 전원 제어가 가능한 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치를 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 적용한 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치에서 제어신호에 따른 고전압변압기의 출력전압 및 출력전류의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압변압기의 입력전압, 입력전류, 출력전압 및 출력전류의 파형을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치의 블록도로 도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치(10)는 전력변환부(100), 고전압변압기(200), 플라즈마발생부(300), 센서부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
전력변환부(100)는 소정의 교류전원(Vin)을 입력받아 소정의 주파수를 가지는 전압을 출력할 수 있다. 전력변환부(100)는 5~12[V]의 교류전원을 인가받아 수~수십[kHz]의 고주파 교류전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
전력변환부(100)는 전원공급부(110)와 컨버터부(120)로 구성될 수 있다.
전원공급부(110)는 소정의 교류전원(Vin)을 입력받아 기설정된 전압값을 가지는 전압으로 출력할 수 있다.
전원공급부(110)는 브릿지다이오드(BD1)와 소정의 정전용량을 가지는 커패시터(C1)로 구성될 수 있다.
컨버터부(120)는 제어부(500)로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 전원공급부(100)의 출력전압을 소정의 주파수와 펄스폭을 가지는 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
고전압변압기(200)는 전력변환부(100)의 출력전압을 기설정된 비에 따라 승압하여 출력할 수 있다. 고전압변압기(200)는 일단이 컨버터부(120)와 연결되는 1차측 권선과 1차측 권선과 자기유도결합되는 2차측 권선으로 구성될 수 있다.
고전압변압기(200)는 전력변환부(100)의 출력전압을 인가받아 수~수십[kV]의 고전압으로 증폭할 수 있다.
1차측 권선의 양단에 걸리는 전압(V1)은 커넥터부(120)로부터 인가되는 전압에 기초한 것일 수 있다.
2차측 권선의 양단에 걸리는 전압(V2)은 1차측 권선에 인가되는 전압(V1)을 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비에 따라 승압한 전압값을 가질 수 있다.
플라즈마발생부(300)는 고전압변압기(200)의 출력전압에 따른 전원을 인가받아 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 플라즈마발생부(300)는 수처리가 필요한 물이 유입되는 제1 수조(1)의 내부에 설치될 수 있다.
플라즈마발생부(300)는 내부에 방전극이 설치된 투명한 유전체관과 유전체관의 외부에서 수중에 설치된 전극을 포함할 수 있다.
플라즈마발생부(300)는 고전압변압기(200)로부터 소정의 전원을 인가받아 플라즈마를 발생시켜 제1 수조(1)에 담긴 물을 수처리할 수 있다.
제1 수조(1)에서 플라즈마발생부(300)에 의해 수처리된 물은 제2 수조(2)로 유입될 수 있다.
센서부(400)는 플라즈마발생부(300)의 플라즈마 발생에 의해 수처리된 물이 공급되는 제2 수조(2)에 설치될 수 있다.
센서부(400)는 플라즈마발생부(300)의 플라즈마 발생에 따라 수처리된 물의 용존산소량(DO : Dissolved Oxygen), pH농도, 산화환원전위(ORP : Oxidatin-Reduction Potential) 및 전기전도도(EC : Electrical Conductivity) 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정할 수 있다.
센서부(400)는 DO측정센서, pH측정센서, ORP측정센서 및 EC측정센서 중 적어도 하나의 센서를 포함하여 용존산소량(DO), pH농도, 산화환원전위(ORP) 및 전기전도도(EC) 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정할 수 있다.
센서부(400)에서 측정한 DO, pH, OPR, EC의 값은 전압 또는 전류 형태의 값을 가질 수 있으며, UART 등의 직렬통신의 형태로 제어부(500)에 입력할 수 있다.
여기서 DO측정센서의 측정 범위는 0.01mg/L 에서 100mg/L일 수 있으며, +/-0.05mg/L의 오차를 가질 수 있다. 또한, DO측정센서는 1초에 한번 용존산소량(DO)을 측정할 수 있으며, 온도, 염분 및 압력에 대한 보상된 용존산소량을 측정할 수 있다. DO측정센서의 동작 전압은 3.3V 내지 5V일 수 있다.
pH측정센서는 0.001 내지 14.000pH를 측정할 수 있으며, +/-0.002의 오차를 가질 수 있다. 또한, 1초에 한번 pH를 측정하고, 동작 전압은 3.3V 내지 5V일 수 있다.
ORP측정센서는 -1019.9mV 내지 1019.9mVdml 범위에서 OPR을 측정할 수 있으며, +/-1mV의 오차를 가질 수 있다. 또한, 1초에 한번 OPR을 측정하고, 동작 전압은 3.3V 내지 5V일 수 있다.
EC측정센서는 0.07μs/cm 내지 500,000μs/cm의 범위 내에서 온도가 보상된 전도도(EC)를 측정할 수 있으며, +/-2%의 오차를 가질 수 있다. 또한, 1초에 한번 EC를 측정하고, 동작 전압은 3.3V 내지 5V일 수 있다.
DO측정센서, pH측정센서, ORP측정센서 및 EC측정센서는 UART 통신을 이용하여 측정한 값을 외부로 전송할 수 있다.
제어부(500)는 센서부(400)에서 측정한 수질 상태값에 기초하여 전력변환부(100)의 출력전압의 펄스폭을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성할 수 있다.
제어부(500)는 센서부(400)에서 측정한 수질 상태값에 기초하여 변경된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하여, 전력변환부(100)의 출력전압의 펄스폭을 제어할 수 있다.
제어부(500)는 전력변환부(100)의 출력전압의 펄스폭을 제어하여 수질 상태값에 따라 플라즈마발생부(300)에 인가되는 평균 전압을 감소 또는 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치는 센서부(400)를 통해 수질 상태값을 측정한다(S101). 제어부(500)는 용존산소량(DO), pH농도, 산화환원전위(ORP) 및 전기전도도(EC) 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값과 기저장된 기준값과 비교할 수 있다(S102).
여기서 기저장된 기준값은 사용자에 의해 기설정된 값일 수 있으며, 이전에 측정한 수질 상태값에 기초하여 산출된 값일 수 있다.
제어부(500)는 수질 상태값과 기준값과 비교한 결과에 기초하여 수질의 오염도가 높은지 판단하고(S103), 수질의 오염도가 높은 것으로 판단되면 제어부(500)는 S103단계 이전에 출력한 PWM 신호보다 듀티비가 증가된 PWM 신호를 출력할 수 있다(S104).
제어부(500)에서 출력하는 PWM 신호의 듀티비가 증가함에 따라 플라즈마발생부(300)에 인가되는 전압이 증가될 수 있다(S105).
제어부(500)는 수질의 오염도가 높지 않은 것으로 판단되면 S103단계 이전에 출력한 PWM 신호보다 듀티비가 감소된 PWM 신호를 출력한다(S106).
제어부(500)에서 출력하는 PWM 신호의 듀티비가 감소함에 따라 플라즈마발생부(300)에 인가되는 전압이 감소될 수 있다(S107).
제어부(500)는 수질 상태값에 따라 기설정된 세 개의 듀티비 중 어느 하나의 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 수 있다. 기설정된 세 개의 듀티비는 크기에 따라 제1 듀티비, 제2 듀티비, 제3 듀티비라 하면, 제어부(500)가 제1 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 전력변환부(100)를 통해 출력되는 전압의 평균 전압이 가장 크고, 제어부(500)가 제3 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 전력변환부(100)를 통해 출력되는 전압의 평균 전압이 가장 작을 수 있다.
또한, 제어부(500)가 제2 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 전력변환부(100)를 통해 출력되는 전압의 평균 전압은, 제어부(500)가 제1 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때보다 작고, 제어부(500)가 제3 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때보다 클 수 있다.
이에 따라, 전력변환부(100)에서 고전압변압기(200)를 통해 승압되어 플라즈마발생부(300)에 인가되는 전압의 평균 전압 또한 제어부(500)에서 제1 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때, 제2 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때, 제3 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 순으로 큰 값을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 적용한 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치에서 제어신호(S1, S2)에 따라 고전압변압기(200)의 출력전압(V2) 및 출력전류(I2)의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 S1이 활성상태이고, S2가 비활성상태일때 가장 큰 전압값을 가지고, S1이 비활성상태이고 S2가 활성상태일때 가장 작은 전압값을 가지는 것일 수 있다.
또한, 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 제어부(500)에서 출력되는 PWM 신호(S1, S2)에 기초하여 변경될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압변압기(200)의 입력전압(V1), 입력전류(I1), 출력전압 (V2) 및 출력전류(I2)의 파형을 나타낸 그래프이다.
고전압변압기(200)에서 플라즈마발생부(300)로 인가되는, 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 제어부(500)에서 출력되는 PWM 신호에 따라 10kV 내지 15kV의 전압값을 가질 수 있다.
고전압변압비(200)의 출력전류(I2)는 제어부(500)에서 출력되는 PWM 신호에 따라 300mA 내지 500mA의 전류값을 가질 수 있다.
제어부(500)가 제1 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 15kV 내지 16kV일 수 있으며, 제어부(500)가 제2 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 13kV 내지 15kV일 수 있으며, 제어부가 제3 듀티비를 가지는 PMW 신호를 출력할때 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 11kV 내지 13kV일 수 있다.
바람직하게는, 제어부(500)가 제1 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)은 15kV일 수 있으며, 제어부(500)가 제2 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 플라즈마발생부(300)에 인가되는 전압은 14kV일 수 있으며, 제어부(500)가 제3 듀티비를 가지는 PWM 신호를 출력할 때 플라즈마발생부(300)에 인가되는 전압은 12kV일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치(10)는, 센서부(400)에서 측정한 수질상태값에 기초하여 제어부(500)에서 출력되는 PWM 신호를 변경함으로써, 플라즈마발생부(300)에 인가되는 고전압변압기(200)의 출력전압(V2)을 변경할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전력변환부
110 : 전원공급부
120 : 컨버터부
200 : 고전압변압기
300 : 플라즈마발생부
400 : 센서부
500 : 제어부

Claims (4)

  1. 소정의 교류전원을 입력받아 소정의 주파수를 가지는 전압을 출력하는 전력변환부;
    상기 전력변환부의 출력전압을 기설정된 비에 따라 승압하여 출력하는 고전압변압기;
    상기 고전압변압기의 출력전압에 따른 전원을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부;
    상기 플라즈마발생부의 플라즈마 발생에 따른 용존산소량, pH, 산화환원전위 및 전기전도도 중 적어도 하나에 따른 수질 상태값를 측정하는 센서부; 및
    상기 센서부에서 측정한 상기 수질 상태값에 기초하여 상기 전력변환부의 출력전압의 펄스폭을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부;
    를 포함하는 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 전력변환부는
    소정의 교류전원을 입력받아 기설정된 전압값을 가지는 전압으로 출력하는 전원공급부; 및
    상기 제어부로부터 생성된 상기 PWM 신호에 기초하여 상기 전원공급부의 출력전압을 소정의 주파수와 펄스폭을 가지는 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부;
    를 포함하는 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서
    상기 센서부는
    DO측정센서, pH측정센서, ORP측정센서 및 EC측정센서 중 적어도 하나의 센서를 포함하여 용존산소량, pH농도, 산화환원전위 및 전기전도도 중 적어도 하나에 따른 상기 수질 상태값를 측정하는 것
    인 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서
    상기 제어부는
    상기 센서부에서 측정한 상기 수질 상태값에 기초하여 변경된 듀티비를 가지는 상기 PWM 신호를 생성하여, 상기 전력변환부의 출력전압의 펄스폭을 제어하는 것
    인 플라즈마 수처리용 전원 제어 장치.
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