[논문]40kV 친환경 응용을 위한 반도체 기반 펄스 전원장치

송승호; 조현빈; 박수미; 이승희; 진희성; 류홍제

문제 정의

[2] 본 논문에서는 높은 반복률과 빠른 상승시간을 가지며, 원하는 펄스폭, 반복률,전압의 변동이 가능한 40kV 반도체 기반의 펄스 전원장치의 구조에 대해 소개한다. 또한 개발된 펄스 전원장치를 이용하여 친환경 가스처리 시스템을 구성하였으며, 가스처리 리액터 구동실험 및 가스처리 실험을 통해 개발된 펄스 전원장치가 친환경 응용에 효과적으로 사용될 수 있음을 검증하였다.
본 논문에서는 친환경 응용을 위한 40kV 펄스 전원장치의 구조와 이를 이용한 가스처리 시스템을 소개하였다. 개발된 펄스 전원장치는 최대 40kV / 300A의 펄스출력이 실험을 통해 검증됐으며, 리액터 실부하 실험과 가스처리 실험을 통하여 고전압 펄스를 친환경 가스처리 응용에 이용될 수 있음을 검증하였다.

제안 방법

개발된 펄스 전원장치는 크게 충전부와 방전부로 나뉘며, 충전부는 13kW의 용량을 가지는 고효율 LCC 공진형 컨버터로 설계됐고 방전부는 40kV의 펄스를 방전하기 위해 다단 파워셀구조로 설계되었다. 개발된 펄스 전원장치의 상세 사양은 표 1과 같다.
개발된 펄스 전원장치의 동작과 신뢰성을 검증하기 위해 무유도 저항부하 실험, 리액터 부하 실험 그리고 리액터를 이용한 가스처리 실험을 진행하였다.
개발된 펄스 전원장치의 정격 펄스출력조건인 40kV / 300A 출력을 검증하고 펄스 상승시간을 측정하기 위해 부하저항은 무유도 저항이 사용되었다. 무유도 저항은 정격 전압이 매우 높으며 유도성분이 없어 고전압 펄스의 부하로 사용되기 적합하다.
무유도 저항부하 실험을 통해 검증된 펄스 전원장치를 이용하여 리액터 부하 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 부하조건과 실험결과는 표 2에 나타내었으며, 실험은 리액터와 리액터에 남은 전하를 제거하기 위한 6kΩ 풀다운 저항을 병렬로 결선하여 진행하였다.
반도체 기반의 펄스 전원장치는 스위칭 소자의 전압정격이 낮아 높은 출력전압을 위해서 커패시터를 병렬로 충전하고 직렬로 방전하는 막스 제너레이터 방식의 다단 파워셀 구조를 가지는 고전압 펄스 전원장치가 제안되었다.^[2] 본 논문에서는 높은 반복률과 빠른 상승시간을 가지며, 원하는 펄스폭, 반복률,전압의 변동이 가능한 40kV 반도체 기반의 펄스 전원장치의 구조에 대해 소개한다.
실험에 사용된 부하조건과 실험결과는 표 2에 나타내었으며, 실험은 리액터와 리액터에 남은 전하를 제거하기 위한 6kΩ 풀다운 저항을 병렬로 결선하여 진행하였다.
친환경 가스처리 실험을 위하여 그림 3과 같이 설계된 40kV 펄스 전원장치의 출력단과 가스처리 리액터를 연결하고리액터에 인가되는 펄스의 반복률을 증가시키기 위해 풀다운 저항을 결선하였으며, VOCs가스를 주입하기 위한 주입기, 주입된 가스를 가스처리 리액터에 공급하기 위한 송풍기와 배관으로 이루어져 있다. 가스처리 반응기 내부전극은 그림2와 같으며, 전극에는 고전압 펄스가 인가되고 전극 양단의 극판은 접지와 연결되는 구조를 가진다.
실험에 사용된 배출구의 직경은 300mm이며, 송풍기 가동 후 유속계를 이용하여유속을 측정한 결과 2m/s였다. 펄스 전원장치를 이용하여 반응기에 인가한 펄스파형은 그림 5와 같으며, 출력 전압의 피크값은 22.8kV, 출력 전류의 피크 값은 83.3A, 펄스 반복률은 1.5kHz의 조건에서 가스처리 실험을 진행하였다. 주입된 가스에는 톨루엔(C₇H₈)이 사용되었고 가스처리 전은 약8ppm 리액터를 통과시켜 처리된 공기에서의 톨루엔 농도는 약 4ppm으로 측정되었으며 50%가 감소됨이 확인되었다.

대상 데이터

VOCs가스처리 실험조건은 다음과 같다. 실험에 사용된 배출구의 직경은 300mm이며, 송풍기 가동 후 유속계를 이용하여유속을 측정한 결과 2m/s였다. 펄스 전원장치를 이용하여 반응기에 인가한 펄스파형은 그림 5와 같으며, 출력 전압의 피크값은 22.
파워셀은 총 48개로 설계됐으며, 크게 배전압 정류부와 방전 부가 충전 커패시터를 공유하는 형태를 가진다. 배전압 정류부는 동일 스위칭 주파수에 비해 출력 리플이 증가하지만 전압을 2배로 출력할 수 있기 때문에 변압기 2차 측의 권선수를 줄일 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

본 논문에서는 친환경 응용을 위한 40kV 펄스 전원장치의 구조와 이를 이용한 가스처리 시스템을 소개하였다. 개발된 펄스 전원장치는 최대 40kV / 300A의 펄스출력이 실험을 통해 검증됐으며, 리액터 실부하 실험과 가스처리 실험을 통하여 고전압 펄스를 친환경 가스처리 응용에 이용될 수 있음을 검증하였다. 앞으로 펄스전압, 반복률 등의 변화에 따른 가스처리 실험과 리액터 병렬운전 실험을 진행하여 가스처리 효율향상을 위한 연구가 필요하다고 본다.
^[2] 본 논문에서는 높은 반복률과 빠른 상승시간을 가지며, 원하는 펄스폭, 반복률,전압의 변동이 가능한 40kV 반도체 기반의 펄스 전원장치의 구조에 대해 소개한다. 또한 개발된 펄스 전원장치를 이용하여 친환경 가스처리 시스템을 구성하였으며, 가스처리 리액터 구동실험 및 가스처리 실험을 통해 개발된 펄스 전원장치가 친환경 응용에 효과적으로 사용될 수 있음을 검증하였다.
5kHz의 조건에서 가스처리 실험을 진행하였다. 주입된 가스에는 톨루엔(C₇H₈)이 사용되었고 가스처리 전은 약8ppm 리액터를 통과시켜 처리된 공기에서의 톨루엔 농도는 약 4ppm으로 측정되었으며 50%가 감소됨이 확인되었다. 가스처리 전/후 톨루엔 농도측정 결과는 그림 6과 같다.

후속연구

개발된 펄스 전원장치는 최대 40kV / 300A의 펄스출력이 실험을 통해 검증됐으며, 리액터 실부하 실험과 가스처리 실험을 통하여 고전압 펄스를 친환경 가스처리 응용에 이용될 수 있음을 검증하였다. 앞으로 펄스전압, 반복률 등의 변화에 따른 가스처리 실험과 리액터 병렬운전 실험을 진행하여 가스처리 효율향상을 위한 연구가 필요하다고 본다.

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