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제출문

에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록

요약문

SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 8

1. 기술의 개요 8

2. 기술 개발의 필요성 11

기술적 측면 11

경제적 측면 11

지구 대기 환경적 측면 12

제2장 국내외 기술개발 현황 13

국내 기술 현황 13

국외 기술 현황 13

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 14

수행 방법 14

연구 내용 14

연구결과 14

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 15

목표 달성도 15

관련분야 기여도 15

제5장 연구개발결과의 활용계획 16

추가연구의 필요성 16

타 연구에의 응용 16

기업화 추진 방향 16

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 17

제7장 참고문헌 18

목차 19

1. 기술 검토 20

1.1. 용해로의 이해 20

1.2. 유도로용 인버터 회로 방식 검토 24

2. 기본 설계 32

2.1. 설계 사양 33

2.2. 운전 주파수 선정 35

2.3. 전기 설계 계산 39

2.4. 주파수 영역 모의 시험 51

2.5. 시간 영역 모의 시험 55

3. 상세 설계 58

3.1. SCR 인버터 1개 스택 설계 58

3.2. SCR의 병렬연결 70

3.3. 인터버 스택, 공진 콘덴서 레이아웃 72

3.4. 인버터 패널 구성 74

3.5. 6상 정류기 설계 78

3.6. 인버터 패널과 로체 간 평행판 버스바 83

3.7. 제어기 및 제어 알고리즘 86

3.7.1. 제어기 하드웨어 구성 86

3.7.2. 노이즈 및 오동작 방지 대책 91

3.7.3. 제어 알고리즘 92

3.7.4. EPLD 프로그램 94

3.7.5. 이상 감지 항목 96

3.8/3.9. 기구 설계 98

4. 시제품 제작 106

5. 사내 시험 112

6. 현장 설치 시험 131

6.1. 설치 시운전 절차서 136

6.2. 시운전 데이터 분석 155

7/6. 결론 159

위탁 과제 : 유도 용해로 설계를 위한 시뮬레이션 개발 160

요약문 161

목차 164

I. 서론 165

1. 연구 개발의 목표 및 평가의 착안점 165

2. 당해연도 개발목표(계획) 165

3. 당해연도 개발 내용 및 범위(계획) 166

II. 본론 167

1. 당해년도 연구개발 내용 167

1.1. 연구배경 168

1.2. 연구의 개요 170

1.2.1. 와전류문제의 개념도 171

1.2.2. 와전류 지배 방정식 172

1.3. 축대칭 2차원 유한요소법에 의한 정식화 174

1.3.1. 지배 방정식 174

1.3.2. 유한 요소 정식화 175

1.4. 3차원 유한요소법에 의한 정식화 177

1.4.1. 지배 방정식 177

1.4.2. 유한요소 정식화 179

1.4.2.1. Gelerkin법에 의한 근사화 179

1.4.2.2. 변 유한요소법 180

2. 연구 결과 187

2.1. 축대칭 2차원 해석을 위한 프로그램 구현 187

2.1.1. 프로그램을 이용한 해석자료 모델링 189

2.1.2. INDUCTION_POST를 통한 결과 해석 193

2.2. 3차원 모델의 해석 199

3. 기대 효과 208

III. 결론 209

참고문헌 211

표목차

표 1. 해석 모델의 재료 특성 188

표 2. 전기적 물성치 194

표 3. 열적 물성치 194

그림목차

제1장 연구개발과제의 개요 8

[그림 1.1.1] 용해작업 현장 8

[그림 1.1.2] 유도가열의 원리 9

[그림 1.1.3] 발전 원료 구성 12

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 17

[그림 6.1] 2007년 독일 GIFA 용해설비 전시회 장면 17

1. 기술 검토 20

[그림 1.1] 용해로의 구조 및 각부 명칭 20

[그림 1.2] 로의 전기적 등가회로 22

[그림 1.3] 로의 장입 상태에 따른 Q값 비교 23

[그림 1.4] 유도가열 전원 장치 구성 24

[그림 1.5] 병렬 공진 방식 회로 구성 26

[그림 1.6] 각부 전류 전압 파형 27

[그림 1.7] 직렬 공진 방식 회로 구성 29

[그림 1.8] 각부 전류 전압 파형 29

[그림 1.9] 주파수와 전력과의 관계 30

2. 기본 설계 32

[그림 2.1] 5000kW 유도 용해로용 전원 시스템의 주회로 32

[그림 2.2] 여러 가지 금속의 열용량 그래프 34

[그림 2.3] 유도 용해로의 교반 원리 36

[그림 2.4/2.2.4] 유도 용해로의 교반 작용 36

[그림 2.5] 200Hz와 500Hz에서 용해로의 크기와 전력에 따른 교반력 비교 37

[그림 2.6] "인덕썸"사의 용량별 주파수 38

[그림 2.7] "필라"사의 용량별 주파수 38

[그림 2.8] 10톤 용해로의 기본 치수 39

[그림 2.9] 로체의 간단한 등가회로 40

[그림 2.10] 코일의 형상 41

[그림 2.11] 단락계수 43

[그림 2.12] 저항 계수 44

[그림 2.13] 코일의 등가 저항 계산 45

[그림 2.14] 원통형 피 가열물의 등가 저항 계산 46

[그림 2.15] 로체에서 코일의 등가저항과 피 가열물의 등가 저항 47

[그림 2.16] 공진 콘덴서 자료 50

[그림 2.17] 주파수에 따른 부하 전달 전력을 계산하기 위한 PSPICE 모의시험 회로 51

[그림 2.18] 주파수에 따른 부하 전달 전력 52

[그림 2.19] 운전 주파수가 공진 주파수일 때 등가회로 53

[그림 2.20] Q=5일 때 입력 전압 크기에 따른 부하 전달 첨두치 변화 54

[그림 2.21] PSIM 모의 시험 입력 회로 55

[그림 2.22] PSIM 모의 시험 입력 회로 57

3. 상세 설계 58

[그림 3.1] 인버터 1개 스택의 회로 구성 58

[그림 3.2] 고속 SCR R2714ZC18의 사양 59

[그림 3.3] 역병렬 다이오드 R946_11AS 사양 60

[그림 3.4] 인버터 1개 스택의 전류에 따른 손실과 내부 반도체의 온도 63

[그림 3.5] D1에서 S2로의 전류 이동 64

[그림 3.6] D1에서 S2로의 전류 이동 시 각 부 전류 전압 파형 65

[그림 3.7] 역병렬 다이오드 역회복 전류 67

[그림 3.8] 역병렬 다이오드 R946_11AS의 역회복 특성 68

[그림 3.9] 역병렬 다이오드의 역회복 특성을 고려한 병렬 스너버 모의시험 회로 68

[그림 3.10] Cs=0.5uF일 때 직렬 저항 변화에 따른 Vak 파형 69

[그림 3.11] Cs=1.0uF일 때 직렬 저항 변화에 따른 Vak 파형 69

[그림 3.13] SCR을 8병렬로 구성한 인버터 71

[그림 3.14] 전류 리액터에 의한 병렬 연결된 SCR 간 전류 불평형 개선 원리도 71

[그림 3.15] 인버터 스택 및 버스바 레이아웃 73

[그림 3.16] 공진 곤덴서 및 버스바 레이아웃 73

[그림 3.17] 1250kW 인버터 모듈 75

[그림 3.18] 1250kW 인버터 모듈 혹은 2500kW 인버터 패널로 구성할 수 있는 다양한 제품군 77

[그림 3.19] 5000kW 인버터 구성 77

[그림 3.24] 6상 정류기 구성 78

[그림 3.25] 입력 고조파 모의시험 회로(PSIM) 79

[그림 3.26] 모의시험 결과 81

[그림 3.27] 과전류 차단 논리 82

[그림 3.28] 여러 가지 버스바의 인덕턴스 84

[그림 3.29] 바람직한 버스바의 배치 85

[그림 3.30] 수냉식 유연 케이블의 구조 85

[그림 3.31] 제어기 블록도 86

[그림 3.32] 마스터 제어기 88

[그림 3.33] 인버터 제어기 88

[그림 3.34] 정류기 SCR 게이트 구동 보드 89

[그림 3.35] 센서 보드 89

[그림 3.36] 인버터 SCR 게이트 신호 절연 보드 90

[그림 3.37] 제어 블록도 92

[그림 3.38] 게이트 신호 발생부 EPLD 프로그램 94

[그림 3.39] VCO의 원리 95

[그림 3.40] 외부 전상면도 99

[그림 3.41] 외부 후상면도 100

[그림 3.42] 외부 전면도 101

[그림 3.43] 외부 측면도 102

[그림 3.44] 내부 전상면도 103

[그림 3.45] 내부 후상면도 104

[그림 3.46] 내부 측면도 105

4. 시제품 제작 106

[그림 4.1] 시제품 전면 사진 106

[그림 4.2] 시제품 후면 사진 107

[그림 4.3] 컨버터 부 107

[그림 4.4] 인버터 부 108

[그림 4.5] 입력 진공 차단기 109

[그림 4.6] 컨버터 스텍 109

[그림 4.7] 입력 진공 차단기 110

[그림 4.8] 입력 정류부 110

[그림 4.9] 인버터 스너버 111

5. 사내 시험 112

[그림 5.1] 조합 시험 사진 113

6. 현장 설치 시험 131

[그림 6.1] 시험용 용해설비가 설치된 경기도 화성의 (주)경남 131

[그림 6.2] (주)경남의 주물 제품 중 하나인 선박 엔진 블록 132

[그림 6.3] 인버터가 설치된 모습 132

[그림 6.4] 용해 작업 진행 중 133

[그림 6.5] 용해 작업 진행 중 133

[그림 6.6] 반쯤 용해된 상태의 로 134

[그림 6.7] 출탕 대기 상태의 로 134

[그림 6.8] 출탕 중 135

[그림 6.9] 출탕 중 135

II. 본론 167

그림 1. 전형적인 와전류 문제의 개념도 171

그림 2. Tetrahedral Element 181

그림 3. Nodal Element 181

그림 4. 축대칭 2차원 해석 모델 188

그림 5. 유도 용해로 해석 프로그램 파일 189

그림 6. 최초 프로그램의 시작 189

그림 7. 영역 지정 및 영역의 위치 파악 190

그림 8. 요소분할 과정 190

그림 9. 해석 결과의 변화시간 지정 및 단위지정 191

그림 10. Automesh 실행을 위한 파일의 저장 191

그림 11. AutoMesh의 실행 192

그림 12. main 프로그램의 실행 192

그림 13. Post 프로그램의 열분포특성 아이콘 193

그림 14. 유도용해로의 요소분할 195

그림 15. 400[Hz]에서의 분포특성 196

그림 16. 500[Hz]에서의 분포특성 196

그림 17. 600[Hz]에서의 분포특성 196

그림 18. 700[Hz]에서의 분포특성 196

그림 19. 주물이 다른 경우의 분포 특성 197

그림 20. 400[Hz]에서의 와전류의 크기 198

그림 21. 500[Hz]에서의 와전류의 크기 198

그림 22. 600[Hz]에서의 와전류의 크기 198

그림 23. 700[Hz]에서의 와전류의 크기 198

그림 24. 5,000kW급 유도용해로의 모형도 199

그림 25. 용해로 모델링 형상 201

그림 26. 용해로 내의 코일 배치 모델링 201

그림 27. 로체의 1/2모델의 요소망 202

그림 28. 로체 외부의 코일 요소망 202

그림 29. 전체 로체의 와전류 분포(수평방향) 203

그림 30. 전체 로체의 와전류 분포(수직방향) 204

그림 31. 주물 내부의 와전류 분포 204

그림 32. 로체의 외부 영역에서의 자속분포 205

그림 33. 로체의 내부 영역에서의 자속분포 206

그림 34. 주철의 용해물의 외부 영역에서의 자속분포 206

그림 35. 주철의 용해물의 내부 영역에서의 자속분포 207

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