KR102580862B1 - 리튬 회수 정류 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 높은 효율을 가짐과 아울러 발열 손실이 적어 전력 절감을 가지며, 정밀 정전압 및 정전류의 운전이 가능하고, 직류에서의 맥동율이 적어 리튬 회수시 실리콘 제어 정류기에 비해 리튬 회수량이 증가할 수 있는 리튬 회수 정류 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치는, 해수로부터 리튬을 회수하는 리튬 회수부; 및 상기 리튬 회수부의 전기 분해가 수행되도록 AC 전원을 고전압 및 고전류의 DC 전원으로 변환시키는 IGBT 정류기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 회수 정류 장치{LITHIUM RECOVERY RECTIFIER}

본 발명은 리튬 회수 정류 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 전기 화학 공정에 필요한 전력을 공급하는 리튬 회수 정류 장치에 관한 것이다.

리튬은 2차 전지, 유리, 세라믹, 합금, 윤활유, 제약 등 각종 산업 전반에 다양하게 사용되고 있으며, 특히, 리튬 2차 전지는 최근 하이브리드 및 전기 자동차의 주요 동력원으로 주목받고 있고, 이러한 자동차용 리튬 2차 전지는 휴대폰, 노트북 등 기존의 소형 배터리 시장의 100배 규모의 거대 시장으로 성장할 것으로 예측되고 있다.

또한, 범 세계적으로 이루어지고 있는 환경 규제 강화 움직임으로 인하여 앞으로 하이브리드 및 전기 자동차 산업 뿐만 아니라 전자, 화학, 에너지 등으로 그 응용 분야도 확대되어 21세기 산업 전반에 걸쳐 그 사용량이 크게 증가하여 리튬에 대한 국내외 수요가 급증할 것으로 예상되고 있다.

예컨대, 전기차 시대에 들어서면서, 리튬은 세계적으로 높은 수요를 보이고 있다.

현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리뿐만 아니라 전고체 배터리, 리튬황 배터리 등과 같이 차세대 배터리에서도 리튬은 핵심 소재로 사용될 것으로 보이며 리튬의 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

2021년 미국 지질 조사국(USGS)의 발표에 따르면, 전 세계 리튬 매장량은 8,900만 톤에 이르며, 주요 리튬 생산국으로는 호주, 칠레, 중국, 아르헨티나, 브라질 등이 있고, 특히 전체 리튬 매장량의 60%가 남미권에 매장되어 있다.

현재 리튬은 수요에 비해 공급이 불안한 실정인데, 리튬을 채굴하는데 긴 시간이 소요되고, 채굴 후에는 리튬 화합물 생산을 위해 추가적인 가공을 필요로 하여 수요를 즉각적으로 반영하기 힘든 상황이다.

이와 같이 공급 대비 수요가 많아지면서 리튬의 가격은 지속적으로 높아지고 있다.

리튬은 양극재 원가의 60 % ~ 70 % 를 차지하고, 양극재는 배터리 원가 비중이 52 % 에 달하고 있다.

리튬의 비용 상승은 곧바로 배터리와 더불어 전기차의 가격 상승으로 이어지기 때문에, 리튬을 선제적으로 확보하는 것이 중요하다.

상업용 리튬은 통상 광산에서 채굴하거나 염호(염도가 높은 호수)에서 추출한다.

순수한 리튬을 획득하면 이후, 용도에 맞게 화합물 형태로 가공하는 단계를 거치는데, 광산에서 채굴하는 경우 가열, 여과 등 추가적인 가공을 통해 수산화 리튬과, 탄산 리튬을 생산할 수 있다.

염호에서 추출한 후에는 염수를 증발시켜 탄산 리튬을 우선 생산하고, 그 다음 탄산 리튬을 수산화 리튬으로 가공 및 변환시키는 과정을 거친다.

종래 리튬 및 리튬 화합물의 생산은 이와 같이 광석이나 염수를 이용하는 방법이 주로 사용되어 왔으나, 대부분의 매장량이 칠레, 볼리비아 등 남미 대륙에 편중되어 있고, 급증하는 수요량에 비해 공급량이 부족하여 가격이 지속적으로 상승하고 있다.

따라서, 최근 풍부하게 존재하는 해수가 미량이지만 리튬의 공급원으로 주목받고 있다.

해수에는 약 2천 5백억 톤의 리튬이 용해되어 있는 것으로 추정되고 있으나, 그 농도가 해수 1리터당 0.17 ㎎ 으로 매우 낮아 리튬 회수에 대한 경제성을 고려할 때 리튬을 선택적이고 저비용으로 회수하는 방법이 요청되고 있다.

이와 같이 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 방법으로는 공침법, 용매 추출법, 생물 농축법, 흡착법 등이 알려져 있으나, 이러한 방법 중 흡착법이 리튬에 대한 선택도가 높아 가장 현실적인 방안으로 생각되고 있으며, 상기 흡착법은 수소와 리튬의 이온 교환에 의해 해수 중 리튬을 흡착하고, 이후 리튬을 흡착한 흡착제는 산 수용액에서 수소와 리튬의 교환을 통하여 리튬을 회수하며, 이와 같은 망간 산화물계 무기 흡착제는 반복하여 사용할 수 있다.

하지만, 종래의 리튬을 회수하기 위한 전기 화학 공정에 필요한 전력을 공급하는 실리콘 제어 정류기(SCR)는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 실리콘 제어 정류기는 해수에서 리튬 회수율이 매우 낮은 문제점이 있다.

해수는 리튬의 농도가 매우 낮기 때문에, 실리콘 제어 정류기를 통해 리튬을 회수하는 것은 매우 어려우며, 이는 실리콘 제어 정류기 기술의 화학적 한계로 인해 발생하고 있다.

둘째, 실리콘 제어 정류기는 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.

즉, 실리콘 제어 정류기의 정류 과정에서 사용되는 화학 물질은 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있다.

이러한 영향은 해양 생물들의 건강에 영향을 미칠 수 있으며, 생태계의 균형을 깨뜨릴 수도 있다.

셋째, 실리콘 제어 정류기는 비용이 매우 높은 문제점이 있다.

실리콘 제어 정류기의 정류 과정에서 사용되는 화학 물질과 장비의 비용이 매우 높기 때문에, 이 기술은 상당한 비용이 들어가는 문제가 있다.

국내 등록특허공보 제10-1238898호

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 높은 효율을 가짐과 아울러 발열 손실이 적어 전력 절감을 가지며, 정밀 정전압 및 정전류의 운전이 가능하고, 직류에서의 맥동율이 적어 리튬 회수시 실리콘 제어 정류기에 비해 리튬 회수량이 증가할 수 있는 리튬 회수 정류 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치는, 해수로부터 리튬을 회수하는 리튬 회수부; 및 상기 리튬 회수부의 전기 분해가 수행되도록 AC 전원을 고전압 및 고전류의 DC 전원으로 변환시키는 IGBT 정류기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 입력되는 교류 전원을 정류하여 직류 신호로 변환시키는 입력 브리지(Input Bridge)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 상기 직류 신호로 변환시 생성되는 고조파 및 전력 잡음을 제거하는 입력 필터(Input Filter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 상기 직류 전원으로부터 입력되는 전류를 저장하고, 전압의 변동을 감소시키는 입력 커패시터(Input Capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 입력된 상기 직류 전원을 교류형 패턴으로 변환시켜 출력 교류 신호를 생성하는 IGBT 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 상기 교류 신호는 목표 출력 전압 및 전류에 도달하도록 전압 및 전류를 변환시키는 트랜스포머(Transformer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 변환된 신호를 정류하여 직류 신호로 변환시키는 출력 브리지 컨버터(Output Bridge Converter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 정류된 상기 직류 신호의 고조파 및 잡음을 제거하는 출력 필터(Output Filter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 상기 출력 필터에 의한 출력 전류를 측정하여 전달하는 직류 전류 센서(DC Current Sensor); 및 상기 출력 전류의 출력 부하 무게를 측정하여 전달하는 로드 셀(Load Cell);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, 상기 IGBT 정류기는, 상기 출력 필터에 의한 출력 전류의 전압 및 전류를 제어하는 정류기 출력부(Rectifier Output)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의하면, 높은 효율을 가짐과 아울러 발열 손실이 적어 전력 절감을 가지며, 정밀 정전압 및 정전류의 운전이 가능하고, 직류에서의 맥동율이 적어 리튬 회수시 실리콘 제어 정류기에 비해 리튬 회수량이 증가할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, IGBT 정류기의 구성을 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, IGBT 정류기의 내부 구성을 나타내는 블록도.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치(1000)는 리튬 회수부(100)와, IGBT 정류기(200)를 포함한다.

리튬 회수부(100)는 해수로부터 리튬을 회수한다.

이와 같이 리튬 회수부(100)가 해수로부터 리튬을 회수하는 방법으로는 공침법, 흡착법, 용매 추출법, 전기 투석법 등을 포함할 수 있다.

이와 같은 리튬 회수부(100)는 리튬 이온 회수용 모듈로 형성될 수 있다.

이러한 리튬 회수부(100)는 음극 집전체와, 제 1 전극과, 해수가 유입되고 리튬 이온의 농축액을 운반하는 유로 형성판과, 제 2 전극과, 양극 집전체 등을 포함할 수 있다.

IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터) 정류기(200)는 리튬 회수부(100)의 전기 분해가 수행되도록 AC 전원을 고전압 및 고전류의 DC 전원으로 변환시킨다.

IGBT는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)와 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 장점을 모두 결합하고 있어, 빠른 스위칭 속도, 높은 전압 및 전류 처리 능력, 낮은 전도 손실을 제공한다.

IGBT 정류기(200)는 높은 전압 및 전류를 처리할 수 있으며, 빠른 전환 속도를 제공하여 높은 스위칭 속도를 유지할 수 있다.

또한, IGBT 정류기(200)는 고장 날 확률이 적으며, 효율성이 뛰어나므로 전력 손실을 최소화할 수 있다.

이에 대해, 도 2 및 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, IGBT 정류기의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치에서, IGBT 정류기의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 정류 장치(1000)에서, IGBT 정류기(200)는 입력 브리지(Input Bridge; 210)와, 모터 제어용 콘택트(MC Contact; 220)와, 입력 필터(Input Filter; 230)와, 입력 커패시터(Input Capacitor; 240)와, IGBT 인버터(250)와, 트랜스포머(Transformer; 260)와, 출력 브리지 컨버터(Output Bridge Converter; 270)와, 출력 필터(Out Filter; 280)와, DC 전류 센서(DC Current Sensor; 290)와, 정류기 출력부(Rectifier Output; 300)와, 로드셀(Load Cell; 310)과, IGBT 제어 PCB(320)와, 디지털 제어 시스템(Digital Controller System; 330)을 포함한다.

상술한 바와 같은 복수긔 구성 요소들은 원통 형상의 하우징 내에 하우징되며, 원통 형상의 상하부는 캡 등에 의해 볼트 결합된다.

입력 브리지(210)는 입력되는 교류 전원을 정류하여 직류 신호로 변환시킨다.

즉, 일차 직류 변환을 수행한다.

예컨대, 440V의 교류 전압을 570V의 직류 전압으로 변환시킬 수 있다.

좀 더 상세하게는 입력 브리지(210)는 교류 전원을 IGBT 정류기(200)에 제공하기 위해 전류를 변환시킨다.

입력 브리지(210)는 전류를 IGBT 정류기(200)에 공급하기 전에, 교류 전원의 진폭과 주파수를 변환하여 IGBT 정류기(200)가 적절한 전류를 처리할 수 있도록 한다.

입력 브리지(210)는 다이오드 브릿지를 사용하여 구성되며, 다이오드 브릿지는 4개의 다이오드로 구성된 구조일 수 있다.

이러한 입력 브리지(210)는 다이오드 브리지와, 인덕터와, 콘덴서를 포함할 수 있다.

다이오드 브리지는 교류 전원을 IGBT 정류기(200)에 공급하기 위해 진폭과 주파수를 변환하는 역할을 수행한다.

인덕터는 전류 변환을 완화하고, 콘덴서는 고주파 잡음을 제거하고 교류 전원의 안정성을 향상시킨다.

입력 브리지(210)는 IGBT 정류기(200)에서 전기적 안정성을 제공하고, 전류 변환 단계에서 발생하는 전류 스파이크와 같은 문제를 완화하여, 전력 변환의 효율과 안정성을 향상시킨다.

모터 제어용 콘택트(MC Contact; 220)는 전기 신호를 이용하여, 전력 회로를 제어하는 스위치 역할을 수행한다.

즉, 모터 제어용 콘택트(220)는 IGBT 정류기(200)의 기기 동작을 온(On)한다.

모터 제어용 콘택트(220)는 IGBT 정류기(200)에서 모터를 제어하기 위해 사용되는 컨택터를 의미하며, 모터를 구동하는 데 필요한 전류와 전압을 조절하여 모터의 속도와 회전 방향 등을 제어할 수 있다.

좀 더 상세하게는 IGBT 정류기(200)에서 모터 제어용 콘택트(220)는 다음과 같은 기능을 수행한다.

모터의 회전 방향과, 모터의 정지 및 가속과, 모터의 전류 등을 제어한다.

IGBT 정류기(200)에서 모터 제어용 콘택트(220)를 사용하여 모터의 제어와 보호를 수행할 수 있으며, 안정적인 운전과 효율적인 전력 변환을 실현할 수 있다.

입력 필터(Input Filter; 230)는 입력 브리지(210)에 의해 직류 신호로 변환시 생성되는 고조파 및 전력 잡음을 제거한다.

즉, IGBT 정류기(200)에서 입력 필터(230)는 전력을 변환시 발생하는 고주파 잡음을 제거하여, 교류 전원을 IGBT 정류기(200)에 안정적으로 공급하는 직류 리액터의 역할을 수행한다.

이러한 입력 필터(230)는 인덕터와, 콘덴서를 포함한다.

여기서, 인덕터는 전류의 변화를 완화하고, 고주파 잡음을 제거하는 역할을 수행한다.

콘덴서는 전압을 안정화하여 고주파 잡음을 제거하는 역할을 수행한다.

IGBT 정류기(200)에서 입력 필터(230)는 전기적 안정성을 제공하는 중요한 요소 중 하나이다.

전력 변환시 고주파 잡음이 발생할 수 있는데, 이를 제거하지 않으면 IGBT 정류기(200)의 작동이 불안정해지거나 고장이 발생할 수 있다.

따라서 입력 필터(230)는 안정적인 운전과 전력 변환의 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 수행한다.

입력 커패시터(Input Capacitor; 240)는 입력 필터(230)에 의한 직류 전원으로부터 입력되는 전류를 저장하고, 전압의 변동을 감소시킨다.

즉, IGBT 정류기(200)에서 입력 커패시터(240)는 공급되는 직류 전원을 안정화하는 역할을 수행한다.

입력 커패시터(240)는 직류 전원으로부터 입력된 전류를 저장하고, 전압의 변동을 완화하여 IGBT 정류기(200)에 안정적인 전압을 제공한다.

이를 통해 IGBT 정류기(200)의 안정적인 작동을 보장하고, 전력 변환의 효율성을 높이는 역할을 수행한다.

또한, 입력 커패시터(240)는 전력 변환시 발생하는 고주파 잡음을 제거하여, 전기 잡음을 최소화하는 역할도 수행한다.

이를 통해 IGBT 정류기(200)의 작동 안정성을 향상시키고, 전기적인 안정성을 제공한다.

IGBT 정류기(200)에서 입력 커패시터(240)는 전력 변환시 필수적인 구성 요소 중 하나이며, 안정적인 운전을 위해 충분한 용량과 안정성을 가진 입력 커패시터(240)를 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 입력 커패시터(240)는 직류 리플 흡수용 콘덴서일 수 있다.

IGBT 인버터(250)는 입력 커패시터(240)로 입력된 직류 전원을 교류형 패턴으로 변환시켜 출력 교류 신호를 생성한다.

IGBT 정류기(200)에서 IGBT 인버터(250)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 모터와 같은 교류 전기 장치를 구동한다.

IGBT 인버터(250)는 콘덴서와, 인덕터 등의 구성 요소로 이루어져 있다.

직류 전원을 IGBT 정류기(200)를 통해 고주파 교류 전원으로 변환하고, 콘덴서와 인덕터를 통해 전압과 전류를 조절하여 교류 전기 장치를 제어한다.

IGBT 인버터(250)는 다양한 제어 방법을 사용하여 교류 전기 장치의 속도, 회전 방향, 전류 등을 제어할 수 있다.

또한, IGBT 정류기(200)의 고속 스위칭 기능을 활용하여, 전력 손실을 최소화하고, 효율적인 전력 변환을 실현할 수 있다.

트랜스포머(Transformer; 260)는 IGBT 인버터(250)에 의해 생성된 출력 교류 신호가 목표 출력 전압 및 전류에 도달하도록 전압 및 전류를 변환시킨다.

IGBT 정류기(200)에서 트랜스포머(260)는 전력 변환 과정에서 전압을 변환하는 역할을 수행한다.

트랜스포머(260)는 입력 측과 출력 측으로 구성되어 있으며, 입력 측에서 공급되는 전류를 적절한 비율로 감쇠하여 출력 측으로 전달한다.

이를 통해 입력 측과 출력 측 간의 전압과 전류를 변환하고, 교류 전기 장치의 동작을 제어한다.

트랜스포머(260)는 전력 변환시 입력 전압을 적절하게 변환하고, 교류 전기 장치의 작동을 안정적으로 유지하기 위해 사용된다.

또한, 트랜스포머는 전력 손실을 최소화하고, 전기적 안정성을 제공한다.

상술한 IGBT 인버터(250)는 교류 PWM 스위칭 소자의 역할을 수행하고, 트랜스포머(260)는 고주파 몰드 변압기의 역할을 수행한다.

교류 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 소자는 전압을 변환하거나 제어하는 데 사용되는 전자 소자이며, MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체 소자로 구성된다.

이러한 교류 PWM 스위칭 소자는 교류 전원을 고주파 스위칭 신호로 변환하여 전압을 변환하거나 제어한다.

예컨대, 교류 PWM 스위칭 소자는 저전압 DC 전원을 고전압 DC 전원(10 ~ 15 ㎑)으로 변환하거나, 전류를 조절하거나, 전압을 안정화하는 데 사용된다.

또한, 고주파 몰드 변압기는 저주파 몰드 변압기보다 더 높은 주파수에서 작동하며, 이러한 높은 주파수는 작은 크기와 높은 효율성을 제공한다.

출력 브리지 컨버터(Output Bridge Converter; 270)는 트랜스포머(260)에 의해 변환된 신호를 정류하여 직류 신호로 변환시킨다.

즉, 출력 브리지 컨버터(270)는 2차 정류 다이오드의 역할을 수행한다.

IGBT 정류기(200)에서 출력 브리지 컨버터(270)는 IGBT 인버터(250)를 통해 변환된 고주파 교류 전원을 저주파 교류 전원으로 다시 변환한다.

출력 브리지 컨버터(270)는 다리 구조로 이루어져 있으며, 출력 측에서 공급되는 전류를 다리를 통해 적절하게 분배하여, 출력 전류를 안정적으로 제공한다.

이를 통해 교류 전기 장치의 작동을 안정적으로 유지하고, 전력 변환 효율을 높일 수 있다.

출력 브리지 컨버터(270)는 다양한 제어 방법을 사용하여 출력 전류를 조절할 수 있고, 이를 통해 교류 전기 장치의 속도, 회전 방향, 전류 등을 제어할 수 있다.

출력 필터(Out Filter; 280)는 출력 브리지 컨버터(270)에 의해 정류된 직류 신호의 고조파 및 잡음을 제거한다.

즉, 출력 필터(280)는 직류 리액터 리플 흡수용으로 양호한 품질의 직류로 전환시킨다.

IGBT 정류기(200)에서 출력 필터(280)는 출력 측에서 공급되는 교류 전원의 고파형을 제거하여, 안정적인 출력 전압을 유지한다.

출력 필터(280)는 콘덴서, 인덕터, 저항 등을 포함하며, 이에 의해 출력 측에서 발생하는 고파형을 감쇠하여, 안정적인 출력 전압을 생성하고, 교류 전기 장치의 작동을 안정적으로 유지한다.

출력 필터(280)는 고주파 교류 전원에서 저주파 교류 전원으로 변환하는 과정에서 발생하는 고파형을 감쇠시키는데 사용될 수 있고, 출력 측에서 발생하는 고파형을 제거하여, 안정적인 출력 전압을 유지하는데 사용될 수 있다.

DC 전류 센서(DC Current Sensor; 290)는 출력 필터(280)에 의한 출력 전류를 측정하여 후술하는 IGBT 제어 PCB(320)로 전달한다.

즉, DC 전류 센서(290)는 고정밀도의 전류 센서로 직류 전류를 검출한다.

IGBT 정류기(200)에서 DC 전류 센서(290)는 출력 측에서 공급되는 직류 전류의 크기와 방향을 측정한다.

DC 전류 센서(290)는 쇼트링크 형태로 구성되어 있으며, 이들 센서는 측정 대상 직류 전류를 감지하여, 출력 신호로 변환하는 역할을 수행한다.

DC 전류 센서(290)는 출력 측에서의 전류를 정확하게 감지할 수 있어, 교류 전기 장치의 안정적인 운전과 전력 변환 효율을 높일 수 있다.

DC 전류 센서(290)는 출력 전류를 측정하는 측정 코일과, 측정 코일에서 생성된 전압을 측정하는 측정 회로로 구성될 수 있다.

이를 통해 출력 전류를 정확하게 감지할 수 있다.

정류기 출력부(Rectifier Output; 300)는 출력 필터(280)에 의한 출력 전류의 전압 및 전류를 제어한다.

IGBT 정류기(200)에서 정류기 출력부(300)는 입력 측에서 공급된 교류 전압을 정류하여, 출력 측에 필요한 직류 전압을 공급한다.

이러한 정류기 출력부(300)는 IGBT 인버터(250)를 통해 변환된 교류 전압을 입력으로 받아, 출력 측에서 필요한 직류 전압을 공급하며, 이를 통해 안정적인 전력 변환을 수행할 수 있다.

정류기 출력부(300)는 전력 변환의 입력 전압으로 사용되므로, 전압과 전류의 크기와 방향을 정확하게 측정하여 제어하는 것이 중요하다.

이를 위해 DC 전류 센서(290)와, 후술하는 로드셀(310) 등의 센서를 사용하여 정확한 전류 측정과 부하 무게 측정을 수행한다.

로드셀(310)은 출력 필터(280)에 의한 출력 전류의 출력 부하 무게를 측정하여 후술하는 IGBT 제어 PCB(320)로 전달한다.

IGBT 정류기(200)에서 로드셀(310)은 출력 측의 부하 무게를 측정하는 역할을 수행한다.

이러한 로드셀(310)은 스트레인 게이지 형태로 구성될 수 있으며, 부하의 크기와 방향을 측정하여, 출력 신호로 변환하는 역할을 수행한다.

로드셀(310)은 출력 측의 부하 무게를 정확하게 측정하여, 교류 전기 장치의 안정적인 운전과 전력 변환 효율을 높일 수 있다.

로드셀(310)은 스트레인 게이지 형태로, 부하를 받는 센서 바디에 스트레인 게이지를 부착하여, 센서 바디가 변형될 때 스트레인 게이지에서 발생하는 전기 신호를 측정할 수 있다.

이를 통해 부하의 크기와 방향을 정확하게 측정할 수 있다.

IGBT 제어 PCB(320)는 IGBT 인버터(250)를 제어하기 위한 PCB이다.

IGBT 인버터(250)는 입력 측에서 공급된 교류 전압을 변환하여 출력 측에 공급한다.

이를 위해 IGBT 제어 PCB(320)는 입력 측의 교류 전압을 측정하고, 출력 측의 직류 전압과 전류를 측정하여, IGBT 인버터(250)를 정확하게 제어한다.

IGBT 제어 PCB(320)는 입력 측의 교류 전압을 측정하여 IGBT 인버터(250)의 출력을 조절하고, 출력 측의 직류 전압과 전류를 측정하여 과부하 및 과전압 상황을 감지한다.

또한, IGBT 제어 PCB(320)는 IGBT 제어 신호를 생성하고, 부하 무게를 측정하는 로드셀(310)과 통신하여 안전한 운전을 보장한다.

디지털 제어 시스템(Digital Controller System; 330)은 IGBT 인버터(250)를 제어한다.

디지털 제어 시스템(330)은 다양한 센서와 IGBT 제어 PCB(320)에서 전달되는 입력 신호를 수집하고, 이를 처리하여 적절한 출력 신호를 생성한다.

예컨대, 입력 측의 교류 전압, 출력 측의 직류 전압 및 전류, 부하 무게 등을 측정하고, 이를 바탕으로 IGBT 인버터(250)의 출력을 조절한다.

디지털 제어 시스템(330)은 IGBT 인버터(250)의 출력을 안정적으로 유지하고, 다양한 보호 기능을 제공하여 안전한 운전을 보장한다.

예컨대, 과전압, 과부하, 단락 등의 상황을 감지하여 IGBT 인버터(250)의 출력을 자동으로 제한하고, 부하 무게가 정상 범위를 벗어나는 경우에도 적절한 제어를 수행한다.

또한, 디지털 제어 시스템(330)은 컴퓨터와 통신하여 운전 상태를 모니터링하고, 조작자가 필요한 경우에 대응할 수 있도록 실시간 정보를 제공한다.

이를 통해 안정적인 운전과 효율적인 유지 보수를 가능하게 한다.

환언하면, 도 3에서 일례로, 입력된 3상 380 V 60 ㎐ 교류 전압이 다이오드를 거치고 브리지 정류 다이오드인 입력 브리지(210)를 거치면서 일차 직류로 출력된다.

그리고 브리지 정류 다이오드인 입력 브리지(210)를 거쳐 일차 정류된 직류는 다시 직류 리액터와 캐패시터를 거쳐 전류의　맥동(혹은 리플)이　작게되거나 또는 필터링되어 IGBT 인버터(250)로 입력된다.

IGBT 인버터(250)는 디지털 콘트롤러 시스템의 IGBT 제어 PCB(320)의 기능 제어에 의해 동작되어, 교류 PWM 스위칭 작용이 수행된다.

IGBT 인버터(250)는 양극 트랜지스터 4개로 구성되는데, 그 동작을 살펴보면 입력되는 펄스 혹은 삼각파의 처음 엣지에서 2개가 동작하여 사인 웨이브의 반을 구성하여 출력시키고, 나머지 2개가 펄스 혹은 삼각파의 처음 엣지에서 동작하여 사인 웨이브의 극성이 반대인 나머지 반을 출력시키므로, 고주파 몰드 변압기인 트랜스포머(260)로 입력될 때는 사인 웨이브의 교류 형태의 전압으로 변환되어 입력된다.

즉, 삼각파의 처음 부분에서 턴온되어 끝부분에서 턴오프될 때, 양극 트랜지스터 2개의 게이트로 동작 전류가 인가되고, 그에 따라 콜렉터에서 에미터로 전류가 흐름에 따라 양극 트랜지스터의 에미터에서 출력이 고주파 몰드 변압기인 트랜스포머(260)로 입력되게 된다.

마찬가지로 극성이 다른 삼각파에서 상기 동작과 반대로 동작하여 출력되게된다.

상술한 고주파 몰드 변압기는 IGBT 인버터(250)로부터 입력된 교류 전압을 다시 2차 정류하여 직류 전압으로 변환하여 직류 리액터인 출력 필터(280)로 출력시킨다.

직류 리액터(280)는 입력된 직류 전압을 2차로 처리하여 리플을 흡수 혹은 필터링한 후, DC 전류 센서(290)에서 로드셀(310)로 출력시킨다.

이때, DC 전류 센서(290)의 출력 전압 중 일부는 IGBT 제어 PCB(320)로 피드백되어 제어 기준 값으로 활용된다.

이렇게 하는 이유는 고전류의 직류 전압을 이용하여 에너지 효율이 좋은 고효율의 장비(예를 들어, 리튬 회수부)에 사용하기 위해서이다.

이와 같이 본 IGBT 정류기(200)는 고효율 저맥동형의 전원 장치로 소형화 및 리튬 회수에 특성화된 설비로 작은 장소에 여러 대를 구성하여 설치 운용이 가능하다.

또한, 기존의 SCR 정류기에 비해 높은 효율과 발열 손실이 적어 전력 절감을 가져 올 수 있으며, 정밀 정전압 및 정전류 운전이 가능하다.

즉, IGBT 정류기(200)는 스위칭 속도가 빠르고 효율적인 전력 변환을 가능하여 전압과 전류의 변화를 정밀하게 제어할 수 있다.

따라서 IGBT 정류기(200)를 사용하면 입력 전압이나 전류의 변화에도 민감하게 반응하여 안정적인 출력 전압과 전류를 제공할 수 있다.

특히, IGBT 정류기(200)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 사용하여 정밀한 전압 및 전류 운전이 가능하다.

PWM 제어 방식은 입력 신호의 점유율을 바꿈으로써 출력 신호의 전압이나 전류를 조절할 수 있는데, 이를 이용해 정확한 전압과 전류를 제어할 수 있다.

한편, 직류에서의 맥동률이 적어 리튬 회수시 SCR 정류기에 비해 회수량 증가 효과가 있다.

맥동률은 전류가 변하는 속도를 나타내는데, 직류에서 맥동률이 크면 전압이 불안정해져 리튬 회수 효율이 감소한다.

하지만, 본 IGBT 정류기(200)는 스위칭 속도가 빠르고 정확한 전압 제어가 가능하여 맥동률을 감소시킬 수 있다.

이를 통해 안정적인 전력 공급과 함께 리튬 회수량을 증가시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 높은 효율을 가짐과 아울러 발열 손실이 적어 전력 절감을 가지며, 정밀 정전압 및 정전류의 운전이 가능하고, 직류에서의 맥동율이 적어 리튬 회수시 실리콘 제어 정류기에 비해 리튬 회수량이 증가할 수 있는 효과가 있다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

100 : 리튬 회수부
200 : IGBT 정류기
210 : 입력 브리지
220 : 모터 제어용 콘택트
230 : 입력 필터
240 : 입력 커패시터
250 : IGBT 인버터
260 : 트랜스포머
270 : 출력 브리지 컨버터
280 : 출력 필터
290 : DC 전류 센서
300 : 정류기 출력부
310 : 로드셀
320 : IGBT 제어 PCB
330 : 디지털 제어 시스템
1000 : 리튬 회수 정류 장치

Claims (10)

1. 해수로부터 리튬을 회수하는 리튬 회수부; 및
   상기 리튬 회수부의 전기 분해가 수행되도록 AC 전원을 고전압 및 고전류의 DC 전원으로 변환시키는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기를 포함하고;
   상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
   입력되는 교류 전원을 정류하여 직류 신호로 변환시키는 입력 브리지(Input Bridge)와,
   상기 입력 브리지의 후단에 연결되고, 상기 입력 브리지로부터 정류되어 출력된 직류 신호에 포함된 고조파 및 전력 잡음을 제거하는 입력 필터(Input Filter)와,
   상기 입력필터의 후단에 연결되고, 상기 입력필터로부터 출력된 직류신호에 따른 전류를 저장하며, 전압의 변동을 감소시키는 입력 커패시터(Input Capacitor)와,
   상기 입력 커패시터의 후단에 연결되고, 입력 커패시터로부터 출력된 직류 신호를 교류형 패턴으로 변환시켜 출력 교류 신호를 생성하는 IGBT 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   리튬 회수 정류 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
   상기 교류 신호는 목표 출력 전압 및 전류에 도달하도록 전압 및 전류를 변환시키는 트랜스포머(Transformer)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   리튬 회수 정류 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
   변환된 신호를 정류하여 직류 신호로 변환시키는 출력 브리지 컨버터(Output Bridge Converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   리튬 회수 정류 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
   정류된 상기 직류 신호의 고조파 및 잡음을 제거하는 출력 필터(Output Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   리튬 회수 정류 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
   상기 출력 필터에 의한 출력 전류를 측정하여 전달하는 직류 전류 센서(DC Current Sensor); 및
   상기 출력 전류의 출력 부하 무게를 측정하여 전달하는 로드 셀(Load Cell);을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   리튬 회수 정류 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 정류기는,
    상기 출력 필터에 의한 출력 전류의 전압 및 전류를 제어하는 정류기 출력부(Rectifier Output)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    리튬 회수 정류 장치.
    

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