권영민
(Young-Min Kwon)
1iD
황민욱
(Min-Wook Hwang)
1iD
배성우
(Sungwoo Bae)
†iD
-
(Doctor’s course, Dept. of Electrical Engineering, Hangyang University, Seoul, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Dielectric barrier discharge, Flow control, Plasma actuator, Sliding discharge
1. 서 론
항공기, 철도차량 등 고속으로 운전되는 기기뿐만 아니라 풍력발전기의 블레이드 등 회전하는 기기에 발생하는 공기의 저항은 속도 상승의 한계와 운전 중
손실의 증가를 초래하게 된다. 이런 한계점을 해결하기 위한 방법으로 수동적인 저감법인 기체의 형상설계에 의한 연구가 주를 이루어 왔으나, 2000년대
초반부터는 능동적으로 공기의 흐름을 제어하여 고속으로 운전되는 기체에 발생되는 난류 등에 의한 공기저항을 저감시키는 연구가 활발히 이루어져 왔다.
특히, 공기의 흐름을 능동적으로 제어하는 방법 중 대표적인 플라즈마 액추에이터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 플라즈마 액추에이터에는 DBD
(Dielectric Barrier Discharge) 방식과 SD (Sliding Discharge) 방식이 있으며, 특히 구조가 간단한 DBD
플라즈마 액추에이터에 대한 연구로는 항공기 기체에 발생되는 난류를 제어하기 위한 응용 연구[1-3], 고속철도에 적용을 위한 연구[4], 유동 특성에 대한 모델링 및 시뮬레이션 연구[5, 6], 플라즈마 액추에이터의 구조에 따른 유동 특성 연구[7, 8] 등 다양한 연구가 이루어지고
있다. 하지만 DBD 플라즈마 액추에이터는 한쪽 방향에 대해서만 유동제어가 가능하여 다양한 상황 및 구조에 적용이 불가능 하다는 한계점을 나타내고
있다.
SD 플라즈마 액추에이터는 3개의 전극과 입력 전원이 교류, 직류의 두 가지로 DBD 플라즈마 액추에이터보다는 구성요소가 복잡하다는 단점이 있지만,
유도흐름의 유속이 빠르며, 다양한 유동제어가 가능하다는 장점으로 현재는 많은 연구가 이루어지고 있다[9-11]. 하지만 두 가지 전원에 따른 동작 분석, 전극 구조에 따른 전원과의 관계 분석 등 다양한 경우의 분석 자료의 부족으로 최적화의 한계를 나타내고
있으며, 그에 따른 다양한 분야의 적용에 한계를 나타내고 있다. 그러므로 다양한 조건의 가변이 가능한 전원의 설계 및 실험 구성을 통한 분석이 필요하다.
본 논문에서는 다양한 조건의 실험분석을 위한 구성으로 가변이 가능한 교류, 직류전원을 설계, 제작 및 전극을 제작하여 다양한 조건의 분석을 위한 실험
장치를 구성하였다.
2. SD 플라즈마 액추에이터 구성 및 동작
SD 플라즈마 액추에이터의 구조 및 동작 시스템에 대한 구성은 Fig. 1과 같으며, 전극이 3개로 유전체를 기준으로 위에 2개의 전극이 아래에 1개의 전극이 위치한다. 입력되는 전원은 고전압, 고주파수 교류전원과 음의
직류전원으로 구성이 된다. 동작은 1차적으로 고전압, 고주파수 교류전원에 의하여 플라즈마를 생성되며, 교류전원에 의해서 발생되는 유도흐름은 Fig. 1에서 보는 것과 같이 위 방향으로 생성된다. 유전체 위의 전극에서 발생되는 유도흐름에 의하여 상승하는 유도흐름을 만들어 낸다. 그리고 고전압 직류전원을
입력함으로써 수평방향의 유도흐름을 생성하게 된다. 이와 같이 SD 플라즈마 액추에이터는 다양한 유도흐름을 생성할 수 있으므로 다양한 분야에 응용이
가능하게 된다.
Fig. 1. Configuration of SD plasma actuator
3. 실험 장치 구성
3.1. 전원 설계
SD type 플라즈마 액추에이터의 구동을 위해서는 Fig. 1에서 보는 것과 같이 고주파수, 고전압 교류 전원과 고전압 직류 전원이 필요하며, AC, DC 전원의 공급에 따라 다른 유도 흐름을 나타내는 장점이
있다. 그러므로 각 전원에 설계가 필요하다.
Fig. 2. (a) Configuration of high-voltage, high-frequency AC power supply and high-voltage
DC power supply for SD plasma actuator, (b) Circuit model of high-voltage, high-frequency
AC power supply and high-voltage DC power supply
첫 번째로 고주파수, 고전압 교류 전원 설계에 대한 구성도와 회로도는 Fig. 2와 같다. 상용 단상 전원 220V, 60Hz에서 하프 브리지 인버터의 출력 전압이 220V가 되도록 하기 위하여 정류회로의 출력 전압이 약 440V가
되도록 변압비 220/310의 변압기를 사용하였다. 그리고 IGBT 반도체 스위치를 이용한 하프 브리지 인버터회로를 구성하였으며, 인버터 출력은 전압
220V, 주파수 4kHz에서 40kHz까지 가변이 가능하도록 설계하였다. 그리고 플라즈마 액추에이터에 고전압을 인가하기 위하여 변압비 220/10k의
변압기를 구성함에 따라 출력전압이 최대 10kV, 주파수는 4kHz에서 40kHz가변의 출력이 가능하도록 하는 고전압, 고주파수 교류 전원장치를 제작하였다.
Fig. 3(a)는 고전압, 고주파수 교류전원의 실 제작된 사진이다.
두 번째로 고전압 직류전원 구성에 대한 개념도와 회로도는 Fig. 2에서 보는 것과 같이 Cockcroft-Walton 회로를 이용하였다. Cockcroft-Walton 회로는 직류 고전압을 얻기 위한 방법으로는 단순한
원리와 단순한 구조의 장점을 나타낸다. 제작된 고전압 직류전원장치는 Cockcroft- Walton 회로 18단으로 구성되며, 실 제작된 전원은 Fig. 3(b)와 같다. 전원제작에 사용된 커패시터는 130nF, 1kV를 사용하였다.
Fig. 3. Picture of Power supply system (a) High – frequency, high – voltage AC power
supply, (b) High – voltage DC power supply
각 전원의 측정 출력파형은 Fig. 4와 같다. 고주파수, 고전압 교류전원에 대한 출력파형은 Fig. 4(a)로 출력 전압파형은 약 10kV의 준 구형파를 나타내고, 주기가 약 100μs로 주파수 10kHz를 확인할 수 있다. 그리고 Fig. 4(b)는 고전압 직류전원의 출력파형을 나타낸 것으로 약 6kV를 확인할 수 있다.
Fig. 4. Voltage waveform (a) High – frequency, high – voltage AC power supply system
(Max. 10kV, 10kHz), (b) High – voltage DC power supply (Max. 6kV)
3.2. 플라즈마 액추에이터 설계
플라즈마 액추에이터는 플라즈마 생성에 의한 이온 흐름을 이용하여 유동을 제어하게 된다. SD 플라즈마 액추에이터는 DBD 플라즈마 액추에이터보다 대면적의
플라즈마가 발생하며, 전원의 조합에 의하여 다양한 유동을 생성할 수 있다는 장점이 있다. SD 플라즈마 액추에이터는 Fig. 1에서 보는 것과 같이 유전체를 기준으로 노출되는 전극 2개와 유전체 반대편의 전극으로 구성된다. 그리고 플라즈마는 노출된 전극 2개 사이에서 대면적으로
생성되게 된다. 제작된 플라즈마 액추에이터는 Fig. 5(a)에서와 같다. 전극의 길이는 약 10cm이며, 전극의 간격은 15mm로 설계하였다. 노출된 두 전극은 음의 직류 공급 전극과 접지단자이며, 교류 공급
전극은 유전체의 반대편 전극이다. 그리고 직류와 접지의 전극 폭은 5mm이며, 교류 전극 폭은 노출 전극의 간격과 같은 폭을 나타낸다. 전극 간 아크
발생을 방지하기 위하여 전극의 끝을 곡선으로 처리하였으며, 교류의 인가전압을 높이기 위하여 유전체의 두께를 Kapton 두께 0.05mm 3장을 겹쳐서
사용하였다. Fig. 5(b)에서 보는 플라즈마 액추에이터는 안정적인 플라즈마 발생을 위한 모델로서 반원형 톱니 전극 구조를 나타낸다.
Fig. 5. Shape of SD plasma actuators electrodes (a) Straight shape, (b) Semicircular
sawtooth shape
Fig. 5(a)와 같은 전극의 구조에 교류전원은 전압 약 10kV에 주파수 5kHz, 10kHz, 20kHz, 30kHz로 변경하여 전원을 인가하여 플라즈마가 생성된
사진은 Fig. 6(a)와 같다. 주파수 5kHz와 20kHz에서 대면적의 플라즈마가 생성된다. 직류 전원 인가에 의하여 플라즈마 액추에이터의 플라즈마 발생은 Fig. 6(b)와 같다. 직류 전원을 인가함에 따라 필라멘트 현상이 더 활발하게 발생함을 확인할 수 있다.
Fig. 6. Photo of plasma actuator with frequency change (a) Input DC 0V, (b) Input
DC – 6kV
3.3. 플라즈마 액추에이터에 의한 유동
SD type 플라즈마 액추에이터의 동작은 전원에 의하여 2단계로 구분된다. 고전압 교류전원에 의하여 플라즈마 액추에이터의 수직방향으로의 유도흐름을
생성하며, 고전압 교류전원에 직류전원을 동시에 인가함에 따라 플라즈마 액추에이터의 수평방향으로 유도흐름을 생성하게 된다. 이와 같은 전원에 의한 유도흐름을
확인하기 위하여 연기실험을 하였다.
Fig. 7은 연기실험에서 입력전원에 따른 연기의 흐름의 변화를 확인할 수 있다. Fig. 7(a)는 입력전원이 없는 상태로 연기가 경사면을 타고 상승하는 모습을 확인할 수 있다. Fig. 7(b)는 고전압 교류전원을 입력한 모습으로 유동의 흐름이 상승하는 모습을 확인할 수 있다. 마지막으로 Fig. 7(c)에서는 고전압 교류와 직류를 입력한 실험 장면으로 수평방향으로 연기가 빨려가는 것을 확인할 수 있다. 이는 연기의 분포에서 Fig. 7(b)보다 Fig. 7(c)에서 수평방향으로 더 멀리 연기가 확산되며, 위에 연기의 밀도가 감소되는 것으로 유동흐름이 플라즈마 액추에이터에 의하여 수평방향으로 작용함을 확인할
수 있다. 제작된 고전압, 고주파수 교류전원과 고전압 직류전원을 이용할 경우 플라즈마 액추에이터의 최적화 및 다양한 응용 연구가 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 7. Experiment results (a) Air flow, (b) Induced flow by Input AC power supply,
(c) Induced flow by Input AC, DC power supply
4. 결 론
본 논문에서는 연속적인 유동제어가 가능하고 입력전원의 조합에 의하여 다양한 유도흐름을 나타내는 SD 플라즈마 액추에이터 동작을 위한 실험과 분석을
수행하였다. SD 플라즈마 액추에이터에는 고전압, 고주파수 교류전원과 고전압 직류전원이 사용됨에 따라 그에 따른 전원설계를 실시하였다. 교류전원은
전압이 최대 10kV, 주파수 4∼40kHz의 가변이 가능하도록 제작하였으며, 직류전원은 최대 6kV의 출력이 되도록 제작하였다. 플라즈마 액추에이터의
구동에 대한 적합성 여부를 검증하기 위하여, 연기실험을 통하여 SD 플라즈마의 유동 생성과 동작 특성을 확인하였다. 실험결과에서 교류 고전압 인가
시, 유동의 흐름이 상승하며, 이때 직류 고전압을 추가함에 따라 수평방향으로 유동의 흐름이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 통해 제작된 전원과 실험
구성이 플라즈마 액추에이터 유동 특성 분석에 유효하다고 판단할 수 있다. 제작된 전압 및 주파수 가변 전원을 이용하여 플라즈마 액추에이터의 최적화와
다양한 응용연구가 가능할 것으로 생각된다.
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Biography
He received the B.S. degree in electrical engineering from Tech University of Korea,
Gyeonggi-do, South Korea, in 2007 and the M.S. degree in electrical engineering from
Hanyang University, Seoul, South Korea, in 2019, where he is currently pursuing the
Ph.D. degree. His current research interests include power system, industrial manufacturing
and its applications.
He received the B.S. degree in electrical engineering from National Institute for
Lifelong Education, Seoul, South Korea, in 2015 and the M.S. degree in electrical
engineering from Hanyang University, Seoul, South Korea, in 2018, where he is currently
pursuing the Ph.D. degree. His current research interests include power system and
its applications.
He received the B.S. degree from Hanyang University, Seoul, Korea, and the M.S.E.
and Ph.D. degrees from the University of Texas at Austin, USA, all in electrical engineering,
in 2006, 2009, and 2011, respectively. From 2012 to 2013, he was a senior research
engineer with Power Center at Samsung Advanced Institute of Technology. From 2013
to 2017, he was with Yeungnam University. He has been a Professor in the dept. of
electrical engineering at Hanyang University, Seoul, Korea since 2017.