KR100493337B1 - 고주파 펄스 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고주파 펄스 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공을 위해 금속 재료를 가소 상태로 만들거나, 또는 기계 부품 내의 미세 균열을 밀봉하여 그 기계적 특성을 복구시켜주는 고주파 및 고전류의 펄스를 제공하는 고주파 펄스 발진기에 관한 것이다. 본 발명의 고주파 펄스 발진기는 제어 가능한 정류기, 스위칭 섹션 및 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 가능한 정류기는 상기 제어 시스템으로부터의 제어 신호에 따라 교류 전류원으로부터의 교류 전류를 정류하여 스위칭 섹션에 공급하고, 상기 스위칭 섹션은 상기 제어 가능한 정류기로부터 출력된 전류를 이용하여 펄스 전류를 생성하며, 상기 제어 시스템은 상기 펄스 전류의 생성 개시/정지 및 리셋을 지시하고, 생성되는 펄스 전류의 주파수 및 진폭 지정 또는 변경을 지시하는 신호에 따라 상기 스위칭 섹션 및 상기 정류기를 제어함으로써, 사용자가 원하는 주파수 및 진폭을 갖는 펄스 전류가 생성되도록 한다. 여기서, 상기 스위칭 섹션은 생성되는 펄스 전류의 진폭을 증가시킬 수 있도록 연결되는 하나 이상의 스위칭 블록으로 구성된다. 이러한 고주파 펄스 발진기에서 발생된 펄스는 압연 장치 등에서 피가공물의 구조를 손상시키지 않고 제품을 가공할 수 있게 하는 등의 효과를 제공한다.

Description

고주파 펄스 발진기{HIGH-FREQUENCY PULSE OSCILLATOR}
본 발명은 고주파 펄스 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공을 위해 금속 재료를 가소 상태로 만들거나, 또는 기계 부품 내의 미세 균열을 밀봉하여 그 기계적 특성을 복구시켜주는 고주파 및 고전류의 펄스를 제공하는 고주파 펄스 발진기에 관한 것이다.
이하 본 발명에 따른 고주파 펄스 발진기가 사용될 수 있는 일 태양인 금속 가공 분야, 구체적으로는 압연 공정에 대하여 살펴보도록 한다. 금속을 롤(roll)사이를 통과시킴으로써 소성 변형을 유도하는 공정을 압연이라 부른다. 압연은 생산 속도가 높고 치수 정도의 제어가 용이한 소성 가공 공정의 하나로서, 주조나 단조 등에 비해서 생산비가 적게 들며 치수와 재질이 균일한 제품을 얻을 수 있으므로, 금속 가공 방법 중 가장 많이 사용된다. 압연 공정에 있어서, 피가공물은 롤 사이를 통과하는 동안 롤의 누르는 힘에 의하여 압축 응력을 받게 되고, 롤과의 계면에서는 마찰에 의한 전단 응력(shear stress)을 받게 된다. 여기서 마찰 응력은 피가공물을 롤 사이로 밀어넣는 역할을 한다.이러한 압연 공정에는 크게 두 가지가 있는데, 냉간 압연과 열간 압연이 그것이다. 주괴 등의 피가공물을 상온에서 압연하는 경우를 냉간 압연이라 하는 바, 보다 강도가 높고 치수 정도가 높은 제품, 즉, 박판, 스트립(strip), 박막(foil)같은 제품의 생산에 이용된다. 한편, 가열로를 사용하여 가열하고 압연하는 경우를 열간 압연이라 하며, 통상적으로 열간 압연에 의해서는 주괴로부터 블룸(bloom)과 빌릿(billet)을 만들고 그것을 더욱 열간 압연하여 판재, 박판재, 봉재, 관, 레일(rail) 혹은 구조용 형태로 만든다.
냉간 압연 방식은 상온에서 이루어지므로 스트립의 가열을 위한 특별한 설비가 필요 없다는 장점을 갖는다. 그러나, 압연율이 낮고, 철의 오스테나이트(Austenite) 또는 페라이트(Ferrite)조직이 마르텐사이트(Martensite) 조직으로 변하면서 발생하는 경화 현상을 제거하기 위하여 중간에 어닐링(annealing) 공정을 실시하여야 하므로, 전체 공정 시간이 길어지고 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 열간 압연 방식의 경우에는 금속 스트립을 가열로에서 가열해서 압연기로 이송시켜 압연을 행하는 것이 일반적인데, 이 때 가열 온도를 적정하게 하는 것이 상당히 중요하다. 즉, 가열 온도가 너무 낮으면 압연율이 떨어지고 압연기에 과대한 부하가 걸리는 등의 문제가 있다. 반면, 가열로에서 가열된 금속 스트립이 압연기까지 이송되는 과정에서 냉각되어 온도가 저하된다는 점을 감안하여 가열로에서의 가열 온도를 지나치게 높이면, 금속 스트립의 산화가 증가하고 에너지 손실이 초래된다는 문제가 생긴다. 이러한 사정을 고려하여, 열간 압연의 경우 가열로를 사용하지 않고 압연기 근처에서 금속 스트립을 가열하여 온도를 조절하는 방법이 채택되고 있는데, 이러한 가열 방법으로는, 고주파 유도 가열 방법과 전기 가열 방법을 들 수 있다.
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그러나, 고주파 유도 가열 방법을 이용하는 장치는 구조가 복잡하고, 고가이며, 대량의 전력을 소비하기 때문에 운전 경비가 많이 소요된다는 단점이 있다.
한편, 전기 가열 방법에 의한 압연은 전원 장치에 의해 상하측 작업롤 및 금속 스트립에 직류 전류를 통전시키면 작업롤 및 금속 스트립이 각각 자신의 고유의 전기 저항에 의해 가열되어 온도가 상승하게 되는 현상을 이용한 것으로서, 그 일례는 일본 특허공개공보 제1998-180317호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 종래의 전기 가열 방법에 의한 압연은 과다한 전류를 소모한다는 문제점이 있다. 실험적으로, 폭이 100㎜이고, 두께가 2㎜로서 단면적이 2㎠인 스틸 스트립(steel strip)을 전기 가열 압연함으로써 압연후 두께를 0.25 내지 0.3㎜로 구현하기 위해서는, 104A/㎠의 전류 밀도를 가지도록 전류를 통전시켜야 한다. 이 때, 직류 전류를 통전시키는 경우, 전류의 세기는 전류 밀도와 스트립의 단면적을 곱한 20㎄에 이르게 된다. 이외에도, 스틸 스트립이 대략 400℃ 내지 500℃ 정도로 과도하게 가열되므로, 대기중의 산소와 접촉하여 표면이 산화 및 변색되므로 금속 구조가 손상된다는 문제점을 가진다. 또한, 상하측 작업롤이 모두 전기 회로에 포함되므로, 전기 부식이 발생하여 작업롤의 수명이 단축되고, 내식성이 감소된다. 한편, 스틸 스트립으로부터의 열전달에 의한 소손을 방지하기 위해 별도의 마무리 열처리를 위한 냉각 장치가 필수적으로 구비되어야 하고, 이로 인해 작업 장소의 주변 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 문제도 있다.
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본 발명의 목적은 상술한 종래의 전기 가열 방법에서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 압연 방식을 제공하기 위한 고주파 펄스 발진기를 제공하고자 하는 것이다.본 발명의 또 다른 목적은, 기계 부품 내의 미세 균열을 밀봉하여 그 기계적 특성을 복구시켜주는 고주파 및 고전류의 펄스를 제공하기 위한 고주파 펄스 발진기를 제공하고자 하는 것이다.
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상술한 목적을 갖는 본 발명의 고주파 펄스 발진기는, 교류 전류원으로부터 공급되는 교류 전류를 정류하여 미리 정해진 파형의 전류를 출력하는 제어 가능한 정류기와, 하나 이상의 스위칭 블록으로 구성되고, 상기 선정된 파형의 전류로부터 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류를 생성하기 위한 스위칭 섹션과, 제1 제어 펄스 및 제2 제어 펄스를 생성하기 위한 제어 시스템을 포함하는 것으로서, 상기 하나 이상의 스위칭 블록은 상기 생성된 펄스 전류의 진폭이 증가되는 방식으로 연결되며, 상기 제1 제어 펄스는 상기 제어 가능한 정류기에 공급되어 상기 교류 전류의 정류를 제어하고, 상기 제2 제어 펄스는 상기 스위칭 섹션의 상기 하나 이상의 스위칭 블록에 각각 공급되어 상기 선정된 파형의 전류가 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류로 변환되도록 제어한다.상기 제어 시스템은, 상기 제1 제어 펄스를 생성하기 위한 펄스 위상 제어 시스템과, 상기 제2 제어 펄스를 생성하기 위한 전압 제어 발진기(VCO; Voltage-Controlled Oscillator)와, 상기 펄스 전류의 생성 개시(START), 정지(STOP) 및 리셋(RESET) 동작을 지시하는 신호에 따라 상기 펄스 위상 제어 시스템 및 상기 전압 제어 발진기를 제어하기 위한 보호/자동화 유닛과, 상기 교류 전류원으로부터 공급되는 교류 전류로부터 일정한 전원 전압을 생성하여 공급하고, 상기 펄스 위상 제어 시스템을 동기화하기 위한 신호를 제공하는 전원 공급 및 동기화 유닛을 포함할 수 있다.이 중 보호/자동화 유닛은, 개시(START) 동작 지시 신호를 수신한 경우, 스위치-온(SWITCH-ON) 신호를 생성하여 상기 전압 제어 발진기에 제공하고, 상기 제1 제어 펄스의 블로킹(blocking)의 해제를 상기 펄스 위상 제어 시스템에 지시하며, 정지(STOP) 동작 지시 신호를 수신하거나 상기 고주파 펄스 발진기의 동작 한계 전류의 초과를 감지한 경우, 상기 전압 제어 발진기에 대하여 상기 스위치-온 신호의 제공을 중단하고, 상기 펄스 위상 제어 시스템에 대하여 상기 제1 제어 펄스의 블로킹 및 상기 정류기의 반전(INV)을 지시하며, 리셋(RESET) 동작 지시 신호를 수신한 경우, 상기 동작 한계 전류가 초과되지 않고 상기 교류 전류원의 방전이 완전히 이루어졌음을 확인한 경우에만 상기 스위치-온 신호의 생성을 승인하는 것일 수 있다.상기 제어 시스템은, 상기 펄스 전류의 생성 개시(START), 정지(STOP) 및 리셋(RESET) 동작을 지시하고, 상기 펄스 전류의 주파수 및 진폭을 지정 및 변경하기 위한 신호들을 발생시키는 원격 및 국지 제어 패널, 상기 국지 제어 패널로부터의 국지/원격 선택 신호에 따라 상기 원격 또는 국지 제어 패널로부터 동작 지시 신호와 주파수 및 진폭을 지정하는 신호를 선택적으로 입력받는 선택기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 시스템은, 상기 제2 제어 펄스를 성형하기 위한 스위칭 섹션 제어용 펄스 성형기와, 상기 제1 제어 펄스를 성형하기 위한 정류기 제어용 펄스 성형기를 더 포함할 수도 있다.상기 제어 가능한 정류기는 사이리스터를 이용하여 구성되는 3상 정류기일 수 있으며, 이 경우 상기 제어 시스템으로부터 공급되는 상기 제1 제어 펄스는 상기 사이리스터의 제어 전극에 입력된다.상기 스위칭 섹션은 상기 펄스 전류가 공급되는 부하에 걸리는 전류를 측정하기 위한 전류 센서, 상기 펄스 전류가 상기 원하는 진폭을 갖게 하기 위한 펄스 변환기, 상기 제2 제어 펄스에 따라 상기 펄스 전류가 원하는 주파수를 갖게 하기 위한 스위칭 사이리스터를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 제어 시스템은 상기 전류 센서로부터 상기 부하에 걸리는 전류의 측정값을 입력받게 된다.이러한 구성에 의해, 본 발명의 고주파 펄스 발진기는 금속 가공을 위한 압연 장치 등에서는 종래와 같이 상하측 작업롤 및 금속 스트립(또는 기타 피가공물)에 연속적인 직류 전류를 통전시키는 대신 단속적인 펄스 전류를 공급함으로써, 계속적인 에너지의 공급으로 인해 피가공물의 온도가 과도하게 상승되는 것을 막을 수 있으며, 상하측 작업롤을 전기 회로에 포함시키는 대신 구리선 다발 등을 이용한 별도의 부하 접속 단자를 이용하여 피가공물에 직접 펄스 전류를 공급하므로 작업롤의 수명을 단축시키거나 내식성을 감소시키지 않게 된다.<실시예>이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 고주파 펄스 발진기에 대한 바람직한 실시예에 관하여 상세하게 설명하도록 한다.도 1은 본 발명에 따른 고주파 펄스 발진기(100)의 기본적인 구성 요소 및 이들의 연결 관계를 나타낸 개략도이다.도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 펄스 발진기(100)는, 본 고주파 펄스 발진기(100)에서의 펄스 전류 생성 개시/정지 및 리셋을 제어하고, 생성되는 펄스 전류의 주파수 및 진폭의 변경을 제어하기 위한 제어 시스템(500), 제어 시스템(500)으로부터의 제어 신호에 따라 교류 전류원(250)으로부터 공급된 교류 전류를 정류하여 미리 정해진 파형의 전류를 출력하는 제어 가능한 정류기(150) 및 제어 가능한 정류기(150)로부터 출력되는 전류를 이용하여 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류를 생성하는 스위칭 섹션(200)을 기본적으로 포함한다. 이렇게 생성된 펄스 전류는 부하(Rload)에 공급된다. 제어 시스템(500)과 스위칭 섹션(200)은 공통의 교류 전류원(250)에 연결되며, 교류 전류원(250)은 예컨대 380 내지 690V의 크기에 50 내지 60㎐의 주파수를 갖는 교류 전류를 제공할 수 있다.여기서, 제어 시스템(500)은 스위칭 섹션(200)에 포함된 스위칭 사이리스터의 제어 전극 및 애노드(anode)에 연결되어, 스위칭 사이리스터를 제어하기 위한 신호를 제공하는 한편, 스위칭 섹션(200)에 연결된 부하(Rload)에 걸리는 전류의 측정값을 스위칭 섹션(200)으로부터 수신하여, 부하(Rload)에 공급되는 전류에 따라 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 동작을 제어한다. 또한, 제어 시스템(500)은 사용자로부터 원격 또는 국지 제어 패널을 통해 입력된 명령에 기초하여 개시(START), 정지(STOP), 리셋(RESET), 펄스 주파수 설정(Fsetup) 및 펄스 진폭 설정(Isetup) 신호를 생성하며, 이에 따라 본 발명에 따른 펄스 발진기(100)에서의 펄스 전류 생성 개시, 정지, 리셋을 수행하며, 부하(Rload)에 공급되는 펄스 전류가 원하는 주파수 및 진폭을 가질 수 있도록 스위칭 섹션(200) 및 정류기(150)를 제어한다. 이러한 제어 시스템(500)의 구체적인 구성에 관해서는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.제어 가능한 정류기(150)는 사이리스터(UV)를 이용하여 구성되는 3상 정류기일 수 있으며, 이러한 경우 제어 시스템(500)은 정류기(150)의 사이리스터(UV)의 제어 전극에 연결되어 사이리스터(UV)를 제어하기 위한 신호(제1 제어 펄스)를 제공한다. 스위칭 섹션(200)은 제어 가능한 정류기(150)로부터 출력된 전류를 이용하여 제어 시스템(500)으로부터 공급되는 제어 신호(제2 제어 펄스)에 따라 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류를 생성하여 부하(Rload)에 공급하는 역할을 하는 바, 그 구체적인 구성의 예가 도 2에 정류기(150) 및 제어 시스템(500)과 함께 상세하게 도시되어 있다.도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 섹션(200)은 부하에 걸리는 전류를 측정하기 위한 전류 센서(DT), 부하에 공급되는 펄스 전류의 진폭을 변화시키기 위한 펄스 변환기(PT), 제어 시스템(500)으로부터의 제어 신호에 따라 부하에 공급되는 펄스 전류의 주파수를 변화시키기 위한 스위칭 사이리스터(VS)를 기본적으로 포함하며, 이밖에 발진기의 동작 개시시에 전류를 충전하기 위한 커패시터(C), 커패시터(C)를 충전시키는 전류를 제한하기 위한 평활 리액터(SR), 펄스 변환기(PT)를 통해 전달된 커패시터(C)의 방전 전류를 부하(Rload)에 공급하기에 앞서 정류하기 위한 방전 다이오드(VD0), 스위칭 사이리스터(VS)에 병렬로 연결되어 커패시터(C)의 방전후 스위칭 사이리스터(VS)가 역전압을 취하게 하기 위한 제1 스위칭 리액터(KR1) 및 출력 다이오드(VDB)를 더 포함하는 한편, 구리선 다발 등을 이용하는 제1 및 제2 출력 접촉부에 의해 부하(Rload)에 연결된다.이하 본 실시예에 따른 스위칭 섹션(200)의 구체적인 소자간 연결 관계를 도 2를 참조하여 살펴보도록 한다. 펄스 변환기(PT)를 중심으로 보았을 때, 도면에서 펄스 변환기(PT) 좌측에 있는 1차 권선의 상단에 있는 제1 입력은 제1 스위칭 리액터(KR1) 및 스위칭 사이리스터(VS)에 접속되고, 하단에 있는 제2 입력은 커패시터(C)의 하단에 있는 제2 폴 및 제어 가능한 정류기(150)의 출력 단자 중 하단의 제2 출력 단자에 접속된다. 우측에 있는 2차 권선의 상단에 있는 제1 출력은 출력 다이오드(VDB)를 통해 제1 출력 접촉부(210)에 접속되고, 2차 권선의 하단에 있는 제2 출력은 전류 센서(DT)의 1차 권선을 통해 제2 출력 접촉부(220)에 접속된다.그리고, 정류기(150)가 스위칭 섹션(200)에 연결되는 방식을 살펴보면, 정류기(150)의 출력 단자들 중 상단에 있는 제1 출력 단자는 평활 리액터(SR)를 통해 커패시터(C)의 상단에 있는 제1 폴 및 스위칭 사이리스터(VS) 및 방전 다이오드(VD0)의 반대측 입력들에 접속되며{방전 다이오드(VD0)의 출력은 제1 스위칭 리액터(KR1)에 접속됨}, 하단의 제2 출력 단자는 커패시터(C)의 하단에 있는 제2 폴 및 펄스 변환기(PT)의 좌측에 있는 1차 권선의 하단에 있는 제2 입력에 접속됨을 알 수 있다.한편, 스위칭 섹션(200)에는 동작 전류가 낮거나 부하(Rload)의 저항이 큰 경우에 대비하기 위해(예컨대 부하가 단속될 경우처럼 저항이 매우 큰 경우에도 대비), 예컨대 초크 코일 등을 이용한 제2 스위칭 리액터(KR2)가 더 포함될 수도 있으며, 펄스 변환기(PT)의 2차 권선의 출력 단자들과 평행하게 연결된다. 여기서, 부하 전류의 측정을 위해 전류 센서(DT)를 이용한다.지금까지 설명한 스위칭 섹션(200)은 하나의 블록(스위칭 블록)으로 구성되지만, 복수 개의 스위칭 블록을 연결하여 스위칭 섹션(200)을 구성할 수도 있다. 이렇게 복수 개의 스위칭 블록을 사용하여 스위칭 섹션을 구성하면, 다수의 커패시터(이른바 커패시터 뱅크)에 의해서 전류의 충전 및 방전이 이루어지므로, 보다 충전되는 전하의 양이 증가하고, 방전 전류가 통과하는 펄스 변환기의 수 또한 증가하기 때문에, 궁극적으로 본 발명의 발진기(100)에서 발생되는 펄스 전류의 최대 진폭을 증가시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 그 구체적인 구성을 살펴보자면, n개의 스위칭 블록들이 병렬로 연결된 스위칭 섹션의 일례가 도 3에, 직렬로 연결된 스위칭 섹션의 일례가 도 4에 도시되어 있음을 볼 수 있다.도 3을 참조하여, 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 스위칭 블록이 n개만큼 병렬로 연결되어 스위칭 섹션을 구성하는 경우를 살펴보면, 정류기(150)의 두 출력 단자들은 각각 상기 스위칭 블록 각각의 평활 리액터들(SR1 내지 SRn)의 입력(좌단) 및 커패시터들(C1-Cn)의 제2 폴(하단)과 평행하게 접속되고, 상기 스위칭 블록 각각의 출력 다이오드들(VDB1 내지 VDBn)의 출력 단자들(우단) 및 전류 센서들(DT1 내지 DTn)의 1차 권선들의 출력 단자들은 각각 제1 출력 접촉부(210)와 제2 출력 접촉부(220)에 평행하게 접속된다.이러한 스위칭 블록 연결 방식 대신, 도 4에는 n개의 스위칭 블록이 직렬로 연결되어 스위칭 섹션을 구성하는 경우가 도시되어 있다. 즉, n번째 스위칭 블록의 펄스 변환기(PTn)의 제2 권선의 제1 출력 단자(상단)는 출력 다이오드(VDB)를 통해 제1 접촉부에 접속되고, 제1 스위칭 블록의 펄스 변환기(PT1)의 제2 권선의 제2 출력 단자(하단)는 전류 센서(DT)의 1차 권선을 통해 제2 접촉부에 접속되고, 제1 내지 제n-1 스위칭 블록의 펄스 변환기(PT1 내지 PTn-1)의 제1 출력 단자는 각각 제2 내지 제n 스위칭 블록의 펄스 변환기(PT2 내지 PTn)의 제2 출력 단자에 접속됨을 알 수 있다.이러한 병렬 또는 직렬 연결 방식을 취함으로써 앞서 설명한 바와 같이 부하(Rlo ad)에 공급되는 펄스 전류의 최대 진폭을 증가시킬 수 있으며, 그 밖에 이러한 직렬 및 병렬 연결 방식의 조합이 사용될 수도 있다. 이처럼 복수의 스위칭 블록이 스위칭 섹션에 포함되는 경우, 정류기(150)는 전체적으로 1개일 수도 있지만 각 스위칭 블록에 개별적으로 포함될 수도 있다.이하 앞서 간략히 설명한 제어 시스템(500)의 구성을 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.도 5는 도 1 내지 도 4에서 스위칭 섹션(200)에 연결된 것으로 도시된 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 제어 시스템(500)의 구성을 상세히 나타낸 스위칭 블록도로서, 도시된 바와 같이 제어 시스템(500)은 안정된 전원 전압을 제어 시스템(500)의 모든 구성 요소에 제공하고 펄스 위상 제어 시스템(502)을 동기화하기 위한 신호(Usynch)를 제공하기 위한 전원 공급 및 동기화 유닛(501), 사용자가 지정하는 바에 따라 부하(Rload)에 공급되는 펄스 전류의 파라미터들이 설정되고 상기 펄스 전류가 안정화되도록 제어 가능 정류기(150)를 적절히 제어하기 위한 펄스(제1 제어 펄스)를 생성하는 펄스 위상 제어 시스템(502), 본 발명에 따른 고주파 펄스 발진기(100)에서의 펄스 전류 생성 개시, 정지 및 리셋을 지시하고 부하에 공급되는 펄스 전류의 주파수 및 진폭의 조정을 지시하기 위한 원격 및 국지 제어 패널(503 및 504), 국지 제어 패널(503)로부터의 국지/원격(Local/Remote) 선택 신호에 따라 원격 또는 국지 제어 패널로부터 선택적으로 제어 신호를 입력받는 선택기(505), 사용자에 의한 정지 명령 또는 동작 한계 전류를 초과하는 경우에 전압 제어 발진기(507)를 턴오프하고 펄스 위상 제어 시스템(502)에 제어 펄스의 블로킹을 지시하기 위한 보호/자동화 유닛(506), 스위칭 섹션(200)에 포함된 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn)의 제어를 위한 펄스(제2 제어 펄스)를 생성하는 전압 제어 발진기(VCO; 507), 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn) 및 정류기(150)를 제어하는 펄스(제1 및 제2 제어 펄스)를 성형하기 위한 펄스 성형기들(508 및 509)을 포함한다.여기서, 전원 공급 및 동기화 유닛(501)에 인가되는 교류 전류는 스위칭 섹션의 정류기(150)에 인가되는 전류와 동일하며, 전원 공급 및 동기화 유닛(501)은 이를 입력받아 안정된 전원 전압(±Vcc; 예컨대 ±15V)을 제어 시스템(500)의 모든 구성 요소에 제공하고, 또한 펄스 위상 제어 시스템(502)을 클록에 동기화시키기 위한 동기 신호(Usynch)를 생성하여 펄스 위상 제어 시스템(502)에 제공한다.한편, 원격 및 국지 제어 패널(503 및 504)은 사용자의 명령에 따라 부하(Rload)에 공급되는 펄스 전류의 주파수 및 진폭을 지정하거나 펄스 전류의 생성 개시/정지/리셋을 지시하는 신호(각각 Fsetup, Isetup, START, STOP, RESET에 해당)를 생성시키기는 역할을 하는 것으로서, 사용자는 원격 또는 국지 제어 패널(503 또는 504)에 구비된 입력 수단을 이용하여 원하는 명령을 입력하게 되고, 이에 따라 해당 신호들이 상기 선택기(505)에 공급된다. 즉, 일종의 리모콘 역할을 하는 원격 제어 패널(503)로부터는 Fremotesetup, Iremotesetup, STARTremote, STOPremote 및 RESETremote 신호가, 본 발명의 고주파 펄스 발진기(100) 자체에 부착된 국지 제어 패널(504)로부터는 Flocalsetup, Ilocalsetup, STARTlocal, STOPlocal 및 RESETlocal 신호가 생성되어 상기 선택기(505)에 공급된다.선택기(505)는 사용자가 국지 제어 패널 상에서 지정하는 국지/원격(Local/Remote) 명령에 따라 국지 제어 패널(504) 또는 원격 제어 패널(503) 중 어느 곳에서 제어 신호를 입력받을 것인지를 선택하고, 이에 따라 선택된 어느 한 쪽의 제어 패널로부터 공급받은 제어 신호에 기초하여 주파수 설정 신호(Fsetup)를 전압 제어 발진기(507)에, 진폭 설정 신호(Isetup)를 펄스 위상 제어 시스템(502)에, START, STOP 및 RESET 신호를 보호/자동화 유닛(506)에 각각 공급하는 역할을 한다.보호/자동화 유닛(506)은 START 명령에 따라 전압 제어 발진기(507)에 스위치 온(SWITCH-ON) 신호를 제공하는 한편, 회로가 견딜 수 있는 전류 한계를 초과하는 경우 이를 감지하는 보호 회로로부터의 신호에 기초하여 전압 제어 발진기(507)를 스위칭 오프(SWITCH OFF)하고, 그밖에 정류기(150)를 제어하기 위한 제어 펄스의 블로킹 및 정류기(150)의 반전(INV)을 지시하는 명령들을 생성하여 펄스 위상 제어 시스템(502)에 제공한다. 한편, 보호/자동화 유닛(506)에는 클록 신호로서 단자 타이밍(TT; Terminal Timing) 신호가 인가된다.전압 제어 발진기(507)는 선택기(505)로부터의 펄스 주파수 설정(Fsetup) 신호 및 보호/자동화 유닛(506)으로부터의 SWITCH-ON 신호에 기초하여 스위칭 섹션(200)에 포함된 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 Vsn)을 제어하기 위한 신호를 생성하여 이를 스위칭 사이리스터 제어용 펄스 성형기(508)에 공급한다.펄스 위상 제어 시스템(502)은 보호/자동화 유닛(506)으로부터의 제어 펄스 블로킹 명령 및 INV 명령, 그리고 선택기(505)로부터의 펄스 전류 진폭 설정(Isetup) 신호를 입력받고, 이에 기초하여 정류기(150)를 제어하기 위한 신호(제1 제어 펄스)를 생성하여 정류기 제어용 펄스 성형기(509)에 공급한다.스위칭 사이리스터 제어용 펄스 성형기(508)의 출력 단자는 상기 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn)의 제어 전극들 및 애노드들에 접속되어 상기 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn)을 제어하기 위한 신호(제2 제어 펄스)를 제공하고, 정류기 제어용 펄스 성형기(509)의 출력 단자는 상기 제어 가능한 정류기(150)에 포함된 사이리스터(UV)의 제어 전극에 접속되어 역시 정류기(150)의 사이리스터(UV)를 제어하기 위한 신호(제1 제어 펄스)를 제공한다.이하 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 있어서의 고주파 펄스 발진기(100)의 동작을 설명하기로 한다.
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우선 펄스 전류의 생성이 개시되어 펄스 전류가 부하에 공급되기까지의 과정을 설명하자면, 교류 전류가 전원 공급 및 동기화 유닛(501)과 정류기(150)에 인가되고, 사용자가 원격 또는 국지 제어 패널(503 또는 504)에 있는 주파수 설정 및 진폭 설정 기능을 이용하여 출력 펄스 주파수 및 진폭을 지정하면, 선택기는 한 쪽 제어 패널로부터 입력된 신호에 기초하여 개시(START) 명령을 생성하게 되고, 이 명령을 입력받은 보호/자동화 유닛(506)으로부터의 신호에 따라 펄스 위상 제어 시스템(502)에서 제어 펄스 블로킹(control pulse blocking)이 턴오프되면, 정류기 제어용 펄스 성형기(509)로부터 정류기(150)에 제1 제어 펄스가 전달되고, 이에 따라 정류기로부터 공급되는 전류{파형은 도 6의 (a) 참조}에 의해 커패시터들(C1 내지 Cn)이 전류 진폭 설정 신호(Isetup)에 의해 정의된 전압까지 충전된다. 여기서, 커패시터들(C1 내지 Cn)의 충전 동작을 위한 전류는 평활 리액터들(SR1 내지 SRn)에 의해 제한된다. 개시 명령을 내린 후 커패시터들(C1 내지 Cn)이 최초로 상기 전압까지 충전되기까지의 일정한 시간(예컨대 10 내지 15 msec)이 경과한 후에, 보호/자동화 유닛(502)으로부터의 스위치 온(SWITCH-ON) 명령에 의해 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn)을 제어하기 위한 펄스(제2 제어 펄스)의 생성이 전압 제어 발진기(507)에서 개시되고, 이에 따라 스위칭 사이리스터 제어용 펄스 성형기(508)로부터 스위칭 사이리스터 제어 신호가 스위칭 섹션(200)에 공급되면, 커패시터들(C1 내지 Cn)은 각각 펄스 변환기들(PT1 내지 PTn)을 통해 방전된다{커패시터들(C1 내지 Cn)의 충방전시 전압의 변화는 도 6의 (b) 참조}. 이들 펄스의 주파수는 원격/국지 제어 패널(503, 504)에서의 주파수 설정 신호(Fsetup)에 따라 정의된다. 커패시터들(C1 내지 Cn)로부터 방전되는 전류는 방전 다이오드들(VDB1 내지 VDBn)에 의해 정류되며, 이에 따라 부하(Rload)에 대한 동작 사이클이 설정된다. 커패시터들(C1 내지 Cn)이 방전되면 펄스 변환기 및 접속 배선들에 축적되었던 에너지는 역의 방전 다이오드들(VDO1 내지 VDOn)을 여는 데 사용되며, 스위칭 사이리스터들(VS1 내지 VSn)은 진폭 및 지속 시간이 스위칭 리액터들(KR11 내지 KR1n)의 파라미터들에 의존하는 역전압을 취하게 된다{도 6의 (c) 참조 참조}.이러한 동작에 따라 부하(Rload)에 공급되는 펄스 전류의 지속 시간은 커패시터들(C1 내지 Cn)의 커패시턴스에 의존하며(예컨대 80 내지 200㎲일 수 있음), 그 진폭은 병렬(도 3), 직렬(도 4), 또는 이들의 조합으로 된 스위칭 섹션을 이용함으로써 부드럽게 또는 단계적으로 변화한다{도 6의 (d) 참조}. 이러한 출력 펄스의 주파수 및 진폭은 설정 단계 및 통상적인 동작중에 원격 또는 국지 제어 패널(503 또는 504) 상의 부가적인 디스플레이를 이용하여 모니터될 수 있고, 필요한 경우 수정될 수 있다. 이러한 과정에 의해 생성된 펄스 전류는 펄스 변환기(PT1 내지 PTn) 및 접속 배선의 저항에 따라 스위칭 섹션(200)에 분배된다. 필요한 장소에, 스위칭 섹션(200)의 각 스위칭 블록에는 가변적인 부하 분포를 갖는 개별적인 제어 가능 정류기가 장착될 수 있다.한편, 작동이 정지되는 과정을 살펴보자면, 보호/자동화 유닛(506)이 선택기(505)로부터의 정지(STOP) 명령에 의해, 또는 보호 회로로부터의 신호에 따라 반전(INV) 명령을 생성하고(이는 정류기가 인버터로서 작동할 것을 요구함), 일정 시간(예컨대 10 내지 15 msec) 후에 전압 제어 발진기(507)를 턴오프하며, SWITCH-ON 명령을 종료하고 제어 펄스 블로킹 명령을 펄스 위상 제어 시스템(502)에 전달한다. 이러한 동작에 의해 전류원에 축적된 에너지가 확실하게 방전될 수 있다. 이처럼 통상적인 스위칭 오프(STOP 명령에 의함)시에 전류원은 즉시 스위치 온될 수 있지만, 과전류로 인해 보호 회로가 관여하였던 경우에는 스위치 온에 앞서 사용자가 반드시 리셋(RESET) 명령을 내리도록 하여 보호/자동화 유닛(506)으로부터의 신호를 승인받도록 함으로써, 방전이 확실히 이루어진 후 스위치 온이 이루어질 수 있도록 한다.상술한 구성에 따르면, 앞서 예시한 사양을 갖는 소자들을 구비한 단일 섹션은 예컨대 전류 세기 20kA, 전압 크기 100V, 지속 시간 80 내지 200㎲ 및 주파수 0 내지 1000㎐인 펄스로 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 구성의 적절한 변형을 통해 다른 파라미터를 갖는 펄스를 만들어 낼 수도 있다.본 발명에 따른 고주파 펄스 발진기는 앞서 예시한 바와 같은 특성을 갖는 고주파의 펄스 전류를 압연 장치 등의 피가공물에 직접 통전시킬 수 있기 때문에, 종전과 같이 지속적인 고전류의 공급으로 인한 열발생을 방지하므로 냉각 장치가 필요 없게 되고, 부품의 소손을 방지하게 되는 것이다.이와 같은 구성에 따라 본 발명의 고주파 펄스 발진기가 작동하게 되지만, 상술한 구체적인 구성은 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이며, 이 밖에 본 명세서 및 청구범위로부터 도출될 수 있는 범위에서 이러한 구성의 변형 및 응용이 가능하다는 점에 유의하여야 할 것이다.
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본 발명의 고주파 펄스 발진기는 상술한 구성 및 동작에 의해 고주파 및 고전류의 펄스를 제공할 수 있으며, 이러한 펄스는 전기 가열식 압연 장치 등에서 전력 소비를 적게 하면서도 제품의 수명을 단축시키지 않고 금속 자재의 구조를 손상시킴이 없이 금속 스트립 또는 와이어 등을 가공할 수 있도록 해 줌은 물론, 큰 부하가 걸려 기계적 피로로 인한 내부 균열이 발생한 부품에 인가되어 내부의 미세 균열을 밀봉함으로써 해당 부품의 기계적 특성을 복구시키는 효과를 제공할 수도 있다. 또한, 전반적인 강도를 저하시키지 않고도 응력이 집중되는 금속 부품에서 연성이 향상된 상태로 어닐링 영역을 설정함으로써, 주 구조체의 서비스 수명을 연장시키기 위한 용도로 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 기본적 구성 요소 및 이들의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 스위칭 섹션의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 고주파 펄스 발진기에 있어서 도 2의 스위칭 블록을 병렬로 연결하여 스위칭 섹션을 구성한 일 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 고주파 펄스 발진기에 있어서 도 2의 스위칭 블록을 직렬로 연결하여 스위칭 섹션을 구성한 일 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 제어 시스템을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 고주파 펄스 발진기의 각 구성 요소에서 출력되는 전압의 파형을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
SRn : 평활 리액터VD0n : 방전 다이오드KR1n : 제1 스위칭 리액터KR2n : 제2 스위칭 리액터PTn : 펄스 변환기DTn : 전류 센서VDBn : 출력 다이오드Cn : 커패시터VSn : 스위칭 사이리스터UV : 정류기 사이리스터100 : 고주파 펄스 발진기150 : 제어 가능 정류기200 : 스위칭 섹션500 : 제어 시스템501 : 전원 공급 및 동기화 유닛
502 : 펄스 위상 제어 시스템
503 : 원격 제어 패널
504 : 국지 제어 패널
505 : 선택기
506 : 보호/자동화 유닛
507 : 전압 제어 발진기(VCO)
508 : 스위칭 사이리스터 제어용 펄스 성형기
509 : 정류기 제어용 펄스 성형기

Claims (11)

  1. 교류 전류원으로부터 공급되는 교류 전류를 정류하여 선정된 파형의 전류를 출력하는 제어 가능한 정류기와,
    하나 이상의 스위칭 블록으로 구성되고, 상기 선정된 파형의 전류로부터 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류를 생성하기 위한 스위칭 섹션 - 상기 하나 이상의 스위칭 블록은 상기 생성된 펄스 전류의 진폭이 증가되는 방식으로 연결됨 - 과,
    제1 제어 펄스 및 제2 제어 펄스를 생성하기 위한 제어 시스템 - 상기 제1 제어 펄스는 상기 제어 가능한 정류기에 공급되어 상기 교류 전류의 정류를 제어하고, 상기 제2 제어 펄스는 상기 스위칭 섹션의 상기 하나 이상의 스위칭 블록에 각각 공급되어 상기 선정된 파형의 전류가 원하는 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 전류로 변환되도록 제어함 -
    을 포함하는 고주파 펄스 발진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은
    상기 제1 제어 펄스를 생성하기 위한 펄스 위상 제어 시스템과,
    상기 제2 제어 펄스를 생성하기 위한 전압 제어 발진기와,
    상기 펄스 전류의 생성 개시(START), 정지(STOP) 및 리셋(RESET) 동작을 지시하는 신호에 따라 상기 펄스 위상 제어 시스템 및 상기 전압 제어 발진기를 제어하기 위한 보호/자동화 유닛과,
    상기 교류 전류원으로부터 공급되는 교류 전류로부터 일정한 전원 전압을 생성하여 공급하고, 상기 펄스 위상 제어 시스템을 동기화하기 위한 신호를 제공하는 전원 공급 및 동기화 유닛
    을 포함하는 고주파 펄스 발진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 섹션은 상기 펄스 전류가 공급되는 부하에 걸리는 전류를 측정하기 위한 전류 센서, 상기 펄스 전류가 상기 원하는 진폭을 갖게 하기 위한 펄스 변환기, 상기 제2 제어 펄스에 따라 상기 펄스 전류가 상기 원하는 주파수를 갖게 하기 위한 스위칭 사이리스터를 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 전류 센서로부터 상기 부하에 걸리는 전류의 측정값을 입력받는 고주파 펄스 발진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 펄스 전류의 생성 개시(START), 정지(STOP) 및 리셋(RESET) 동작을 지시하고, 상기 펄스 전류의 주파수 및 진폭을 지정 및 변경하기 위한 신호들을 발생시키는 원격 및 국지 제어 패널, 상기 국지 제어 패널로부터의 국지/원격 선택 신호에 따라 상기 원격 또는 국지 제어 패널로부터 동작 지시 신호와 주파수 및 진폭을 지정하는 신호를 선택적으로 입력받는 선택기를 더 포함하는 고주파 펄스 발진기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 보호/자동화 유닛은,
    개시(START) 동작 지시 신호를 수신한 경우, 스위치-온(SWITCH-ON) 신호를 생성하여 상기 전압 제어 발진기에 제공하고, 상기 제1 제어 펄스의 블로킹(blocking)의 해제를 상기 펄스 위상 제어 시스템에 지시하며,
    정지(STOP) 동작 지시 신호를 수신하거나 상기 고주파 펄스 발진기의 동작 한계 전류의 초과를 감지한 경우, 상기 전압 제어 발진기에 대하여 상기 스위치-온 신호의 제공을 중단하고, 상기 펄스 위상 제어 시스템에 대하여 상기 제1 제어 펄스의 블로킹 및 상기 정류기의 반전(INV)을 지시하며,
    리셋(RESET) 동작 지시 신호를 수신한 경우, 상기 동작 한계 전류가 초과되지 않고 상기 교류 전류원의 방전이 완전히 이루어졌음을 확인한 경우에만 상기 스위치-온 신호의 생성을 승인하는 고주파 펄스 발진기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 제2 제어 펄스를 성형하기 위한 스위칭 섹션 제어용 펄스 성형기와, 상기 제1 제어 펄스를 성형하기 위한 정류기 제어용 펄스 성형기를 더 포함하는 고주파 펄스 발진기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭 섹션은 방전 다이오드, 평활 리액터, 제1 스위칭 리액터, 출력 다이오드, 커패시터를 더 포함하고,
    상기 펄스 변환기의 1차 권선의 제2 입력은 상기 커패시터의 제2 폴에 접속되며, 상기 펄스 변환기의 2차 권선의 제1 출력은 상기 출력 다이오드를 통해 상기 부하의 접속을 위한 제1 출력 접촉부에 접속되고, 상기 펄스 변환기의 2차 권선의 제2 출력은 상기 전류 센서의 1차 권선을 통해 상기 부하의 접속을 위한 제2 출력 접촉부에 접속되며,
    상기 방전 다이오드의 출력은 상기 제1 스위칭 리액터를 통해 상기 스위칭 사이리스터 및 상기 펄스 변환기의 1차 권선의 제1 입력에 접속되고,
    상기 제어 가능한 정류기의 제1 출력 단자는 상기 평활 리액터를 통해 상기 커패시터의 제1 폴 및 상기 스위칭 사이리스터 및 상기 방전 다이오드의 반대측 입력들에 접속되며, 제2 출력 단자는 상기 커패시터의 제2 폴 및 상기 펄스 변환기의 1차 권선의 제2 입력에 접속되는 고주파 펄스 발진기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 섹션은 제2 스위칭 리액터를 더 포함하고,
    상기 제2 스위칭 리액터는 상기 펄스 변환기의 2차 권선과 평행하게, 상기 전류 센서의 1차 권선의 제1 입력 및 상기 출력 다이오드의 애노드에 연결된 고주파 펄스 발진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 가능한 정류기는 사이리스터를 이용하여 구성되는 3상 정류기이고,
    상기 제1 제어 펄스는 상기 사이리스터의 제어 전극에 입력되는 고주파 펄스 발진기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 섹션은 n개의 동일한 스위칭 블록을 포함하며,
    상기 정류기의 출력 단자들은 각각 상기 스위칭 블록 각각의 평활 리액터들의 입력 및 커패시터들의 제2 폴과 평행하게 접속되고,
    상기 스위칭 블록 각각의 출력 다이오드들의 출력 단자들 및 전류 센서들의 1차 권선들의 출력 단자들은 각각 상기 제1 출력 접촉부 및 제2 출력 접촉부에 평행하게 접속되는 고주파 펄스 발진기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 섹션은 n개의 동일한 스위칭 블록을 포함하며,
    n번째 스위칭 블록의 펄스 변환기의 제1 출력 단자는 출력 다이오드를 통해 상기 제1 출력 접촉부에 접속되고,
    제1 스위칭 블록의 펄스 변환기의 제2 출력 단자는 전류 센서의 1차 권선을 통해 상기 제2 출력 접촉부에 접속되고,
    제1 내지 제n-1 스위칭 블록의 펄스 변환기의 제1 출력 단자는 각각 제2 내지 제n 스위칭 블록의 펄스 변환기의 제2 출력 단자에 접속되는 고주파 펄스 발진기.
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