KR100520874B1 - 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서,
3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결되어, 상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성된 유도가열기용 전원 공급장치에 있어서, 상기 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는, 저항(RS)이 직렬 연결되며 제로-파워(Zero Power) 상태에서 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 상태로 탭 스위치 절체 시 부하측으로 전원을 일시 공급하도록 중간도통 제어되는 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬 연결된 전원 공급장치와 그 제어방법을 제공한다.

Description

교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치 및 그 제어방법 {POWER SUPPLY OF INDUCTION HEATING SYSTEM FOR IMPROVED CIRCULATION AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 용액 등의 보온을 위해서 사용되는 유도가열기에 전원을 공급하는 장치로서, 특히 기존의 하이-파워(High Power)/로-파워(Low Power) 온도 제어에 제로-파워(Zero Power) 제어를 추가함으로써, 유도가열기의 용액 교반 성능을 향상시킨 전원 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
아연 용액과 같은 금속 용액의 보온을 위해서 유도가열기(또는 유도로)가 널리 사용된다.
이러한 유도가열기에는 예를 들어 60Hz 정도의 주파수를 갖는 교류 전원이 인가되며, 이를 위하여 전원을 공급해주기 위한 전원공급 장치가 필요하다.
도 1은 종래의 유도가열기용 전원 공급장치의 일예를 나타낸 구성도이다.
예시된 전원 공급장치를 보면, 3상 전원을 받아서 단상의 유도가열기를 구동해 주기 위하여, 로-탭(Low Tap) 스위치 및 하이-탭(High Tap) 스위치가 설치되며, 그 후단으로 부하 측 상 밸런스 회로 및 유도가열기가 연결 구성된다.
보다 상세하게 보면, 3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되며, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 로-탭 스위치(S3,S6,S9) 및 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)가 각각 다단 탭으로 연결된다.
하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하(P)측에 연결시켜주는 역할을 하고, 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하(P)측에 연결시켜주는 역할을 한다.
상기 스위치의 출력단에 연결된 LPB와 CPB는 상평형을 위한 인덕터와 콘덴서를 각각 나타내며, 그 후단에 연결된 CFC는 부하의 역율을 단위 역율로 조절하기 위한 콘덴서를 나타낸다.
그 작동 과정을 보면, 유도가열기의 온도 신호를 감지하여 유도가열기의 온도가 규정 온도 이하로 떨어지면 하이-탭에 연결된 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)가 on 된다.
이와 반대로 유도가열기의 온도가 규정 온도 이상으로 올라가면 로-탭에 연결된 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 on 되면서 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 off 된다.
이런 방식으로 로-탭 또는 하이-탭을 선택하여 각 탭으로 절체 운전을 하게 된다.
도 2는 종래의 유도가열기용 전원 공급장치의 운전 시퀀스 그래프이다.
상술한 유도가열기의 정밀한 온도 제어를 위해서는 내부 용액의 원활한 교반이 필수적이다.
즉, 유도가열기의 로 내부 용액의 균일한 가열 및 보온을 위해서, 유도 가열 코일이 감겨져 있는 내부 부위가 가열되면 가열된 용액은 위로 대류하게 된다.
이러한 과정에서 교반이 확실히 이뤄지도록 온도 제어를 해야만 로 내부의 용액이 균일한 온도를 유지하게 된다.
이렇게 교반을 확실히 시키기 위해서는 로에 가해지는 전기적 파워(Power)의 차이를 크게 하면 할수록 유리하다.
그런데, 상술한 종래의 전원 공급장치는 로 내부 온도에 따라 하이-탭측 스위치 및 로-탭측 스위치가 번갈아 가며 부하측에 연결되는 구조로 되어있는바, 이러한 하이-파워(High Power)/로-파워(Low Power) 제어만으로는 유도가열기 내부의 교반을 확실히 시키는데에 일정한 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 용액 등의 보온을 위해서 사용되는 유도가열기에 전원을 공급하는 장치로서, 특히 기존의 하이-파워(High Power)/로-파워(Low Power) 온도 제어에 제로-파워(Zero Power) 제어를 추가함으로써, 유도가열기의 용액 교반 성능을 향상시킨 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 이러한 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치의 제어방법을 제공함을 또다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원 공급장치는, 3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결되어, 상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성된 유도가열기용 전원 공급장치에 있어서, 상기 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는, 저항(RS)이 직렬 연결되며 제로-파워(Zero Power) 상태에서 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 상태로 탭 스위치 절체 시 부하측으로 전원을 일시 공급하도록 중간도통 제어되는 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬 연결된다.
보다 바람직하게 본 발명의 전원 공급장치에서, 상기 각각의 하이-탭 및 로-탭, 중간도통 스위치(S1~S9)는, 반도체 소자인 SCR이 상호 반대 방향으로 병렬 연결된 SCR 양방향 스위치로 구성되며, 부하측으로부터 온도 신호를 받는 제어기(CL)에 의해 게이트 제어 신호를 받는다.
한편, 상기 또다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원 공급장치의 제어방법은, 3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결되어, 상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성되며, 상기 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는 저항(RS)이 직렬 연결된 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬 연결된 유도가열기용 전원 공급장치의 제어방법으로서, 로의 온도 상태에 따라 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 운전 상태에서 제로-파워(Zero Power) 상태로 절체한 후, 다시 하이-파워 또는 로-파워 상태로 탭 스위치 절체 시에, 상기 저항(RS) 및 중간도통 스위치(S1,S4,S7)를 통해 상기 로-파워 상태보다 낮은 전압의 전원을 부하측으로 일시 공급하도록 중간도통 제어한다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 유도가열기용 전원 공급장치의 구성도이다.
3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결된다.
상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성된다.
이러한 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는 저항(RS)이 직렬 연결된 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬로 연결된다.
이러한 중간도통 스위치(S1,S4,S7)는 제로-파워(Zero Power) 상태에서 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 상태로 탭 스위치 절체 시 부하측으로 전원을 일시 공급하도록 중간도통 제어된다.
보다 상세하게 설명하면, 종래의 유도가열기용 전원 공급장치는 절체 운전 시 부하측의 유도성 및 용량성 부하에 의한 과도현상을 제거하면서 로에 공급되는 전력을 크게 변화시켜서 로 내부의 용액 교반을 용이하게 한다.
여기에 제로-파워(Zero Power)를 추가하여 전원을 공급하면 유도가열기의 용액을 훨씬 더 용이하게 교반하여 균일한 온도 제어가 가능하다.
그러나, 종래의 전원 공급장치에 제로-파워 모드를 추가하려고 하면, 기본적으로 제로-파워에서 하이/로-파워로 절체 시에 전기적인 충격을 완화 시켜야 한다.
즉, 인위적으로 제로-파워를 만들어 주기 위하여 스위치를 모두 off 하게 되면, 부하 밸런스 회로의 L과 C에 있던 에너지가 내부적으로 방전되게 된다.
이러한 제로-파워 상태에서 로-파워나 하이-파워로 절체시키기 위해서는 다시 각각의 탭에 있는 스위치를 on 시켜야 한다.
이때 부하측 상 평형회로의 L과 C는 이미 방전상태이고, 전원 인가 시 C에 급격한 충전으로 인한 전기적 충격이 극심해지며, 이는 스위치에 아크를 발생시켜 스위치의 조기 마모를 초래하게 된다.
이러한 이유로 종래의 회로 그대로는 제로-파워 운전이 극히 곤란하므로, 본 발명에서는 저항(RS)이 직렬 연결된 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬로 연결되는 것이다.
한편, 각각의 하이-탭 및 로-탭, 중간도통 스위치(S1~S9)는, 반도체 소자인 SCR이 상호 반대 방향으로 병렬 연결된 SCR 양방향 스위치로 구성되는 것이 바람직하다.
즉, ACB(Air Circuit Breaker, 기중차단기)와 같은 기계식 스위치를 이용하는 경우에는 접점에 고압 스파크 현상이 발생하여 접점의 조기 마모가 초래되나, 이렇게 SCR 양방향 스위치로 구성되면 접점의 조기 마모가 방지되는 효과를 얻는다.
각각의 하이-탭 및 로-탭, 중간도통 스위치(S1~S9)는 부하측으로부터 온도 신호를 받는 제어기(CL)에 의해 게이트 제어 신호를 받도록 구성된다. 이러한 제어는 로의 온도 피드백으로 이뤄지며, 제어기(CL) 내부에서 기준 온도 신호와 감지 온도 신호를 비교하여 PI 제어가 이뤄진다.
이러한 구성을 갖는 본 실시예에 의한 전원 공급장치의 제어방법을 설명한다.
로의 온도 상태에 따라 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 운전 상태에서 제로-파워(Zero Power) 상태로 절체운전이 이뤄진다.
이 후, 로의 온도 상태 변화에 따라 다시 하이-파워 또는 로-파워 상태로 탭 스위치 절체 시에, 상기 저항(RS) 및 중간도통 스위치(S1,S4,S7)를 통해 상기 로-파워 상태보다 낮은 전압의 전원을 부하측으로 일시 공급하도록 중간도통 제어하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 유도가열기용 전원 공급장치의 운전 시퀀스 그래프이다.
로-파워나 하이-파워 운전에서 제로-파워 운전으로 변경할 때는 로-탭이나 하이-탭에 연결된 스위치를 off 한다.
이후, 제로-파워로 운전하다가 로-파워나 하이-파워로 운전 필요 시에는 먼저 저항(RS)을 통해서 필요한 에너지를 부하의 상평형 회로에 공급해준다.
저항(RS)을 통해서 전류가 제한되기 때문에 부하측 상평형 회로에 과도한 전류 및 전압 충격이 가해지지 않고 부드러운(Soft) 충전을 할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 일정 이상의 에너지가 상평형 회로에 공급된 이후에 저항(RS)에 연결된 스위치를 off 함과 동시에 하이-탭이나 로-탭에 연결된 스위치를 on 하여 필요한 파워를 부하로 공급해 준다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로 부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
이와 같은 본 발명은 적절한 저항과 스위치를 이용하여 로에 공급되는 파워를 큰 폭으로 변동시킬 수 있으므로, 로 내부의 용액 교반을 확실하게 하여 균일한 온도 제어를 할 수 있다.
또한, 본 발명은 유도가열기의 전원 공급장치의 스위칭 소자로서 반도체 소자인 SCR을 이용하여 무접점화를 구현하여, 빈번한 스위칭 작용에 의해 발생되었던 접점의 조기 마모를 방지한다.
도 1은 종래의 유도가열기용 전원 공급장치의 일예를 나타낸 구성도,
도 2는 종래의 유도가열기용 전원 공급장치의 운전 시퀀스 그래프,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 유도가열기용 전원 공급장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 유도가열기용 전원 공급장치의 운전 시퀀스 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
AC: 3상 전원 T1,T2,T3: 변압기
S1,S4,S7: 중간도통 스위치 S2,S5,S8: 하이-탭 스위치
S3,S6,S9: 로-탭 스위치 CL: 제어기
RS: 저항

Claims (3)

  1. 3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결되어, 상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성된 유도가열기용 전원 공급장치에 있어서,
    상기 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는, 저항(RS)이 직렬 연결되며 제로-파워(Zero Power) 상태에서 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 상태로 탭 스위치 절체 시 부하측으로 전원을 일시 공급하도록 중간도통 제어되는 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 하이-탭 및 로-탭, 중간도통 스위치(S1~S9)는, 반도체 소자인 SCR이 상호 반대 방향으로 병렬 연결된 SCR 양방향 스위치로 구성되며, 부하측으로부터 온도 신호를 받는 제어기(CL)에 의해 게이트 제어 신호를 받는 것을 특징으로 하는 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치.
  3. 3상 전원(AC)의 각 출력단에 변압기(T1,T2,T3)가 각각 연결되고, 각 변압기(T1,T2,T3)에는 하이-탭 스위치(S2,S5,S8) 및 로-탭 스위치(S3,S6,S9)가 각각 다단 탭으로 연결되어, 상기 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 하이-탭을 부하측에 연결시켜주고, 상기 로-탭 스위치(S3,S6,S9)는 각 변압기(T1,T2,T3)의 로-탭을 부하측에 연결시켜주도록 구성되며, 상기 각각의 하이-탭 스위치(S2,S5,S8)에는 저항(RS)이 직렬 연결된 중간도통 스위치(S1,S4,S7)가 병렬 연결된 유도가열기용 전원 공급장치의 제어방법으로서,
    로의 온도 상태에 따라 하이-파워(High Power) 또는 로-파워(Low Power) 운전 상태에서 제로-파워(Zero Power) 상태로 절체한 후, 다시 하이-파워 또는 로-파워 상태로 탭 스위치 절체 시에, 상기 저항(RS) 및 중간도통 스위치(S1,S4,S7)를 통해 상기 로-파워 상태보다 낮은 전압의 전원을 부하측으로 일시 공급하도록 중간도통 제어하는 것을 특징으로 하는 교반 증대형 유도가열기용 전원 공급장치의 제어방법.
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