KR100907318B1 - 와인딩 히터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박, 육상 등의 산업 전반에 사용되는 3상 교류(AC)모터가 정지상태에 있을 때, 상기 3상 AC 모터 권선에 연결된 AC 입력 전압주파수의 1/2 주기(cycle)를 MCU(micro controller unit)를 이용하여 1/100로 분주한 후 일정한 비율(예로서 0~15%)로 저전압을 공급하여 주변 온도와 모터 권선간 온도차에 의해 발생된 수분을 권선에 공급된 저전압에 의한 열에너지로 증발시켜 모터 권선 간에 전기적인 절연이 저하되는 것을 방지하여 모터 가동 시 수분에 의한 쇼트 및 누설 전류를 감소시켜 모터의 효율을 높이고 가동 중단으로 인한 손실을 저감할 수 있는 와인딩 히터 제어장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 데이터를 수집 및 가공하여 디지털 처리를 수행하는 MCU(101)와, 입력 전압을 다운 시키는 다운 트랜스포머(102)와, 상기 MCU에 직류 전원을 공급하는 정류기(103)와, 사인파를 검출하는 위상 검출부(104)와, 입력 전압을 검출하는 전압 검출부(105)와, SCR을 구동시키는 펄스 트랜스포머(106)와, 전압 및 전류 상태를 실시간 디스플레이하는 7-세그먼트 표시기(107)와, 출력 전력을 조정하는 BCD 스위치(108)와, 히터 온/오프 신 호를 입력받는 포토 커플러(109)와, 오버로드 신호를 입력받는 포토커플러(110)와, 히터의 전류제한을 위한 전류 감지부(111)와, 보호 퓨즈(112)와, 교류(AC)를 직류 (DC)로 변환시키는 SCR1(113)과, 상기 보호 퓨즈의 소손을 방지하는 펄스 트랜스포머(115) 및 SCR2(116)를 포함하여 구성된다.

와인딩 히터 제어장치, MCU, 7-세그먼트 표시기, SCR1, SCR2

Description

와인딩 히터 제어 장치{Winding heater controlling circuit}

본 발명은 와인딩 히터 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박, 육상 등의 산업 전반에 사용되는 3상 교류(AC)모터가 정지 상태에 있을 때, 상기 3상 AC 모터 권선에 연결된 AC 입력 전압주파수의 1/2 주기(cycle)를 MCU(micro controller unit)를 이용하여 1/100로 분주한 후 일정한 비율(예로서 0~15%)로 저전압을 공급하여 주변 온도와 모터 권선간 온도차에 의해 발생된 수분을 권선에 공급된 저전압에 의한 열에너지로 증발시켜 모터 권선 간에 전기적인 절연이 저하되는 것을 방지하여 모터 가동 시 수분에 의한 쇼트 및 누설 전류를 감소시켜 모터의 효율을 높이고 가동 중단으로 인한 손실을 저감할 수 있는 와인딩 히터 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 선박, 육상 등 산업 전 분야에 걸쳐 보편적으로 사용되고 있는 에너지 전달 장치로써 특히 운용 및 설치가 쉬운 이점으로 인하여 3상 유도전동기가 주로 사용되어지고 있다.

이와 같은 유도 전동기들은 베어링의 마모나 과부하, 과전류 등의 이유로 소손이 되며 이는 운행 중에 발생할 수 있으며 갑작스럽게 발생할 수 있는 부분이라 사전에 예측 및 예방하기가 힘들지만, 모터 권선 내에 온도차에 의해 생긴 수분으로 인한 절연 저하로 인한 과전류나 소손 등은 사전에 예방이 가능하다.

도 1은 종래의 히터 제어 장치(10)의 내부 구성도를 나타낸 것으로서, 도 1을 참조하여 그의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 동기 트랜스포머(Synchronous Transformer)(1)는 제어 레귤레이터(Control Regulator)(2)와 연결되고, 동기 검출부(Synchronous amp)(3)와 연결된다.

또한, 상기 동기 트랜스포머(1)는 교류전원 입력단자(L1, L2)를 통해 교류전원을 입력받아 전압을 다운시킨다.

제어 레귤레이터(2)는 동기 트랜스포머(1)와 연결되고 교류(AC)와 직류(DC) 사이의 신호전환을 제어한다.

동기 검출부(3)는 동기 트랜스포머(1)에서 입력된 신호에서 동기를 검출하여 위상각 결정부(5)로 출력한다. 이에 따라 동기 검출부(3)는 동기 트랜스포머(1)의 1차측 단자(L1)로부터 유기된 2차측 전압을 통해 사이리스터(9)의 애노드(ANODE)에 위치한 위상과 비교할 동기를 검출한다.

또한 소프트 스타트부(4)는 위상각 결정부(150)와 연결되고, 모터(도시 생략됨)에 투입될 돌입 전류를 방지하도록 소프트 스타트(Soft Start)를 수행한다.

소프트 스타트 시간은 모터 와인딩 코일에 투입될 돌입 전류를 방지하기 적절한 값(예, 60초)으로 설정할 수가 있다.

한편, 위상각 결정부(Phase angle amp)(5)는 소프트 스타트부(4)의 소프트 스타트에 따라 동작하고, 동기 검출부(3)에서 검출한 동기신호를 입력받아 위상각을 결정하여 논리합 소자(OR GATE)(7)를 통해 사이리스터 게이트 펄스 구동부(8)로 전달한다. 이때 위상각 결정부(150)는 '-' 레벨의 삼각파와 소프트 스타트부(4)의 소프트 스타트 시간에 대한 전압을 비교하여 '-'에서 '+'로 상승하는 상승에지에서 사이리스터(9)에 대한 위상각을 결정하여 전달한다.

한편, PWM 제어부(160)는 PWM(Phase With Modulation) 제어를 수행한다.

즉, 유도성 LOAD에 사이리스터(9)로 위상각을 제어할 경우에 게이트 펄스는 펄스를 다발로 실어야 하기 때문에 점화각 안에 PWM을 실어 사이리스터(9)의 게이트에 점화시킨다. 물론, 사이리스터 게이트 점화각은 위상각 결정부(5)에 의해 결정된다.

그리고, PWM 제어부(6)는 위상각 결정부(5)에 의해 결정된 점화각과 PWM 파형을 사이리스터(9)의 게이트에 논리합 소자(7)를 통해 실어 주게 되는 것이다.

이때, 점화각 조정 범위의 결정은 동기 검출부(3)에서 형성된 삼각파와 소프트 스타트부(140)의 출력조정("+"에서 "-" 또는 "-"에서 "+"로 조정)에 의해 결정된다.

한편, 논리합 소자(7)는 위상각 결정부(5)의 출력과 PWM 제어부(6)의 출력을 결합시켜 다음 단의 트랜지스터(TR)를 통해 사이리스터 게이트 펄스 구동부(8)로 전달한다. 사이리스터 게이트 펄스 구동부(8)는 트랜지스터(TR)를 통해 논리합 소자(7)의 출력을 입력받고, 논리합 소자(7)의 출력에 따라 동작하여 사이리스터(9)의 게이트 펄스 구동을 수행한다.

사이리스터 게이트 펄스 구동부(8)는 펄스 트랜스포머(Pulse Transformer, 도시생략됨)를 이용하여 펄스 트랜스포머의 1차측에 입력되는 펄스 파형을 통해 사이리스터(9)의 게이트에 점화시킨다. 그러면 사이리스터(9)를 통해 DC(T1, T2)의 출력전압과 파형이 결정된다. 여기서 사이리스터 게이트펄스 구동부(8) 내부의 펄스 트랜스포머는 자속의 왜란을 방지하고자 규소강판 철심 코어를 사용하지 않고, 빠른 자속을 수용할 수 있는 페라이트 코어(Ferrite Core)를 사용한다.

한편, 사이리스터(9)는 사이리스터 게이트 펄스 구동부(8)에 의해 구동되고, 제어된 직류전압(T1, T2)을 모터(도시 생략됨)로 전달한다.

그러나, 이와 같은 종래의 아날로그 회로 기술에 따른 히터 제어 장치(10)는 각 제어 파트에 따른 회로가 복잡하고 안정화를 위한 수동 부품(저항, 콘덴서)등이 과도하게 사용되어 제품의 신뢰성을 저하시키게 되는 요인이 된다.

또한, 실시간으로 전압, 전류 상태의 파악이 불가능하여 사용자가 출력 전력량을 허용된 범위에서 조정하여 주변 상황에 따른 미세조정을 할 수 없으며, 특히 모터의 배선 쇼트나 다른 이유로 과부하가 걸릴 경우에 대한 전류의 제한 기능이 없어 화재나 제품의 소손에 대한 위험성을 내재하고 있는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그의 목적은 MCU(micro controller unit)를 이용하여 부품수가 많고 복잡한 아날로그 회로를 디지털처리를 통해 집적화시켜 회로를 간소화하고 부품수를 최소화하여 제품 의 신뢰성을 향상시키고자 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 MCU를 통해 디지털화된 전압, 전류 값을 실시간으로 표시 및 제어할 수 있고 과전류에 대한 보호 회로를 내장하여 제품의 소손 및 화재를 방지하고자 하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 데이터를 수집 및 가공하여 디지털 처리를 수행하는 MCU와, 입력 전압을 다운 시키는 다운 트랜스포머와, 상기 MCU에 직류 전원을 공급하는 정류기와, 사인파를 검출할 위상 검출부와, 입력 전압을 검출하는 전압 검출부와, SCR을 구동시키는 펄스 트랜스포머와, 전압 및 전류 상태를 실시간 디스플레이하는 7-세그먼트 표시기와, 출력 전력을 조정하는 BCD스위치와, 히터 온/오프 신호를 입력받는 포토커플러와, 오버로드 신호를 입력받는 포토커플러와, 히터의 전류 제한을 위한 전류 감지부와, 보호 퓨즈와, 교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키는 SCR1과, 상기 보호 퓨즈의 소손을 방지하는 펄스 트랜스포머 및 SCR2를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 MCU를 통해 디지털 처리된 회로의 데이터들을 7-세그먼트 표시기를 통하여 전류와 전압을 표시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 BCD 스위치를 통하여 출력량을 실시간으로 상기 MCU의 특정 프로그램을 통하여 일정한 비율로 제어할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 일정한 비율은 0~15% 인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 와인딩 히터 제어 장치에 의하면, 선박, 육상 등 산업 전반에 사용되는 교류(AC) 모터가 정지 상태에 있을 시 권선에 저전압을 공급하여 발생된 열로 수분을 제거하여 수분에 의한 절연 감소와 누설전류를 감소시켜주는 효과가 있다.

또한, 전면의 BCD 스위치를 통하여 사용자가 모터 사양 및 임피던스에 따른 출력량을 용이하게 조정(0~15%)할 수가 있고, 7-세그먼트 표시기를 이용한 라인 전류의 실시간 감시를 할 수 있도록 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공한다.

또한, 모터의 기계적 또는 전기적 소손으로 인해 모터 내부 쇼트가 발생되어 모터에 과전류가 흐를 경우 배선이 타서 화재가 발생하거나 내부 주요 부품인 퓨즈, SCR 등이 소손되는 것을 내장된 전류 제한 회로의 작동으로 방지하는 효과가 있다.

또한, MCU에 의한 디지털화로 아날로그 회로에서 사용되는 부품(저항, 콘덴서, op-amp, 비교기, 논리합 소자 등)들을 최소화하여 회로의 신뢰성을 향상시켜 제품 수명을 증대시키는 효과가 있다.

본 발명을 첨부된 실시 예의 도면 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명으로 인하여 선박, 육상 등 산업 전반에 사용되는 AC 모터가 정지 상태에 있을 시 권선에 저전압을 공급하여 발생된 열로 수분을 제거하여 수분에 의한 절연 감소와 누설전류를 감소시키고자 하는 것이다.

아울러 아날로그 화된 종래의 회로를 개선 및 보완하여 디지털화시켜 사용자 인터페이스를 강화하고 내부 및 외부 배선과 주요 부품들(FUSE, SCR)을 과전류로 인한 소손과 화재로부터 보호하고자 하는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 MCU를 이용한 와인딩 히터 제어 장치의 내부 블록구성도를 나타낸 것으로서, 이는 데이터를 수집 및 가공하여 디지털 처리를 수행하는 MCU(101)와, 입력 전압을 다운 시키는 다운 트랜스포머(102)와, 상기 MCU에 직류 전원을 공급하는 정류기(103)와, 사인파를 검출하는 위상 검출부(104)와, 입력 전압을 검출하는 전압 검출부(105)와, SCR을 구동시키는 펄스 트랜스포머(106)와, 전압 및 전류 상태를 실시간 디스플레이하는 7-세그먼트 표시기(107)와, 출력 전력을 조정하는 BCD 스위치(108)와, 히터 온/오프 신호를 입력받는 포토 커플러(109)와, 오버로드 신호를 입력받는 포토커플러(110)와, 히터의 전류제한을 위한 전류 감지부(111)와, 보호 퓨즈(112)와, 교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키는 SCR1(113)과, 상기 보호 퓨즈(112)의 소손을 방지하는 펄스 트랜스포머(115) 및 SCR2(116)을 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 입력 전원에 따라 내부 전원용 다운 트랜스포머(102)의 2차측 전압을 맞추어주면 어떠한 교류 입력전압(220V ~ 600V)에도 사용이 가능하다.

이는 출력을 입력 전압에 비례하여 일정한 비율(0~15%)로 제어하여 출력하기 때문에 BCD 스위치(108)에서 설정된 값으로 입력 사인파의 1/2 사이클을 MCU(101)에서 1/100로 분주하여 출력하는 형태로 이는 입력 전압에 따라 모터 권선의 임피 던스가 달라 그에 따른 비율로서 출력을 제어해주어야 동일한 설정 값에서 전압이 달라지더라도 동일한 열이 발생하기 때문이다.

히터 온/오프 스위치(HEATER ON/OFF)는 모터(M)를 온/오프 시키는 MC(301)의 접점과 외부 스위치(303) 간의 인터록 회로와 연결되어 MC(301)가 차단되고 모터(M)가 정지하게 되면 내부의 포토커플러(109)를 통하여 신호를 전달하고 MCU(101)는 이 신호를 받아 즉시 동작하지 않고 권선의 잔류 자기가 모두 빠져나간 후에 동작하도록 내부의 타이머를 동작시켜 1분이 지난 후에 동작하도록 제어를 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면 포토커플러(109)에서 신호가 들어오면 도 3에 도시된 동작 흐름도상의 타이머 제어 프로그램(200)에 따라 1분 후 제어동작을 수행한다.

7-세그먼트 표시기(107)는 전압 검출부(105)와 전류 감지부(111)로부터 읽어 들인 아날로그 값을 MCU(101)의 내부 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Converter)(도시 생략됨)를 이용하여 디지털화하여 7-세그먼트 표시기(107)에 디스플레이 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면 전압 검출부(105)와 전류 감지부(111)에서 검출된 값은 MCU(101)의 내부 아날로그/디지털 변환기를 통하여 검출되어 도3에 도시한 동작 흐름도 상의 단계(201) 및 단계(203)의 제어 흐름에 따라 전압 및 전류를 디스플레이하게 된다.

출력의 설정은 내부에 설치된 BCD 스위치(108)를 통하여 선택된 값으로 입력 전압을 0~15% 사이의 출력으로 제어를 하게 된다.

즉, 도 3에 도시한 동작 흐름도 상의 단계(202)와 BCD 스위치(108)에 의해서 설정된 값들이 저장되어 출력을 0~15%의 값으로 제어하게 된다.

위상 검출부(104)는 입력의 사인파를 내부의 포토커플러를 통하여 구형파 형태로 받아 MCU(101) 내부의 타이머를 이용하여 들어온 신호 주기를 1/100으로 분주하여 BCD 스위치(108)로 설정된 비율과 일치할 경우 제어 신호를 증폭용 트랜지스터(114)로 전달한다.

도 3에 도시된 동작흐름도 상의 단계(204)는 위상 검출부(104)에서 받은 신호를 증폭용 트랜지스터(114)로 출력하기 위해 내부의 타이머 카운트를 이용하여 위상 검출부(104) 내부의 포터커플러(104)에서 받은 구형파를 1/100으로 분주한다.

한편, 전류 감지부(111)에서 검출된 값은 또한 현재의 전류값을 디스플레이 하기 위한 용도 외에 도3의 단계(203)에서 전류 제한으로도 동작하기 위한 데이터로 이용되는데 내부에 설정된 제한값과 비교하여 값이 크게 되면 BCD 스위치(108)에서 설정된 값에서 1단계 낮추어 제어를 하도록 한다.

또한, 오버로드(OVERLOAD)신호의 포토커플러(110)는 외부에 연동된 각종 과전류 또는 과온 트립(trip)장치와 연동하여 출력을 즉시 차단할 수 있도록 하는 입력부이다.

상기 오버로드(OVERLOAD)신호의 포토커플러(110)의 입력 신호는 도3의 단계(205)와 같이 오버로드(OVERLOAD)가 해제되기 전까지는 트랜지스터(114)로 신호를 내보내지 않도록 구성되어 있다.

정류기(103)는 다운 트랜스포머(102)의 2차측 전압을 다이오드와 전해 콘덴서를 통하여 정류한 것으로서 전원 회로를 간소화하기 위하여 구성된 것이다.

펄스 트랜스포머(106)는 SCR1(113)의 게이트와 구동부 사이의 상호 분리된 신호를 제공하도록 구성되어 있다.

도 4는 본 와인딩 히터 제어장치를 적용한 실제의 전기 응용 회로 구성도를 나타낸 것으로서, 3상 입력(300)은 선박, 육상 등 산업용으로 널리 사용되는 3상 전압(예로서, 220V, 380V, 440V, 460V, 480V, 575V 등)을 공급해 주는 것으로 특정한 전압에 대한 제한이 없다.

도 4를 참조하면 MC(301)는 모터(M)(302)를 기동시키는 마그네틱 콘택터(Magnetic Contactor)로서, 모터(302)가 오프 시에 내부의 보조 접점 신호가 온되고, 이 접점 신호는 외부 스위치(EXTERNAL S/W)(303)와 직렬 연결되어 히터의 온/오프 신호를 본 와인딩 히터 제어장치로 전달하여 모터가 정지되면 와인딩 히터 제어장치가 동작할 수 있도록 구성한 것이다.

도 4를 참조하면 오버로드(O/L)(304)는 모터(302)로 과전류가 흘러 온도가 상승하면 출력을 차단하도록 하는 장치로서, 이는 오버로드(OVERLOAD)로 인하여 과온 상태에 있는 모터에 전원을 공급하지 못하도록 하기 위해서 설치한 보호 회로로서 본 발명 와인딩 히터 제어장치에 O/L(304)의 접점 신호가 전달되면 히터가 온 상태가 되더라도 출력을 즉시 차단하도록 구성한 것이다.

펄스 트랜스포머(115)와 SCR2(116)는 모터(302)가 동작하는 동안 와인딩 히터 제어장치 내부의 보호퓨즈(112)를 통하여 전류가 흘러 보호퓨즈(112)가 소손되 는 것을 방지하기 위함이다.

즉, 도 4를 참조하면 모터가 동작하여 와인딩 히터 제어장치가 비활성화 되어 있는 상태에서 3상 입력이 MC(301)를 통하여 모터(302)로 공급되나 MC(301)의 접점의 임피던스가 낮아질 경우 모터(302)에 공급되는 전류는 순간적으로 단자(L2)를 거쳐 단자(T2)를 통하여 흐르게 되어 와인딩 히터 제어장치 내부의 보호퓨즈(112)를 소손시키게 되는데 SCR2(116)는 이를 차단하여 보호퓨즈(112)가 소손되는 것을 방지하도록 구성한 것이다.

이와 같이 본 발명은 선박, 육상 등 산업용 교류(AC) 모터 내부와 외부 온도차에 의한 수분으로 절연 저항이 감소되는 것을 방지하도록 고안된 장치에 회로 및 배선을 보호하기 위한 전류 제한 기능과 입, 출력 상태의 실시간 감시 및 편리한 출력 제어 기능을 내장한 장치로서 기존의 아날로그방식의 낮은 신뢰성과 제어 및 조작의 불편을 개선한 디지털 방식의 와인딩 히터 제어 장치이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위 및 그와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 종래의 아날로그 방식의 와인딩 히터 제어 장치 블록구성도.

도 2는 본 발명에 따른 MCU를 이용한 와인딩 히터 제어 장치의 내부 블록구성도.

도 3은 본 발명에 따른 MCU의 동작 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 와인딩 히터 제어 장치의 주변 블록 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101: MCU 102: 다운 트랜스포머

103: 정류기 104: 위상 검출부

105: 전압 검출부 106: 펄스 트랜스포머

107: 7-세그먼트 표시기 108: BCD 스위치

109, 110: 포토커플러 111: 전류 감지부

112: 보호 퓨즈 113: SCR1

115: 펄스 트랜스포머 116: SCR2

Claims (4)

1. 데이터를 수집 및 가공하여 디지털 처리를 수행하는 MCU(101)와,

   입력 전압을 다운 시키는 다운 트랜스포머(102)와,

   상기 MCU에 직류 전원을 공급하는 정류기(103)와,

   사인파를 검출하는 위상 검출부(104)와,

   입력 전압을 검출하는 전압 검출부(105)와,

   SCR1을 구동시키는 펄스 트랜스포머(106)와,

   전압 및 전류 상태를 실시간 디스플레이하는 7-세그먼트 표시기(107)와,

   출력 전력을 조정하는 BCD 스위치(108)와,

   히터 온/오프 신호를 입력받는 포토커플러(109)와,

   오버로드 신호를 입력받는 포토커플러(110)와,

   히터의 전류 제한을 위한 전류 감지부(111)와,

   보호 퓨즈(112)와,

   교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키는 SCR1(113)과,

   상기 보호 퓨즈(112)의 소손을 방지하는 펄스 트랜스포머(115) 및 SCR2(116)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 와인딩 히터 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 MCU(101)를 통해 디지털 처리된 회로의 데이터들을 7-세그먼트 표시기(107)를 통하여 전류와 전압을 표시하는 것을 특징으로 하는 와인딩 히터 제어 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 BCD 스위치(108)를 통하여 출력량을 실시간으로 상기 MCU(101)의 특정 프로그램을 통하여 일정한 비율로 제어할 수 있도록 함을 특징으로 하는 와인딩 히터 제어 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 일정한 비율은 0~15% 인 것을 특징으로 하는 와인딩 히터 제어 장치.

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