KR101134419B1 - 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템 - Google Patents

동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도가열 방식의 열처리 장치에 사용되는 공진형 인버터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저주파를 출력하는 저주파 인버터(100)와, 고주파를 출력하는 고주파 인버터(200)로 구성된 듀얼 인버터부와; 1차측은 상기 고주파 및 저주파 인버터(100,200)의 출력측(90,190)과 각각 연결되어 고주파와 저주파를 각각 독립적으로 입력받고, 2차측은 듀얼 인버터부로부터 인가된 고주파 및 저주파를 동시에 출력하는 듀얼 입력 방식의 CT(400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템에 관한 것이다.

Description

동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템{SIMULTANEOUS DUAL FREQUENCY INVERTER SYSTEM}
본 발명은 유도가열 방식의 열처리 장치에 사용되는 공진형 인버터 시스템에 관한 것으로서, 고주파와 저주파를 동시에 출력가능한 공진형 인버터 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유도가열, 전자식 안정기, 초음파모터 구동전원 등 고주파 교류 전원이 필요한 요소에 공진형 인버터가 사용되고 있다. 이들 공진형 인버터의 경우에 출력주파수에 비례하는 스위칭 주파수로 스위칭을 행하기 때문에 스위칭 손실이 전체 시스템의 효율에 큰 영향을 미치고 있다.
따라서, 최근에는 시스템의 효율 향상과 스위칭 소자의 스트레스를 줄이기 위하여 영전압 스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)과 영전류 스위칭(ZCS : Zero Current Switching) 기법이 이용되고 있으며, 인버터 출력 전압의 고조파 발생을 줄이기 위하여 위상시프트(Phase Shift) 스위칭 기법이 적용되고 있다. 또한, 출력 전력을 제어하는데 있어서는 인버터 출력주파수를 조정하는 펄스주파수 변조(PFM : Pulse Frequency Modulation) 기법을 대부분 적용하고 있다.
한편, 본 발명에서의 공진형 인버터는 유도가열 열처리 장치에 사용되는 것이므로, 유도가열에 대해 간략하게 살펴보면, 유도가열(IH: Induction Heating)은 패러데이(Faraday)의 전자유도현상을 이용한 금속의 가열 방법의 일종으로서, 금속과 같은 도체에 코일을 감고 이 코일에 저주파, 또는 고주파 전류를 흘려주면, 패러데이에 의해 밝혀진 전자유도 작용에 의해서 도체의 내부에는 유기 기전력(EMF: Electro Motive Force)이 발생하게 되고, 이 유기 기전력에 의해 도체의 내부에는 와전류(Eddy Current)가 발생하게 되며, 이때 도체 내부를 흐르는 와전류가 표면부의 저항에 의해서 와전류 손실이 발생하게 되어 줄(Joule)의 법칙에 의해 열에너지로 변환되는 현상을 이용한 것이다.
여기서 코일에 저주파, 또는 고주파 전류를 흘려주는 것이 인버터로서, 피가열체가 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 기어 형상과 같은 복잡한 형상을 취한 것이라면, 저주파 인버터는 피가열체의 전체 표면이 아닌 A 부분만을 열처리하고, 고주파 인버터는 B 부분만을 열처리하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 고주파와 저주파를 동시에 출력하면서도 안정적인 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 유도가열 방식의 열처리 장치에 사용되는 공진형 인버터 시스템에 있어서, 저주파를 출력하는 저주파 인버터와, 고주파를 출력하는 고주파 인버터로 구성된 듀얼 인버터부와;
1차측은 상기 고주파 및 저주파 인버터의 출력측과 각각 연결되어 고주파와 저주파를 각각 독립적으로 입력받고, 2차측은 듀얼 인버터부로부터 인가된 고주파 및 저주파를 동시에 출력하는 듀얼 입력 방식의 CT(Current Transformer);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 듀얼 인버터부의 저주파 인버터 및 고주파 인버터는 각각 고주파 잡음을 제거하는 제1 SDF 필터와, 저주파 잡음을 제거하는 제2 SDF 필터를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 듀얼 인버터부는 저주파가 제로 크로스 지점에 근접될 때마다 고주파의 출력을 설정시간 동안 차단하는 메인컨트롤러를 더 구비하여 저주파의 제로크로스에 대한 용이성을 확보한 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명에 따른 저주파 인버터는,
입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터와;
상기 AD컨버터에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터와;
상기 DA컨버터의 교류 전력을 인가받아 저주파를 출력하는 저주파 트랜스부와;
상기 저주파 트랜스부의 출력측 저주파의 고주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 저주파 출력을 위한 제1 SDF 필터를 포함하는 저주파 필터부 및 저주파 컨트롤부;를 포함하여 구성되고,
고주파 인버터는,
입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터와;
상기 AD컨버터에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터와;
상기 DA컨버터의 교류 전력을 인가받아 고주파를 출력하는 고주파 트랜스부와;
상기 고주파 트랜스부의 출력측 고주파의 저주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 고주파 출력을 위한 제2 SDF 필터를 포함하는 고주파 필터부 및 고주파 컨트롤부;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 유도가열장치는 피가열체의 열처리를 위한 예열 과정이 필요없어 유도가열장치의 열처리 효율이 향상된다.
또한, 주파수 조절을 통해 복잡한 형상의 피가열체(예컨대, 기어 형상)의 표면도 원형 코일에 의해 고른 열처리가 가능하다.
또한, 제로크로스 직전에 고주파를 차단함으로써, 저주파의 제로크로스 소프트웨어 스위칭을 용이하게 하여 구동의 안정성이 확보된다.
도 1은 종래의 저주파 인버터 시스템의 사용예로서, 기어형상의 피가열체에 사용하면 치저 부분(A)만 열처리되는 모습을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 고주파 인버터 시스템의 사용예로서, 기어형상의 피가열체에 사용하면 치고 부분(B)만 열처리되는 모습을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 사용을 통해 기어형상의 피가열체의 치저 부분과 치고 부분이 모두 열처리된 상태를 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템의 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 공진형 인버터 시스템의 기능 중 제로크로스 직전에 고주파를 차단하는 기능을 나타낸 그래프.
본 발명은 유도가열 방식의 열처리 장치에 사용되는 공진형 인버터 시스템로서, 본 발명에 따른 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템은 저주파를 출력하는 저주파 인버터(100)와 고주파를 출력하는 고주파 인버터(200)로 구성된 듀얼 인버터부와, 1차측은 상기 고주파 및 저주파 인버터(100,200)의 출력측(90,190)과 각각 연결되어 고주파와 저주파를 각각 독립적으로 입력받고 2차측은 듀얼 인버터부로부터 인가된 고주파 및 저주파를 동시에 출력하는 듀얼 입력 방식의 CT(400)를 포함하며,
상기 듀얼 인버터부는 저주파가 제로 크로스 지점에 근접될 때마다 고주파의 출력을 설정시간 동안 차단하는 메인컨트롤러를 더 구비하여 저주파의 제로크로스에 대한 용이성을 확보하고, 상기 듀얼 인버터부의 저주파 인버터 및 고주파 인버터는 각각 고주파 잡음을 제거하는 제1 SDF 필터와, 저주파 잡음을 제거하는 제2 SDF 필터를 더 구비한다.
제1,2 SDF 필터(11,111)에 의해 고주파 인버터(200)에서는 저주파 잡음을, 저주파 인버터(100)에서는 고주파 잡음이 제거되고, 저주파를 기준으로 저주파가 제로 크로스 지점에 근접될 때마다 고주파의 출력을 메인컨트롤러(300)가 차단함으로써, 고주파가 저주파에 복조되어 있는 상황에서 저주파의 제로크로스를 찾기 어렵게 되면 저주파 인버터의 출력소자가 하드웨어 스위칭을 하게 되어 전력손실이 크게 되거나 소자가 파손될 가능성이 커짐을 방지할 수 있으며, 제로 크로스 지점의 근접 여부는 저주파의 일정전압의 크기를 정하여 차단지점(Positive/Negative Skip Start)을 설정함으로써 고주파를 차단하여 저주파의 제로크로스를 용이하게 찾는 방식이다. 저주파가 제로크로스를 통과하면 고주파가 다시 구동한다.
고주파 인버터(200)와 저주파 인버터(100)의 출력측(90,190)은 도 4와 같이 CT(400)의 1차측에 각각 연결되어 CT(400)를 통해 부하(500)에 저주파와 고주파를 동시에 인가한다.
상기 저주파 인버터(100)는,
입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터(41)와, 상기 AD컨버터(41)에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터(42)와, 상기 DA컨버터(42)의 교류 전력을 인가받아 저주파를 출력하는 저주파 트랜스부(30)와, 상기 저주파 트랜스부(30)의 출력측 저주파의 고주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 저주파 출력을 위한 제1 SDF 필터(11)를 포함하는 저주파 필터부(10) 및 저주파 컨트롤부(20)를 포함한다.
AD컨버터(41)는 입력 전원으로부터의 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 구성으로서, 사이리스터(thyristor)를 이용한 3상 위상제어를 사용할 수 있다. 변환된 직류 전력은 저주파 필터부(10) 및 저주파 컨트롤부(20)가 사용한다.
DA컨버터(42)는 AD컨버터(41)로부터의 직류 전력을 공급받아 저주파 필터부(10)에 의한 저주파 컨트롤부(20)의 고속 스위칭 작용으로 고주파의 교류로 변경시키는 구성이다.
저주파 트랜스부(30)는 정합 변압기(matching)인 트랜스(31)와, 인덕터(32)와, 직렬 공진용 콘덴서(33)를 포함하여 구성되고, 고주파의 교류를 트랜스(31)를 통과하여 부하(500)와 콘덴서(33)의 직렬 조합으로 직렬 공진 부하를 형성하되, 저주파 트랜스부(30)의 출력측은 저주파의 출력을 위해 전압을 유도하는 인덕터(32)가 더 구비되어 있어 DA컨버터(42)에서 출력되는 고주파는 저주파로 전환된다.
콘덴서(33)의 커패시턴스는 저주파 필터부(10)의 제1 SDF 필터(11)에 제공되어 제1 SDF 필터(11)가 고주파 잡음을 제거하는데 따른 정보로 활용된다.
저주파 필터부(10)와 저주파 컨트롤부(20)는 AD컨버터(41)와 DA컨버터(42)의 제어를 주목적으로 하며, AD컨버터(41)의 경우 사이리스터(thyristor)의 위상제어 신호를 입력하고, DA컨버터(42)의 경우 IGBT 등의 게이트 신호를 입력한다. 또한 부수적인 기능으로 시퀀스 제어나 이상 신호 등을 입력받아 제어하는 기능도 포함되어있다.
저주파 컨트롤부(20)는 저주파 필터부(10)의 신호를 기초로 저주파 인버터(100)에 입력되는 전원과 스위칭 소자의 스위칭 손실을 줄이기 위해 스위칭과 파워를 컨트롤하는 구성이다.
상기 고주파 인버터(200)는,
입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터(141)와, 상기 AD컨버터(141)에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터(142)와, 상기 DA컨버터(142)의 교류 전력을 인가받아 고주파를 출력하는 고주파 트랜스부(130)와, 상기 고주파 트랜스부(130)의 출력측 고주파의 저주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 고주파 출력을 위한 제2 SDF 필터(111)를 포함하는 고주파 필터부(110) 및 고주파 컨트롤부(120)를 포함하여 구성된다.
이러한 고주파 인버터(200)는 대부분의 구성이 상기 저주파 인버터(100)의 구성과 동일하나, 고주파를 출력하는 것이어서 상기 저주파 인버터(100)에 구비된 인덕터(32)의 구성은 제외되고, 저주파 인버터(100)에서 고주파 잡음을 제거하는 제1 SDF 필터(11) 대신 저주파 잡음을 제거하는 제2 SDF 필터(111)가 구성된다.
상기 고주파 트랜스부(130)의 출력측은 고주파의 공진을 위해 도 5와 같이 콘덴서(133)가 구비된다.
한편, 본 발명에서의 CT(400)는 메인컨트롤러(300)에 의해 설정 시간 동안 저주파를 출력하다가 설정 시간이 지나면 고주파와 저주파를 동시에 출력하거나, 메인컨트롤러(300)에 의해 설정 시간 동안 고주파를 출력하다가 설정 시간이 지나면 고주파 및 저주파를 동시에 출력하거나, 메인컨트롤러(300)에 의해 설정 시간 동안 고주파 및 저주파를 동시에 출력하다가 설정 시간이 지나면 고주파, 또는 저주파를 출력하는 방식의 구동이 가능하다.
본 발명에서는 저주파 및 고주파를 동시에 출력하는 것이어서, 예열과정이 불필요하나, 저주파를 출력하다가 고주파와 저주파를 동시에 출력하는 경우는 예열이 필요한 상황이 발생할 수 있는 가능성에 염두한 제어방식이고, 그외의 출력방식은 이와 같은 방식이 피가열체(600)에 따라 효과적인 열처리 방식일 수 있을 것이란 기대에 의한 것이다. 즉, 본 발명에서는 메인컨트롤러(300)와 고주파, 저주파 인버터(200,100)의 필터부(10,110)와 컨트롤부(20,120)에 의해 상기와 같은 다양한 출력이 가능하다.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 저주파 필터부 11: 제1 SDF 필터
20: 저주파 컨트롤부 30: 저주파 트랜스부
32: 인덕터 41,141: AD컨버터
42,142: DA컨버터 100: 저주파 인버터
110: 고주파 필터부 111: 제2 SDF 필터
120: 고주파 컨트롤부 130: 고주파 트랜스부
12,112: GDU 13,113: 게이트 컨트롤러
14,114: 이상검출기 15,115: PLL
16: LPF 116: LPF & S/H
31,131: 트랜스 33,133: 콘덴서
90: 저주파 인버터의 출력측 190: 고주파 인버터의 출력측
200: 고주파 인버터 300: 메인컨트롤러
400: CT 500: 부하
600: 피가열체

Claims (5)

  1. 유도가열 방식의 열처리 장치에 사용되는 공진형 인버터 시스템에 있어서,
    저주파를 출력하는 저주파 인버터(100)와, 고주파를 출력하는 고주파 인버터(200)로 구성된 듀얼 인버터부와;
    1차측은 상기 고주파 및 저주파 인버터(100,200)의 출력측(90,190)과 각각 연결되어 고주파와 저주파를 각각 독립적으로 입력받고, 2차측은 듀얼 인버터부로부터 인가된 고주파 및 저주파를 동시에 출력하는 듀얼 입력 방식의 CT(400);를 포함하며,
    상기 듀얼 인버터부의 저주파 인버터(100) 및 고주파 인버터(200)는 각각 고주파 잡음을 제거하는 제1 SDF 필터(11)와, 저주파 잡음을 제거하는 제2 SDF 필터(111)를 더 구비하고,
    상기 듀얼 인버터부는 저주파가 제로 크로스 지점에 근접될 때마다 고주파의 출력을 설정시간 동안 차단하는 메인컨트롤러(300)를 더 구비하여 저주파의 제로크로스에 대한 용이성을 확보한 것을 특징으로 하는 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저주파 인버터(100)는,
    입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터(41)와;
    상기 AD컨버터(41)에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터(42)와;
    상기 DA컨버터(42)의 교류 전력을 인가받아 저주파를 출력하는 저주파 트랜스부(30)와;
    상기 저주파 트랜스부(30)의 출력측 저주파의 고주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 저주파 출력을 위한 제1 SDF 필터(11)를 포함하는 저주파 필터부(10) 및 저주파 컨트롤부(20);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고주파 인버터(200)는,
    입력 전원으로부터 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AD컨버터(141)와;
    상기 AD컨버터(141)에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 출력하는 DA컨버터(142)와;
    상기 DA컨버터(142)의 교류 전력을 인가받아 고주파를 출력하는 고주파 트랜스부(130)와;
    상기 고주파 트랜스부(130)의 출력측 고주파의 저주파 잡음을 제거하고, 설정된 펄스폭으로의 고주파 출력을 위한 제2 SDF 필터(111)를 포함하는 고주파 필터부(110) 및 고주파 컨트롤부(120);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동시 이중 주파수 구동이 가능한 공진형 인버터 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
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