KR101223156B1 - 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛에 관한 것으로, 주 제어부인 CPU; 히터로 공급되는 전압기준을 설정하는 기준입력부; 베스내 분위기 온도, 내부 압력, 공급되는 풍량이 디지털값으로 피드백되도록 CPU와 연결된 피드백입력부; AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 공급하도록 CPU에 접속된 전원공급부; CPU와 연결된 입력부와, 제어값을 설정하거나 제어상태를 운전자에게 표시하는 입출력부; PLC 또는 PC와 통신할 수 있도록 구비된 통신부; DC 전압을 출력하는 전압구동부;를 포함하는 베스에 있어서; 상기 CPU는 피드백된 온도, 압력, 풍량을 토대로 상기 히터에서 필요로 하는 열량을 계산하고; 상기 히터전압제어부는 SCR 유닛과, 상기 SCR 유닛에 연결되고 CPU에 접속되어 전압과 위상을 검출하는 동기검출부와, 출력되는 전압과 부하 전류의 RMS를 측정하는 전압전류검출부와, 상기 SCR 유닛의 게이트를 통해 전류를 제어하도록 CPU와 연결된 SCR 구동부로 구성된 것을 특징으로 하여,
히터로 공급되는 전압과 전류의 파형에 관계없이 정확한 RMS를 측정할 수 있어 전력제어를 정확하고 원활하며 효율적으로 할 수 있고, 베스의 조건에 따른 다양한 제어시에도 정확한 제어가 가능하며, 효율성과 실효성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

베스의 다기능 히터 전력 제어유닛{MULTI-FUNCTION POWER CONTROL UNIT FOR HEATER OF BATH}

본 발명은 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛에 관한 것으로, 보다 정밀하게는 베스 내부의 온도를 원활히 제어할 수 있도록 여러가지 변수를 입력받아 히터의 전력을 정확하고 효율적으로 제어하여 실효성을 높인 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛에 관한 것이다.

일반적으로, 베스(Bath)는 내부에 분위기를 일정온도로 유지하는 일종의 항온조로서, 실험용 및 산업용은 물론 가정용에 이르기까지 다양한 형태로 개시되어 있다.

이와 같은 베스에는 분위기 온도를 조절하기 위해 가열수단인 히터를 내장하고 있으며, 이 히터의 전력을 적절히 제어하는 효율을 높이는 것이 이 분야의 주요 관심사항이다.

이러한 베스의 온도조절 과정은 도 1의 도시와 같이, AC전원(1)이 전력제어장치(3)로 연결되어 전원이 공급된 상태에서 히터부하(5)의 가열상태에 따라 가열하고자 하는 부하의 주위온도를 온도센서(4)에서 측정하여 측정된 온도값을 온도제어기(2)에서 읽어 설정된 목표온도에 따라 온도제어기(2)의 출력이 일반적으로 직류 4~20mA의 범위 내에서 출력된다.

이때, 히터 주위온도가 온도제어기(2)에 설정된 목표온도에 있으면 온도제어기(2)의 출력은 4mA에 가깝고, 히터 주위온도가 매우 낮으면 온도제어기(2)의 출력은 20mA에 가깝게 출력된다.

이 온도제어기(2)의 출력 4~20mA에 따라 전력제어장치(3)에서 히터부하(5)로 공급되는 전력을 변화시킨다.

따라서, 히터 주위온도가 목표 온도치보다 높으면 히터부하(5)에 공급되는 전원의 전력을 공급하여 히터부하(5)를 가열함으로써 히터 주위온도를 높여 목표 온도치가 되도록 조절하게 된다.

이와 관련하여 등록실용 제0231775호, 등록실용 제0233473호가 선행기술로 개시되어 있는데, 이들 선행기술은 포함한 종래 이 분야에서의 히터 전력제어방식은 도통되는 전압의 위상점호각을 제어하여 전력을 제어하는 위상제어방식, 위상제어방법에 속하는 방법이지만 히터부하(5)로 공급되는 교류전류값을 일정하게 제어하는 정전류제어방식, 전압의 제로전압에서 온 오프(ON-OFF)하여 사이클 수를 제어하고 온 오프(ON-OFF)의 사이클 수의 합계가 동일한 고정주기형 제로크로싱 제어방식, 전압의 제로전압에서 온 오프(ON-OFF)하여 사이클 수를 제어하고 온 오프(ON-OFF)의 사이틀 수의 합계가 가변하는 가변주기형 제로크로싱 제어방식, 위상제어방식과 가변주기형 제로크로싱 제어방식을 겸용한 위상제어 겸용 제로크로싱 제어방식 등 여러 형태로 이루어지고 있다.

하지만, 이들 제어방식의 경우 등록실용 제0231775호에서 밝히고 있는 바와 같은 특성들과 단점들이 존재하기 때문에 이를 개선하고자 하는 노력들이 경주되었고, 그 예가 앞서 설명한 선행기술들이다.

그런데, 이들 등록실용은 히터의 재질특성을 반영하고 가열초기와 가열상태에 따라 앞서 설명한 5가지의 방식을 병행, 전환하여 효율을 높이도록 한 정도의 구성에 불과하여 사실상 히터의 전력을 정확하고 효율적으로 제어한다고 볼 수 없어 실효성이 우수하지 않음은 부인할 수 없는 사실이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 베스의 히터로 공급되는 전압과 전류를 전용 RMS(Root Mean Square) 에너지 IC를 이용하여 파형에 관계없이 정확한 RMS치를 측정하여 전력을 제어함으로써 효율성과 실효성을 높일 수 있도록 한 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 주 제어부인 CPU; CPU에 접속되고 히터로 공급되는 전압기준을 설정하는 기준입력부; 베스내 분위기온도, 내부 압력, 공급되는 풍량이 디지털값으로 피드백되도록 CPU와 연결된 피드백입력부; AC 전압을 원하는 DC 전압으로 변환하여 안정적으로 공급하도록 CPU에 접속된 전원공급부; CPU와 연결되고 키패드 형태의 입력부와, 7segment LED 형태의 디스플레이인 출력부로 이루어져 제어값을 설정하거나 제어상태를 운전자에게 표시하는 입출력부; CPU와 PLC 또는 PC와 통신할 수 있도록 구비된 통신부; CPU와 연결되고 외부의 인버터나 혹은 밸브 제어를 위한 DC 전압을 출력하는 전압구동부;를 포함하는 베스에 있어서; 상기 CPU는 제어온도에 대응되게 피드백된 온도, 압력, 풍량을 토대로 상기 히터에서 필요로 하는 열량을 계산하고; 상기 히터를 발열시키기 위해 공급되는 전압을 파형에 관계없이 제어하도록 출력전압 및 부하 전류의 RMS를 측정하여 활용하는 히터전압제어부를 상기 CPU에 더 연결 구성하되, 상기 히터전압제어부는 SCR 유닛과, 상기 SCR 유닛의 1차에 연결되고 CPU에 접속되어 전압전류검출부의 전압과 위상을 검출하는 동기검출부와, 상기 SCR 유닛의 2차에 연결되어 출력되는 전압과 부하 전류의 RMS를 측정하는 전압전류검출부와, 상기 전압전류검출부에서 측정된 RMS를 토대로 상기 동기검출부에서 검출한 기준 신호에 맞춰 상기 SCR 유닛의 게이트를 통해 전류를 제어하도록 CPU와 연결된 SCR 구동부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 기준입력부의 전압 기준은 4~20mA이고, 상기 전원공급부로 공급되는 AC 전압의 범위는 85~265V이며, 상기 통신부는 RS485 기반의 Modbus RTU 프로토콜 통신방식으로 통신하는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 전압전류검출부는 정전압 제어가 가능하도록 에너지미터 IC를 통해 출력단의 트루 알엠에스(True RMS)를 측정하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 히터로 공급되는 전압과 전류의 파형에 관계없이 정확한 RMS를 측정할 수 있어 전력제어를 정확하고 원활하며 효율적으로 할 수 있고, 베스의 조건에 따른 다양한 제어시에도 정확한 제어가 가능하며, 효율성과 실효성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 베스의 히터 전력제어장치를 보인 개략적인 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다기능 히터 전력 제어유닛이 실장된 베스의 예시적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛의 구성 블럭도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 다기능 히터 전력 제어유닛이 실장된 게이스 의 예시적인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛의 구성 블럭도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다기능 히터 전력 제어유닛이 실장되는 케이스는 본체하우징(100)을 포함한다.

상기 본체하우징(100)은 대략 사각박스 형상을 갖고, SCR에 발생하는 열을 방출한다.

그리고, 상기 본체하우징(100)의 상면을 개방되고, 개방된 상면에는 상방향으로 양쪽에서 개폐할 수 있는 힌지구조의 커버(200) 한 쌍이 설치된다.

아울러, 상기 커버(200)의 일부에는 후술되는 소자/동작기기들을 제어하기 위한 제어패널(210)이 설치된다.

이때, 본 발명은 상기 본체하우징(100)에 실장된 SCR로 베스의 온도를 조절하기 위해 전력을 공급제어하도록 상기 제어패널(210) 상에 설치되는 제어유닛의 구현에 관계된다.

본 발명에 따른 제어유닛은 보다 구체적으로 도 3의 도시와 같이, CPU(300)를 포함한다.

상기 CPU(300)는 마이크로프로세서, 일명 '마이콤'이라고 일컬어지는 제어기능을 가진 칩셋으로서, 제어부를 구성한다.

특히, 상기 CPU(300)는 후술되는 입,출력에 관계되는 사항, 디스플레이에 관계되는 사항, 통신에 관계되는 사항, 구동에 관계되는 사항 등 본 발명 제어와 관련된 대부분의 제어기능을 수행한다.

그리고, 상기 CPU(300)에는 기준입력부(310)가 연결된다.

상기 기준입력부(310)는 히터(Heater)로 공급되는 전압기준을 설정하기 위한 것으로 보통 4~20mA의 직류 전류 범위내에서 이루어진다.

또한, 상기 CPU(300)에는 피드백입력부(320)가 연결된다.

상기 피드백입력부(320)는 베스내 물의 온도, 내부 압력, 공급되는 풍량 등이 입력되는 부분이며, 입력값은 AD컨버터를 통해 디지털값으로 변환된 후 입력된다.

뿐만 아니라, 상기 온도, 압력, 풍량에 대한 값은 베스내 설치된 각 검출센서들에 의해 검출된 값이 피드백값으로 입력되는 형태를 취한다.

아울러, 상기 CPU(300)에는 조건입력부(330)도 연결된다.

상기 조건입력부(330)는 베스를 제어하기 위한 각종 신호, 이를 테면 앞서 설명한 온도, 압력, 풍량을 제외한 조건에 따라 설정될 수 있는 각종 스위치 신호, 센서에 의한 검출신호 등을 입력받을 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 CPU(300)에는 구동을 위한 전원을 안정적으로 공급할 수 있도록 전원공급부(340)가 연결된다.

상기 전원공급부(340)는 AC 85~265V의 전압을 본 발명 제어유니트 에서 원하는 DC 전압으로 변환하여 안정적으로 공급하기 위해 구비된다.

또한, 상기 CPU(300)에는 입출력부(350)가 연결된다.

상기 입출력부(350)는 키패드 형태의 입력부와, 7segment LED 형태의 디스플레이인 출력부를 함께 포함하는 개념이다.

따라서, 상기 입출력부(350)를 통해 본 발명 베스의 제어를 위한 설정값(예. 각종 파라미터)을 입력할 수 있고, 제어되는 상태를 출력하여 운전자가 확인할 수 있도록 하여 준다.

아울러, 상기 CPU(300)에는 통신부(360)가 구비된다.

상기 통신부(360)는 PLC 또는 PC와 통신할 수 있도록 하는 부분으로 RS-485 모드버스(MODBUS) RTU 통신을 통해 다기능 제어가 가능하도록 구성된다.

이때, 상기 모드버스(MODBUS) RTU 통신방식은 크게 Modbus Serial, Modbus plus, Modbus TCP/IP 등 세가지로 나누어지며, 이 중에서 Modbus Serial은 다시 RS 232C 기반의 Modbus와, RS 422 기반의 Modbus 그리고 RS 485 기반의 Modbus로 세분화되고, Modbus의 전송방식에 따라 RTU(Remote Terminal Unit) 전송방식과 ASCII(American Standard Code For Information Interchange) 등 두 가지로 나눌 수 있다.

본 발명에서는 RS485 기반의 Modbus RTU 전송방식이 사용됨이 바람직하다.

그러나, 반드시 이에 국한될 필요는 없으며 사용환경에 따라 편리한 프로토콜을 선택하여 사용할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 CPU(300)에는 전압출력구동부(370)가 더 연결된다.

상기 전압출력구동부(370)는 외부의 인버터나 혹은 밸브 제어를 위한 DC 0~10V의 출력을 내보내기 위한 전압구동부이다.

상술한 구성들은 베스에 포함되는 기본적인 구성이라고 할 수 있으며, 본 발명에서는 이에 더하여 핵심적인 구성으로서 트루 알엠에스(True RMS) 측정을 수행하고 이를 통해 히터로 공급되는 전력을 실효성있으면서, 정확하게 제어할 수 있도록 히터전압제어부(400)를 더 포함한다.

즉, 상기 히터전압제어부(400)는 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 유닛(410), 동기검출부(420), SCR구동부(430), 전압전류검출부(440)로 구성된다.

이때, 상기 SCR은 실리콘 제어 정류소자를 말하며, 통상 사이리스터(thyristor) 라고도 한다.

이러한 SCR은 특수한 반도체 정류 소자로서, 소형이고 응답 속도가 빠르며, 대전력을 미소한 전압력으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 수명이 반영구적이고 단단하므로 릴레이 장치, 조명, 조광(調光) 장치, 인버터, 펄스 회로 등 대전력의 제어용으로 사용되는데 주로 트랜지스터로는 할 수 없는 대전류, 고전압의 스위칭 소자로 많이 사용된다.

그리하여, 투입된 AC 전압을 원하는 양만큼 조절하여 출력하며, 그 출력단에 히터가 연결되어 동작되는데, 가동출력 전압의 범위는 AC 0~380V에 이른다.

그리고, 상기 동기검출부(420)는 상기 SCR 유닛(410)의 위상제어를 위한 기준이 될 동기신호를 검출하는 부분으로서 상기 SCR 유닛(410)과 CPU(300) 사이에 연결접속된다.

즉, 상기 동기검출부(420)는 기준 신호를 만들기 위해 SCR 유닛(410)의 1차와 CPU(300)간을 연결하여, 상기 전압전류검출부(440)에서 검출한 전압과 위상에 대응하는 동기신호를 검출하고, 이를 CPU(300)로 전송하게 된다.

이때, 상기 전압전류검출부(440)는 정전압 제어가 가능하도록 상기 SCR 유닛(410)의 2차를 통해 출력되는 전압과, 부하 전류를 검출하고, 이를 CPU(300)로 전송하도록 구성된다.

이를 위해, 상기 전압전류검출부(440)는 정전압 제어를 위해 트루 알엠에스(True RMS) 측정이 가능하도록 에너지미터 IC를 활용함이 바람직하다.

여기에서, 에너지미터 IC는 공지된 집적회로로서, 이를 테면 CIRRUS LOGIC에서 개발한 CS5461 IC를 예로 들 수 있는데, 이 경우 공급 전류가 극도로 낮아(4mA) 단상 및 3상 에너지 미터 디자인에 적합한 것은 물론, 소프트웨어 패키지를 사용하면 미터를 보정하고 유효전력 및 피상 전력은 물론 RMS 전류 및 전압까지 판독할 수 있다.

그리고, 상기 SCR 구동부(430)는 상기 SCR 유닛(410)의 게이트(G)에 접속되어 전류의 흐름을 제어하는 것으로, 상기 SCR 구동부(430)는 상기 게이트(G)에 펄스를 공급하는 게이트 트랜스포머와, 드라이브 IC로 구성되며, 상기 CPU(300)와 연결된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 베스 내부의 분위기 온도를 정확하고 원활하게 제어하기 위해 온도, 압력, 풍량에 대한 계측값을 피드백받아 다시 제어값으로 활용함은 물론 이들 값을 통해 제어할 온도를 유지하기 위해 필요한 열량을 CPU(300)에서 연산하고, SCR 유닛(410)을 통해 히터에 공급할 출력전압을 동기검출부(420)를 통해 동기화된 기준 신호에 맞추어 전압 파형에 관계없이 전압전류검출부(440)를 통해 정확한 RMS를 측정하며, 이 측정된 RMS를 토대로 CPU(300)의 제어하에 SCR 구동부(430)를 통해 상기 SCR 유닛(410)의 게이트(G)를 정밀하게 제어함으로써 다기능 히터 전력을 효율적이고 실효성있게 공급 조절할 수 있다.

이에 따라, 에너지 낭비를 막고 비용을 절감할 수 있으며, 히터의 전력제어를 원활하게 할 수 있게 된다.

100 : 본체하우징 200 : 커버
210 : 제어패널 300 : CPU
310 : 기준입력부 320 : 피드백입력부
330 : 조건입력부 340 : 전원공급부
350 : 입출력부 360 : 통신부
370 : 전압출력구동부 400 : 히터전압제어부
410 : SCR 유닛 420 : 동기검출부
430 : SCR 구동부 440 : 전압전류검출부

Claims (3)

1. 주 제어부인 CPU; CPU에 접속되고 히터로 공급되는 전압기준을 설정하는 기준입력부; 베스내 분위기 온도, 내부 압력, 공급되는 풍량이 디지털값으로 피드백되도록 CPU와 연결된 피드백입력부; AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 안정적으로 공급하도록 CPU에 접속된 전원공급부; CPU와 연결되고 키패드 형태의 입력부와, 7segment LED 형태의 디스플레이인 출력부로 이루어져 제어값을 설정하거나 제어상태를 운전자에게 표시하는 입출력부; CPU와 연결되고 PLC 또는 PC와 통신할 수 있도록 구비된 통신부; CPU와 연결되고 외부의 인버터나 혹은 밸브 제어를 위한 DC 전압을 출력하는 전압구동부;를 포함하는 베스에 있어서;
   상기 CPU는 제어온도에 대응되게 피드백된 온도, 압력, 풍량을 토대로 상기 히터에서 필요로 하는 열량을 계산하고;
   상기 히터를 발열시키기 위해 공급되는 전압을 파형에 관계없이 제어하도록 출력전압 및 부하 전류의 RMS를 측정하여 활용하는 히터전압제어부를 상기 CPU에 더 연결 구성하되,
   상기 히터전압제어부는 SCR 유닛과, 상기 SCR 유닛의 1차에 연결되고 CPU에 접속되어 전압전류검출부의 전압과 위상을 검출하는 동기검출부와, 상기 SCR 유닛의 2차에 연결되어 출력되는 전압과 부하 전류의 RMS를 측정하는 전압전류검출부와, 상기 전압전류검출부에서 측정된 RMS를 토대로 상기 동기검출부에서 검출한 기준 신호에 맞춰 상기 SCR 유닛의 게이트를 통해 전류를 제어하도록 CPU와 연결된 SCR 구동부로 구성된 것을 특징으로 하는 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 기준입력부의 전압 기준은 4~20mA이고, 상기 전원공급부로 공급되는 AC 전압의 범위는 85~265V이며, 상기 통신부는 RS485 기반의 Modbus RTU 프로토콜 통신방식으로 통신하는 것을 특징으로 하는 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 전압전류검출부는 정전압 제어가 가능하도록 에너지미터 IC를 통해 출력단의 트루 알엠에스(True RMS)를 측정하는 것을 특징으로 하는 베스의 다기능 히터 전력 제어유닛.

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