KR101295402B1 - 전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수개의 정류소자로 구성되어 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 직류전압을 변환하여 구형파 형태의 고주파 교류전압 및 사인파 형태의 고주파 교류전류로 출력하는 전압형 인버터; 상기 인버터에 직렬로 연결되어, 상기 인버터로부터 출력되어 상기 가열코일에 인가되는 전류가 지수함수적으로 증가하도록 하는 공진 인덕터; 및 상기 가열코일에 병렬로 연결되어 상기 공진 인덕터와 함께 공진회로를 구성하는 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템에 관한 것으로,
본 발명에 따르면, 유도가열 시스템의 인버터에서 출력 전류가 급격하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.

Description

전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템{Power Supply and System for that}
본 발명은 유도가열 방식으로 가열체를 가열하는 전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템에 관한 것이다.
유도가열 시스템은 가열체를 감싸는 가열코일에 고주파의 교류전류를 흐르게 함으로써, 고주파의 교류전류로 인해 가열체에 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스(Hysteresis) 손실에 의하여 발생하는 열을 이용하여 가열체를 가열하는 시스템이다. 즉, 가열코일에 고주파 전류가 흐르면 코일을 중심으로 강한 고주파 자계가 형성되어, 가열코일에 인접한 가열체의 표면이 가열된다.
이하, 일반적인 유도가열 시스템을 도 1을 참조하여 간략하게 설명한다.
도 1은 일반적인 유도가열 시스템의 구성을 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 유도가열 시스템(100)은 정류부(110), 인버터(120), 공진회로(130), 및 가열코일(140)을 포함한다.
정류부(110)는 교류의 전류형 입력전원을 입력받아 직류 전류로 정류한다.
인버터(120)는 스위칭 소자로 구성되며, 정류부(110)로부터 입력되는 직류 전류를 고주파의 교류전류로 변환한다.
공진회로(130)는 가열코일(140)과 연동하여 공진함으로써, 가열코일(140)의 역률을 개선한다.
가열코일(140)은 인버터(120)로부터 입력된 고주파 교류전류를 공진회로(130)와 함께 공진시키고, 여기서 발생된 자계를 이용하여 가열체에 전류를 유도하여 가열체를 가열한다.
그러나, 상술한 바와 같은 일반적인 유도가열 시스템은, 가열코일(140)이 가열체와 단락(short)되는 경우 가열코일(140)에 흐르는 전류가 급상승할 수 있다는 문제점이 있다.
이와 같이, 가열코일에 흐르는 전류가 급상승하게 되면, 인버터(120)는 가열코일(140)에 보다 많은 전류를 공급해야 하고, 이로 인해 인버터(120)를 구성하는 스위칭 소자에 정격용량을 초과하는 전압 또는 전류가 인가되어, 스위칭 소자가 파괴될 수도 있다.
이와 같은 문제점은 가열체 또는 가열코일의 특성으로 인해 대전류가 요구되는 가열코일의 경우 더욱 심각해 질 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 일반적인 유도가열 시스템(100)은, 전류형 인버터(120)를 이용하는 것이 일반적인데, 전류형 인버터(120)의 경우 위상제어를 위해 주로 위상제어 정류기가 정류부(110)로 사용된다. 이러한 위상제어 정류기는 역률 저하의 원인이 되는바, 역률저하를 개선하기 위해 별도의 위상 보상기 또는 역률 보상기가 추가로 요구되므로 유도가열장치의 제조단가가 상승할 수 있다는 문제점도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유도가열 시스템의 가열코일에 인가되는 출력 전류의 급격한 증가를 방지할 수 있는 전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 위상 보상기나 역률 보상기 없이도 역률을 개선시킬 수 있는 전원공급장치 및 이를 포함하는 유도가열 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전원공급장치는, 복수개의 정류소자로 구성되어 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 직류전압을 변환하여 구형파 형태의 고주파 교류전압 및 사인파 형태의 고주파 교류전류로 출력하는 전압형 인버터; 상기 인버터에 직렬로 연결되어, 상기 인버터로부터 출력되어 상기 가열코일에 인가되는 전류가 지수함수적으로 증가하도록 하는 공진 인덕터; 및 상기 가열코일에 병렬로 연결되어 상기 공진 인덕터와 함께 공진회로를 구성하는 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 유도가열 시스템은, 가열체를 가열하기 위해 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환하여 출력하는 전원공급장치; 및 상기 전원공급장치로부터 고주파 교류전류를 입력받아 상기 가열체에 유도전류를 발생시켜 상기 가열체를 가열하되, 상기 가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되도록 하는 TF(Transverse Flux)타입의 가열코일을 포함하고, 상기 전원공급장치는, 상기 가열코일에 직렬로 연결된 공진 인덕터를 포함하는 공진회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전원공급장치를 구성하는 인버터 출력단 또는 변압기 출력단에 직렬로 연결되는 인덕터를 추가함으로써 가열코일에 전달되는 출력 전류가 급격하게 증가하는 것을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 전압형 인버터를 사용하기 때문에 정류기의 위상을 보상하기 위한 별도의 위상 제어기 및 역률 개선을 위한 별도의 역률 보상기가 요구되지 않고, 따라서 유도가열 시스템의 제조단가가 감소되는 효과가 있다.
또한 본 발명은, Transverse Flex 타입의 가열코일을 사용함으로써, 히팅 효율의 변동이 적고 비자성체의 경우에도 쉽게 가열할 수 있으며, 저주파수에서도 가열이 가능하므로 고주파수사용에 따른 고장율을 낮출 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 제어부를 이용하여 정류기 및 인버터의 출력을 제어하기 때문에 가열코일과 가열체가 단락(short)되는 경우 유도가열 시스템을 보호할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 유도가열 시스템을 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 대략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 정류부의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3b는 도 2에 도시된 정류부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4a는 도 2에 도시된 인버터의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4b는 도 2에 도시된 인버터의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 공진회로의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6a는 도 2에 도시된 가열코일의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6b는 도 2에 도시된 가열코일의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유도가열 시스템(200)의 대략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 유도가열 시스템(200)은 전원공급장치(300) 및 가열코일(400)로 구성된다.
전원공급장치(300)는 외부로부터 입력되는 교류의 입력전압으로부터 구형파의 출력 전류를 생성하여 가열코일(400)에 출력한다.
이러한 전원공급장치(300)는, 정류부(310), 인버터(330), 변압기(350), 공진회로(370), 및 제어부(390)를 포함한다.
먼저, 정류부(310)는 복수의 정류소자로 구성되며, 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 직류전압으로 변환한다.
도 3a는 본 발명에 따른 정류부(310)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
정류부(310)는 도 3a에 도시된 바와 같이 복수의 정류소자(312a 내지 312d) 및 평활화부(314)로 구성될 수 있다.
정류소자(312)는 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 정류하여 출력한다. 이때 도 3a에 도시된 바와 같이 외부로부터 입력되는 교류의 입력전압은 단상일 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 본 발명에 따른 정류소자(312)는 단상 교류전압을 전파 정류하기 위해 4개의 다이오드(Diode)로 구현될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 전원공급장치(300)의 정류부(310)의 다른 실시예를 도시한 도면이다
이때, 도 3b에 도시된 바와 같이, 외부로부터 입력되는 교류의 입력전압이 3상인 경우, 본 발명에 따른 정류소자(312)는 3상 교류전압을 전파 정류하기 위해 6개의 사이리스터(Thyristor)로 구현될 수 있다.
다만, 편의상 도 3a에서는 다이오드를 사용하여 정류부(310)를 구현하고 도 3b에서는 사이리스터를 사용하여 정류부(310)를 구현하는 것으로 설명하였지만, 정류소자(312)는 다이오드나 사이리스터 외에도 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 구현할 수도 있다.
이때, SCR을 정류소자(312)로 사용하는 경우 외부 입력전압이 최초로 인가될 때 SCR의 위상각을 조절하여 정류부(310)의 출력을 부드럽게 상승시켜 인버터가 안정하게 동작 하도록 한다.
다음으로, 평활화부(314)는 정류소자(312)의 출력전압에 포함된 리플성분을 제거함으로써 정류소자(312)의 출력전압을 평활화한다. 이는, 정류소자(312)에서 전파 정류된 출력파형인 맥류에는 직류와 교류성분이 공존하기 때문에, 평활화부(314)가 맥류에서 교류성분을 제거하는 것이다.
일 실시예에 있어서, 평활화부(314)는 정류소자(312)에 직렬로 연결된 정류 인덕터(316) 및 정류소자에 병렬로 연결된 정류 캐패시터(318)를 포함할 수 있다.
정류 인덕터(316)는 정류소자(312)에 직렬로 연결되며, 정류소자(312)로부터 출력된 맥류에서 고주파성분을 차단하고 직류성분 및 저주파성분을 통과시킨다.
정류 캐패시터(318)는 정류 인덕터(316)로부터 출력된 전압을 유지하는 한편, 정류 인덕터(316)와 함께 정류소자(312)로부터 출력된 맥류를 더욱 평활하게 한다.
상술한 실시예에 있어서는, 평활화부(314)가 정류 인턱터(316) 및 정류 캐패시터(318)로 구성되는 것으로 설명하였지만, 정류소자(312)의 출력 전압을 평활화 할 수 있다면 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 평활회로를 이용하여 구현될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 인버터(330)는 정류부(310)에 연결되어 정류부(310)로부터 입력되는 직류전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환한다.
일 실시예에 있어서, 도 4a를 참조하면, 인버터(330)는 풀 브릿지 방식으로 연결된 복수의 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
풀 브릿지 방식의 인버터(330)는 넓은 범위의 직류 입력전압에서도 동작하며, 출력단에 낮은 권선비의 변압기(350)를 사용할 수 있는 장점이 있어 널리 사용된다.
다른 실시예에 있어서, 도 4b를 참조하면, 인버터(330)는 하프 브릿지 방식으로 연결된 복수의 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
하프 브릿지 방식의 인버터(330)는 풀브릿지 방식보다 스위칭 소자를 적게 쓰는 장점이 있으나, 풀브릿지 방식보다 높은 권선비의 변압기(350)를 사용하므로 변압기(350)의 크기가 커질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 인버터(330)를 구성하는 복수의 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다. IGBT는 수 메가와트 용량의 인버터(330)에서 사용되며 적정 구동 주파수는 수십KHz이다.
상술한 실시예에 있어서 인버터(330)는 풀브릿지 또는 하프 브릿지 방식으로 구현되는 것으로서 설명하였으나 경우에 따라서 푸시 풀 방식 등과 같은 방식으로 구현될 수도 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서 인버터(330)를 구성하는 스위칭 소자는 IGBT 이외에, SCR(Silicon Controlled Rectifier), MOS-FET, 또는 IGCT(Integrated Gate Commuutated Thyristor)일 수도 있다.
SCR은 비교적 높은 전압과 전류를 스위칭할 수 있기 때문에 주로 수십 메가와트의 대용량 인버터(330)에서 사용되며 적정 구동 주파수는 수KHz이다. SCR을 스위칭 소자로 사용하여 인버터(330)를 구현한 경우 SCR이 역전압 저지 능력을 갖도록 하기 위해서는 TOT(Time-Off Time)가 필요하다. 여기서, TOT란 SCR에 역병렬로 연결된 다이오드로 전류가 흐르는 시간을 의미하는 것으로서, 만약 TOT가 요구되는 값보다 짧을 경우 인버터(330)의 SCR이 둘 다 켜지는 암단락이 일어날 수 있다.
MOS-FET은 수 키로와트의 용량의 인버터(330)에서 사용되며 적정 구동 주파수는 수십백Hz이다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 인버터(330)는 정류부(310)로부터 직류전압이 인가되면 구형파 형태의 고주파 교류전압 및 사인파 형태의 고주파 교류전류를 출력하는 전압형 인버터일 수 있다.
전압형 인버터는 입력소스로 전압을 입력받는 형태의 인버터를 의미하는 것으로서, 전류형 인버터(330)에 비하여 전원 임피던스가 낮고, 출력 제어가 용이하며, 역률이 높은 특징이 있다. 이러한 전압형 인버터는, 구동 주파수의 변조를 통해 출력을 제어하게 된다,
다시 도 2를 참조하면, 변압기(350)는 변압용 코일로 구성되며, 인버터(330)에 연결되어 인버터(330)에서 입력되는 고주파의 교류전압을 소정의 권선비에 따라 변압하여 출력한다.
변압기(350)는 인버터(330)측인 1차측 회로와 공진회로(370)측인 2차측 회로를 전기적으로 절연한다. 따라서, 가열코일(400)과 가열체의 단락(short) 사고로 2차측 회로에 전류가 급증해도 2차측 회로와 절연 상태인 1차측의 인버터(330) 내부 전류 상승이 방지되는 효과가 있다.
상술한 실시예에 있어서는 전원공급장치(300)가 변압기(350)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 변형된 실시예에 있어서 이러한 변압기(350)는 선택적으로 포함될 수 있다. 예컨대, 출력전압의 레벨조정이 필요하지 않은 경우에는 변압기(350)가 전원공급장치(300)에 포함되지 않을 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 경우 인버터(330)의 출력전류가 공진회로(370)에 직접 공급된다.
이하 설명의 편의를 위해 전원공급장치(300)가 변압기(350)를 포함하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
다음으로, 공진회로(370)는 변압기(350)의 2차측에 연결되어 가열코일(400)의 역률을 개선한다.
일 실시예에 있어서, 공진회로(370)는 도 5에 도시된 바와 같이, 변압기(350)에 직렬로 연결되는 공진 인덕터(372) 및 상기 가열코일(400)에 병렬로 연결되는 공진 캐패시터(374)를 포함할 수 있다.
공진 인덕터(372)는 가열체와 가열코일(400)이 단락되는 사고 발생시, 가열코일(400)에 공급되는 전류의 단위 시간당 변화량을 조절함으로써 가열코일(400)에 공급되는 전류가 지수함수 형태로 증가되도록 한다.
이와 같이, 공진 인덕터(372)에 의해 가열코일(400)에 공급되는 전류의 급격한 증가가 방지되기 때문에, 결과적으로 공진 인덕터(372)는 인버터(330)의 단위 시간당 출력전류가 급격하게 증가되는 것을 방지하게 된다. 따라서 상기 공진 인덕터(372)는 정격용량을 초과하는 전류공급으로 인하여 인버터(330)가 파괴되는 것을 방지한다.
또한, 본 발명의 경우, 공진 인덕터가 포함되지 않은 공진회로와 비교할 때, 변압기(350)의 2차측에 흐르는 전류의 크기가 공진 인덕터(372)의 인덕턴스와 가열코일(400)의 인덕턴스 비만큼 감소된다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 공진 인덕터(372)의 인덕턴스가 Ls이고 가열코일(400)의 인덕턴스가 LH일 때 변압기(350)의 2차측인 공진 인덕터에 흐르는 전류(I1)는 아래의 수학식 1에 기재된 β만큼 감소되어 흐르게 된다.
Figure 112011071619459-pat00001
즉, 본 발명의 경우 공진 인덕터(372)가 포함되지 않은 공진회로 비교할 때, 동일한 전류가 가열코일(400)에 흘러도 공진 인덕터(372)에는 상대적으로 적은 양의 전류가 흐르게 된다. 따라서, 공진 인덕터(372)에 전류를 공급하는 인버터(330)에도 상대적으로 적은 전류가 흐르게 된다.
이는 대전류가 사용되는 TF 구조의 가열코일(400)이 이용되는 경우에 특히 유용하다. 즉 가열코일(400)에 대전류(I2)가 흐르더라도 공진 인덕터(372)를 포함하는 공진회로(370)가 있음으로 해서 인버터(330)에 흐르는 전류를 상대적으로 적게 할 수 있는 것이다.
공진 캐패시터(374)는 가열코일(400)에 병렬로 연결되어 가열코일(400)과 함께 에너지를 주고 받으며 공진한다.
한편, 공진회로(370)는 공진회로(370)의 입력전압을 양호도(Quality Factor)만큼 증폭시켜 가열코일(400)에 전달한다. 따라서, 공진회로(370)에 낮은 전압이 인가되어도 가열코일(400)에는 큰 전압을 전달할 수 있다.
또한, 본 발명의 공진회로(370)는 인버터(330)에서 영전압스위칭(Zero Volage Switching)을 가능하게 하므로, 인버터(330)는 고주파 교류전류와 교류전압을 항상 영전압 스위칭이 되도록 동상이 되도록 제어함으로써 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(390)는 상기 가열코일(400)에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 측정하여 인버터(330) 및 정류부(310)를 제어한다.
일 실시예에 있어서, 정류부(310)가 사이리스터로 구현되는 경우, 제어부(390)는 상기 가열코일(400)에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 측정하여 적어도 하나가 임계값을 초과하면 상기 정류부(310)를 구성하는 사이리스터의 도통각을 조절하여 상기 정류부(310)가 출력하는 직류전압을 감소시킨다.
다른 실시예에 있어서, 정류부(310)가 SCR로 구현되는 경우, 제어부(390)는 상기 가열코일(400)에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 측정하여 적어도 하나가 임계값을 초과하면, SCR의 Gate 신호를 차단하여 SCR에서 전압이 출력되지 않도록 할 수 있다.
또한, 제어부(390)는 상기 가열코일(400)에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류 중 적어도 하나가 임계값을 초과하면 상기 인버터(330)의 주파수를 제어하여 상기 인버터(330)로부터 출력되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 감소시킨다.
구체적으로, 인버터(330)는 인버터(330)의 구동 주파수가 공진 주파수와 일치할 때 최대 전력이 출력되며, 구동 주파수가 공진 주파수로부터 멀어질 수록 출력전력이 점차 낮아지기 때문에, 제어부(390)는 인버터(330)의 구동 주파수를 조절함으로써 인버터의 출력전력을 조절할 수 있다.
한편, 인버터(330)의 구동 주파수가 소정의 값 이하로 제어되는 것은 바람직하지 않으므로, 이런 경우에는 인버터(330)의 구동 주파수를 고정하고 정류기(310)를 구성하는 사이리스터의 도통각을 제어하여 출력전압을 제어할 수 있다.
상술한 실시예에 있어서, 제어부(390)에 의한 인버터(330) 및 정류부(310)의 제어를 위해 전압공급장치(300)는 가열코일(400)로 인가되는 전류를 측정하여 제어부(390)로 제공하는 전류측정수단(Current Transformer) 및 가열코일(400)에 인가되는 전압을 측정하여 제어부(390)로 제공하는 전압측정수단(Potential Transformer)을 더 포함할 수 있다.
다음으로, 가열코일(400)은 상기 전원공급장치(300)로부터 고주파 교류전류를 공급받아, 상기 공진회로(370)와 함께 공진하며, 이때 발생된 자기장을 이용하여 가열체를 가열한다.
일 실시예에 있어서, 가열코일(400)은 LF(Longitudinal Flux) 타입 또는 Transverse Flux(TF)타입으로 구현될 수 있다.
먼저, Longitudinal Flux(LF, 이하 'LF'라 함)타입의 가열코일은 가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되도록 하는 타입이다. 이하 도 6a를 참조하여 LF타입의 가열코일에 대해 간략히 설명한다.
도 6a는 본 발명의 가열코일(400)의 일 실시예인 LF타입의 가열코일(400)을 도시한 도면이다.
도 6a를 참고하면, 가열코일(400)에 고주파(6KHz~200KHz)의 교류전류가 흐르면 가열코일(400) 주변에 형성된 자기장이 변화하고, 패러데이의 법칙에 따라 단위 시간당 자속변화량에 비례하여 가열체에 전류가 유도된다.
이때, 유도전류가 가열체에 흐르면 표피효과(Skin Effect)에 의해 가열체의 표면 가까이에 전류가 집중하여 흐르게 되며, 이러한 현상은 주파수가 높을수록 강해진다.
이렇게 가열체 표면에 전류가 유도되면 가열체의 저항에 비례하여 발열이 일어나 가열체가 가열된다.
다음으로, 이하, 도 6b를 참조하여 Transverse Flux(TF, 이하 'TF'라 함)타입의 가열코일에 대하 설명한다.도 6b는 본 발명의 가열코일(400)의 일 실시예인 TF타입의 가열코일을 도시한 도면이다.
TF 구조의 가열코일(400)은 가열체(500)의 상면 및 하면에 각각 분리되어 형성되며, 가열체(500)의 표면과 수평한 방향으로 코일이 감겨있고, 측면이 트인 구조이다.
따라서, 가열코일(400)의 상하이동이 가능하며, 가열체(500)가 비스듬이 움직여 가열코일(400)과 충돌하는 사고 발생시 가열코일(400)의 손상을 줄일 수 있다.
또한, 전류가 흐르는 도선에 있어 자속은 암페어의 오른나사의 법칙에 따라 전류의 진행방향에 대하여 오른나사 방향으로 형성되는바, TF타입의 가열코일(400)은 가열체(500) 표면에 수직방향으로 자속을 유도한다.
이러한 TF타입의 가열코일(400)은 가열체 두께 변동에 대한 가열 효율의 변동이 적고 비자성체도 쉽게 가열할 수 있다. 또한 1kHz 정도의 낮은 주파수에서도 동작이 가능하므로 고주파수에 따른 손실과 고장율을 낮출 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 유도가열 시스템의 일 예를 회로적으로 표현하면 도 7과 같이 표현될 수 있다.
도 7에 도시된 예에서 알 수 있듯이, 유도가열 시스템의 전원공급장치는 3상의 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부(310), 풀브릿지 방식으로 구현되어 직류전압으로부터 교류전압 및 교류전류를 출력하는 인버터(330), 인버터(330)로부터 출력되는 교류전압을 변압하는 변압기(350), 2차측의 전류를 공진회로(370) 및 제어부(390)를 포함한다.
제어부(390)는 입력신호로 가열코일(400) 양단의 전압을 측정하는 Potential Transformer(PT) 및 가열코일(400)에서 나오는 전류를 측정하는 Current Transformer(CT)를 포함한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200 - 유도가열 시스템
300 - 전원공급장치
310 - 정류부
312 - 정류소자
314 - 평활화부
330 - 인버터
350 - 변압기
370 - 공진회로
390 - 제어부
400 - 가열코일
500 - 가열체

Claims (9)

  1. 복수개의 정류소자로 구성되어 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 직류전압으로 변환하는 정류부;
    정류부로부터 출력되는 직류전압을 변환하여 구형파 형태의 고주파 교류전압 및 사인파 형태의 고주파 교류전류로 출력하고, 상기 정류부의 위상을 별도로 보상하지 않는 전압형 인버터;
    상기 인버터에 직렬로 연결되어, 가열체 및 가열코일의 단락(short) 시 상기 가열코일에 공급되는 전류의 단위 시간당 변화량을 조절함으로써, 상기 인버터로부터 출력되어 상기 가열코일에 인가되는 전류가 지수함수적으로 증가하도록 하는 공진 인덕터; 및
    상기 가열코일에 병렬로 연결되어 상기 공진 인덕터와 함께 공진회로를 구성하는 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공진회로는,
    상기 공진 인덕터에 흐르는 전류를 상기 공진 인덕터가 갖는 제1 인덕턴스와 상기 가열코일이 갖는 제2 인덕턴스의 비율만큼 변환하여 상기 가열코일에 전달하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가열코일에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류 중 적어도 하나가 임계값을 초과하면 상기 정류부를 구성하는 사이리스터의 도통각을 조절하여 상기 정류부가 출력하는 직류전압을 감소시키거나, 상기 가열코일에 인가되는 고주파 교류전압 및 교류전류 중 적어도 하나가 임계값을 초과하면 상기 인버터의 주파수를 제어하여 상기 인버터로부터 출력되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 감소시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터에 연결되어, 인버터로부터 출력되는 고주파 교류전압을 소정의 권선비에 따라 변환하여 상기 공진 인덕터에 출력하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가열코일은 고주파 교류전류를 입력받아 가열체에 유도전류를 발생시켜 상기 가열체를 가열하되, 상기 가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되도록 하는 TF(Transverse Flux)타입의 가열코일인 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터는 SCR(Silicon Controlled Rectifier), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOS-FET, 또는 IGCT(Integrated Gate Commuutated Thyristor) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  7. 가열체를 가열하기 위해 외부로부터 인가되는 교류의 입력전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환하여 출력하는 전원공급장치; 및
    상기 전원공급장치로부터 고주파 교류전류를 입력받아 상기 가열체에 유도전류를 발생시켜 상기 가열체를 가열하되, 상기 가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되도록 하는 TF(Transverse Flux)타입의 가열코일을 포함하고,
    상기 전원공급장치는,
    정류부로부터 출력되는 직류전압을 변환하여 구형파 형태의 고주파 교류전압 및 사인파 형태의 고주파 교류전류로 출력하고, 상기 정류부의 위상을 별도로 보상하지 않는 전압형 인버터; 및
    상기 인버터에 직렬로 연결되어, 가열체 및 가열코일의 단락(short) 시 상기 가열코일에 공급되는 전류의 단위 시간당 변화량을 조절함으로써, 상기 인버터로부터 출력되어 상기 가열코일에 인가되는 전류가 지수함수적으로 증가하도록 하는 공진 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전원공급장치는,
    상기 전원공급장치가 출력하는 고주파 교류전압 및 교류전류 중 적어도 하나가 임계값을 초과하면 정류부를 구성하는 사이리스터의 도통각을 조절하여 상기 정류부가 출력하는 직류전압을 감소시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 전원공급장치는,
    상기 전원공급장치가 출력하는 고주파 교류전압 및 교류전류 중 적어도 하나가 임계값을 초과하면 상기 인버터의 주파수를 제어하여 상기 인버터로부터 출력되는 고주파 교류전압 및 교류전류를 감소시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
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