KR101371009B1

KR101371009B1 - 고주파 유도 가열장치의 전력절감장치

Info

Publication number: KR101371009B1
Application number: KR1020120083060A
Authority: KR
Inventors: 송치선
Original assignee: 송치선
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-03-10
Also published as: KR20140016500A

Abstract

본 발명은 고주파 유도 가열장치의 전력 절감장치에 관한 것으로 3상 교류 전원으로부터 컨버터회로에 의해 전원이 공급되는 전원선(ℓ1)(ℓ2)에 콘덴서(C)와 가동코일(L)로 구성된 복수의 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)가 병렬로 연결된 고주파 유도 가열장치에 있어서,
상기 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)의 콘덴서(C)와 가동코일(L)의 일단에 제어 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)가 각각 공통으로 개재되어 타측 전원선(ℓ2)에 전원이 개폐가능하게 구비되어 있다.
본 발명에 의하면 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)의 선택적 사용에 의해 전력을 절감할 수 있고 정류회로의 위상조절에 의해 전압을 조절하여 전력을 절감할 수 있다.

Description

고주파 유도 가열장치의 전력절감장치{A SYSTEM OF REDUCING ENERGE FOR HIGH FREQUENCE INDUCTOIN HEATING DEVICE}

본 발명은 고주파 유도 가열장치의 전력절감장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면, 고주파 유도가열장치의 가동코일(working coil)과 콘덴서에 제어스위치가 구비되어 가열범위에 따라 가동코일을 선택적으로 사용함으로써 나머지의 가열코일에 의한 전력허비를 방지하여 고주파 유도 가열장치의 전력을 절감할 수 있게 된 것이다.

일반적으로 코일과 콘덴서의 공진회로로 구성된 고주파 유도 가열장치에 의해 비철금속 및 철금속을 가열하거나, 음식물을 조리하거나, 기타 각종 용도로 사용되는 고주파 유도 가열장치가 알려져 있다.

고주파유도 가열장치의 선행기술의 예를 들면 다음과 같다.

① 등록특허공보 등록번호 10-0191343호(1999.06.15.공고)의 고주파 유도 가열방식에 의한 선상가열장치는 공지된 고주파 유도가열용 가열코일을 수냉식 관체로 형성하여 고투자율(高透磁率) 특성을 갖는 페라이트 코어의 주면에 권회하여 가열장치를 구성하고 상기 페라이트 코일에 냉각순환공을 형성하여 강판 소재를 선상으로 가열할 때 복사열이 페라이트 코어에 전달되는 것을 차단하게 된 것이다.

② 등록실용신안공보 등록번호 20-0228352호(2001.06.15.공고)의 고주파유도가열장치용 임피더 주수관 고정장치는 고주파유도가열장치의 가동코일 내측에 장착하는 임피더를 냉각시키는 동시 주수관 및 임피더를 지탱하는 임피더 주수관 고정장치로서 주수관 지지블록에 주입관로와 회수관로를 형성하고 하단부에 장착공을 형성하여 장착공에 이중으로 구성된 주수관을 장착하여 임피더를 냉각수에 의해 냉각한 다음 회수관을 통하여 배수되게 하여, 냉각에 의하여 임피더의 열변형을 방지하고 금속밴드를 안전하게 공급하여 제관(製管)할 수 있게 된 것이다.

③ 등록특허공보 등록번호 10-0470289호(2005.02.05 공고)의 유도가열장치는 알루미늄등의 비자성체의 냄비를 사용하여 온도제어를 하면서 가열조리 할 때 냄비 들뜸에 의해 온도검출이 정확하게 할 수 없고 냄비가 이상한 온도상승 하는 것을 방지하기 위하여 재질검출부가 비자성체인 것을 검출하였을 때 온도제어기능을 정지하여 온도조절을 수동으로 하도록 사용자에게 통지한다. 또한 가열코일의 자가발열에 의한 영향을 억제하여 정밀도가 높은 피가열체의 온도제어를 하기 위해서 철계의 피가열체를 가열 가능하고 알루미늄 도전율과 대략 동등 또는 그 이상의 도전율을 갖는 피가열체를 가열 가능한 제1 코일 및 철계의 피가열체의 가열을 가능하게 하고 또 알루미늄의 도전율과 대략 동등 또는 그 이상의 도전율을 갖는 피가열체를 가열할 수 없는 제2 가열코일을 구비한 것이다.

④ 실용신안공보 공고번호 실1989-0001600호(1989.04.06공고)의 고주파 유도가열장치용 전력제어장치는 고주파 유도 가열장치에 있어서, 사용자의 출력조절에 의해 일정전류를 제어하였으나 실제의 출력은 인가전압과 흐르는 전류의 곱에 의해 발생되므로 출력이 변동되므로 이를 방지하기 위하여 작동코일의 양단의 전압을 측정비교하여 AC 입력전압의 전압변동 따라 독자적인 펄스발진기가 작동되어 AC전압에 무관하게 일정한 출력을 발생시키고 기기를 안전영역에서 동작되게 함으로써 조리시간을 일정하게 조절할 수 있게 된 것이다.

⑤ 등록특허공보 등록번호 10-1093539호(2011.12.14공고)의 유도 가열코일의 연결불량에 의한 회로 손상방지 기능을 구비한 유도 가열장치는 입력되는 고주파 전류에 의해 발열되어 조리용기를 가열하는 유도 가열 코일과, 상기 유도코일과 직렬로연결된 공진 커패시터와, 정류 및 평활부와, 직류 전원을 스위칭함으로써 고주파 전류를 인가하는 인버터부와 상기 인버터부의 구동을 제어하기 위한 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부와, 상기 인버터부에 의해 발생되는 전자파를 감쇄하기 위한 전자파 감쇄부와, 상기 인버터의 소정의 전압을 이용하여 상기 유도 가열코일의 연결상태를 감지하고 상기 유도 가열코일이 정확하게 연결되지 않은 것으로 판정된 경우에 상기 스위칭 제어부의 동작을 정지시키는 과전압 감시부를 포함하는 유도가열장치이다.

상기한 종래의 선행기술에는 제관 시에 금속밴드를 안내하는 임피더, 및 페라이트 코어의 냉각수단이나, 또는 입력전원의 변동에 대한 가동코일에 인가되는 출력 전원의 안정적 유지수단에 대하여 설명되어 있으나, 고주파 유도 가열장치의 전력절감수단에 대하여는 개시(開示)되어 있지 않다.

본 발명과 관련된 종래의 일반적인 고주파 유도 가열장치는 도 1에 표시된 바와 같이, 컨버터로부터 공급되는 주파수 100Hz~10KHz의 전원선에는 콘덴서(C)와 가동코일(L)로 된 복수(4개)의 고주파 공진회로가 병열접속되어, 가령 모든 가동코일(L)의 사용전력이 1000kw 라 하면, 각 고주파 공진회로의 사용전력은 250kw이 된다. 그러나 이러한 구성에서는 가열범위에 따라 일부의 공진회로를 가동하고자 해도 모든 공진회로에 전원이 공급되므로 전력낭비가 크게 된다.

본 발명의 목적은 비철금속, 또는 철금속을 가열하는 고주파 유도 가열장치에 있어서, 복수의 고주파 공진회로의 가동코일을 전원 공급을 제어하여 가열범위에 따라 선택적으로 가동코일의 전원을 제어하고 전력허비를 방지하여 전력을 절감할 수 있는 고주파 유도 가열장치의 전력절감장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수의 고주파 공진회로의 가동코일을 이용하여 피가열체를 가열한 후 가열된 피가열체가 피더에 의해 일 측으로 이동할 때 각 가동코일의 전원을 순차적으로 차단하여 전력을 다소라도 절감할 수 있는 고주파 유도 가열장치의 전력절감장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 3상 전원의 전압을 변동하여 사용할 때 전압변동에 따른 역률저하에 대하여 고주파 공진회로의 가동코일의 전원을 제어하여 역률을 98% 이상 높게 하여 전력을 절감하는 고주파 유도가열장치의 전력절감장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고주파 유도 가열장치의 전원의 컨버터 회로의 싸리스타 게이트를 제어하여 전압과 전류 차의 위상을 180°의 정상 위상에서 약 30°정도 줄여 전압을 조정하여 전력을 절감할 수 있는 고주파 유도 가열장치의 전력 절감장치를 제공하는데 있다.

통상적으로 전기장치에서 전력을 절감하는 수단은 전압을 감소하거나, 전류를 감소하거나, 역률(power factor)을 높이는 3가지 방법이다.

본 발명은 3상 교류 전원으로부터 컨버터회로에 의해 주파수 100Hz~ 10KHz의 고주파 전원이 공급되는 전원선에 콘덴서와 가동코일로 구성된 복수의 공진회로가 병렬로 연결된 고주파 유도 가열장치에 있어서,

본 발명의 제1발명은 상기 고주파 전원선에 병렬로 연결된 복수 개의 콘덴서 및 가동코일의 일단에 제어스위치가 공통으로 구비되고 고주파 전원의 일측 도선에는 기존의 직열 콘덴서 외에 복수의 콘덴서와 콘덴서 스위치가 구비되어 구성된 것이다.

본 발명의 제1발명에 의하면, 복수개의 고주파 공진회로 전체를 사용하는 경우에는 각각의 제어스위치를 접속하여 가동코일의 고주파 유도 가열에 의해 피가열체를 가열한다. 유도 가열을 정지하고자 할 때 가열체를 밀어내는 실린더(pusher Cylinder)에 의하여 밀어낼 때, 일 측에서 타 측으로 이동되는 순번대로 각 가동코일의 스위치가 순번대로 개방되어 전원을 차단 시키어 가열체를 밀어내는 동안, 밀어내기 실린더가 가동코일로 인하여 가열되지 않게 한다. 이러한 제어 스위치의 개폐동작은 감지 스위치를 부가함으로써 간단하게 물체의 이동을 감지하여 각각 가동코일의 제어 스위치를 자동으로 개폐할 수 있다.

또 가열범위가 좁은 경우에는 복수의 가동코일 전체를 사용하지 않고 제어스위치에 의해 필요한 가열범위의 가동 코일만을 선택하여 전원이 공급되게 한다.

나머지 가동코일의 제어 스위치는 개방되어있으므로 전원공급이 차단되어 전력소모가 없다.

이때 컨버터 입력선의 일 측 선에 본래의 직열 콘덴서 외에 복수의 직열 콘덴서 및 콘덴서 스위치가 구비되어 있기 때문에 고주파 발진회로 가동 코일 및 콘덴서의 사용수의 증감에 따라 직열 콘덴서의 용량저항을 제어하여 병열 콘덴서와 가동코일 측과의 공진 작용이 원활하게 이루어지게 돕는다.

이와 같이 복수의 모든 고주파 유도 가동코일에 전원을 공급하여 피가열체를 가열하는 경우에는 가열체의 이동에 상응하게 해당위치의 가동코일의 전원을 순번대로 차단하게 되므로 가열체가 가열부를 이동하기까지 모든 가열코일에 전원이 공급되고 있던 것에 비하여 전력소모를 절감할 수 있다.

또 일부의 고주파 유도 가열코일을 사용하는 사용하는 코일에만 전원이 공급되고 나머지의 가동코일의 제어 스위치는 개방되어 전원이 차단되기 때문에 종래의 모든 가동코일과 콘덴서에 전원이 공급하게 된 것에 비하여 본 발명에서는 동일한 작업조건에서 허비되는 전력을 방지하게 되므로 그만큼 무단으로 허비되던 전력을 절감할 수 있다.

또 3상 전원의 전압은 380v, 440v, 575v, 720v, 840v,등 사용자에 의해 임의로 설정하여 사용하게 된다. 이때, 전력은 전압과 전류의 곱이므로 전압을 강하시키면 전류 값이 오르게 되어 역률이 변동된다. 또한 컨버터의 주파수 변경 및 가열코일의 유도 가열온도의 조정 등으로 역률이 저하되므로 98% 이상의 정류회로를 구성하여 사용한다. 역률의 향상은 결국 전력을 절감하게 된다.

본 발명의 제2발명은 고주파 유도 가열장치의 3상 전원의 입력단에 구비된 전류회의 싸리스타 게이트 신호를 제어하여, 전압과 전류의 차가 180°의 정상위상에서 180°이하, 예컨대 30°가 낮은 150°의 위상으로 조정하여 전압의 조정에 의해 전력을 절감하는 것이다.

한편 상기와 같이 전원의 위상(位相)이 조정되면 전압변동에 따라 역률이 저하되며 필요 전력의 로스(loss)가 발생 된다. 따라서, 역률은 95% 이상의 정류회로를 만들고 상기 가동코일 및 콘덴서를 조정함으로써 역률 95% 이상 필요전력을 얻어 사용함으로 결국 전력 절감효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제1발명과 제2 발명의 결합에 의해 고주파 유도 가열장치의 허비전력을 절감하는 동시 정류회로의 싸리스타 게이트에 의한 위상 조정에 의해 낮은 전압에서 95% 이상의 역률을 가진 정류회로를 만들어 사용전력을 절감할 수 있다.

본 발명은 컨버터로부터 공급되는 전원선에 병렬로 연결된 복수의 가동코일 및 콘덴서를 제어스위치를 통하여 연결하였기 때문에 가동코일을 선택적으로 사용할 수 있고 전원의 입력단에 연결된 복수의 직열 콘덴서의 용량을 콘덴서 스위치로 제어하여 가동코일의 공진작용에 협조하여 고주파 유도 가열장치의 전력을 절감할 수 있다.

또한 전원 입력 측에 구비된 전파정류기의 싸리스타 게이트의 입력신호를 조정하여 싸리스타의 정상 180°의 위상에서 180°이하의 예컨대 150°위상으로 조정하여 역률이 95% 이상의 정류회로를 만들어 고주파 유도 가열장치의 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 고주파 유도가열장치 회로의 예시도
도 2는 본 발명의 고주파 유도가열장치의 회로의 예시도
도 3은 본 발명의 컨버터 회로 및 발진 시스템회로의 예시도
도 4는 3상 전압 및 파형도
도 5는 본 발명의 정류회로에 의한 3상 전압의 정류파형도
도 6은 위상조정된 파형도

도 2에 표시된 바와 같이, 3상 교류 전원으로부터 컨버터회로에 의해 주파수 100Hz~ 10KHz의 고주파 전원이 직렬 콘덴서(C1)을 통하여 공급하는 전원선(ℓ1)(ℓ2)에 콘덴서(C)와 가동코일(L)로 구성된 복수의 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)가 병렬로 연결된 고주파 유도 가열장치에 있어서,

상기 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)의 콘덴서(C)와 가동코일(L)의 일단에 제어 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)가 각각 공통으로 개재되어 타측 전원선(ℓ2)에 전원이 개폐가능하게 병렬로 연결되어 구성된 것이다.

상기 공진회로(1)의 전단부에는 일측 전원선(ℓ1)에 기본의 직렬 콘덴서(C1)이외에 복수의 직렬 콘덴서(C2)(C3)가 각각 콘덴서 스위치(K1)(K2)에 의해 각 직렬 콘덴서(C2)(C3)의 회로를 단속(斷續)하게 되어 있다.

본 발명에 의하면, 복 수개의 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4) 전체를 사용하는 경우에는 각각의 제어스위치(S1)(S2)(S3)(S4)를 접속하여 콘덴서(C)와 가동코일(L)의 공진에 의해 발생된 고주파 유도 가열에 의해 도시되지 않은 피가열체를 가열한다. 또 고주파 유도 가열을 정지하고자 경우에는 가열체를 밀어내는 실린더(pusher Cylinder)를 냉각수단에 의해 냉각되게 하면서 가동시켜 밀어낼 때, 실린더가 1번 공진회로(1)측에 이르게 되면 도시되지 않은 감지기의 감지신호에 따라 1번 공진회로(1)의 제어 스위치(S1)가 개방되어 1번 공진회로의 가동코일(L)의 전원을 차단하고 또 상기 밀어내기 실린더가 2번 공진회로(2)측에 이르게 되면 2번 공진회로(2)의 제어 스위치(S2)가 감지기의 감지신호에 따라 개방되어 2번 공진회로(2)의 가동코일(L)의 전원이 차단되어 순차적으로 각 공진회로의 전원이 차단된다.

이와 같이 복수의 고주파 유도 가열부를 가열체가 이동하는 과정에서 공진회로 위치에 있는 가열체는 여전히 가열상태를 유지하되, 밀어내기 실린더에 의해 이동되는 가열체의 종단부 측에서는 동 위치의 공진회로의 가동코일의 전원이 차단되게 하여 전력의 허비를 방지하여 전력을 절감할 수 있다.

또 가열범위가 좁은 경우에는 복수의 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4) 중 일부의 공진회로(1)(2)를 가동하고 나머지 공진회로(3)(4)는 가동코일(L)의 제어 스위치(S3)(S4)를 개방하여 전원을 차단하여 전류소모를 방지한다.

고주파 유도 가열장치의 복수의 고주파 공진회로를 전체적으로 가동할 때와, 부분적으로 가동할 때, 즉 제어 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)의 전체적인 개폐동작과 부분적인 제어 스위치의 개폐동작에 따라, 전력 부하(負荷)에 차이가 있으므로 전력 부하에 상응하게 병렬로 연결된 직렬 콘덴서(C2)(C3)의 스위치(K1)(K2)를 단속(斷續)하여 상기 직렬 콘덴서(C1)(C2)(C3)에 의한 공진회로의 용량저항을 가변하여 공진회로가 원활하게 동작할 수 있게 한다.

또 3상 전원의 전압은 비철금속이나 철금속의 가열조건에 따라 전력을 절약하기 위하여, 380v, 440v, 575v, 720v, 840v,등 사용자에 의해 임의로 설정하여 사용하게 된다. 이때, 전력은 전압과 전류의 곱이므로 전압을 강하시키면 전류 값이 오르게 되어 역률(power factor)이 변동된다. 또한 컨버터의 주파수 변경 및 가열코일의 유도 가열온도의 조정 등으로 역률이 저하되므로 98% 이상의 정류회로를 구성하여 사용한다. 역률의 향상은 결국 전력을 절감하게 된다.

도 3에 표시된 바와 같이 고주파 유도 가열장치에 전원을 공급하는 3상(R)(S)(T) 전원을 전파정류하는 정류회로(5)는 싸리스타(SCR) 소자에 의해 구성되어 있다. 상기 정류회로(5)에 의해 도 4에 표시된 3상 전압 및 파형은 도 5에 표시된 파형으로 정류된다.

이때 고주파 유도 가열장치의 전원으로 사용하는 3상 전원의 전압과 전류차이의 위상을 낮게 하여 전압을 조정하여 보다 낮은 전압으로 사용함으로써 전력을 절감할 수 있다. 즉 3상교류 전류의 전압을 조정하기 위하여 도 3에 표시된 컨버터 회로의 정류회로(5)에 구비된 싸리스타(SCR)의 게이트(G)를 도시되지 않은 조절수단에 의해 낮게 조절하여 180°의 위상에서 150°의 위상으로 조정하여 30°의 위상차를 이루게 한다. 위상이 조정된 파형은 도 6에 표시된 바와 같이 파형의 일부분에 사선으로 표시된 바와 같이 절결된 파형을 이루게 되어 위상의 조정에 따라 전압이 조정된다.

한편 상기와 같이 전원의 위상(位相)이 조정되면 전압변동에 따라 역률이 저하되며 필요 전력의 로스(loss)가 발생된다. 따라서, 역률은 95% 이상의 정류회로를 만들고 상기 가동코일 및 콘덴서를 조정함으로써 역률 95% 이상 필요전력을 얻어 사용함으로 결국 전력 절감효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제1 발명과 제2 발명의 결합에 의해 고주파 유도 가열장치의 허비전력을 절감하는 동시 정류회로의 싸리스타 게이트에 의한 위상 조정에 의해 낮은 전압에서 95% 이상의 역률을 가진 정류회로에 의해 사용전력을 절감할 수 있다.

1,2,3,4 : 공진회로
5 : 정류회로
C : 콘덴서
L : 가동코일
SCR : 싸리스타
K1, K2 : 콘덴서 스위치
S1, S2, S3, S4 : 제어 스위치
ℓ1, ℓ2 : 전원선

Claims

3상 교류 전원으로부터 컨버터회로에 의해 주파수 100Hz~ 10KHz의 고주파 전원이 직렬 콘덴서(C1)을 통하여 공급하는 전원선(ℓ1)(ℓ2)에 콘덴서(C)와 가동코일(L)로 구성된 복수의 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)가 병렬로 연결된 고주파 유도 가열장치에 있어서,
상기 고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)의 콘덴서(C)와 가동코일(L)의 일단에 제어 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)가 각각 공통으로 개재되어 타측 전원선(ℓ2)에 전원이 개폐가능하게 병렬로 연결되어 공진회로의 사용에 의해 전력을 절감할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열장치의 전력 절감장치.
제1항에 있어서,
고주파 공진회로(1)의 전단부의 일측 전원선(ℓ1)에 구비된 직렬 콘덴서(C1)와 나란히 복수의 직렬 콘덴서(C2)(C3) 및 상기 직렬 콘덴서(C2)(C3)에 각각 직렬로 연결된 콘덴서 스위치(K1)(K2)가 상기 전원선(ℓ1)에 병렬로 연결되어 공진회로의 용량저항을 가변할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열장치의 전력 절감장치.
제1항에 있어서,
고주파 공진회로(1)(2)(3)(4)에 전원을 공급하는 3상(R)(S)(T) 전원의 정류회로(5)를 구성하는 싸리스타(SCR) 게이트를 제어하여 180°정위상에서 30°범위로 위상을 조절하여 전압을 조정하게 된 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열장치의 전력 절감장치.