KR101527265B1 - 유도가열 시스템 및 그의 전력분배 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유도가열 시스템은 피가열체 상에서 사전에 설정된 간격으로 이격되어 형성된 복수의 유도가열기; 상기 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 상기 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배하는 1차 전력분배부; 상기 피가열체 가열 중 비정상 동작하는 유도가열기에 의한 손실을 보상하기 위한 보상전력값을 산출하는 보상전력산출부; 및 상기 보상전력값을 상기 비정상 동작하는 유도가열기 이후의 유도가열기에 분배하는 2차 전력분배부를 포함한다.

Description

유도가열 시스템 및 그의 전력분배 방법{System for induction heating and power dividing method for the same}
본 발명은 유도가열 시스템 및 그의 전력분배 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 유도가열기를 포함하는 유도가열 시스템 및 그의 전력분배 방법에 관한 것이다.
유도가열 시스템은 피가열체를 감싸는 가열코일에 고주파의 교류전류를 흐르게 함으로써, 고주파의 교류전류로 인해 피가열체에 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스(Hysteresis) 손실에 의하여 발생하는 열을 이용하여 피가열체를 가열하는 시스템이다. 즉, 가열코일에 고주파 전류가 흐르면 코일을 중심으로 강한 고주파 자계가 형성되어, 가열코일에 인접한 피가열체의 표면이 가열된다.
유도가열 시스템은 피가열체의 이동방향으로 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 복수의 유도가열기를 포함할 수 있다. 복수의 유도가열기는 소정의 간격으로 이격되어 형성되어 있으므로, 피가열체가 이동하는 도중에 지속적으로 피가열체를 가열할 수 있다.
그런데, 복수의 유도가열기는 경우에 따라 그 용량이 서로 다르게 설계되기도 하고, 동일한 용량으로 설계되었더라도 사용에 따라 장치가 노후화되면서 실제 출력할 수 있는 최대출력전력이 상이하게 되기도 한다. 또한, 피가열체의 특성 및 가열하고자 하는 온도, 유도가열기 가동비용 등의 요인에 따라 사용되는 유도가열기의 개수가 달라질 수 있다.
그러나, 종래기술에 따른 유도가열 시스템은 단순히 설정온도까지 피가열체를 가열하기 위한 총전력을 총 유도가열기의 개수로 나눈 전력값을 유도가열기에 공급하고 있는 바, 개별 유도가열기의 특성 등에 따른 효율적인 전력 분배를 할 수 없어 비효율적인 문제가 있다.
또한, 종래기술에 따른 유도가열 시스템은 운행 중 비정상 동작하는 유도가열기에 대한 보상제어를 수행하지 않아 설정온도까지 피가열체를 가열하지 못하는 문제가 있다.
이를 보다 상세하게 설명하기 위해 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 유도가열 시스템을 사용하여 피가열체를 가열할 때 피가열체의 온도변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 1에서 점선은 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작할 때 피가열체의 온도변화를 나타내는 것이고, 실선은 제2 가열구간에 해당하는 유도가열기가 비정상 동작함에 따라 피가열체를 가열하지 못한 경우 피가열체의 온도변화를 나타낸다.
도 1에서 알 수 있듯이, 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작하는 경우, 복수의 가열구간에서 피가열체의 온도가 상승하는 것을 알 수 있고, 유도가열기가 이격된 구간인 복수의 냉각구간에서는 온도가 하강하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 피가열체는 복수의 가열구간 및 냉각구간을 통과하며 제어하고자 하는 설정온도까지 가열된다.
그러나, 제2 가열구간에서 피가열체를 가열해야하는 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 피가열체의 온도는 본래 가열되어야 하는 온도까지 상승하지 못하고 제3 가열구간이 시작될 때까지 계속하여 하강한다.
또한, 제3 가열구간이 시작되더라도 제3 가열구간에 해당되는 유도가열기는 본래 설정된 만큼의 출력으로 피가열체를 가열하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 정상 동작 때와 온도오차를 갖게 되어 문제된다.
즉, 피가열체는 가열되어야 하는 설정온도까지 가열되지 못하고 온도오차만큼 낮은 온도로 가열된다. 이러한 온도오차는 유도가열시스템의 신뢰성에 문제를 야기하고, 피가열체의 품질에 악영향을 미치게 되어 문제된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유도가열기의 성능, 총유도가열기의 개수 등에 따라 전력를 효율적으로 분해하는 유도가열 시스템 및 그 전력분배 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 피가열체의 가열 중 유도가열기에 문제가 발생하더라도 피가열체를 목표하는 설정온도까지 가열할 수 있는 유도가열 시스템 및 그 전력분배 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유도가열 시스템은 피가열체 상에서 사전에 설정된 간격으로 이격되어 상기 피가열체를 순차적으로 가열하는 m 개의 유도가열기; 및 상기 피가열체를 순차적으로 가열하기 위해 상기 m 개의 유도가열기에 전력을 분배하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 피가열체 가열 중 n 번째 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 상기 n 번째 유도가열기의 전력을 재분배하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 유도가열 시스템의 전력분배 방법은 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 복수의 유도가열기각각의 최대출력전력에 비례하여 분배한 1차 전력분배값을 산출하는 단계; 상기 1차 전력분배값에 따라 상기 피가열체를 가열하는 중 n 번째 유도가열기가 상기 1차 전력분배값을 출력하지 못하는 경우, 상기 n 번째 유도가열기의 비정상 동작에 의한 손실을 보상하기 위한 보상전력값을 산출하는 단계; 및 상기 보상전력값을 상기 n 번째 유도가열기 이후의 상기 유도가열기의 출력에 합산하여 상기 피가열체를 상기 설정온도까지 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유도가열기의 노후화, 유도가열기의 총 개수,유도가열기 상호간 용량의 차이를 고려하여 각 유도가열기에 인가되는 전력을 효율적으로 분해할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유도가열 시스템 운영 중 비정상 동작하는 유도가열기가 발생하는 경우, 비정상 동작으로 인한 손실을 보상하여 피가열체가 도달하고자 하는 설정온도까지 정상적으로 가열될 수 있도록 제어하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 효율적인 전력분배 및 비정상 동작에 대한 보상 제어를 통해 유도가열 시스템의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 유도가열 시스템을 사용하여 피가열체를 가열할 때 피가열체의 온도변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 유도가열기의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 전력보상값을 이용하여 피가열체를 가열할 때 시간에 따른 피가열체의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 3차 전력분배부를 이용하여 피가열체를 가열할 때 시간에 따른 피가열체의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 3차 전력분배부를 이용하여 피가열체를 가열할 때 시간에 따른 피가열체의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 전력분배 방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 유도가열 시스템(100)은 복수의 유도가열기(110), 및 제어부(120)를 포함한다.
복수의 유도가열기(110)는 피가열체(200)의 진행방향 상에서 사전에 설정된 간격으로 이격되어 형성된다.
복수의 유도가열기(110) 각각은 피가열체(200)를 감싸는 가열코일에 고주파의 교류전류를 흐르게 함으로써, 고주파의 교류전류로 인해 피가열체(200)에 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스(Hysteresis) 손실에 의하여 발생하는 열을 이용하여 피가열체(200)를 가열한다. 즉, 가열코일에 고주파 전류가 흐르면 코일을 중심으로 강한 고주파 자계가 형성되어, 가열코일에 인접한 피가열체(200)의 표면이 가열된다.
이를 보다 상세하게 설명하기 위해 이하 도 3을 참조한다.
도 3은 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 포함된 유도가열기의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3에서 알 수 있듯이, 복수의 유도가열기(110)는 피가열체(200)와 소정의 간격으로 이격되어 피가열체(200)를 가열한다.
복수의 유도가열기(110)는 피가열체(200)의 이동방향으로 평행하게 직렬로 배치되며, 사전에 설정된 간격으로 이격되어 형성되므로, 피가열체(200)가 이동하는 도중에 지속적으로 피가열체(200)를 가열할 수 있다.
즉, 피가열체(200)는 제1 가열구간, 제2 가열구간, 제n 가열구간, 제n+1 가열구간, 및 제n+2 가열구간을 차례로 통과하므로 상기 가열구간을 통과할 때 유도가열기에 의해 가열된다.
또한, 복수의 유도가열기(110)는 사전에 설정된 간격으로 이격되어 형성되므로, 피가열체가(200)가 가열구간을 통과한 후 유도가열기 사이의 이격구간을 통과할 때는 자연적인 냉각이 일어난다.
즉, 피가열체(200)는 제1 가열구간 통과 후 제1 냉각구간, 제2 가열구간 통과 후 제2 냉각구간, 제n 가열구간 통과 후 제n 냉각구간, 제n+1 가열구간 통과 후 제n+1 냉각구간, 및 제n+2 가열구간 통과 후 제n+2 냉각구간을 차례로 통과하므로 상기 냉각구간을 통과할 때 자연적으로 냉각된다. 이때, 피가열체(200)의 냉각은 주변 공기 등의 온도에 영향을 받을 수 있다.제어부(120)는 1차 전력분배부(130) 및 보상전력산출부(140)를 포함할 수 있고, 2차 전력분배부(150) 및 3차 전력분배부(160)를 더 포함할 수 있다.
1차 전력분배부(130)는 피가열체(200)를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 상기 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배한다.
복수의 유도가열기(110)는 경우에 따라 그 용량이 서로 다르게 설계되기도 하고, 동일한 용량으로 설계되었더라도 사용에 따라 장치가 노후화되면서 실제 출력할 수 있는 최대출력전력이 상이하게 되기도 한다. 또한, 피가열체(200)의 특성 및 가열하고자 하는 온도, 유도가열기 가동비용 등의 요인에 따라 사용되는 유도가열기의 개수가 달라질 수 있다.
따라서, 1차 전력분배부(130)는 이러한 유도가열기의 개수 및 특성을 반영하여 총전력이 각 유도가열기의 최대출력전력에 비례하여 분배되도록 한다.
이를 위해 일 실시예에 있어서, 1차 전력분배부(130)는 실제 유도가열기가 최대로 출력할 수 있는 최대출력전력(PowerRate(n))을 정상 동작하는 복수의 유도가열기의 최대출력전력의 합(TotalPowerRate)으로 나눈 값인 전력분배비율(PowerRateRatio(n))을 각 유도가열기별로 계산한다.
이를 식으로 표현하면 다음 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
PowerRateRatio(n) = PowerRate(n) / TotalPowerRate
1차 전력분배부(130)는 상술한 전력분배비율을 유도가열 시스템이 피가열체(200)를 설정온도까지 가열하기 위한 총전력(P_ref)과 곱해 1차 전력분배값(P1_ref(n))을 계산하고, 1차 전력분배값을 각각의 유도가열기에 배분한다.
이를 식으로 표현하면 다음 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
P1_ref(n) = P_ref * PowerRateRatio(n)
이를 예를 들어 설명하면, 제1 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(1))이 10, 제2 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(2))이 20, 제3 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(3))이 30, 제4 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(4))이 40인 경우, 정상 동작하는 복수의 유도가열기의 최대출력전력의 합(TotalPowerRate)은 100이다.
따라서, 제1 내지 제4 유도가열기의 전력분배비율은 다음과 같다.
PowerRateRatio(1) = 10 / 100 = 0.1
PowerRateRatio(2) = 20 / 100 = 0.2
PowerRateRatio(3) = 30 / 100 = 0.3
PowerRateRatio(4) = 40 / 100 = 0.4
이때, 유도가열 시스템이 피가열체(200)를 설정온도까지 가열하기 위한 총전력(P_ref)이 33이라면, 복수의 유도가열기 각각에 분배되는 1차 전력분배값은 다음과 같다.
P1_ref(1) = P_ref * PowerRateRatio(1) = 33 * 0.1 = 3.3
P1_ref(2) = P_ref * PowerRateRatio(2) = 33 * 0.2 = 6.6
P1_ref(3) = P_ref * PowerRateRatio(3) = 33 * 0.3 = 9.9
P1_ref(4) = P_ref * PowerRateRatio(4) = 33 * 0.4 = 13.2
1차 전력분배값을 각각의 유도가열기의 최대출력전력과 대비해 유도가열기별보면 가동비율을 살펴보면 다음과 같다.
제1 유도가열기 가동비율 = P1_ref(1)/ PowerRate(1)*100 = 33%
제2 유도가열기 가동비율 = P1_ref(2)/ PowerRate(2)*100 = 33%
제3 유도가열기 가동비율 = P1_ref(3)/ PowerRate(3)*100 = 33%
제4 유도가열기 가동비율 = P1_ref(4)/ PowerRate(4)*100 = 33%
반면, 종래기술에 따른 유도가열 시스템에서와 같이 총전력을 총 유도가열기의 수로 일괄적으로 나누어 분배 때 복수의 유도가열기의 가동비율은 다음과 같다.
제1 유도가열기 가동비율 = (33/4) /10 * 100 = 82.5%
제2 유도가열기 가동비율 = (33/4) /20 * 100 = 41.25%
제3 유도가열기 가동비율 = (33/4) /30 * 100 = 27.5%
제4 유도가열기 가동비율 = (33/4) /40 * 100 = 20.625%
즉, 종래기술에 따르면 제1 유도가열기는 최대출력전력에 비해 지나치게 많은 출력전력이 분배되어 82.5%의 가동율을 보이는 반면에 제4 유도가열기는 최대출력전력에 비해 지나치게 적은 출력전력이 분배되어 20.625% 밖에 가동되지 않는 것을 알 수 있다. 이런 경우, 제1 유도가열기는 상대적으로 심한 발열을 일으키게 되고 높은 가동율로 인해 수명이 단축되거나 고장을 일으킬 수 있는 문제가 있다.
그러나, 본 발명에 따른 1차 전력분배부(130)에 따라 총전력을 분배한 경우, 제1 내지 제4 유도가열기 각각의 가동비율이 균등(33%)해지므로 어느 하나의 유도가열기의 가동비율이 지나치게 높아져 유도가열기에 과부하가 걸리는 등의 비효율이 제거될 수 있으며, 시스템의 효율 및 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 1차 전력분배부(130)는 상기 복수의 유도가열기를 통과한 상기 피가열체(200)의 온도가 상기 설정온도 미만인 경우, 즉 후술할 보상전력값에 의한 보상에 의해서도 피가열체(200)가 설정온도까지 가열되지 못하면 상기 피가열체(200)의 최종온도 및 상기 설정온도의 차를 보상하기 위해 상기 1차 전력분배값을 재조정할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 보상전력값에 대해 설명한 후 도 6을 설명하는 부분에서 후술한다.
보상전력산출부(140)는 피가열체(200) 가열 중 비정상 동작하는 유도가열기에 의한 손실을 보상하기 위한 보상전력값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 상기 보상전력값은 비정상 동작하는 유도가열기가 출력하지 못한 상기 1차 전력분배값을 포함한다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 보상전력값은 피가열체(200)가 비정상 동작하는 n 번째 유도가열기를 통과하는 구간에서 n 번째 유도가열기가 피가열체(200)를 가열하지 못함으로 인해 발생되는 피가열체(200)의 온도강하를 보상하기 위한 추가전력을 더 포함할 수 있다.
이를 보다 상세하게 설명하기 위해 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 전력보상값을 이용하여 피가열체(200)를 가열할 때 시간에 따른 피가열체(200)의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 4에서 점선은 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작할 때 피가열체(200)의 온도변화를 나타내는 것이고, 실선은 제n 가열구간에 해당하는 n번 유도가열기가 비정상 동작함에 따라 피가열체(200)를 가열하지 못한 경우 피가열체(200)의 온도변화를 나타낸다.
도 4에서 알 수 있듯이, 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작하는 경우, 복수의 가열구간에서 피가열체(200)의 온도가 상승하는 것을 알 수 있고, 유도가열기가 이격된 구간인 복수의 냉각구간에서는 온도가 하강하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 피가열체(200)는 복수의 가열구간 및 냉각구간을 통과하며 제어하고자 하는 설정온도까지 가열된다.
그러나, 제n 가열구간에서 피가열체(200)를 가열해야하는 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 피가열체(200)의 온도는 본래 가열되어야 하는 온도까지 상승하지 못하고 제n+1 가열구간이 시작될 때까지 계속하여 하강한다.
이때, 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
ΔTd = Td1 + Td2
Td1은 제n 유도가열기에 분배된 1차 전력분배값이 출력되지 않아서 상승하지 못한 온도를 나타내고, Td2는 제n 유도가열기가 피가열체(200)를 가열하지 못해서 제n 유도가열기를 통과하는 동안 발생한 온도강하를 의미한다.
보상전력산출부(140)는 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하인 ΔTd 를 보상하기 위한 보상전력값(CV(n))을 산출한다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 2차 전력분배부(150)는 상기 보상전력값을 비정상 동작하는 유도가열기 이후의 유도가열기에 분배하여 2차 전력분배값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 2차 전력분배부(150)는 상기 비정상 동작하는 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 n+1 번째 유도가열기에 상기 보상전력값을 추가할 수 있다.
이때, n+1 번째 유도가열기에 분배된 2차 전력분배값은 다음과 같이 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
P2_ref(n+1) = P1_ref(n+1) + CV(n)
이때, P2_ref(n+1)은 n+1 번째 유도가열기에 분배되는 2차 전력분배값이고,
P1_ref(n+1)은 n+1 번째 유도가열기에 분배되는 1차 전력분배값이고, CV(n)은 n번째 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 보상전력값이다.
n+1 번째 유도가열기가 새롭게 분배된 2차 전력분배값을 출력하면, 도 4에서 알 수 있듯이, n+1 번째 가열구간이 끝나는 지점에서의 피가열체(200)의 온도가 n 번째 유도가열기가 정상 동작할 때(점선 부분)와 같은 온도로 가열되는 것을 알 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 2차 전력분배부(150)는 상기 비정상 동작하는 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 복수의 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 상기 보상전력값을 분배할 수 있다.
즉, 상술한 일 실시예에서 n+1 번째 유도가열기에 CV(n)을 모두 분배하는 것과 달리 n+1 번째 유도가열기부터 마지막 유도가열기까지의 모든 유도가열기에 CV(n)을 분배한다. 또한 예를 들어, 각각의 유도가열기에 분배되는 값은 각각의 유도가열기의 최대출력전력에 비례하여 분배될 수 있다.
3차 전력분배부(160)는 상기 보상전력값 및 상기 n+1 번째 유도가열기에 분배된 상기 1차 전력분배값의 합이 상기 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력을 초과하는 경우, 전력 초과분을 n+2 번째 유도가열기에 분배한다.
이하, 이를 상세하게 설명하기 위해 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 3차 전력분배부(160)를 이용하여 피가열체(200)를 가열할 때 시간에 따른 피가열체(200)의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 5에서 점선은 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작할 때 피가열체(200)의 온도변화를 나타내는 것이고, 실선은 제n 가열구간에 해당하는 n번 유도가열기가 비정상 동작함에 따라 피가열체(200)를 가열하지 못한 경우 피가열체(200)의 온도변화를 나타낸다.
도 5에서 알 수 있듯이, 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작하는 경우, 복수의 가열구간에서 피가열체(200)의 온도가 상승하는 것을 알 수 있고, 유도가열기가 이격된 구간인 복수의 냉각구간에서는 온도가 하강하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 피가열체(200)는 복수의 가열구간 및 냉각구간을 통과하며 제어하고자 하는 설정온도까지 가열된다.
그러나, 제n 가열구간에서 피가열체(200)를 가열해야하는 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 피가열체(200)의 온도는 본래 가열되어야 하는 온도까지 상승하지 못하고 제n+1 가열구간이 시작될 때까지 계속하여 하강한다.
이때, 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
ΔTd = Td1 + Td2
Td1은 제n 유도가열기에 분배된 1차 전력분배값이 출력되지 않아서 상승하지 못한 온도를 나타내고, Td2는 제n 유도가열기가 피가열체(200)를 가열하지 못해서 제n 유도가열기를 통과하는 동안 발생한 온도강하를 의미한다.
이때, 상술한 바와 같이 보상전력산출부(140)는 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하인 ΔTd 를 보상하기 위한 보상전력값(CV(n))을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 2차 전력분배부(150)는 상기 비정상 동작하는 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 n+1 번째 유도가열기에 상기 보상전력값을 추가할 수 있다.
이때, n+1 번째 유도가열기에 분배된 2차 전력분배값(P2_ref(n+1))은 P1_ref(n+1) + CV(n)로 나타낼 수 있다.
그런데, n+1 번째 유도가열기에 새롭게 분배된 2차 전력분배값이 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(n+1))을 초과하는 경우, n+1 번째 유도가열기는 새롭게 분배된 2차 전력값을 출력할 수 없게 된다.
이 경우, n+1 번째 유도가열기가 보상전력값을 모두 출력하지 못하였으므로, 피가열체(200)가 n+1 가열구간을 지난 후 ΔT1 에 해당하는 만큼의 온도강하가 나타나게 된다.
따라서, 3차 전력분배부(160)는 n+1 번째 유도가열기에 분배된 2차 전력분배값(P2_ref(n+1))에서 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(n+1))을 뺀 전력 초과분을 n+1 번째 유도가열기 이후에 배치된 유도가열기에 분배한다. 이때, 전력분배값을 3차 전력분배값이라 한다.
일 실시예에 있어서 n+2 번째 유도가열기가 상기 전력 초과분을 모두 분배 받은 경우 새롭게 분배된 3차 전력분배값을 출력하면, 도 5에서 알 수 있듯이, n+2 번째 가열구간이 끝나는 지점에서의 피가열체(200)의 온도가 n 번째 유도가열기가 정상 동작할 때(점선 부분)와 같은 온도로 가열되는 것을 알 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 유도가열 시스템은 온도센서(170)를 더 포함할 수 있다. 온도센서(170)는 상기 복수의 유도가열기 이후에 설치되어 상기 피가열체(200)의 온도를 측정하여 상기 1차 전력분배부(130)에 피드백한다.
온도센서(170)는 복수의 유도가열기를 통과한 피가열체(200)의 최종가열 온도를 1차 전력분배부(130)에 피드백함으로서, 1차 전력분배부(130)가 4차 전력분배값을 산출해야하는지 판단할 수 있도록 한다.
이하, 이를 보다 상세하게 설명하기 위해 도 6을 참조한다.
도 6은 본 발명에 따른 유도가열 시스템에 있어서, 3차 전력분배부(160)를 이용하여 피가열체(200)를 가열할 때 시간에 따른 피가열체(200)의 온도변화를 도시한 그래프이다.
도 6에서 점선은 복수의 유도가열기가 모두 정상 동작할 때 피가열체(200)의 온도변화를 나타내는 것이고, 실선은 제n 가열구간에 해당하는 n번 유도가열기가 비정상 동작함에 따라 피가열체(200)를 가열하지 못한 경우 피가열체(200)의 온도변화를 나타낸다.
도 6에서 알 수 있듯이, 제n 가열구간에서 피가열체(200)를 가열해야하는 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 피가열체(200)의 온도는 본래 가열되어야 하는 온도까지 상승하지 못하고 제n+1 가열구간이 시작될 때까지 계속하여 하강한다.
이때, 상술한 바와 같이 보상전력산출부(140)는 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하인 ΔTd 를 보상하기 위한 보상전력값(CV(n))을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 2차 전력분배부(150)는 상기 비정상 동작하는 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 n+1 번째 유도가열기에 상기 보상전력값을 추가할 수 있고, n+1 번째 유도가열기에 분배된 2차 전력분배값(P2_ref(n+1))은 P1_ref(n+1) + CV(n)로 나타낼 수 있다.
그런데, n+1 번째 유도가열기에 새롭게 분배된 2차 전력분배값이 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(n+1))을 초과하는 경우, n+1 번째 유도가열기는 새롭게 분배된 2차 전력값을 출력할 수 없으므로, 피가열체(200)가 n+1 가열구간을 지난 후 ΔT1 에 해당하는 만큼의 온도강하가 나타나게 된다.
따라서, 3차 전력분배부(160)는 n+1 번째 유도가열기에 분배된 2차 전력분배값(P2_ref(n+1))에서 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(n+1))을 뺀 전력 초과분을 n+1 번째 유도가열기 이후에 배치된 유도가열기에 분배하는 3차 전력분배값을 산출한다.
그런데, n+2 번째 유도가열기가 상기 전력 초과분을 모두 분배 받은 경우 새롭게 분배된 3차 전력분배값이 n+2 번째 유도가열기의 최대출력전력(PowerRate(n+2))를 초과하는 경우, 도 6에서 알 수 있듯이, n+2 번째 가열구간이 끝나는 지점에서의 피가열체(200)의 온도가 n 번째 유도가열기가 정상 동작할 때(점선 부분)와 비교하여 ΔT2 만큼 감소한 것을 알 수 있다.
이때, n+2 번째 유도가열기가 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 마지막 유도가열기라면 피가열체(200)는 결국 목표 온도인 설정온도까지 가열되지 못하는 상황이 발생된다.
이와 같이, 온도센서(170)에 의해서 복수의 유도가열기에 의한 가열이 끝난 후 피가열체(200)의 최종온도가 설정온도 미만이 되는 경우, 1차 전력분배기는 상기 피가열체(200)의 온도 및 상기 설정온도와의 차이를 보상하기 위해 4차 전력분배값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 1차 전력분배기는 n번째 유도가열기 이전에 배치된 유도가열기의 1차 전력분배값을 상승시켜 4차 전력분배값을 산출할 수 있다. 복수의 유도가열기가 4차 전력분배값을 출력하기 시작하면 피가열체(200)는 다시 설정온도까지 가열될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 전력분배 방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 유도가열 시스템의 전력분배 방법은 우선, 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 복수의 유도가열기각각의 최대출력전력에 비례하여 분배한 1차 전력분배값을 산출한다(S1100).
이를 위해 일 실시예에 있어서, 1차 전력분배부는 실제 유도가열기가 최대로 출력할 수 있는 최대출력전력(PowerRate(n))을 정상 동작하는 복수의 유도가열기의 최대출력전력의 합(TotalPowerRate)으로 나눈 값인 전력분배비율(PowerRateRatio(n))을 각 유도가열기별로 계산한다.
1차 전력분배부는 상술한 전력분배비율을 유도가열 시스템이 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위한 총전력(P_ref)과 곱해 1차 전력분배값(P1_ref(n))을 계산하고, 1차 전력분배값을 각각의 유도가열기에 배분한다.
다음, 상기 1차 전력분배값에 따라 상기 피가열체를 가열하는 중 n 번째 유도가열기가 상기 1차 전력분배값을 출력하지 못하는 경우(S1200), 상기 n 번째 유도가열기의 비정상 동작에 의한 손실을 보상하기 위한 보상전력값을 산출한다(S1300).
상기 보상전력값은 상기 n 번째 유도가열기가 출력하지 못한 상기 1차 전력분배값 및 상기 n 번째 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 상기 피가열체의 온도강하를 보상하기 위한 추가전력을 포함한다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 이때, 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하는 ΔTd = Td1 + Td2 로 나타낼 수 있다(도 4참조). 이때, Td1은 제n 유도가열기에 분배된 1차 전력분배값이 출력되지 않아서 상승하지 못한 온도를 나타내고, Td2는 제n 유도가열기가 피가열체를 가열하지 못해서 제n 유도가열기를 통과하는 동안 발생한 온도강하를 의미한다.
보상전력산출부는 제n 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 온도강하인 ΔTd 를 보상하기 위한 보상전력값(CV(n))을 산출한다.
다음, 보상전력값과 n+1 번째 유도가열기부터 마지막 유도가열기까지의 유도가열기가 추가로 출력할 수 있는 전력값의 총합을 비교하여, 피가열체가 설정온도까지 최종적으로 가열될 수 있는지를 판단한다(S1400).
다음, 피가열체가 설정온도까지 최종적으로 가열될 수 있는 경우, 상기 보상전력값을 상기 n 번째 유도가열기 이후의 상기 유도가열기의 출력에 합산하여 2차 전력분배값을 산출하여 상기 피가열체를 가열한다(S1500).
이때 일 실시예에 있어서 S1400 단계는 상기 보상전력값을 n+1 번째 유도가열기의 출력에 합산하여 2차 전력분배값을 산출할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 있어서 S1400 단계는 상기 보상전력값을 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 분배하되, 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배할 수 있다.
다음, 상기 n+1 번재 유도가열기에 분배된 상기 2차 전력분배값이 상기 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력을 초과하는지 여부를 판단한다(S1600).
다음, n+1 번재 유도가열기에 분배된 상기 2차 전력분배값이 상기 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력을 초과하면, 초과 전력분을 n+2 번째 유도가열기에 합산하여 3차 전력분배값을 산출한다(S1700).
다음, 상기 S1300 단계에서 설정온도에 도달하지 못한다고 판단되면, 즉 상기 보상전력값을 상기 n번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 합산하여도, 상기 피가열체를 상기 설정온도까지 가열하지 못하는 경우, 상기 n번째 유도가열기 이전의 유도가열기에 분배된 상기 1차 전력분배값을 재분배한다(S1800).
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.
100: 유도가열 시스템 110: 복수의 유도가열기
120: 제어부 130: 1차 전력분배부
140: 보상전력산출부 150: 2차 전력분배부
160: 3차 전력분배부 170: 온도센서

Claims (14)

  1. 복수의 유도가열기 각각의 전력 가동비율이 균등하도록, 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 상기 복수의 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배한 1차 전력분배값에 따라 상기 피가열체를 가열하는 단계; 및
    상기 1차 전력분배값에 따라 상기 피가열체를 가열하는 중 n 번째 유도가열기가 비정상인 경우, 상기 n 번째 유도가열기의 비정상 동작에 의한 손실을 보상하기 위한 보상전력값을 산출하고, 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기에서 상기 보상 전력값을 보상하도록 상기 피가열체를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상전력값을 상기 n번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 합산하여도, 상기 피가열체를 상기 설정온도까지 가열하지 못하는 경우, 상기 n번째 유도가열기 이전의 유도가열기에 분배된 상기 1차 전력분배값을 재분배하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는,
    상기 보상전력값을 n+1 번째 유도가열기의 출력에 합산하여 2차 전력분배값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는,
    상기 n+1 번재 유도가열기에 분배된 상기 2차 전력분배값이 상기 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력을 초과하는 경우, 초과 전력분을 n+2 번째 유도가열기에 합산하여 3차 전력분배값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는,
    상기 보상전력값을 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 분배하되, 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상전력값은 상기 n 번째 유도가열기가 출력하지 못한 상기 1차 전력분배값 및 상기 n 번째 유도가열기의 비정상 동작으로 인한 상기 피가열체의 온도강하를 보상하기 위한 추가전력을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템의 전력분배 방법.
  7. 피가열체 상에서 사전에 설정된 간격으로 이격되어 상기 피가열체를 순차적으로 가열하는 m 개의 유도가열기; 및
    상기 피가열체를 순차적으로 가열하기 위해 상기 m 개의 유도가열기에 전력을 분배하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 복수의 유도가열기 각각의 전력 가동비율이 균등하도록, 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 상기 복수의 유도가열기 각각의 최대출력에 비례하여 분배한 1차 전력 분배값에 따라 상기 피가열체를 가열하고,
    상기 피가열체 가열 중 n 번째 유도가열기가 비정상 동작하는 경우, 상기 n 번째 유도가열기 이후의 유도가열기에 상기 n 번째 유도가열기의 전력을 재분배하여 상기 피가열체를 가열하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 피가열체를 설정온도까지 가열하기 위해 필요한 총전력을 상기 m 개의 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 분배한 1차 전력분배값을 산출하는 1차 전력분배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 비정상 동작하는 상기 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 n+1 번째 유도가열기에 상기 n 번째 유도가열기의 전력을 포함하는 보상전력값을 추가하는 2차 전력분배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보상전력값 및 상기 n+1 번째 유도가열기에 분배된 상기 1차 전력분배값의 합이 상기 n+1 번째 유도가열기의 최대출력전력을 초과하는 경우, 전력 초과분을 n+2 번째 유도가열기에 분배하는 3차 전력분배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 n 번째 유도가열기 다음에 배열되는 n+1 번째 유도가열기부터 상기 m 번째 유도가열기까지의 유도가열기에 상기 n 번째 유도가열기의 전력을 포함하는 보상전력값을 분배하되, 상기 n+1 번째 유도가열기부터 상기 m 번째 유도가열기 각각의 최대출력전력에 비례하여 상기 보상전력값을 분배하는 2차 전력분배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 m 개의 유도가열기 이후에 설치되어 상기 피가열체의 온도를 측정하여 상기 제어부에 피드백하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 m 번째 유도가열기를 통과한 상기 피가열체의 온도가 가열하고자 하는 설정온도 미만인 경우, 상기 피가열체의 온도 및 상기 설정온도의 차를 보상하기 위해 상기 n 번째 유도가열기 이전의 유도가열기에 분배된 전력분배값을 재조정하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 피가열체 가열 중 비정상 동작하는 상기 n 번째 유도가열기에 의한 손실을 보상하기 위해 상기 n 번째 유도가열기가 출력하지 못한 상기 n 번째 유도가열기의 전력 및 상기 피가열체가 상기 n 번째 유도가열기를 통과하는 구간에서 상기 n 번째 유도가열기가 상기 피가열체를 가열하지 못함으로 인해 발생되는 상기 피가열체의 온도강하를 보상하기 위한 추가전력을 포함하는 보상전력값을 산출하는 보상전력산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 시스템.
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