KR101707835B1 - 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외부 환경 변화나 피가열체의 부식 등으로 공진주파수가 변화할 때, 간단한 제어 알고리즘에 의해 공진점을 자동으로 추종하게 함으로써 유도가열의 효율을 극대화할 수 있는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법에 관한 것이다.

Description

유도가열 인버터의 공진점 추종 방법{Automatic resonance point tracking method for induction heating system}
본 발명은 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외부 환경 변화나 피가열체의 부식 등으로 공진주파수가 변화할 때, 간단한 제어 알고리즘에 의해 공진점을 자동으로 추종하게 함으로써 유도가열의 효율을 극대화할 수 있는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법에 관한 것이다.
기술의 발전과 산업화의 진화에 따라 우리 사회는 더욱 안전하고 환경 보호에 적합한 장비를 개발하고 있으며, 자원의 고갈로 인한 에너지 부족 현상을 줄이기 위해 고 효율의 에너지 변환 장치가 요구되고 있다.
이런 요구에 따라 유도가열은 에너지 절약을 기본으로 하는 전기 가열의 한 방법으로 종래의 가열기로 사용된 가스로 및 중유로보다 피가열체의 가열 시간이 짧아 열에 의한 변형이 적고, 피가열체 자체에서 열이 발생되므로 효율이 높아 전체 시스템의 소형화 및 경량화가 가능한 장점을 가진다.
또한, 유도 가열은 일반적으로 유도 코일로 불리는 고주파 전류 운반자로부터 변환되는 전기 에너지에 의해 피가열체의 온도를 올리는 방법이다. 1831년 패러데이에 의해 발견된 전자기 유도 현상이 그 근본이 되며, 코일에 교류 전류를 인가하여 금속 표면에 전자유도 작용에 의한 와전류 유도 현상을 통한 발열 방식이 그 원리이다.
한편 공진형 유도가열 인버터는 에너지 효율이 높고 관리가 수월하며, 공해를 유발하지 않는 등의 많은 장점이 있으나 환경의 변화나 피가열체의 부식 등의 이유로 공진주파수가 변화될 경우 가열 효율이 낮아지는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 유도가열 인버터의 공진 주파수가 변화할 때 공진점을 자동으로 추종하도록 스위칭 주파수를 가변하여 시스템을 효율을 높일 수 있는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 계통의 전원을 정류하는 정류부, 정류된 전원을 교류로 변환하는 스위칭부 및 상기 스위칭부의 교류에 의해 피가열체를 가열하는 공진부를 포함하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법으로, 상기 공진부의 출력 주파수 증감여부를 판단하는 단계; 상기 공진부의 역률 증감여부를 판단하는 단계; 및 상기 출력 주파수의 증감여부와 상기 역률의 증감여부에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 증감하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 역률 증감여부를 판단하는 단계 이전에, 상기 공진부의 전압 및 전류를 검출하여 역률을 계산하는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 역률은 소정의 횟수로 검출된 전압 및 전류로 부터 계산된 역률들의 평균값으로 계산된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위칭 주파수를 증감하는 단계는, 상기 출력 주파수가 증가하고, 상기 역률이 증가할 경우 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 증가시키고, 상기 출력 주파수가 증가하고, 상기 역률이 감소할 경우 상기 스위칭 주파수를 감소시키며, 상기 출력 주파수가 감소하고, 상기 역률이 증가할 경우 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력 주파수가 감소하고, 상기 역률이 감소할 경우 상기 스위칭 주파수를 증가시킨다.
또한, 본 발명은 스위칭 제어기와 결합하여 상기 공진점 추종 방법을 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 컴퓨터 프로그램이 저장되고, 상기 공진점 추종 방법으로 유도가열 인버터의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어기를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 계통의 전원을 정류하는 정류부; 정류된 전원을 교류로 변환하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 교류에 의해 피가열체를 가열하는 공진부; 및 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 제어하여 공진점 추종이 이루어지게 하는 상기 스위칭 제어기;를 포함하는 유도가열 인버터 시스템을 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 유도가열 인버터의 공진점 추종방법에 의하면, 출력 주파수가 가변될 때, 간단히 역률을 계산하여 스위칭 주파수를 가변함으로써 공진점을 추종할 수 있어 간단한 알고리즘의 계산으로 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 유도가열 인버터의 공진점 추종방법에 의하면, 공진점을 추종할 때 소프트 스위칭이 이루어지므로 스위칭 손실을 줄일 수 있어 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법이 적용되는 유도가열 인버터를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법의 역률과 공진주파수의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법으로 공진점 추종을 시뮬레이션한 파형이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법은 유도가열 인버터의 노후화, 환경변화 또는 피가열체의 부식 등의 다양한 이유로 공진주파수가 변화할 때, 자동으로 공진점이 추종되게 하여 가열 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다.
또한, 상기 유도가열 인버터(100)는 계통전원(10)을 정류하는 정류부(110), 상기 정류부(110)에서 정류된 전원을 스위칭하여 교류로 변환하는 스위칭부(120) 및 상기 스위칭부(120)의 교류에 의해 피가열체가 가열되게 하는 공진부(130)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 계통전원(10)과 상기 정류부(110) 사이에는 고조파 제거를 위한 필터부(111)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 공진부(130)의 가열코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)가 직렬공진을 이루기 때문에 전류가 정현파 형태로 출력되며, 상기 스위칭부(120)의 스위치들은 소프트 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법은 상기 스위칭부(120)의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기(140)에 의해 수행되며, 상기 스위칭 제어기(140)에는 상기 스위칭 제어기(140)를 기능시켜 본 발명의 공진점 추종 방법이 실행되게 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 별도로 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 공지되어 사용 가능할 것일 수 있으며, 예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다
또한, 상기 스위칭 제어기(140)는 상기 유도가열 인버터(100)에 포함되어 하나의 유도가열 인버터 시스템으로 제공될 수도 있다.
한편, 상기 유도가열 인버터(100)의 공진부(130)는 RLC 직렬 공진회로이므로 임피던스는 아래의 수힉식 1과 같고 임피던스의 크기는 아래의 수학식 2, 임피던스 각도는 아래의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015093883708-pat00001
[수학식 2]
Figure 112015093883708-pat00002
[수학식 3]
Figure 112015093883708-pat00003
또한, 수학식 3의 임피던스 각도에 의해 주파수 변화에 대한 출력 전압과 전류의 위상차가 발생하는 것을 알 수 있고, 이는 역률을 추종함으로써 공진점을 추종할 수 있다는 것을 의미한다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법을 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법은 먼저, 상기 공진부(130)의 전압 및 전류를 측정하여 역률을 계산한다(S1000).
또한, 상기 역률은 소정의 횟수 누적 계산한 후(S2000), 평균하여 산출될 수 있다.
이는 입력되는 계통전원에 고조파 성분 및 노이즈 성분이 포함되어 있고, 유효전력과 무효전력 또는 순간 변화량이 큰 값으로 검출되므로 역률계산의 오차를 줄이기 위함이다.
또한, 본 발명에서는 20회 역률 계산을 누적 계산하였으나 그 횟수에 특별한 제약은 없다.
한편, 상기 역률 계산은 다양한 방법을 이용할 수 있으나 본 발명에서는 먼저, 측정된 전압을 전역통과필터에 통과시켜 90도 지연된 파형을 얻고, 두 파형을 이용하여 전압의 최대값을 계산한 후, 전압의 위상을 얻는다. 다음, d-q변환을 통해 유효전력과 무효전력을 계산하고, 상기 유효전력과 상기 무효전력을 이용하여 역률을 계산하였다.
다음, 상기 공진부(130)의 출력 주파수의 증감여부를 판단한다(S3000).
또한, 상기 출력 주파수의 증감여부는 계측된 전압 또는 전류의 파형을 확인하여 판단될 수 있다.
또한, 상기 역률을 계산하는 과정(S1000,S2000)과 상기 출력 주파수의 증감여부를 판단하는 과정(S3000)은 서로 순서가 뒤바뀔 수 있다.
다음, 상기 출력 주파수가 증가될 경우, 현재 계산된 역률과 이전에 계산된 역률을 서로 비교하여(S4000), 역률이 증가될 경우에는 상기 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 증가시키고(S5000), 역률이 감소할 경우에는 상기 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 감소시킨다(S6000).
그러나, 상기 출력 주파수가 감소할 경우에는 현재 계산된 역률과 이전에 계산된 역률을 서로 비교하여(S4100), 역률이 증가될 경우에는 상기 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 감소시키고(S6000), 역률이 감소할 경우에는 상기 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 증가시킨다(S5000).
도 3을 참조하여 더욱 자세하게 설명하면, 도 3은 역률과 주파수의 관계를 보여주는 그래프로써, 주파수가 공진점을 추종하여 공진주파수가 될 경우 출력의 역률은 이론적으로 '1'이 된다.
구간 ⓐ는 출력 주파수와 역률이 함께 증가하는 구간으로 주파수를 더 증가시켜 역률이 '1'이 되도록 제어함으로써 공진점이 추종되게 한다.
구간 ⓑ는 출력 주파수는 증가되나 역률이 감소하는 구간으로 주파수를 감소시켜 역률이 '1'이 되도록 제어함으로써 공진점이 추종되게 한다.
구간 ⓒ는 출력 주파수와 역률이 함께 감소하는 구간으로 주파수를 증가시켜 역률이 '1'이 되도록 제어함으로써 공진점이 추종되게 한다.
구간 ⓓ는 출력 주파수는 감소하나 역률은 증가되는 구간으로 주파수를 더 감소시켜 역률이 '1'이 되도록 제어함으로써 공진점이 추종되게 한다.
즉, 본 발명은 역률이 '1'이 되도록 제어함으로써 간단히 공진점을 추종할 수 있으므로 계산이 매우 간편한 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진점 추종 방법을 검증하기 위한 시뮬레이션 파형으로 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 초기 스위칭 주파수는 20[kHz]설정하였다.
도 3의 (a)는 스위칭 주파수의 변화를 보여주는 것이고, (b)는 역률을 보여주는 것이고, (c)는 입력 전압(V)과 입력 전류(I) 파형이고, (d)스위치 전압(Varm)과 스위치 전류(I(IGBT2))를 보여주는 것이다.
(a) 및 (b)를 참조하면, 초기 스위칭 주파수가 22[kHz]로 증가하며 역률이 '1'을 추종하는 것을 알 수 있고, 스위칭 주파수가 공진 주파수에 이르게 되면 전류파형이 사인파 형태가 되고 소프트 스위칭이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 공진점 추종 방법에 의하면, 가열 효율뿐만 아니라 스위칭 손실도 줄일 수 있어 시스템 전체의 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10:계통 전원 100:유도가열 인버터
110:정류부 120:스위칭부
130:공진부 140:스위칭 제어기

Claims (7)

  1. 계통의 전원을 정류하는 정류부, 정류된 전원을 교류로 변환하는 스위칭부 및 상기 스위칭부의 교류에 의해 피가열체를 가열하는 공진부를 포함하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법으로,
    상기 공진부의 출력 주파수 증감여부를 판단하는 단계;
    상기 공진부의 역률 증감여부를 판단하는 단계; 및
    상기 출력 주파수의 증감여부와 상기 역률의 증감여부에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 증감하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 증감여부를 판단하는 단계 이전에,
    상기 공진부의 전압 및 전류를 검출하여 역률을 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 역률은 미리 정해진 횟수로 검출된 전압 및 전류로 부터 계산된 역률들의 평균값인 것을 특징으로 하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 주파수를 증감하는 단계는,
    상기 출력 주파수가 증가하고, 상기 역률이 증가할 경우 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 증가시키고, 상기 출력 주파수가 증가하고, 상기 역률이 감소할 경우 상기 스위칭 주파수를 감소시키며,
    상기 출력 주파수가 감소하고, 상기 역률이 증가할 경우 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력 주파수가 감소하고, 상기 역률이 감소할 경우 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 유도가열 인버터의 공진점 추종 방법.
  5. 스위칭 제어기와 결합하여 제 4 항의 공진점 추종 방법을 실행시키기 위한 저장매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  6. 제 5 항의 컴퓨터 프로그램이 저장되고, 상기 공진점 추종 방법으로 유도가열 인버터의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어기.
  7. 계통의 전원을 정류하는 정류부;
    정류된 전원을 교류로 변환하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 교류에 의해 피가열체를 가열하는 공진부; 및
    상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 제어하여 공진점 추종이 이루어지게 하는 제 6 항의 스위칭 제어기;를 포함하는 유도가열 인버터 시스템.
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CN109392206B (zh) * 2017-08-08 2021-04-27 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 加热控制方法、加热控制装置和烹饪器具

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