KR102298503B1 - 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템 - Google Patents

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KR102298503B1
KR102298503B1 KR1020200049457A KR20200049457A KR102298503B1 KR 102298503 B1 KR102298503 B1 KR 102298503B1 KR 1020200049457 A KR1020200049457 A KR 1020200049457A KR 20200049457 A KR20200049457 A KR 20200049457A KR 102298503 B1 KR102298503 B1 KR 102298503B1
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최용섭
정준호
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주식회사 에스엠전자
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Abstract

본 발명은, 전원공급부의 출력을 제어하여 서로 연결된 발열체들 각각의 발열량 조절하고, 스위칭부를 제어하여 스위칭부의 돌입전류 및 아크를 방지하고, 전류센서로부터 신호를 받아서 발열체들 각각의 단선 여부를 감지하고, 누전아크센서부로부터 신호를 받아 발열체들 각각의 누전 여부를 감지하고, 누전아크센서부로부터 신호를 받아 발열체들 각각의 아크발생을 감지할 수 있다.
따라서, 본 발명을 사용하면, 면상발열체가 수십~수백 장 연결된 경우 연결된 경우에도, 면상발열체를 통합적으로 제어할 수 있고, 면상발열체 개개의 문제를 쉽게 찾아낼 수 있다. 이로 인해, 문제가 있는 면상발열체를 조기에 발견하여, 그 면상발열체만을 교체 또는 수리하는 방식으로 문제를 저비용으로 신속하게 해결할 수 있다.

Description

발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템{Control system capable of preventing electric accidents of heating elements}
본 발명은 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템에 관한 것이다.
발열체란 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 저항체를 말한다. 발열체의 종류로, 금속선을 이용한 선형발열체, 탄소를 이용한 면상발열체가 있다.
면상발열체의 종류로는, 카본블랙이 절연체상에 코팅된 필름형 면상발열체와, 탄소섬유가 절연체 사이에 무작위로 흩어져 만들어진 섬유형 면상발열체가 있다.
최근에는, 공원의 벤치들에 면상발열체를 설치하여 벤치를 난방하거나, 도로에 설치하여 도로결빙을 막거나, 실내 바닥이나 벽면에 설치하여 실내 난방 등에 사용되기 위해, 수십~수백 장의 면상발열체들이 서로 연결되어, 전력제어장치에 의해 한꺼번에 제어되고 있다. 이러한 전력제어장치의 예로, 한국등록특허(10-1604381)에 개시된, 면상발열체의 사용전력을 분할하여 사용하는 다채널 면상 발열체 제어 장치가 있다.
한편, 면상발열체는 일부가 훼손 또는 단선되더라도, 나머지 부분에 전기가 공급될 수 있는 특성상, 면상발열체에 문제(단선, 누전 등)가 있다는 것을 찾아내기 어렵다. 더구나, 면상발열체가 수십~수백 장 연결된 경우에는, 면상발열체 개개의 문제를 찾아내기는 더욱 어렵다.
이러한 문제는, 한국등록특허(10-1604381)에 개시된, 다채널 면상 발열체 제어 장치로는 전혀 해결될 수 없다.
한국등록특허(10-1604381)
본 발명의 목적은, 상술한 문제를 해결할 수 있는 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템은,
전원공급부;
상기 전원공급부에 각각 연결된 발열체들;
상기 전원공급부를 구성하는 복수개의 +극 각각과, 상기 발열체들 각각의 +극을 일대일로 연결하는 +전선들;
상기 전원공급부를 구성하는 하나의 -극과, 상기 발열체들 각각의 -극을 모아서 연결하는 -전선;
래치릴레이와, 무접점릴레이로 구성되며, 상기 +전선들 마다 설치된 스위칭부;
상기 스위칭부 후단에 위치되며, 상기 +전선들 마다 설치된 전류센서;
상기 발열체들 마다 설치된 온도센서;
상기 발열체들 각각의 전단에 위치되며, 상기 발열체의 +극과 연결되는 +전선 한 가닥과 상기 발열체의 -극과 연결되는 -전선 한 가닥이 쌍을 이루어 함께 통과하는 링 형상의 센서몸체를 구비한 누전아크센서부; 및
상기 전원공급부의 출력을 제어하여 서로 연결된 상기 발열체들 각각의 발열량 조절하고, 상기 스위칭부를 제어하여 상기 스위칭부의 돌입전류 및 아크를 방지하고, 상기 스위칭부를 제어하여 상기 래치릴레이의 열화 및/또는 단선을 감지하고, 상기 전류센서로부터 신호를 받아서 상기 발열체들 각각의 단락 여부를 감지하고, 상기 누전아크센서부로부터 신호를 받아 상기 발열체들 각각의 누전 여부를 감지하고, 상기 누전아크센서부로부터 신호를 받아서 상기 발열체들 각각의 아크발생을 감지하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전원공급부의 출력을 제어하여 서로 연결된 발열체들 각각의 발열량 조절하고, 스위칭부를 제어하여 스위칭부의 돌입전류 및 아크를 방지하고, 스위칭부를 제어하여 스위칭부를 구성하는 래치릴레이의 열화 및/또는 단선을 감지하고, 전류센서로부터 신호를 받아서 발열체들 각각의 단락 여부를 감지하고, 누전아크센서부로부터 신호를 받아 발열체들 각각의 누전 여부를 감지하고, 누전아크센서부로부터 신호를 받아 발열체들 각각의 아크발생을 감지할 수 있다.
따라서, 본 발명을 사용하면, 면상발열체가 수십~수백 장 연결된 경우 연결된 경우에도, 면상발열체를 통합적으로 제어할 수 있고, 면상발열체 개개의 문제를 쉽게 찾아낼 수 있다. 이로 인해, 문제가 있는 면상발열체를 조기에 발견하여, 그 면상발열체만을 교체 또는 수리하는 방식으로 문제를 저비용으로 신속하게 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 스위칭부의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 전류센서로 발열체 단선여부를 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 누전아크센서부를 나타낸 도면이다.
도 5는 누전시 자기장센서가 받은 자기장신호의 변화를 설명하기 위한 도면으로, 도 5(a)는 발열체로 들어가는 +전선(2) 측에서 누전된 경우의 자기장신호의 변화를 나타내고, 도 5(b)는 발열체에서 나오는 -전선(3) 측에서 누전된 경우의 자기장신호의 변화를 나타낸다.
도 6은 자기장센서의 영점을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 아크발생시 센서라인을 흐르는 전류의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템을 자세히 설명한다. 도 1을 기본적으로 참조한다. 도 1에 도시된 빨간색 화살표는 전류의 흐름을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템(1)은, 전원공급부(10), 발열체들(40a~40n), +전선(2)들, -전선(3), 스위칭부(20a~20n), 전류센서(4), 온도센서(5), 누전아크센서부(100), 제어부(200)로 구성된다. 발열체는 40a 40b ... 으로 2개 이상이며, 이를 발열체들(40a~40n)로 표시한다.
전원공급부(10)는 발열체들(40a~40n) 각각에 발열에 필요한 직류전기를 공급한다. 전원공급부(10)는 발열체들(40a~40n) 각각 마다 발열량을 같거나 다르게 조절할 수 있다.
발열체들(40a~40n) 각각은 전원공급부(10)에 각각 연결된다. 발열체들(40a~40n) 각각은 카본블랙이 절연체상에 코팅된 필름형 면상발열체 또는, 탄소섬유가 절연체 사이에 무작위로 흩어져 만들어진 섬유형 면상발열체다. 물론, 금속선으로 만들어진 선형발열체일 수도 있다.
+전선(2)들은 전원공급부(10)를 구성하는 복수개의 +극 각각과, 발열체들(40a~40n) 각각의 +극을 일대일로 연결한다.
-전선(3)은 전원공급부(10)를 구성하는 하나의 -극과, 발열체들(40a~40n) 각각의 -극을 모아서 연결한다.
스위칭부(20a~20n)는 +전선들 마다 설치되어 +전선에 전류를 흐르게 또는 흐르지 못하게 한다. 스위칭부(20a~20n) 각각의 구성은 서로 동일하다. 따라서, 첫번째 스위칭부(20a)를 예로 들어 설명한다.
스위칭부(20a)는 래치릴레이(21a), 무접점릴레이(21b)로 구성된다. 무접점릴레이(21b)는 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)다. 무접점릴레이(21b)는 역방향 전류를 차단한다.
스위칭부(20a)는 첫 번째 발열체(40a)와 전원공급부(10)를 연결 또는 연결을 끊는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무접점릴레이(21b)는 제어전압(V)을 서서히 올려, 전원공급부(10)에서 발열체(40a)로 흘러가는 전류의 양을 늘린다. 전류(SSR_I)의 양이 최고 전류(SSR_Imax)에 도달하면, 래치릴레이(21a)를 온(ON) 시켜, 전류가 래치릴레이(21a)를 통해서도 흘러가게 만든다. 다음, 무접점릴레이(21b)가 제어전압(V)을 서서히 낮추어, 전류가 래치릴레이(21a)를 통해서만 흘러가게 만든다. 이렇게 전류흐름경로를 바꾸어, 래치릴레이(12a)를 바로 온(ON) 시켰을 때 돌입전류 및 아크(Arc)가 발생하는 것을 막을 수 있다. 또한, 무접점릴레이(21b)로만 전류가 계속 흘려보낼 경우, 무접점릴레이(12b)에서 과도한 열이 발생하는 것을 막을 수 있다. 한편, 래치릴레이(21a)가 열화 및/또는 단선될 경우, 래치릴레이(21a)를 온(ON) 시켜 전류가 무접점릴레이(21b) 뿐만 아니라 래치릴레이(21a)에도 흐를 때, 평상시(기준시) 보다 무접점릴레이(21b)에 전류가 더 많이 흐르게 된다. 본 제어시스템은 이를 감지하여, 래치릴레이(21a)의 열화 및/또는 단선 여부까지 진단할 수 있다.
전류센서(4)는 스위칭부(20a~20n) 후단에 위치되며, +전선(2)들 마다 설치된다. 전류센서(4)는 +전선(2)에 흐르는 전류를 측정한다. 발열체들(40a~40n)에 단락이 생길 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 발열체로 흘러가는 전류량이 늘어난다. (Ⅰ1->Ⅰ2) 이러한 원리를 이용하여 발열체들(40a~40n) 각각의 단락 여부를 개별적으로 판단한다.
온도센서(5)는 발열체들(40a~40n) 각각에 설치되어, 발열체들(40a~40n) 각각의 온도를 측정한다. 전원공급부(10)는 온도센서(5)로부터 발열체들(40a~40n)의 온도를 전달받아, 발열체들(40a~40n)에 내 보내는 전류의 양을 조절하여, 발열체들(40a~40n)의 온도를 조절할 수 있다.
누전아크센서부(100)는 발열체들(40a~40n) 각각에서의 누전 및 아크를 측정한다. 누전아크센서부(100)는 발열체들(40a~40n) 각각의 전단에 위치된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 누전아크센서부(100)는 센서몸체(111), 센서라인(112), 자기장센서(210)로 구성된다. 도 4에 도시된 빨간색 화살표는 전류의 흐름을 나타낸다. 센서몸체(111)는 페라이트 재질로 만들어진다. 센서몸체(111)는 중심이 뚫려 있는 링 형상을 가진다. 센서라인(112)은 센서몸체(111)에 감긴다. 센서몸체(111)의 하부 중앙은 N극과 S극을 형성하기 위해 절개된다. 자기장센서(210)는 절개된 부분의 정중앙에 위치된다. 절개된 부분의 정중앙에 자기장센서(210)가 위치되면, 센서값의 선형성이 좋아져 자기장센서(210) 측정값의 신뢰성이 높아진다. 자기장센서(210)에는 전압공급선(211), 접지선(212), 신호선(213)이 각각 연결된다.
센서몸체(111)의 중심으로 발열체의 +극과 연결되는 +전선(2) 한 가닥과, 발열체의 -극과 연결되는 -전선(3) 한 가닥이 쌍을 이루어 함께 통과한다. 누전이 없을 때 발열체로 들어가는 +전선(2)에 흐르는 전류와, 발열체에서 나오는 -전선(3)에 흐르는 전류의 양은 동일하므로, 자기장은 서로 상쇄된다. 이 경우, 자기장센서(210)가 감지하는 자기장신호는 0이다.
그러나, 발열체로 들어가는 +전선(2) 측에서 누전되거나, 발열체에서 나오는 -전선(3) 측에서 누전될 경우, 자기장이 서로 상쇄되지 못하게 된다. 예를 들어, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, t1 시점에서 +전선(2)에서 누전이 발생한 경우 자기장신호(Ms)는 a로 변화하고, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, t2 시점에서 -전선(3)에서 누전이 발생한 경우 자기장신호(Ms)는 b로 변화한다. 이러한 방식으로 자기장센서(210)가 자기장의 변화를 감지하여, 발열체들(40a~40n) 각각의 누전여부를 알 수 있다.
이렇게 자기장센서(210)가 자기장의 변화를 측정하기 전에, 자기장센서(210)의 영점을 조절할 필요가 있다. 이를 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 센서라인(112)에 같은 크기의 +전류와 -전류를 반복적으로 흘려보내, 센서몸체(111) 주위에 남아있는 잔류 자기장을 없애, 자기장센서(210)의 영점을 조절한다.
한편, 발열체에 아크가 발생할 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 센서라인(112)을 타고 순간적으로 전류가 흐르게 된다. 이러한 원리로, 발열체들(40a~40n) 각각에서의 아크발생여부를 알 수 있다. 이렇게 센서라인(112)이 자기장의 영점을 조절하는 역할과 아크발생을 감지하는 역할을 동시에 하므로, 누전아크센서부(100) 하나로 발열체의 누전 및 아크 발생여부를 모두 알 수 있다.
제어부(200)는 전원공급부(10)의 출력을 제어하고, 스위칭부(20a~20n)를 제어한다. 제어부(200)는 전류센서(4), 누전아크센서부(100), 온도센서(5)로부터 신호를 받는다. 이로 인해, 제어부(200)는 다음 6가지 항목에 대해서 관리할 수 있다.
-다음-
1. 발열체 발열량 조절
제어부(200)는 온도센서(5)로부터 신호를 받아 전원공급부(10)의 출력을 제어하여, 발열체들(40a~40n) 각각의 발열량을 조절할 수 있다.
2. 스위칭부 돌입전류 및 아크방지
제어부(200)는 스위칭부(20a~20n)의 작동을 조절하여, 갑자기 스위치를 온(ON) 시켰을 때 발생하는 돌입전류 및 아크를 방지할 수 있다. 그 원리는 전술하였다.
3. 스위칭부를 구성하는 래치릴레이의 열화 및/또는 단선 감지
제어부(200)는 스위칭부(20a~20n)의 작동을 조절하여, 스위칭부(20a~20n)를 구성하는 래치릴레이(21a)의 열화 및/또는 단선을 감지할 수 있다. 그 원리는 전술하였다.
4. 발열체 단락감지
제어부(200)는 전류센서(4)로부터 신호를 받아서, 발열체들(40a~40n) 각각의 단락 여부를 감지한다. 그 원리는 전술하였다.
5. 발열체 누전감지
제어부(200)는 누전아크센서부(100)로부터 신호를 받아서, 발열체들(40a~40n) 각각의 누전 여부를 감지한다. 그 원리는 전술하였다.
6. 발열체 아크발생감지
제어부(200)는 누전아크센서부(100)로부터 신호를 받아서, 발열체들(40a~40n) 각각의 아크발생을 감지한다. 그 원리는 전술하였다.
발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템(1)은, 위 6가지 항목 관리 결과를 운영자가 쉽게 파악할 수 있게, HMI(Human Machine Interface)를 제공한다.
1: 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템
2: +전선 3: -전선
4: 전류센서 5: 온도센서
20a~20n: 스위칭부 40a~40n: 발열체들
100: 누전아크센서부 200: 제어부

Claims (4)

  1. 전원공급부; 상기 전원공급부에 각각 연결된 발열체들과, 상기 전원공급부를 구성하는 복수개의 +극 각각과, 상기 발열체들 각각의 +극을 일대일로 연결하는 +전선들; 상기 전원공급부를 구성하는 하나의 -극과, 상기 발열체들 각각의 -극을 모아서 연결하는 -전선과, 래치릴레이와, 무접점릴레이로 구성되며, 상기 +전선들 마다 설치된 스위칭부; 상기 스위칭부 후단에 위치되며, 상기 +전선들 마다 설치된 전류센서; 상기 발열체들 마다 설치된 온도센서; 상기 발열체들 각각의 전단에 위치되며, 상기 발열체의 +극과 연결되는 +전선 한 가닥과 상기 발열체의 -극과 연결되는 -전선 한 가닥이 쌍을 이루어 함께 통과하는 링 형상의 센서몸체를 구비한 누전아크센서부; 상기 전원공급부의 출력을 제어하여 서로 연결된 상기 발열체들 각각의 발열량 조절하고, 상기 스위칭부를 제어하여 상기 스위칭부의 돌입전류 및 아크를 방지하고, 상기 스위칭부를 제어하여 상기 래치릴레이의 열화 및/또는 단선을 감지하고, 상기 전류센서로부터 신호를 받아서 상기 발열체들 각각의 단락 여부를 감지하고, 상기 누전아크센서부로부터 신호를 받아 상기 발열체들 각각의 누전 여부를 감지하고, 상기 누전아크센서부로부터 신호를 받아서 상기 발열체들 각각의 아크발생을 감지하는 제어부를 포함하는 발열체 전기사고 예방 가능이 있는 제어시스템에 있어서,
    상기 누전아크센서부는, 상기 발열체들 각각의 누전과 아크발생을 독립적으로 감지하기 위하여, 상기 센서몸체와, 상기 센서몸체에 감긴 센서라인과, 상기 센서몸체의 하부 중앙 절개된 부분에 위치된 자기장센서로 구성되며,
    [누전 감지]
    누전이 없을 때 발열체로 들어가는 +전선에 흐르는 전류와, 발열체에서 나오는 -전선에 흐르는 전류의 양은 동일하여 자기장은 서로 상쇄되고,
    발열체로 들어가는 +전선 측에서 누전되거나, 발열체에서 나오는 -전선 측에서 누전될 경우, 발열체로 들어가는 +전선에 흐르는 전류와, 발열체에서 나오는 -전선에 흐르는 전류의 양은 동일하지 못해 자기장이 서로 상쇄되지 못하는 원리에 따라, 상기 자기장센서는 자기장의 변화로, 상기 발열체들 각각에서의 누전을 감지하며,
    [아크감지]
    발열체에 아크가 발생할 경우, 상기 센서라인을 타고 순간적으로 전류가 흐르게 되는 원리에 따라, 상기 센서라인에 순간적으로 흐르는 전류로, 상기 발열체들 각각에서의 아크발생여부를 감지하며,
    [영점 조절]
    상기 자기장센서의 영점을 조절하기 위해, 상기 센서라인에 같은 크기의 +전류와 -전류를 반복적으로 흘려보내, 상기 센서몸체 주위에 남아있는 잔류 자기장을 없애, 자기장센서의 영점을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기사고 예방 기능이 있는 제어시스템,
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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