KR200189855Y1

KR200189855Y1 - 초고주파 가열장치

Info

Publication number: KR200189855Y1
Application number: KR2020000002742U
Authority: KR
Inventors: 성관
Original assignee: 정화산업주식회사
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2000-07-15
Also published as: KR100330815B1; KR20000024247A

Abstract

가. 청구범위에 기재된 고안에 속한 기술분야

본 고안은 선형(linear)적으로 정합출력(Matching power)을 조절할 수 있는 전력제어 회로를 갖는 초고주파 가열장치에 관한 것이다.

나. 고안이 해결하려고 하는 기술적 과제 및 해결방법의 요지

종래의 초고주파 가열장치의 초고주파 출력을 제어하는 전력제어회로를 구성함에 있어서 초고주파를 발생하는 마그네트론은 구동 특성상 음극역가열 현상이 발생되는데 이러한 현상은 필라멘트의 온도를 상승시키며 이때 필라멘트 전압 특성을 변경하지 않으면 발진이 불안정해지고 이로 인한 마그네트론의 파손 혹은 수면 단축현상을 고려하지 못하는 문제점이 많이 발생되었다. 또한 종래의 발진 장치는 대부분의 경우에 있어서 양극변압기와 필라멘트변압기가 일체형으로 구성되어 출력제어를 위한 전력제어시 입력전압을 상승시키면 양극전압과 필라멘트전압이 동시에 상승되어 필라멘트온도가 급격히 상승됨에 따라 마그네트론 수명이 단축되었고, 입력전압을 낮추면 양극전압과 필라멘트전압이 동시에 낮아져 미발진 혹은 출력의 저하등의 불안정한 발진 현상이 초래되었다. 음극역가열 현상을 일으키는 전력은 초고주파 임피던스 설정조건과 양극전류의 크기에 좌우된다. 즉 마그네트론이 정상적으로 동작되기 위해서는 마그네트론에 실질적으로 공급되는 첨두양극전압(Ebm)과 평균양극전류(Ibm), 필라멘트전압(Ef)을 출력에 따라 정합시켜야 한다. 초고주파 출력을 높이기 위해서는 양극전압을 높이고 이에 따라 양극전류가 상승되므로 필라멘트온도가 상승되어 전기저항이 커져 전류가 감소함으로 필라멘트전압을 하강시켜야 한다. 출력제어를 위한 전력제어의 출력단에서는 양극전압의 입력 공급이 높아지면 이에 대응하는 필라멘트전압의 입력 공급은 양극전류를 고려하여 낮추어야 한다.

따라서, 양극변압기와 필라멘트 변압기를 별도로 분리 형성하여 조작자가 초고주파출력량을 설정하면 전력제어회로의 출력단에서 전압량과 전류량을 사전검지하고, 검출된 값에 따라 전력제어 회로의 메인 콘트롤러(Main Controller)에서 마그네트론 동작특성에 맞게 피드백(Feed-Back)제어하여 정압출력을 가변하도록 한다.

다. 고안의 중요한 용도

본 고안은 식품의 건조, 가열조리, 해동과 자동차 타이어, 제조용 천연고무, 자동차도어용 가스켓, 기타 고무제품의 가류공정에 적용되고, 점토 건조, 섬유 건조, 인조견제조, 식품의 곰팡이방지, 식품의 재가열공정, 목재 건조, 목재 접착, 목재 굽힘가공 및 피혁의 가공공정 등 가열 및 가류 시스템 전 분야에 적용 가능하다.

Description

초고주파 가열장치{Microwave Heating System}

본 고안은 선형(linear)적으로 출력을 조절할 수 있는 전력제어 회로를 이용한 초고주파 가열장치에 관한 것으로서, 특히 전력제어회로에 양극변압기(High Voltage Transformer)와 필라멘트변압기(Filament Transformer)를 별도로 분리 형성하여 조작자가 원하는 고주파출력량을 설정하면 전력제어 회로의 출력단에서 전압량과 전류량을 사전검지하고, 상기 검출된 값에 따라 전력제어 회로의 메인 콘트롤러(Main Controller)에서 마그네트론(Magnetron) 동작특성에 맞게 피드백(Feed-Back) 제어하여 정합출력(Matching Power)을 가변하는 장치에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 식품의 건조, 가열조리, 해동과 자동차 타이어, 제조용 천연고무, 자동차도어용 가스켓, 기타 고무제품의 가류공정에 적용되고, 점토 건조, 섬유 건조, 인조견제조, 식품의 곰팡이방지, 식품의 재가열공정, 목재 건조, 목재 접착, 목재 굽힘가공 및 피혁의 가공공정 등 가열 및 가류 시스템 전 분야에 적용 가능하다.

일반적으로 피가열체를 가열하여 상태를 변환시키위해 전열가열방식이나 가스가열방식이 많이 사용되어 왔으나, 상기 방식들은 효율이 떨어지고 승온시간이 오래걸리며 온도제어가 용이하지 못할 뿐만 아니라 외부환경에 민감하게 영향을 받으며 가열시 열전도율이 떨어지는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해소하기 위해 많이 이용되는 가열방식이 마이크로파 가열방식이다. 상기 마이크로파 가열방식은 열전도에 의하지 않으므로 피가열체의 내부까지 단시간에 가열할 수 있고, 마이크로파 전력의 80%가 열로 교환되므로 가열효율이 좋으며, 마이크로파가 피가열체의 내부에 침투하여 열로 변환되므로 복잡한 형상의 물질이라도 균일하게 가열할 수 있고, 가열전력의 제어가 용이하며, 부하조건의 변동에 대한 전원의 안정성이 우수하고, 전파의 외부누설을 방지하기 용이할 뿐만 아니라 밀폐가열이 가능하여 소음이나 열기 또는 배기가스로 인한 작업환경의 어려움을 방지할 수 있다.

따라서 상기 마이크로파 가열방식은 피가열체의 형상이 큰것, 열전도가 나쁜 것, 내부의 가열에 시간이 걸리는 것등의 가열에 적합한 가열방식으로서 가정용 뿐만 아니라 산업의 가열 및 건조 등의 분야에 폭넓게 이용되고 있다.

한편,상기 마이크로파를 이용한 가열방식은 피가열체의 내부에 함유된 수분에 전자파를 흡수시켜 가열하는 하는 방식인데, 초기단계에서부터 수분이 반감되기까지는 큰 에너지를 투입할 수 있지만, 피가열체의 건조가 진행되어 내부에 함유된 수분이 적어지고 남은 수분이 표면으로 확산하기위해 저항이 증가하는 순간에서는 출력을 제어할 필요가 있다. 만일 출력제어가 비정상적으로 수행되는 경우에는 투입에너지가 과대해지면서 피가열체가 균일하게 건조되지 않으며 피가열체가 부분적으로 과열되어 발화되기도 한다. 또한, 피가열체의 부하량이 적은 상태에서 마이크로파의 출력이 일시에 전부 인가되면 마그네트론 등의 부품에 역충격을 주게되고, 돌입전류가 커져 차단기가 개방되는 경우도 발생된다.

따라서 부하의 크기, 함수률, 건조 진행상태 등에 따라 출력을 가변시키면 에너지 효율을 증대시킬수 있으며 피가열체의 부하에 따른 최적가열을 실행할수 있고, 피가열체의 국부가열을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 스파크발생 및 부품의 과열을 방지할 수 있다.

종래의 출력가변방식은 인버터로 출력제어를 하는 방식, 마이크로파 출력가열시간을 주기적으로 온-오프하는 방식, 가열하고자 하는 총시간을 2단계 또는 3단계로 나눠 단계적으로 출력을 자동조절하는 방식으로 대별할 수 있다.

상기 인버터방식은 공진형 출력제어방식 및 피드백(Feed-Back)을 이용한 전압제어방식등이 있는데, 상기 공진형 출력제어방식은 공진조건이 무너지는 경우 제어불능상태에 빠지게 되고, 상기 피드백을 이용한 전압제어방식은 실시간제어(Real - Time)를 하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 상기 온-오프방식은 가열시간중에는 계속적으로 짧은시간동안 발진을 반복하기 때문에 마그네트론에 과부하가 발생하므로 상기 마그네트론의 수명이 단축되는 문제점이 있었으며, 상기 단계적 출력조절방식은 특정부하량 투입시 정합출력을 얻을 수 없고 출력을 설정하여 산술적으로 맞추더라도 가열조(Cavity) 내부에 전파 불균형이 일어나 피가열체에 국부가열이 발생되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 여러가지 방법이 고안되었는데, 일례로 출원번호 91-25635에서 인버터회로의 스위칭소자 양단에 걸리는 전압 및 고압변압기 1차측 권선간의 전류를 감지하여 과전압 및 과전류가 감지되는 경우 인버터회로의 구동을 중지시킴으로써 스위칭 소자를 보호할 뿐만 아니라 마그네트론 발진 개시전에는 마그네트론에 인가되는 전압을 일정치 이하로 제어하고, 발진후에는 마그네트론에 인가되는 입력전류가 일정치가 유지되도록 회로를 구성하였다.

그러나, 상기 출원번호 91-25635에서는 고압변압기 2차측에 RC필터를 연결하여 전류제한을 하고 오차증폭기에 유기되는 전압값을 입력시키며, 상기 유기전압과 미리 설정되어 있는 기준설정값과의 차이를 최소화하도록 오차증폭기를 동작시켜 출력을 조절하는 회로를 구비하고 있는데, 상기 회로는 고압변압기의 필라멘트 변압기와 양극변압기가 일체형으로 되어 있으므로 조작자가 양극전류값을 제어하여 고주파출력을 상승시키는 경우 양극전압값과 양극전류값이 동시에 상승하게 되고 필라멘트변압기의 전압값도 동시에 상승하게 된다. 이러한 현상으로 인해 필라멘트의 온도가 급격히 상승하여 마그네트론을 파손 시키거나 수명을 저하시키는 문제점이 있었다.

또다른 일례로 출원번호 90-22434는 콘버터 출력제어방식으로 변압기의 1차측에 공진주파수를 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation)방식으로서 변압기 2차측에 공진이 불안정한 경우, 과도전압 또는 순시 정전(Flickering)시 마그네트론에 충격을 주게 된다.

또다른 일례로 출원번호 90-22428은 복수개의 변압기를 구비하며 변압기 2차측과 스위칭소자를 피드백으로 구성하여 변압기 출력을 검출하여 그 검출값에 따라 복수개의 스위칭소자들이 도통시간을 적절하게 조절하는 방식으로서 2차측 변압기중 1개가 단락 또는 개방이 되는 경우 발진기에 과전류가 흘러 마그네트론의 소손이 발생될 우려가 있을뿐만 아니라 제어용 전류검출기는 단상에서는 가능하지만 삼상 3선식 또는 삼상4선식에서는 불평형회로가 구성되면 접지전류분을 오검출하는 문제점이 발생되었다.

상기와 같이 종래의 고안에서는 마그네트론(발진부)에 실제적으로 공급되는 첨두양극전압(E_bm)과 평균양극전류(I_bm), 필라멘트전압(E_f)의 상관계수(Co-Relation Factor)를 고려하지 못하고 있기 때문에, 마그네트론의 양극전류 증가에 따른 음극역가열 현상으로 인해 필라멘트 전류가 낮아짐에 따른 필라멘트 전압의 보상이 이루어지지 않아 양극전류값이 마그네트론의 절대정격을 초과하여 관구파손(Edged Runway)현상이 발생하게 되고 마그네트론의 음극과 양극사이에 단락선로가 생겨 마그네트론이 파괴되는 문제점이 많이 발생되었다.

또한, 마이크로파 가열을 위한 필라멘트변압기와 양극변압기가 일체형으로 되어 있으므로 마그네트론의 전자중 부적당한 위상의 전자가 마이크로파 전계에서 가속되어 자장의 작용으로 음극으로 되돌아가 음극면을 충격하게 되는 경우 역충격에너지 때문에 음극온도가 상승하고 이로인해 전기저항이 커져 전류가 감소하므로 마그네트론 동작과 동시에 필라멘트전압을 하강시켜서 상술한 역충격에 의한 음극온도 상승을 보상해야 함에도 불구하고 상기 고안들은 입력전압을 상승시키면 두 개의 변압기의 출력전압이 동시에 상승하므로 정합 출력제어를 할 수 없고 이에 따라 마그네트론의 열화를 가져온다.

마그네트론의 전자방출 자체는 필라멘트변압기의 유기전압에 의하지만 마이크로파 전계의 강도조절 및 전자의 속도조절은 양극변압기의 전압크기 변화에 의해 제어되므로 양극전류가 증가함에 따라 필라멘트입력을 낮춰야 안정된 양극전류를 공급할 수 있다. 따라서 양극변압기와 필라멘트변압기를 별도로 분리 형성하여 원하는 조작자가 고주파출력량을 설정하면 전력제어 회로의 출력단에서 전압량과 전류량을 사전검지하고, 검출된 값에 따라 전력제어 회로의 메인 콘트롤러에서 마그네트론 동작특성에 맞게 피드백 제어하여 정합출력을 가변하도록 한다.

도 1은 본 고안에 의한 초고주파 가열장치를 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도2는 본 고안에 의한 초고주파 가열장치의 필라멘트전압에 대한 평균양극전류의 변화량을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 고안에 의한 초고주파 가열장치의 평균양극전류에 대한 고주파정합출력 및 첨두양극전압의 변화량을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 고안에 의한 초고주파 가열장치의 제어방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 5는 본 고안에 의한 초고주파 가열장치의 제어방법중 출력 전력 제어방법을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 6은 본 고안에 의한 초고주파 가열장치의 제어방법중 필라멘트 전압 제어방법을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 전원부 200: 전력제어부

210: 센싱 릴레이 220: 메인 콘트롤러

230: SCR 드라이브 240: 메인 SMPS

251∼254: 실리콘 정류기 1∼4 260: 스택

300: 필라멘트변압기 400: 양극변압기

410: 다이오드 420: 리액터

430: 커패시터 440: 저항

500: 마그네트론

본 고안은 상용전원을 공급하는 전원부와, 필라멘트의 가열에 의하여 방출된 전자를 가속 충돌시켜 초고주파를 발생하도록 된 마그네트론과, 상기 마그네트론의 상기 필라멘트와 양극(陽極) 단자에 필요한 전압을 공급하는 필라멘트변압기 및 양극변압기와 사용자가 출력을 조절할 수 있는 스택을 포함하여 구성되는 종래의 초고주파 가열장치에 있어서, 상기 필라멘트변압기와 양극변압기는 독립하여 제어되도록 분리 형성되고, 상기 마그네트론의 평균양극전류를 전류감지수단을 이용하여 검출하여 상기 평균양극전류가 소정의 범위를 벗어나는 경우 상기 평균양극전류의 크기와 선형적인 관계에 있는 필라멘트전압을 제어하여 소정의 평균양극전류값을 유지하도록 함으로써, 결과적으로 상기 마크네트론의 출력이 정합출력이 되도록 제어하는 전력제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전력제어부는 마이크로프로세서 및 그 주변 회로로 구성되는 메인콘트롤러와 상기 메인콘트롤러에 의해 제어되는 실리콘정류기 드라이버(SCR DRIVER)와 ,상기 필라멘트변압기와 양극변압기의 제1차측 입력단에 직렬로 연결되어 상기 실리콘정류기 드라이버의 구동에 따라 상기 필라멘트변압기와 양극변압기의 입력 전압을 위상 제어 하는 다수개의 실리콘정류기(SCR)과 상기 실리콘정류기(SCR)의 양단의 전류 및 전압의 크기를 검출하는 전류감지수단 및 전압감지수단과, 상기 전류감지수단 및 전압감지수단에 의하여 감지된 전류값 및 전압값과 사용자의 조작 신호을 상기 메인콘트롤러에 전송 또는 단속하는 센싱 릴레이와 상기 메인콘트롤러에 필요한 전원을 공급하는 스위칭모드전원(SMPS:Switching Mode Power Supply)로 구성된다.

상기 양극변압기의 출력단에는 변압된 전원을 전파정류하는 다이오드를 구비하고, 상기 양극변압기의 2차측에는 직렬로 연결되어 있으며 상기 다이오드에서 전파정류된 전원이 과다하게 회로에 유입되는 것을 방지하고 회로에 유입되는 제 3, 5고조파를 제한하기 위하여 리액터를 구비하며, 상기 양극변압기의 2차측에는 병렬로 연결되어 있으며 평활작용을 하는 커패시터를 구비한다. 상기 다이오드(410)는 마그네트론에 안정된 직류전원을 공급하기 위해 애벌랜치 타입(Avalanch Type)의 정류 다이오드가 바람직한데, 상기 애벌랜치 타입의 정류 다이오드는 동작가능전압의 4배 이상의 내압을 가지는 타입으로 전압강하율이 15% 이내가 되도록 해야 마그네트론의 입력특성을 필요충분조건으로 갖게된다. 상기 리액터(420)는 회로에 직렬로 연결되어 있는 직렬 리액터로서 15∼100mH 의 인덕턴스(Inductance)를 가지며 제 3, 제5 고조파 유입시 전자유도작용을 일으켜 기본파 대비 0.5% 이내로 감소시키는 기능을 수행하고, 상기 커패시터(430)는 입력전압의 맥동율(Ripple Rate)을 1% 이내로 유지할 수 있도록 평활도를 개선하는 역할을 수행하고, 상기 저항(440)은 다이오드(410)와 접지사이에 불평형회로가 구성되어 영상전류가 대지로 흘러갈때 전류제한저항으로 사용된다. 상기 커패시터(430)는 절연거리확보와 고압에서 회로의 안정성을 확보할 수 있도록 세라믹(Ceramic)형으로 하는 것이 바람직하다.

이하 본 고안의 바람직한 실시례를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

또한, 이하의 설명에서는 상기 필라멘트변압기의 전원으로 단상 교류 전원을 사용하고, 양극변압기의 전원으로 삼상 교류 전원을 사용하는 경우를 예시하여 설명하나 본 고안의 기술적 사상이 이에 한정되어 적용되는 것은 아님에 유의하여야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 단상 또는 삼상의 교류전원은 전원부(100)에서 TB1(Terminal Board 1) 및 TB2(Terminal Board 2)를 거쳐 상기 전력제어부(200)의 상기 실리콘 정류기(Silicon Controlled Rectifier) SCR 1∼4(251∼254)에 입력된다.

상기 전력제어부(200)의 상기 실리콘 정류기 SCR 1∼4(251∼254)에서는 필라멘트변압기(300) 및 양극변압기(400)에 입력되는 상용 교류전압을 위상제어(Phase Control)방식을 사용하여 제어하며, 상기 전류감지수단(도시되지 않음)에서 검출된 전류 I_R, I_S및 I_U는 마그네트론에 입력되는 양극전류값을 제어하기 위한 검출소자로 사용되는데, 상기 전류 I_U는 필라멘트변압기(300)에 입력되고, 상기 전류 I_R, I_S는 양극변압기(400)에 입력된다.

또한, 전류검출수단에서 검출된 전류 I_R, I_S및 I_U는 입출력검출단(도시되지 않음)을 통해 상기 전력제어부(200)의 상기 센싱 릴레이(Sensing Relay)(210)에 입력되며, 회로의 일측 소정부위에서 직접 검출된 전압값도 상기 입출력검출단(도시되지 않음)을 통해 상기 전력제어부(200)의 센싱 릴레이(Sensing Relay)(210)에 입력된다.

상기 센싱 릴레이(210)에 입력된 값은 다시 메인 콘트롤러(Main Contolller)(220)에 입력되고, 상기 메인 콘트롤러(220)에서는 비교 및 연산과정을 거쳐 적절한 제어동작을 수행하게 된다.

또한, 상기 필라멘트변압기(300)에서는 전력제어부(200)의 실리콘 정류기 (251∼254)에서 제어된 전원부(100)의 전압을 소정의 전압으로 변압하여 발진작용을 하는 마그네트론(500)에 공급하는데, 일반적으로 전원이 인가된 상태에서(예열시) 표준제품인 경우 필라멘트전압(E_f)은 4.0 V, 평균양극전류(I_bm)는 0 ㎃를 나타낸다.

도 2에 도시된 그래프는 상기 필라멘트전압(E_f)에 대한 평균양극전류(I_bm)의 변화량을 나타나는데, 전원이 인가된 상태에서(예열시) 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류(I_bm)는 일정한 값을 유지하나, 안정된 상태에서는 도2에 도시된 바와 같이 서로 선형적인 관계를 가지면 변화한다. 여기에서 필라멘트전압을 변화시켜 평균양극전류값을 제어할 수 있음을 알 수 있다.

본 고안의 일실시례로 상기 필라멘트전압(E_f)은 초기값이 4 V 를 기준으로 최대값 4 + 0.2 V 와 최소값 4 - 0.2 V 정도를 유지하며, 안정된 동작을 할 경우에는 필라멘트전압(E_f)이 2.2 V, 평균양극전류(I_bm)가 840㎃ 가 된다.

상기 도2에 나타낸 그래프는 상기 평균양극전류(I_bm)에 따른 고주파정합출력 (P_o)과 첨두양극전압(E_bm)의 변화곡선을 나타내는 도 3의 그래프와 연관시켜서 생각할 수 있다.

2차측 고압회로의 피드백을 하기 위해서 도 3의 그래프를 예를 들어 설명하면 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류(I_bm)가 소정의 전압, 전류값에 도달하면 필라멘트의 전자방출이 시작되어 안정되는데, 즉 일실시례로 필라멘트전압(E_f)이 2.2 V, 평균양극전류(I_bm)가 840 ㎃가 되면 필라멘트의 전자방출이 시작되어 발진을 할 수 있는 상태가 되고, 고주파 출력을 2,000 W로 설정하게 되면 평균양극전류(I_bm)가 570 ㎃, 첨두양극전압(E_bm)은 4,930 V_p가 됨을 알 수 있으며, 평균양극전류(I_bm)가 570 ㎃ 일때의 필라멘트전압(E_f)은 약 2.8 V (표준품의 경우)가 됨을 알 수 있다. 즉, 고주파 출력량을 설정하면 필라멘트가 공급하는 전압의 크기에 따른 양극전류의 값이 정해지고, 이때 발진부(마그네트론)에서 정해진 첨두양극전압(E_bm)에 의한 평균양극전류값(I_bm)이 일치해야 원하는 정합출력이 얻어지게 된다.

위의 상관관계를 수치해석법으로 계산하면 다음과 같은 수학식이 성립한다.

E_f= a + b * I_bm

P_o= ε+ (α+ β* E_bm+ γE_bm ²- δ* E_f)* I_bm

상기 수학식에서

P_o: 고주파정합출력, E_bm: 첨두양극전압, E_f: 필라멘트전압,

I_bm: 평균양극전류, a, b, α, β, γ, δ : 상수

즉, 수학식 1에서 표현된 바와 같이 필라멘트전압(E_f)은 초기에( 평균양극전류값이 0일때) 임의의 값 a 로 나타나며, 이후 평균양극전류값(I_bm)이 증가함에 따라 임의의 비례상수 b 에 의해 1차함수(선형함수)로 표현된다. 도 2에 표시된 그래프에 따르면 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류값(I_bm)의 관계는 반비례의 형태이므로 상기 비례상수 b는 음의정수로 나타나게 된다.

또한, 수학식 2에서 표현된 바와 같이 고주파정합출력(P_o)은 최소자승법에 의해 2차 함수로 간략하게 표현될 수 있는데 고주파정합출력(P_o)은 초기에( 평균양극전류값이 0일때) 임의의 값 ε로 나타나며, 이후 필라멘트전압(E_f)에 의해 평균양극전류(I_bm)가 정해지면, 상기 평균양극전류값(I_bm)과 첨두양극전압(E_bm) 및 필라멘트전압(E_f)에 의해 근사적으로 계산할 수 있다.

이하 고안의 상세한 구동방식을 상술한다.

도 1에 도시된 바와 같이 전원을 'ON'으로 전환하면 전원부(100)에서 유입된 단상 또는 삼상의 교류전원은 터미널보드(TB1,TB2)를 통해 상기 전력제어부(200)의 실리콘 정류기 SCR 1∼4(251∼254)에서 제어되어 필라멘트변압기 (300) 및 양극변압기(400)에 전달된다.

따라서 필라멘트변압기(300)와 양극변압기(400)에는 필라멘트전압(E_f)과 첨두양극전압(E_bm)이 발생되고, 이때 조작자가 스택(Stack)(260)의 파워조절부(도시되지 않음)를 이용하여 출력량을 조절하면 상기 전력제어부(200)의 메인 콘트롤러(220)에서는 비교 및 연산과정을 수행하여 적절한 제어동작을 수행한다.

상기 스택(Stack)(260)은 방열판(도시되지 않음) 및 파워 조절부(도시되지 않음)가 내장되어 있으므로 조작자가 상기 파워조절부를 수동으로 조절하여 전력제어부(200)의 고주파출력을 임의로 설정할 수 있도록 되어 있는데, 부하(Applicator)의 변화량에 대해 출력을 가변시키기 위해 마그네트론은 첨두양극전압(E_bm)과 평균양극전류(I_bm)의 크기 변화에 따라 고주파 정합출력을 변화시킨다.

한편, 전원이 'ON' 상태로 전환되면 필라멘트변압기(300)와 양극변압기(400)에 전원이 공급되고, 이때 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류(I_bm)가 소정의 전압, 전류값에 도달하면 필라멘트의 전자방출이 시작되어 안정되는데, 일실시례로서 필라멘트전압(E_f)이 2.2 V, 평균양극전류(I_bm)가 840 ㎃가 되면 필라멘트의 전자방출이 시작되어 발진을 할 수 있는 상태가 되고, 조작자가 상기 스택(260)의 파워조절부를 조절하여 고주파출력을 2,000 W로 설정하게 되면 평균양극전류(I_bm)가 570 ㎃, 첨두양극전압(E_bm)은 4,930 V_p가 되며, 이때의 필라멘트전압(E_f)은 약 2.8 V 가 된다.

즉, 고주파출력을 설정하면 필라멘트변압기(300)가 공급하는 전압의 크기에 따른 양극전류의 값이 정해지고, 이때 마그네트론(500)에서 정해진 첨두양극전압 (E_bm)에 의한 평균양극전류값(I_bm)이 일치해야 원하는 정합출력이 얻어지게 된다.

또한, 상기 전력제어부(200)의 메인 콘트롤러(220)에서는 상기 전류 감지 수단을 통해 검출된 전류값과 상기 전압 감지 수단에 의하여 검출된 전압값을 입출력검출단 및 센싱 릴레이(210)를 통해 입력받고, 소정의 연산과정을 거쳐 고주파정합출력(P_o)을 계산하며, 상기 계산된 고주파정합출력(P_o)을 미리 설정되어 있는 기준 고주파정합출력(P_{o_ref})과 비교하고, 그 오차를 비례적분제어하며, 위상에 따라 오차분을 균일화 시키기 위해 세타 스케일링(Theta Scaling) 하고, 트리거링(Triggering)을 하기위해 실리콘 정류기 SCR 1∼4(251∼254)를 이용하여 위상제어를 함으로써 전력제어 및 필라멘트 전압제어를 한다.

여기에서 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류(I_bm)은 선형적으로 변화하므로 전력제어부(200)의 메인 콘트롤러(220)의 메모리에 미리 설정 저장 되어 있는 E_f-I_bmTable을 기준으로 하여, 양극변압기(400) 1차측의 전류 I_R및 I_S를 전류감지수단으로 감지하여 양극전류에 발생한 무효전력분(자화전류)을 보상하여 안정된 전류가 공급되도록 필라멘트변압기(300)의 1차측값을 비교하고 추종제어하며, 이에 대응되는 양극전압은 전압강하에 대한 보상분을 미리 메인 콘트롤러(220)에 입력시켜 실제 마그네트론(500)에 입력되는 값과 비교제어한다.

상기 E_f-I_bmTable은 도 2에 나타낸 필라멘트전압(E_f)에 대한 평균양극전류 (I_bm)의 변화량을 수치화하여 만든 Table이며, 미리 전력제어부(200)의 메인 콘트롤러(220)의 메모리에 기억되어 있다.

한편, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 상기 입출력검출단으로부터 전달된 전압값과 전류값은 전력제어부(200)의 센싱 릴레이(210)를 통해 메인 콘트롤러(220)에 전달되고, 상기 메인 콘트롤러(220)에서는 SCR 드라이브(230)를 통해 실리콘정류기(251∼254)를 제어함으로써 필라멘트전압(V_p)이 소정의 전압값을 유지하도록 조절한 후(스텝10), 그때의 첨두양극전압(E_bm)이 소정의 전압값을 나타내는가를 판단하여(스텝11), 상기 첨두양극전압(E_bm)이 소정의 전압값을 나타내지 않는 경우에는 피드백하여 SCR 드라이브(230)를 통해 실리콘정류기(251∼254)를 제어함으로써 필라멘트전압(V_p)을 제어하고(스텝10), 첨두양극전압(E_bm)이 소정의 전압값을 나타내는 경우에는 조작자가 조절한 파워조절부의 상태에 따라 미리 메인 콘트롤러(220)의 메모리에 저장되어 있는 기준 고주파정합출력 (P_{o_ref})을 읽어들인 후(스텝12), 상기 기준 고주파정합출력 (P_{o_ref})과 센싱 릴레이 (210)에서 전달된 입력값을 이용하여 계산된 고주파정합출력(P_o)을 연산기를 통해 연산하고, 그 오차를 비례적분제어하며, 위상에 따라 오차분을 균일화 시키기 위해 세타 스케일링(Theta Scaling) 하고, 실리콘 정류기 SCR 1∼4(251∼254)를 통한 위상제어에 의하여 필라멘트 전압을 제어함으로써 마그네트론의 정합출력을 전압제어를 된다.(스텝13)

또한, 센싱 릴레이(210)를 통해 필라멘트전류(I_b)을 읽어들이고(스텝14), 센싱 릴레이(210)에서 전달된 필라멘트전압값(E_f)과 평균양극전류값(I_bm)을 이용하여 메인 콘트롤러(220)에 미리 설정되어 있는 E_f-I_bmTable(도2 참고)에 의한 기준 필라멘트전압값(E_{f_ref})과 센싱 릴레이(210)에서 전달된 필라멘트전압값(E_f)을 연산기를 통해 연산하고, 그 오차를 비례적분제어하며, 위상에 따라 오차분을 균일화 시키기 위해 세타 스케일링(Theta Scaling) 하고, 트리거링(Triggering)을 하기위해 실리콘 정류기 SCR 1∼4(251∼254)를 이용하여 위상제어를 함으로써 필라멘트전압제어 (스텝15)를 하며, 그에 따라 다시 피드백하여 출력전력을 제어한다.

본 고안은 필라멘트전압(E_f)과 평균양극전류(I_bm) 및 첨두양극전압(E_bm)을 전력제어부(200)에 내장된 메인 콘트롤러(220)를 통해 피드백 제어함으로써 마그네트론(500)의 동작특성을 최적제어하므로 다음과 같은 효과가 있다.

첫째로 부하의 크기나 형상의 변화에 대해서 균일가열 및 최적가열이 가능하고, 둘째로 전력량을 제어하므로 생산성 향상 및 제조원가의 절감이 가능하며, 세째로 가열온도의 제어가 용이하여 다양한 물체(고무의 가황, 해동 또는 살균)의 가열이 가능하고 조작자가 가열시간을 용이하게 조절할 수 있으므로 공장자동화가 가능하고, 넷째로 마그네트론의 수명 및 신뢰성이 향상되고, 다섯째로 과도전류 유입시 회로의 사전 차단에 의해 부품보호를 할 수 있으며, 여섯째로 부하의 수분함유율이 급격한 변화가 발생하는 경우 출력을 단계적으로 조절하여 화재예방이 가능하며, 일곱째로 기동시 일시적으로 전자파가 투입되면 피가열물이 과열되어 발화되는 것을 미연에 예방할 수 있는 효과가 있다.

Claims

상용전원을 공급하는 전원부와, 필라멘트의 가열에 의하여 방출된 전자를 가속 충돌시켜 초고주파를 발생하도록 된 마그네트론과, 상기 마그네트론의 상기 필라멘트와 양극(陽極) 단자에 필요한 전압을 공급하는 필라멘트변압기 및 양극변압기와, 사용자가 출력을 조절할 수 있는 스택을 포함하여 구성되는 종래의 초고주파 가열장치에 있어서, 상기 필라멘트변압기와 양극변압기는 독립하여 제어되도록 분리 형성하고, 상기 필라멘트변압기 및 양극변압기의 입력단에서 필라멘트전류와 양극전류를 검출하여 정합출력 오차값을 계산한 후, 이를 필라멘트전압을 통하여 보상하는 전력제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초고주파 가열장치.
제 1항에 있어서,

상기 전력제어부는 마이크로프로세서 및 그 주변 회로로 구성되는 메인콘트롤러와, 상기 메인콘트롤러에 의해 제어되는 실리콘정류기 드라이버(SCR DRIVER)와 ,상기 필라멘트변압기와 양극변압기의 제1차측 입력단에 직렬로 연결되어 상기 실리콘정류기 드라이버의 구동에 따라 상기 필라멘트변압기와 양극변압기의 입력 전압을 위상 제어 하는 다수개의 실리콘정류기(SCR)와, 상기 실리콘정류기(SCR)의 양단의 전류 및 전압의 크기를 검출하는 전류감지수단 및 전압감지수단과, 상기 전류감지수단 및 전압감지수단에 의하여 감지된 전류값및 전압값과 사용자의 조작 신호을 상기 메인콘트롤러에 전송 또는 단속하는 센싱 릴레이와, 상기 메인콘트롤러에 필요한 전원을 공급하는 스위칭모드전원(SMPS:Switching Mode Power Supply)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초고주파 가열장치.
제1항에 있어서,

상기 양극변압기는 출력단에 구비되어 변압된 전원을 전파정류하는 다이오드와, 2차측에 직렬로 연결되어 상기 다이오드에서 전파정류된 전원이 과다하게 회로에 유입되는 것을 방지하고 회로에 유입되는 제 3, 5고조파를 제한하는 리액터와, 2차측에 병렬로 연결되어 평활작용을 하는 커패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초고주파 가열장치.
제 3항에 있어서,

상기 다이오드(410)의 하단에 소정의 값을 갖는 저항(440)을 연결하여 양극전류값을 검출하고, 검출된 전류값을 상기 전력제어부(200)의 센싱 릴레이(210)에 입력하여 필라멘트변압기(300)와 양극변압기(400)에서 출력되는 전류값과 비교하는 것을 특징으로 하는 초고주파 가열장치.
제 3항에 있어서,

상기 평활작용을 하는 커패시터(430)는 절연거리확보와 고내압으로 할 수 있도록 세라믹(Ceramic)형으로 하는 선형 출력 가변장치를 갖는 초고주파 가열장치.
제 3항에 있어서,

상기 다이오드는 마그네트론(500)에 안정된 직류전원을 공급하기 위해 애벌런치형(Avalanche Type) 고압 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 선형 출력 가변장치를 갖는 초고주파 가열장치.