KR200410143Y1 - 전기 온풍기용 전력 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전기에 의해 열을 발산하는 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전기 온풍기용 전력 제어 장치로서, 입력되는 교류 신호의 영점 위치를 검출하는 제로 크로스 회로와, 상기 제로 크로스 회로의 영점 위치로부터 일정한 기간 동안 상기 교류 신호의 전력량을 조절하기 위한 펄스 신호를 생성하는 스위칭 제어 회로와, 상기 스위칭 제어 회로로부터 펄스 신호를 입력 받아 상기 펄스 신호에 따라 상기 발열체에 인가되는 교류 신호의 입력을 온(ON) 또는 오프(OFF)시킴으로써, 상기 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어 회로를 포함하고 있다. 따라서 상기 전력 제어 장치는 변압기 등을 사용하지 않고 전기 온풍기의 발열체에 공급되는 교류 전력을 효과적으로 조절할 수 있다.

전기 온풍기, 전력 제어, 몰리브덴, 발열체

Description

전기 온풍기용 전력 제어 장치{POWER CONTROL APPARATUS FOR ELECTRICAL WARM AIR CIRCULATOR}

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치의 구성을 나타내는 개략적인 블록도이다.

도 2는 제로 크로스 회로의 입력 파형과 출력 파형을 나타내는 파형도이다.

도 3은 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치의 제로 크로스 회로를 나타내는 회로도이다.

도 4는 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치의 스위칭 제어 회로를 나타내는 회로도이다.

도 5는 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치의 전력 제어 회로를 나타내는 회로도이다.

도 6은 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치에 의해 교류 신호가 조절되는 것을 나타내는 파형도이다.

도 7은 본 고안의 실시예에 따른 상기 스위칭 제어 회로에 의한 스위칭을 다른 일례를 나타내는 파형도이다.

본 고안은 전기 온풍기의 전력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전소자를 사용하는 전기 온풍기에서 대용량의 변압기를 사용하지 않고 효과적으로 전력을 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다.

종래에 비닐하우스 등을 난방하기 위한 농업용 온풍기는 석유 등을 태워서 직접 가열하는 방식이 많이 이용되었으나, 근래에는 대기 오염, 유가 상승 등의 영향으로 인하여 전기 가열 방식의 전기 온풍기로 대체되는 추세에 있다.

이러한 전기 온풍기에서 발열 기능을 하는 발열체(heater)는 수명을 고려하여 그 표면 온도를 1000℃ 이하로 제한하고 있다. 그러나 규화몰리브덴(MOsi₂)이나 탄화규소(SiC) 등과 같은 발열체는 동일 전력으로 표면 온도를 1800℃ 까지 발열시킬 수 있기 때문에, 최근의 전기 온풍기 제작에 많이 사용되고 있다.

그러나 상기한 몰리브덴 발열체는 그 내부 저항이 0.04 ~ 1Ω 이하인 특성을 가지므로, 일반적인 상용 전기(110VAC ~440VAC, 60Hz)를 직접 인가하여 사용할 수가 없다. 따라서 몰리브덴 발열체를 사용하는 경우에는, 대용량의 전압 강하용 변압기(transformer)를 사용하여 낮은 전압을 만들어서 몰리브덴 발열체에 인가할 수밖에 없다.

상기한 바와 같이, 전기 온풍기에서 대용량의 변압기를 사용하게 되면, 온풍기의 부피 및 중량이 커지게 되고, 그 제조 비용도 높아진다. 즉, 대용량 변압기의 사용은 전기 온풍기의 설계 및 제작에 많은 제한 요소로서 작용하고 있다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대용량의 변압기를 사용하지 않고, 몰리브덴 발열체를 발열시킬 수 있는 전기 온풍기를 제공하는 것이다. 즉, 본 고안의 목적은 전기 온풍기에 입력되는 상용 전기를 직접 제어하여 필요한 유효 전력을 발생시킬 수 있는 전력 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 고안에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치는, 전기에 의해 열을 발산하는 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어 장치로서, 입력되는 교류 신호의 영점 위치를 검출하는 제로 크로스 회로와, 상기 제로 크로스 회로의 영점 위치로부터 일정한 기간 동안 상기 교류 신호의 전력량을 조절하기 위한 펄스 신호를 생성하는 스위칭 제어 회로와, 상기 스위칭 제어 회로로부터 펄스 신호를 입력 받아 상기 펄스 신호에 따라 상기 발열체에 인가되는 교류 신호의 입력을 온(ON) 또는 오프(OFF)시킴으로써, 상기 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어 회로를 포함하고 있다.

따라서 상기 전력 제어 장치는 전기 온풍기의 발열체에 공급되는 교류 전력 을 대형 변압기 등을 사용하지 않고 효과적으로 조절할 수 있다.

상기 전력 제어 장치는, 입력되는 교류 신호의 전류량을 감지하여 상기 스위칭 제어 회로로 피드백(feedback)시키는 전류 감지기를 더 포함할 수 있다. 이러한 전류 감지기는 통상적으로 사용되는 변류기(current transformer)를 이용하여 구성할 수 있다. 즉, 교류 전원이 입력되는 라인 상에 변류기를 연결하여, 현재 부하에 흐르는 전류를 감시하고, 감시된 전류를 스위칭 제어 회로에 피드백시켜, 스위칭 제어 회로가 입력된 전류에 따라 스위칭 시간을 조정하도록 할 수 있다. 이러한 전류 감지기에 의해, 전력량을 정확히 감시하여 실시간으로 보정할 수 있다.

또한, 상기 스위칭 제어 회로는 상기 영점 위치의 전후로 일정한 기간 동안 유지되는 펄스 신호를 발생시키도록 할 수도 있다. 이러한 스위칭 제어는 공급되는 교류 신호를 더욱 평활하게 만들 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 전기 온풍기용 전력 제어 장치의 개략적인 동작을 나타내는 블록도이다.

도 1에서와 같이, 본 고안의 전기 온풍기용 전력 제어 장치는 제로 크로스(zero cross) 회로(10), 스위칭 제어 회로(20), 전력 제어 회로(30), 전류 감지기(40)로 구성되어 있다.

먼저, 제로 크로스 회로(10)는 상용 교류전원으로부터 입력되는 전압의 영점을 검출하는 회로이다. 도 2에 입력되는 전압의 파형과 제로 크로스 회로(10)에 의해 검출된 영점에서의 펄스를 나타내었다.

도 2에서와 같이, 제로 크로스 회로(10)는 교류 전압(예를 들어, 220VAC 60Hz)을 입력받아 그 영점에 해당하는 위치에 펄스 신호를 발생시킨다. 이러한 펄스 신호는 교류 전압의 주기(1/60 sec = 16.67ms)의 1/2에 해당하는 주기(8.335ms) 로 일정하게 발생된다.

도 3에 제로 크로스 회로(10)를 실제로 구현한 회로의 일례를 나타내었다. 도 3에서와 같이, 제로 크로스 회로(10)는 다이오드가 역병렬 접속된 AC 입력용 포토커플러(photo-coupler)(P1)를 사용함으로써 간단히 구성할 수 있다.

상기 제로 크로스 회로(10)에서 발생된 영점 위치의 펄스 신호는 스위칭 제어 회로(20)로 입력된다. 스위칭 제어 회로(20)는 입력된 영점 위치 펄스 신호를 기준으로 하여 전력 제어에 필요한 스위칭 신호를 생성한다. 즉, 사인파 형태로 된 입력 교류 전압을 영점 위치에서부터 소정 기간까지 주기적으로 스위칭할 수 있는 펄스 신호를 발생시켜, 필요한 만큼의 전력만이 출력될 수 있도록 한다.

도 4에 상기 스위칭 제어 회로(20)를 실제로 구현한 회로를 나타내었다. 도 4에서와 같이 스위칭 제어 회로(20)는 마이크로프로세서 등을 이용하여 용이하게 구현할 수 있다(도 4에서는 원칩 마이크로프로세서를 사용함).

상기 스위칭 제어 회로(20)에 의해 생성된 스위칭 신호는 전력 제어 회로 (30)에 인가된다. 전력 제어 회로(30)는 교류 전원으로부터 입력된 교류 전압을 스위칭 제어 회로(20)로부터 입력된 스위칭 신호에 따라 적절히 스위칭하고 정류함으로써, 필요로 하는 양의 전력을 부하(LOAD)에 공급한다.

도 5에 상기 전력 제어 회로(30)를 실제로 구현한 회로를 나타내었다. 전력 제어 회로(30)는 포토커플러, 트라이악(TRAIC), 정류 소자 등으로 구성된다.

도 5에서와 같이 스위칭 제어 회로(20)로부터의 스위칭 신호(AC SW1)는 포토커플러(P2)(트라이악 포토 커플러를 사용)를 통해 트라이악(T1)의 게이트(3)에 인 가되어, 트라이악(T1)의 양단(1, 2)으로 흐르는 교류 신호(220VAC)를 제어한다. 즉, 트라이악(T1)의 게이트(3)에 인가되는 스위칭 신호(AC SW1)에 따라 트라이악(T1)이 온/오프(ON/OFF)되어 교류전원으로부터 입력되는 신호의 전력량을 조절하게 된다.

트라이악(T1)에 의해 조절된 신호는 브리지 다이오드(bridge diode)로 형성된 정류기(REC)에 의해 직류로 정류되어 부하(LOAD)에 인가된다. 즉, 몰리브덴 발열체가 전기를 공급받아 이를 열로 변환하게 된다.

상기 전력 제어 회로(20)에 의해 조절된 교류 신호의 파형을 도 6에 나타내었다. 도 6에서와 같이, 영점 위치에서부터 사인파의 최고점에 이르기 전의 소정 위치까지만 교류 신호가 부하에 인가되도록 할 수 있다. 교류 신호가 인가되는 기간은 스위칭 제어 회로(20)에 의해 필요한 만큼 조절될 수 있다. 예를 들어, 16.67ms 동안 스위칭을 하여 전력 제어 회로(20)의 트라이악(T1)을 온(ON) 시키면 100%(220VAC)의 교류 신호가 공급되고, 8.35ms 동안 스위칭을 하면 50%(110VAC)의 교류 신호가 부하에 공급되고, 4.175ms 동안 스위칭을 하면 25%(55VAC)의 교류 신호가 부하에 공급된다.

공급되는 전압의 파형을 더욱 평활하게 하기 위해, 영점 위치의 전후에서 각각 스위칭을 실행할 수도 있다. 즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 스위칭 제어 회로(20)에서 영점의 전후로 일정한 시간을 계산하여 스위칭을 실행함으로써, 전력 제어 회로(20)를 통해 부하에 공급되는 전압이 더욱 평활하게 되도록 할 수 있다.

스위칭 제어 회로(20)에서의 더욱 정밀한 스위칭 제어를 위해 전류 감지기 (40)를 사용할 수 있다. 즉, 도 5의 전력 제어 회로에서 교류 전원으로부터의 입력 라인(J2 단자)에 변류기(current transformer)를 연결하여, 현재 부하에 흐르는 전류를 감시하게 할 수 있다. 이와 같이 감시된 전류를 스위칭 제어 회로(20)에 입력 시켜(feedback), 스위칭 제어 회로(20)가 입력된 전류에 따라 스위칭 시간을 조정함으로써, 부하에 인가되는 전력량을 일정하게 유지시킬 수 있다.

상기한 전류 감지기(40)에 의한 전력량의 보정은 마이크로프로세서로 구성된 스위칭 제어 회로(20)에 의해 실시간으로 실행된다. 예를 들어, 입력되는 전력량이 부족할 경우에는 스위칭 제어 회로(20)에 의해 전력 제어 회로(30)의 트라이악(T1)이 온(ON)되는 기간을 증가시키고, 입력되는 전력량이 과도할 경우에는 트라이악(T1)이 온(ON)되는 기간을 감소시킴으로서, 더욱 정확한 양의 전력이 부하에 공급되도록 할 수 있다.

본 고안은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 고안의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예가 구성될 수 있다. 따라서 본 고안의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.

상기한 바와 같이, 본 고안의 전기 온풍기용 전력 제어 장치는 전기 온풍기에 입력되는 상용 교류 전원의 전력량을 직접 제어하여 몰리브덴 발열체에 공급함으로써, 대용량의 변압기 등을 사용하지 않고도 발열에 필요한 유효 전력을 용이하 게 발생시킬 수 있다.

또한, 전류 감지기를 사용하여 공급되는 전력량을 정확히 감시하여 실시간으로 보정할 수 있으므로, 필요로 하는 전력량을 정확하게 제어하여 공급할 수 있다.

Claims (3)

1. 전기 온풍기에서 전기에 의해 열을 발산하는 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어 장치에 있어서, 상기 전력 제어 장치는

   입력되는 교류 신호의 영점 위치를 검출하는 제로 크로스 회로,

   상기 제로 크로스 회로의 영점 위치로부터 일정한 기간 동안 상기 교류 신호의 전력량을 조절하기 위한 펄스 신호를 생성하는 스위칭 제어 회로,

   상기 스위칭 제어 회로로부터 펄스 신호를 입력 받아, 상기 펄스 신호에 따라 상기 발열체에 인가되는 교류 신호의 입력을 온(ON) 또는 오프(OFF)시킴으로써, 상기 발열체에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 온풍기용 전력 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입력되는 교류 신호의 전류량을 감지하여 상기 스위칭 제어 회로로 피드백(feedback)시키는 전류 감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 온풍기용 전력 제어 장치.
3. 제1항 내지 제2항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 스위칭 제어 회로는 상기 영점 위치의 전후로 일정한 기간 동안 유지되는 펄스 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 전기 온풍기용 전력 제어 장치.

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