KR20160112956A - 유도 가열 시스템 - Google Patents

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KR20160112956A
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induction heating
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coil
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도루 도노무라
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토쿠덴 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은 스콧 결선 변압기를 이용하는 일 없이 1개의 유도 가열 장치를 삼상 교류 전원을 이용하여 운전하는 경우에, 전류가 흐르지 않는 상이 생기지 않도록 하는 것이다. 본 발명은 유도 가열 코일(21)을 구비하는 유도 가열 장치(2)를 삼상 교류 전원(4)에 의해서 운전하는 유도 가열 시스템(100)으로서, 폐자로를 형성하는 철심(30)에 권회된 짝수 감김의 코일(31)을 구비하는 중간 장치(3)를 구비하고, 유도 가열 코일(21)의 감김 시단부(21x)가 삼상 교류 전원(4)의 U상에 접속되고, 감김 종단부(21y)가 중간 장치(3)의 코일(31)의 중점부(31z)에 접속됨과 아울러, 중간 장치(3)의 코일(31)의 감김 시단부(31x) 및 감김 종단부(31y)가 삼상 교류 전원(4)의 V상 및 W상에 접속되어 있다.

Description

유도 가열 시스템{INDUCTION HEATING SYSTEM}
본 발명은 삼상(三相) 전원을 이용하여 단상 유도 가열 장치를 운전하는 유도 가열 시스템에 관한 것이다.
유도 가열 장치의 유도 가열 코일은, 동일 자기 회로 내에서 위상이 다른 자속(磁束)이 서로 섞이면, 역률(力率) 저하를 일으키거나, 발열 분포에 불균일을 일으키거나 하기 때문에, 단상 교류를 공급하는 것이 바람직하다.
그런데, 유도 가열 장치의 동력원은 삼상 교류 전원이 일반적이기 때문에, 통상은 삼상 교류로부터 단상 교류를 취출하는 경우가 많다.
여기서, 1개의 유도 가열 장치의 유도 가열 코일을 그대로 예를 들면 U－V단자에 접속하면, 삼상 전류 중 두상(二相)(예를 들면 U상 및 V상)에는 같은 값의 전류가 흐르지만 나머지의 한상(一相)(예를 들면 W상)에는 전혀 전류가 흐르지 않는 상태가 된다. 즉, U상, V상 및 W상의 상전류(相電流)의 밸런스는, 1：1：0이 된다.
또, 특허 문헌 1에 도시하는 것처럼, 삼상 교류 전원과 유도 코일의 사이에 스콧(Scott) 결선 변압기를 마련하고, 삼상 교류로부터 단상 교류 출력을 2회로 취출하는 방법이 있지만, 스콧 결선 변압기가 필요하게 되어, 코스트 및 스페이스의 관점에서 디메리트가 크다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2001－297867호 공보
이에 본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 스콧 결선 변압기를 이용하는 일 없이 1개의 유도 가열 장치를 삼상 교류 전원을 이용하여 운전하는 경우에, 전류가 흐르지 않는 상이 생기지 않도록 하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 따른 유도 가열 시스템은, 유도 가열 코일을 구비하는 단상 유도 가열 장치를 삼상 교류 전원에 의해서 운전하는 유도 가열 시스템으로서, 상기 단상 유도 가열 장치 및 상기 삼상 교류 전원의 사이에 개재(介在)되어, 폐자로(閉磁路)를 형성하기 위한 철심 및 당해 철심에 권회(卷回)된 짝수 감김의 코일을 구비하는 중간 장치를 구비하고, 상기 유도 가열 코일의 감김 시단부(始端部) 및 감김 종단부(終端部) 중 한쪽이 상기 삼상 교류 전원 중 한상에 전기적으로 접속되고, 그 다른 쪽이 상기 중간 장치의 코일의 중점부(中点部)에 전기적으로 접속됨과 아울러, 상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부 및 감김 종단부가 상기 삼상 교류 전원의 나머지 두상에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 유도 가열 시스템이면, 유도 가열 코일의 한쪽의 단부를 삼상 교류 전원 중 한상에 전기적으로 접속하고, 다른 쪽의 단부를 중간 장치의 코일의 중점부에 전기적으로 접속함과 아울러, 중간 장치의 코일의 양단부를 삼상 교류 전원의 나머지 두상에 전기적으로 접속하고 있으므로, U상, V상 및 W상의 상전류의 밸런스를, 2：1：1로 할 수 있다. 즉, 스콧 결선 변압기를 이용하는 일 없이 1개의 유도 가열 장치를 삼상 교류 전원을 이용하여 운전하는 경우에도, 삼상 중 한상에 전혀 전류가 흐르지 않는 상태가 생기는 것을 방지할 수 있다. 상세한 것에 대하여는, 후술한다.
상기 중간 장치의 코일의 층수가 짝수이고, 상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부, 감김 종단부 및 중점부가, 상기 코일의 축방향 단부에 위치하고 있는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 유도 가열 코일의 전류는, 중간 장치의 코일의 중점부로부터 들어가 감김 시단부 및 감김 종단부로 1/2씩 분류하여 흐른다. 중간 장치의 코일의 감김 시단부로 흐르는 전류와, 중간 장치의 코일의 감김 종단부로 흐르는 전류는 방향이 반대이기 때문에, 발생하는 자속은 캔슬되어 소멸되게 된다. 따라서 중간 장치의 코일의 단자간 전압은 전원 전압만의 성분이 된다.
여기서, 중간 장치의 코일의 층수를 짝수로 하여, 감김 시단부, 감김 종단부 및 중점부를, 당해 코일의 축방향 단부에 위치시키면, 중점부에서부터 감김 시단부까지의 권선 부분과, 중점부에서부터 감김 종단부까지의 권선 부분의 자기적 결합이 좋아, 효율 좋게 자속을 소멸시킬 수 있다.
상기 유도 가열 코일의 일단측과 상기 삼상 교류 전원의 사이에 전력 제어 기기가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 삼상 전류의 밸런스를 2：1：1로 유지한 채로, 유도 가열 장치의 출력 제어를 행할 수 있다.
상기 철심이, 상기 철심의 그 외의 부분 보다도 투자율(透磁率)이 낮은 저투자율부를 가지는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 철심에 의해 형성되는 폐자로의 자기 저항이 작아져, 여자 전류가 증가한다. 원하는 여자 전류가 되도록 자기 저항을 조정함으로써, 삼상 전류를 밸런스를 유지하게 할 수 있다. 상세한 것에 대하여는, 후술한다.
상기 유도 가열 장치 및 상기 중간 장치와 상기 삼상 교류 전원의 사이에 삼상 전력 제어 기기가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 유도 가열 코일을 흐르는 전류와 중간 장치의 코일을 흐르는 전류를 동시에 제어할 수 있어, 철심의 저투자율부에 의해서 자기 저항을 조정해서 얻은 삼상 전류의 밸런스를 유지한 채로, 유도 가열 장치의 출력 제어를 행할 수 있다.
상기 유도 가열 코일의 일단측과 상기 삼상 교류 전원의 사이, 및 상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부측 또는 감김 종단부측과 상기 삼상 교류 전원의 사이에 전력 제어 기기가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 삼상 전력 제어 기기를 대신하여 단상 전력 제어 기기 2대의 구성으로, 상기 삼상 전류의 밸런스를 유지한 채로, 유도 가열 장치의 출력 제어를 행할 수 있다.
여기서, 유도 가열 코일의 일단측에 마련된 전력 제어 기기는, 유도 가열 장치의 부하 온도 등에 따라서 피드백 제어되게 된다. 한편으로, 중간 장치의 코일에는 부하가 없기 때문에, 중간 장치의 코일측에 마련된 전력 제어 기기의 제어는, 유도 가열 코일의 일단측에 마련된 전력 제어 기기와 동기를 취하게 된다. 예를 들면, 양자에 흐르는 전류치를 같게 하는 것 같은 제어 방식을 생각할 수 있다.
삼상 교류 전원은 공업 설비로서 사용되는 것이고, 유도 가열되는 대상물은, 공업 설비이기 때문에 기본적으로 두꺼운 금속에 의해 구성되어 있다. 이 때문에, 상기 삼상 교류 전원의 전원 주파수를 50Hz 또는 60Hz의 상용 주파수로 함으로써, 두꺼운 금속의 유도 가열에 있어서의 전류 침투도를 크게 할 수 있어, 효율 좋게 대상물의 가열을 행할 수 있다.
유도 발열 롤러 장치는, 가열시에 있어서의 롤러 본체의 프로파일(특성)의 균일성이 중요하므로, 위상이 다른 삼상 자속이 동일 롤러 본체 내에서 서로 섞이는 삼상 교류보다도 단상 교류가 바람직하다. 또, 공업 설비로서 롤러 본체는, 두꺼운 금속으로 구성되는 것이 대부분이다. 이 때문에, 상기 유도 가열 장치가, 회전 가능하게 지지된 롤러 본체의 내부에 상기 유도 가열 코일을 가지는 유도 발열 기구를 마련한 유도 발열 롤러 장치인 것이 바람직하다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 스콧 결선 변압기를 이용하는 일 없이 1개의 유도 가열 장치를 삼상 교류 전원을 이용하여 운전하는 경우에, 전류가 흐르지 않는 상이 생기지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 유도 가열 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 변형 실시 형태의 중간 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 변형 실시 형태의 전류 벡터도이다.
도 4는 변형 실시 형태에 따른 유도 가열 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하에 본 발명에 따른 유도 가열 시스템의 일실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 유도 가열 시스템(100)은, 도 1에 도시하는 것처럼, 단상 유도 가열 장치(2)(이하, 간단하게 유도 가열 장치(2)라고 함.)를 삼상 교류 전원(4)에 의해서 운전하는 것으로, 유도 가열 장치(2) 및 삼상 교류 전원(4)의 사이에 유도 가열 장치와는 다른 중간 장치(3)가 개재되어 마련되어 있다.
이 중간 장치(3)는 폐자로를 형성하기 위한 철심(30) 및 당해 철심(30)에 권회된 코일(31)(이하, 중간 코일(31)이라고 함.)을 구비하고 있다.
상기 유도 가열 장치(2)는 유도 가열 코일(21)을 가지는 것이고, 당해 유도 가열 코일(21)은 철심(20)에 권회되어 마련되어 있다. 이 유도 가열 장치(2)로서는, 예를 들면, 유도 가열 코일(21)을 일차 코일로 하여, 상기 철심(20)에 권회된 이차 코일인 도체관을 유도 가열하여, 당해 도체관을 흐르는 유체를 가열하는 유체 가열 장치를 생각할 수 있다. 이 경우, 유도 가열 장치(2)는 물을 가열하여 포화 수증기를 생성하는 포화 수증기 생성 장치여도 되고, 포화 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치여도 된다. 그 외, 유도 가열 장치(2)로서, 회전 가능하게 지지된 롤러 본체의 내부에 유도 코일(21)을 가지는 유도 발열 기구를 마련한 유도 발열 롤러 장치를 생각할 수 있다.
또, 삼상 교류 전원(4)의 전원 주파수는, 50Hz 또는 60Hz의 상용 주파수이다. 이것에 의해, 도체관 등의 두꺼운 금속의 유도 가열에 있어서의 전류 침투도를 크게 할 수 있어, 효율 좋게 대상물의 가열을 행할 수 있다.
그리고 유도 가열 코일(21)의 감김 시단부(21x)가 삼상 교류 전원(4)의 U상에 전기적으로 접속되고, 유도 가열 코일(21)의 감김 종단부(21y)가 중간 코일(31)의 중점부(31z)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 중간 코일(31)의 감김 시단부(31x)가 삼상 교류 전원(4)의 V상에 전기적으로 접속되고, 중간 코일(31)의 감김 종단부(31y)가 삼상 교류 전원(4)의 W상에 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시 형태에서는, 각 코일(21, 31)의 양단부(21x, 21y, 31x, 31y)에 접속 단자가 마련된다. 또, 중간 코일(31)의 중점부(31z)에 접속 단자가 마련되어 있다.
또, 중간 코일(31)은, 권수(卷數)를 짝수｛2N(N은 자연수)}로 하고 있다. 즉, 중간 코일(31)의 중점부(31z)에서부터 감김 시단부(31x)까지의 권수는 N이고, 중점부(31z)에서부터 감김 종단부(31y)까지의 권수도 N이다.
본 실시 형태에서는, 중간 코일(31)의 층수가 짝수로 되어 있다. 예를 들면 중간 코일(31)을 2층 구성으로 했을 경우, 감김 시단부(31x) 및 감김 종단부(31y)가 중간 코일(31)의 축방향 일단측에 위치하고, 중점부(31z)가 중간 코일(31)의 축방향 타단측에 위치하는 구성이 된다.
추가로, 유도 가열 코일(21)의 일단부와 삼상 교류 전원(4)의 사이에, 유도 가열 코일(21)을 흐르는 전류를 제어하는 전력 제어 기기(51)가 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는, 유도 가열 코일(21)의 감김 시단부(21x)와 삼상 교류 전원(4)의 사이(U상)에 전력 제어 기기(51)가 마련되어 있다. 또한, 전력 제어 기기(51)는 예를 들면 사이리스터(thyristor) 등의 반도체 제어 소자이다. 이 전력 제어 기기(51)는 도시하지 않은 제어부에 의해서 제어된다.
다음에 이와 같이 구성한 유도 가열 시스템(100)의 각 상에 흐르는 전류에 대해서, 도 1을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 있어서, 유도 가열 장치의 용량을 P, 삼상 교류 전원(4)의 전원 전압을 E, 삼상 전류를 IU, IV, IW라고 한다.
유도 가열 코일의 단자간 전압을 EU－O이라고 하면,
Figure pat00001
이다.
유도 가열 코일을 흐르는 전류는 IU와 같고,
Figure pat00002
이다.
중간 코일의 단자간 전압은 전원 전압과 같고, E이다.
중간 코일을 흐르는 전류는,
Figure pat00003
이다.
여기서, I0는, 폐자로에 흐르는 자속을 발생시키는 여자 전류이고, 가산은 벡터합이 된다. 그러나 폐자로이기 때문에 여자 전류의 값은 충분히 작으므로,
Figure pat00004
라고 생각해도 문제없다.
따라서, 삼상 전류비는,
Figure pat00005
이다.
이와 같이 구성한 유도 가열 시스템(100)에 의하면, 유도 가열 코일(21)의 감김 시단부(21x)를 삼상 교류 전원(4)의 U상에 전기적으로 접속하고, 감김 종단부(21y)를 중간 코일(31)의 중점부(31z)에 전기적으로 접속함과 아울러, 중간 코일(31)의 양단부(31x, 31y)를 삼상 교류 전원(4)의 V상 및 W상에 전기적으로 접속하고 있으므로, 중간 장치(3)가 전류 밸런스화 장치로서 기능하여, U상, V상 및 W상의 상전류의 밸런스를, 2：1：1로 할 수 있다. 즉, 스콧 결선 변압기를 이용하는 일 없이 1개의 유도 가열 장치(2)를 삼상 교류 전원(4)을 이용하여 운전하는 경우에도, 삼상 중 한상에 전혀 전류가 흐르지 않는 상태가 생기는 것을 방지할 수 있다.
또, 유도 가열 코일(21)의 일단측(감김 시단부(21x))과 삼상 교류 전원(4)의 사이에 전력 제어 기기(51)가 마련되어 있으므로, 삼상 전류의 밸런스를 2：1：1로 유지한 채로, 유도 가열 장치(2)의 출력 제어를 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 중간 장치(3)의 철심(30)이, 상기 철심(30)의 그 외의 부분 보다도 투자율이 낮은 저투자율부(30a)를 가지고, 저투자율부(30a)를 갖지 않는 것에 비해 폐자로의 자기 저항을 낮게 하는 것이어도 된다. 저투자율부(30a)는 철심(30) 및 코일(31)의 온도 상승에 견딜 수 있는 절연물, 예를 들면 실리콘 유리 적층판이나 아라미드 보드(aramid board) 등으로 구성된다. 또한, 저투자율부(30a) 이외의 부분은, 전자 강판이나 아모퍼스 금속 등으로 이루어지는 고투자율부가 된다.
이와 같이 상기 폐자로 중에 저투자율부(30a)를 넣어서 자기 저항을 내리면, 철심(30)을 흐르는 여자 전류 I0가 증가한다. 벡터 연산에 의해,
IV=IU/2＋I0 (벡터합)
I0=IV－IU/2 (벡터차)
상기의 값이 되는 Io로 자기 저항을 조정하면, 삼상 전류는 밸런스가 맞춰진다.
도 3은 전류 벡터를 도시한 도면이다.
유도 가열 코일(21)을 흐르는 전류는 역률을 가지고, 그 값을 cosΘ라고 한다. I0는 기본적으로 위상이 90° 늦다.
도 3의 삼각형 I0－IV－O에 있어서, 코사인 정리로부터 절대치 계산하면,
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
이 식을 간단화하면,
Figure pat00010
이 식을 만족하는 I0로 폐자로의 자기 저항을 조정하면, 삼상 전류를 밸런스를 유지하게 할 수 있다. 또한, 원식 중의 ±부호에 대해서는, 실제로 맞은 적정 부호를 선택하고, 여기에서는 플러스를 채용하고 있다.
또, 전력 제어에 관해서 말하면, 상기 실시 형태에 더하여, 상기 중간 장치(3)의 중간 코일(31)의 감김 시단부(31x)측 또는 감김 종단부(31y)측과 삼상 교류 전원(4)의 사이에 전력 제어 기기(52)를 마련해도 좋다. 이 경우, 유도 가열 코일(21)의 일단측에 마련된 전력 제어 기기(51)는, 유도 가열 장치(2)의 부하 온도 등에 따라서 피드백 제어되게 된다. 한편으로, 중간 장치(3)의 코일(31)에는 부하가 없으므로, 중간 장치(3)의 코일(31)측에 마련된 전력 제어 기기(52)의 제어는, 유도 가열 코일(21)측에 마련된 전력 제어 기기(51)와 동기를 취하게 된다.
추가로, 상기 유도 가열 장치(2) 및 상기 중간 장치(3)와 상기 삼상 교류 전원(4)의 사이에 삼상 전력 제어 기기를 마련해도 좋다.
그 외, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
100 … 유도 가열 시스템
2 … 단상 유도 가열 장치
21 … 유도 가열 코일
21x … 유도 가열 코일의 감김 시단부
21y … 유도 가열 코일의 감김 종단부
3 … 중간 장치
30 … 폐자로 철심
31 … 코일
31x … 코일의 감김 시단부
31y … 코일의 감김 종단부
31z … 코일의 중점부
4 … 삼상 교류 전원
51 … 전력 제어 기기
52 … 전력 제어 기기

Claims (8)

  1. 유도 가열 코일을 구비하는 단상(單相) 유도 가열 장치를 삼상(三相) 교류 전원에 의해서 운전하는 유도 가열 시스템으로서,
    상기 단상 유도 가열 장치 및 상기 삼상 교류 전원의 사이에 개재(介在)되어, 폐자로(閉磁路)를 형성하기 위한 철심 및 당해 철심에 권회(卷回)된 짝수 감김의 코일을 구비하는 중간 장치를 구비하고,
    상기 유도 가열 코일의 감김 시단부(始端部) 및 감김 종단부(終端部) 중 한쪽이 상기 삼상 교류 전원 중 한상에 전기적으로 접속되고, 그 다른 쪽이 상기 중간 장치의 코일의 중점부에 전기적으로 접속됨과 아울러,
    상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부 및 감김 종단부가 상기 삼상 교류 전원의 나머지 두상에 전기적으로 접속되어 있는 유도 가열 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간 장치의 코일의 층수가 짝수이고,
    상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부, 감김 종단부 및 중점부가, 상기 코일의 축방향 단부에 위치하고 있는 유도 가열 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도 가열 코일의 일단측과 상기 삼상 교류 전원의 사이에 전력 제어 기기가 마련되어 있는 유도 가열 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 철심이, 상기 철심의 그 외의 부분보다도 투자율(透磁率)이 낮은 저투자율부를 가지는 유도 가열 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유도 가열 장치 및 상기 중간 장치와 상기 삼상 교류 전원의 사이에 삼상 전력 제어 기기가 마련되어 있는 유도 가열 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 유도 가열 코일의 일단측과 상기 삼상 교류 전원의 사이, 및 상기 중간 장치의 코일의 감김 시단부측 또는 감김 종단부측과 상기 삼상 교류 전원의 사이에 전력 제어 기기가 마련되어 있는 유도 가열 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 삼상 교류 전원의 전원 주파수가 50Hz 또는 60Hz인 유도 가열 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도 가열 장치가, 회전 가능하게 지지된 롤러 본체의 내부에 상기 유도 가열 코일을 가지는 유도 발열 기구를 마련한 유도 발열 롤러 장치인 유도 가열 시스템.
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