KR20180088483A - 워크피스 가열을 위한 엄격하게 통제된 출력을 갖는 고주파수 파워 서플라이 시스템 - Google Patents

워크피스 가열을 위한 엄격하게 통제된 출력을 갖는 고주파수 파워 서플라이 시스템 Download PDF

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토마스 지. 이그나토우스키
마이클 에이. 낼런
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Abstract

고주파수 파워 서플라이 시스템은 워크피스 부하에 크게 통제된 전력 및 주파수를 제공하고, 여기서 크게 통제된 전력 및 주파수는 인버터 스위칭 제어 및 기하학적 형상의 이동 가능한 삽입 코어 섹션 및 고정 스플릿 버스 섹션을 갖고, 이 때, 삽입 코어 섹션은 라변 리액터의 임피던스를 변경하기 위해 고정 스플릿 버스 섹션에 대하여 이동될 수 있는 것인 정밀 가변 리액터를 포함할 수 있는 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크에 의해 워크피스 부하 특성과 무관할 수 있다.

Description

워크피스 가열을 위한 엄격하게 통제된 출력을 갖는 고주파수 파워 서플라이 시스템
본 발명은 용접 또는 어닐링(annealing)과 같은 산업 공정에서 가열되는 워크피스를 갖는 파워 서플라이 부하의 일부를 형성하는, 워크 유도 코일 또는 저항성 접점과 같은, 워크피스 부하 회로에 전력을 공급하는 엄격하게 통제된 인버터 출력을 갖는 고주파수 파워 서플라이 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 인버터의 출력의 파워 진폭 및 주파수가 엄격하게 통제되고, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크를 제공함으로써 파워 서플라이 부하의 임피던스에 독립적인 상기 고주파수 파워 서플라이에 관한 것이다.
유도 용접은 단일 워크피스 또는 복수의 워크피스 중 2 이상의 표면을 가열하기 위해 전자기 유도를 이용하는 용접의 형태이고, 여기서, 워크피스 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 전기 도전성이다. 가열된 표면은 대기 분위기 또는 비활성 기체 또는 진공과 같은 제어된 환경에서 유도 가열된 표면 사이에 힘을 가함으로써 함께 용접된다.
산업용 유도 용접 프로세스의 일례는 도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이 적어도 부분적으로 도전성인 시트(104)(워크피스)와 같은 처리되는 재료로부터 튜브형 제품을 단접(forge welding)하는 것이다. 이 프로세스에서, 시트(104)의 마주보는 에지(104a 및 104b)는 도면에 도시되지 않은 고주파수 파워 서플라이 시스템으로부터 공급되는 유도 코일(106)을 통해 흐르는 고주파수 교류 전류에 의해 형성된 자기장에 의해 유도 가열된다. 유도가열된 마주보는 에지는 시트(104)가 화살표로 표시된 바와 같이 도면에서 우측에서 좌측으로 이동함에 따라, 툴링 롤(108a 및 108b)에 의해 함께 롤링(단조)되어 튜브형 제품(110) 및 용접 열을 받는 구역(HAZ: heat affected zone)을 형성한다. 유도 코일 및 자기 연결된 워크피스 용접 영역은, 롤링되는 용접 영역 내로 삽입된 임피더(impeder)(112)와 같은 임피던스 조절 장치와 함께, 용접 프로세스 동안 다이내믹하게 변하는 부하 특성을 갖는 용접 전기 부하(워크피스) 회로를 형성한다.
전지 저항 용접(ERW: electric resistance welding)은 단일 워크피스 또는 복수의 워크피스의 2 이상의 표면을 가열하기 위해 저항 가열을 이용하는 용접의 한 형태이고, 여기서, 적어도 하나의 워크피스는 적어도 부분적으로 전기적으로 도전성이다. 가열된 표면은 대기 분위기 또는 비활성 기체 또는 진공과 같은 제어된 환경에서 저항 가열된 표면 사이에 힘을 가함으로써 함께 용접된다.
산업용 전기저항 용접 프로세스의 일례는 도 2에 도식적으로 도시된 바와 같이 적어도 부분적으로 도전성인 시트(204)(워크피스)와 같은 처리되는 재료로부터 튜브형 제품을 단접하는 것이다. 이 프로세스에서, 시트의 마주보는 에지(204a 및 204b)는 도면에 도시되지 않은 직류 또는 교류 파워 서플라이 시스템으로부터 전기 컨택트(206a 및 206b)로 공급되는 교류 전류 또는 직류 전류에 의해 저항 가열된다. 저항 가열된 마주보는 에지(204a 및 204b)는 시트(204)가 화살표로 표시된 바와 같이 도면에서 우측에서 좌측으로 이동함에 따라, 툴링 롤(208a 및 208b)에 의해 함께 롤링되어 튜브형 제품(210) 및 용접 HAZ(213)을 형성한다. 전기 컨택트 및 워크피스 용접 구역은 용접 프로세스 동안 다이내믹하게 변하는 부하 특성을 갖는 용접 전기 부하(워크피스) 회로를 형성한다.
또한, 유도 용접 프로세스에 사용되는 고주파수 솔리드 스테이트 파워 서플라이는 어닐링(열처리) 프로세스와 같은 유도 가열 애플리케이션에도 사용될 수 있고, 여기서, 이전에 형성된 용접 심(seam)(HAZ)과 같은 금속 워크피스 또는 워크피스 구역은 열처리를 필요로 한다. 유도 코일 및 자기 연결된 워크피스 열 처리 구역은 어닐링 프로세스 동안 다이내믹하게 변하는 부하 특성을 갖는 용접 전기 부하(워크피스) 회로를 형성한다.
산업용 어닐링 프로세스의 일례는 도 3에 도시된 바와 같은 이전에 용접에 의해 형성된 튜브형 제품의 용점 심(304)에서의 금속 튜브형 제품(302)의 어닐링이다. 예컨대, 튜브형 제품을 도 3의 화살표 방향으로 진행시키고 (도면에 도시된) 선형 유도 코일(308)에 고주파수 전류를 공급함으로써, 용점 심(HAZ(306))의 가열이 달성될 수 있다.
상기 서술된 유도 용접 프로세스, 저항 용접 프로세스 또는 유도 어닐링 프로세스의 경우, 전기 부하는 용접 또는 가열 구역 내의 부하 회로 Q(품질) 팩터, 인덕턴스, 저항률 및 투자율에 영향을 주는 프로세스 변수에 의해 야기되는, 용접 또는 가열 프로세스 동안의 다이내믹하게 변하는 부하 임피던스를 갖는다. 이러한 프로세스 변수는 다수이고, 예컨대, 워크피스의 화학적 특성, 워크피스의 치수(예컨대, 튜브형 제품의 원둘레 또는 워크피스의 두께), 프로세스 온도, 툴링 롤의 치수 및 화학적 특성, 용접 또는 가열 파워 서플라이의 출력 주파수, 용접된 또는 가열된 제품의 제조를 위한 프로세스 라인 속도 또는 생산 속도, 보조적인 기계 장치, 유도 코일 또는 전기 컨택트의 치수, 물리적 구성 및 조성 및 페라이트 엘리먼트(예컨대, 임피던스)를 포함할 수 있다.
용접 또는 어닐링 프로세스 동안 전지 부하 회로 내의 다이내믹하게 변하는 부하 특성으로 인해, 서플라이의 출력부로부터 전기 부하 회로로 최대 전력을 전달하기 위해서는 용접 또는 어닐링 파워 서플라이와 전기 부하 회로 사이에 다이내믹 부하 매칭 서브시스템이 필요하다.
도 4는 용접 및 어닐링 프로세스에 대한 하나의 공지된 부하 매칭 개념을 도식적으로 도시하고, 여기서, 최대(100 퍼센트) 전력 전달은 Q 팩터가 파워 서플라이 출력 임피던스와 부하 회로 임피던스의 공진에 의해 결정되는, Q 곡선 상의 최대 값일 때 파워 서플라이 출력부에서 발생한다. 시스템이 공진을 벗어나면, 전력 전달은 회로의 Q 팩터를 기초로 줄어들 것이다.
고유 공진 회로는 통해 결정될 것이다.전압 및 전류 비 또는 매칭의 시프트 뿐만 아니라 주파수의 시프트 또는 변화를 야기하는 커패시턴스 및 인덕턴스의 변화를 통해 결정될 것이다. 도 4는 고유 공진 곡선의 도면이다. 고유 공진은 아래의 식에 의해 알 수 있다.
Figure pct00001
여기서, L은 인덕턴스이고, C는 회로의 리액턴스이다.
시스템 내에 매칭 장치가 존재하지 않는다면, 이는 임피던스 및 커패시턴스가 내부적으로 고정된 값임을 의미하고, 부하 변화가 발생한 때, 전력 및 주파수는 부하 특성에 의해 정해지는 다양한 전력 및 주파수 레벨을 야기하는 정의된 Q 곡선의 상이한 지점으로 자연스럽게 이동할 것이다. 원하는 조정된 주파수에서 전압 및 전류 비가 매칭되었음을 의미하는 최대 전력 출력을 달성하기 위해서는 부하(Q) 및 인덕턴스는 선택된 피크 공진에서 커패시턴스 및 인덕턴스의 서플라이 튜닝된 또는 설계된 고정 값과 매칭하여야 한다. 뿐만 아니라, 전압(전압 공급 서플라이) 또는 전류(전류 공급 서플라이)를 공급하는 스위칭 회로의 타이밍은 공진 포인트와 일치하도록 전압 및 전류 흐름을 제어하기 위해 최대 전력 전달 또는 효율로 설계되어야 한다. 이러한 최대 전력 전달은 오직 주파수의 이러한 하나의 공진 포인트에서만 발생한다.
금속 용접 및 어닐링과 같은 산업 프로세스에서 워크피스가 가열될 때 파워 서플라이 워크피스 부하의 일부를 형성하는 워크 유도 코일 또는 저항 컨택트에 전력을 공급하는 엄격하게 통제된 인버터 출력을 가지며, 이 때, 워크피스 부하 회로로 공급되는 전력 크기 및 주파수는 워크피스 부하 특성에 대하여 독립적일 수 있는 고주파수 파워 서플라이 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
한 양상에서, 본 발명은 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 크게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템이다. 고주파수 파워 서플라이 시스템은 단상 인버터 출력 리드를 갖는 복수의 브릿지 스위칭 장치를 가진 풀 브릿지(full bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 인버터를 포함한다. 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크는 단상 인버터 출력 리드에 연결된 컨트롤 네트워크 입력 및 컨트롤 네트워크 출력을 가진다. 마이크로프로세서 컨트롤러는 워크피스 부하의 임피던스와 무관할 수 있는, 풀 브릿지 또는 하프 브릿지 인버터의 단상 출력으로부터 워크피스 부하로의 전력 전달 및 풀 브릿지 또는 하프 브릿지 인버터의 단상 출력으로부터 워크피스 부하로의 가변 출력 주파수를 제어하기 위해 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 내의 하나 이상의 조정 가능한 임피던스 엘리먼트 및 복수의 브릿지 스위칭 장치와의 컨트롤 인터페이스를 가진다.
본 발명의 상기 및 다른 양상들은 본 명세서 및 첨부된 청구항에 제시된다.
아래에 간략히 요약된 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 이해를 위해 제공된 것이며, 본 명세서 및 첨부된 청구항에도 제시되어 있는 본 발명을 제한하지 않는다.
도 1은 단접 프로세스에서 튜브형 제품을 형성하기 위해 유도 코일 및 접혀진 금속 시트의 마주보는 에지 부를 포함하는 단접 파워 서플라이 출력 부하 회로의 도면이다.
도 2는 전기 저항 용접 프로세스에서 튜브형 제품을 형성하기 위해 한 상의 저항 컨택트 및 접혀진 금속 시트의 마주보는 에지 부를 포함하는 단접 파워 서플라이 출력 부하 회로의 도면이다.
도 3은 예컨대, 유도 코일 및 튜브형 제품의 이미 용접된 심과 같은 어닐링되어야 할 금속 구역을 포함하는 어닐링 파워 서플라이 출력 부하 회로의 도면이다.
도 4는 유도 용접 및 어닐링 및 전기 저항 용접을 위한 부화 매칭의 하나의 공지된 방법을 도식적으로 보여준다.
도 5는 유도 용접 및 어닐링 및 전기 저항 용접을 위한 공진 포인트를 벗어나 진행하는 것을 보상하기 위해 추가 KVA의 사용을 통해 부하에 최대 전력을 달성하는 방법을 도식적으로 보여준다.
도 6은 전류 소스 인버터를 이용하는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템의 간단한 도면의 일례이다.
도 7은 전압 소스 인버터를 이용하는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템의 간단한 도면의 다른 예이다.
도 8a는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템을 위한 제어 시스템의 간단한 제어도의 일례이다.
도 8b는 도 8a의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템을 위한 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 제어된 출력 파워(리액턴스)에 대한 튜닝된 응답 피드백 루프에 대한 간단한 제어도의 일례이다.
도 8c는 입력 파워 변동을 보상하기 위해 출력 파워 통제를 제어하기 위한 도 8a의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템을 위한 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 출력 전력 진폭 제어 시스템을 위한 간단한 제어도의 일례이다.
도 9는 본 발명의 고주파수 컨트롤 히팅 파워 서플라이 시스템을 위한 지속적으로 가변적이고 제어 가능한 고유 공진 포인트를 갖는 성능도의 일례를 도식적으로 보여준다.
도 10은 본 발명의 고주파수 컨트롤 히팅 파워 서플라이 시스템을 위한 저주파수 및 고주파수 펄스 폭 변조에 대한 성능도의 다른 예를 도식적으로 보여준다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 고주파수 가변 리액터의 일례를 도시하며, 여기서 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍은 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템에서 사용될 수 있는 단일의 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 도전성 코어 인서트를 가지는 원추형상을 갖는다.
도 11c는 도 11a 및 도 11b 내의 가변 리액터 쌍이 도 6 또는 도 7의 리액터 쌍(24a-24a')을 위해 사용될 수 있음을 보여주는 도 6 또는 도 7의 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크의 상세도이다.
도 12a는 도 11a 및 도 11b에 도시된 가변 리액터 쌍에서 사용될 수 있는 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 페라이트로부터 형성된 단일의 기하학적 형상의 삽입 코어의 일례를 도시한다.
도 12b는 도 11a 및 도 11b에 도시된 리액터 쌍에서 사용될 수 있는 하나의 어레이의 페라이트 로드로부터 형성된 단일 기하학적 형상의 삽입 코어의 일례를 도시한다.
도 13은 본 발명의 고주파수 가변 리액터의 일례를 도시하며, 여기서 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍은 본 발명의 주파수 파워 서플라이 시스템에서 사용될 수 있는 웨지 형상을 가진다.
도 14는 본 발명의 고주파수 가변 리액터의 일례를 도시하며, 여기서 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍은 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템에서 사용될 수 있는 타원 포물면 형상을 가진다.
도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템의 부하 매칭 장치에서 사용될 수 있는 원추 형상의 한 상의 투-턴 가변 리액터를 포함하는 본 발명의 고주파수 가변 리액터의 일례를 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 부하 매칭 및 주파수 제어 장치에서 사용될 수 있는 본 발명의 단일의 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 도전성 코어 인서트를 가지는 원추 형상의 기하학적 형상의 가변 리액터 상을 포함하는 본 발명의 고주파수 가변 리액터의 일례를 도시하며, 여기서 이랙터 쌍 내의 가변 리액터 각각에 대한 고정 스플릿 버스 섹션은 함께 결합되어 단일 가변 리액터를 형성한다.
도 16c는 도 6 또는 도 7에 도시된 수정된 부하 매칭 및 주파수 제어 장치의 상세도이고, 이는 도 16a 및 도 16b의 고주파수 리액터가 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템에서 사용될 수 있음을 보여준다.
도 17a 및 도 17b는 각각 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템의 몇몇 예에서 사용되는 고주파수 가변 커패시터 쌍의 일례의 개략적인 상면도 및 전면도이다.
도 17c는 도 6 또는 도 7의 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크의 상세도이고, 이는 도 17a 및 도 17b의 가변 커패시터 쌍이 도 6 또는 도 7의 커패시터 쌍(26-26')을 위해 사용될 수 있음을 보여준다.
도 18a는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템의 부하 특성 및 내부 커패시턴스 및 인덕턴스 설정이 주어진 때 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템의 실제 러닝 포인트를 나타내기 위한 수단으로서 타겟의 사용자 시각화를 가능하게 하는 그래픽 사용자 인터페이스의 일례를 도시한다.
도 18b는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템에 의해 생성될 때, 레시피 생성 및 저장, 용접 프로세스 팩터, 용접에 대한 용접 프로세스 팩터의 조건, 및 용접의 열을 받는 구역(HAZ)의 특성을 나타내는 양 및 용접에 대한 용접 프로세스 팩터의 조건에 대한 컨트롤의 디스플레이의 일례이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 몇몇 실시예에서 사용되는 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크의 선택적인 제한하지 않는 대안의 실시예들을 도시한다. 도 19a는 출력 임피던스 조정 및 제어 네트워크가 고정이거나 가변적이거나, 또는 고정 및 가변 커패시터 모두의 조합일 수 있는 병렬 커패시터들을 포함할 수 있는 경우의 예시이다. 도 19b는 출력 임피던스 조정 및 제어 네트워크가 고정이거나 가변적이거나, 또는 고정 및 가변 커패시터 모두의 조합일 수 있는 직렬 커패시터들을 포함할 수 있는 경우의 예시이다. 도 19c는 출력 임피던스 조정 및 제어 네트워크가 고정이거나 가변적이거나, 또는 고정 및 가변 인덕터 모두의 조합일 수 있는 병렬 인덕터들을 포함할 수 있는 경우의 예시이다. 도 19d는 출력 임피던스 조정 및 제어 네트워크가 고정이거나 가변적이거나, 또는 고정 및 가변 인덕터 모두의 조합일 수 있는 직렬 인덕터들을 포함할 수 있는 경우의 예시이다.
도 6은 풀 브릿지 전류 소스 인버터가 사용되는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하(30)를 가열하기 위한 엄격하게 통제된 출력을 가지는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템(10)의 일 실시예를 도시한다. 도 6에서, 정류기(11)는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하고 리드(16, 17) 및 고정 인덕터(18)를 통해 트랜지스터(12, 13, 14 및 15)를 포함하는 인버터 회로에 연결된다. 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 또는 다른 적절한 솔리드 스테이트 스위칭 장치일 수 있다. 전류 센서(19)는 인버터로 공급되고 그러므로 부하(30)에 공급되는 전류에 비례하는 출력을 제공한다. 예컨대, 유도 용접 또는 어닐링 애플리케이션 또는 전기 저항 용접 애플리케이션에서 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 가열 시스템이 사용될 때, 부하(30)는 용접, 어닐링 또는 기타 가열되어야 할 전기 리드 및 유도 코일 또는 전기 컨택트(상기 부분 또는 부분들과 접촉함)를 포함한다.
도 7은 풀 브릿지 전압 소스 인버터가 사용된 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템의 다른 실시예(20)를 도시한다. 도 7에서 대응하는 엘리먼트들은 도 6에 사용된 부재번호로 지시된다. 필터링 커패시터(28)가 또한 도 7의 전압 소스 인버터에 사용된다. 본 발명의 대안의 실시예에서, 인버터는 하프-브릿지 인버터일 수 있다.
도 6 또는 도 7에서의 솔리드 스테이트 풀 브릿지 인버터는 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23) 내의 임피던스 엘리먼트에 전력을 공급하는(feeding) 제1 단상 인버터 출력 터미널 또는 리드(21) 및 제2 단상 이버터 출력 터미널 또는 리드(22)를 가진다.
도 6 및 도 7에 도시된 본 발명의 실시예에서, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23)는:
도면에 배열 및 상호 연결되어 있는 제1 쌍의 직렬 가변 리액터(24 및 24'), 제2 쌍의 직렬 가변 리액터(24a 및 24a'), 제1 쌍의 직렬 가변 커패시터(26 및 26'), 제2 쌍의 직렬 가변 커패시터(26a 및 26a')의 조합;
도면에 배열 및 상호 연결되어 있는 단상 인버터 출력 리드 사이에 병렬로 배열 및 연결되어 있는 한 쌍의 병렬 가변 리액터(25 및 25a) 및 한 쌍의 병렬 가변 커패시터(27a 및 27a')의 조합; 및
도면에 도시된 바와 같이 단상 인버터 출력 리드들 사이에 병렬로 배열 및 연결되어 있는 병렬 가변 커패시터(27)를 포함한다.
도 6 또는 7에 도시된 본 발명의 실시예에서, 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크는 조절 가능한 용량성 및 유도성 엘리먼트가 용접 또는 어닐링 프로세스를 실행하는 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러 또는 동등한 제어 컴포넌트로부터 출력에 의해 가변 제어 가능한 L-C 래더 네트워크(ladder network)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 복수의 L-C 래더 네트워크들이 인버터에서 부하까지 제1 및 제2 단상 출력 리드 사이에 직렬 또는 병렬로 상호 연결될 수 있고, 또는 그렇지 않다면 특별한 애플리케이션의 요구사항에 맞추기 위해 도 6 또는 도 7에 도시된 것과 상이할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제어 네트워크(23) 내의 유도성 및 용량성 엘리먼트 중 일부는 조절 가능한 유도성 및 용량성 엘리먼트와 조합하여 고정 값일 수 있다.
본 발명의 몇몇 예에서, 도 6 또는 도 7의 부하 임피던스 변화가 반사 리액턴스 및 저항의 변화를 야기하는 부하 특성 독립 동작에 대한 대안으로서, 인버터 및 제어 네트워크(13)는 부하 임피던스 변화를 보상하여 희망 공진 포인트를 유지한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 조절 가능한 용량성 및 유도성 엘리먼트는 고주파수 파워 서플라이 시스템으로부터 부하로의 출력 파워 진폭을 제어하기 위한 시스템 마이크로프로세서로부터의 출력에 의해, 파워 서플라이 시스템으로부터 부하로의 출력 전압 대 출력 전류의 비; 또는 공진 전력 진폭, 전압 및 전류 비 또는 주파수와 같은 부하 특성에 독립적인 파워 서플라이 시스템으로부터 부하로의 전압 및 전류의 출력 주파수에 의해 가변 제어 가능하다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23) 내의 조절 가능한 리액터 및/또는 커패시터의 마이크로프로세서 제어는 공진 포인트가 부하 특성의 변화와 관계없이 유지될 수 있도록 부하(30)의 특성 변화를 보상하기 위해 사용된다. 예를 들어, 부하에서의 인덕턴스가 증가하면, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 내의 인덕턴스는 전체적으로 등가의 시스템 인덕턴스가 유지되도록 감소될 수 있고, 이는 부하 특성 변화와 관계없이 동일한 공진 포인트를 야기한다. 부하의 Q 팩터가 감소하면, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 내의 Q 팩터 또한 가변 커패시턴스 및 인덕턴스의 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러를 통해 감소될 수 있고, 이는 부하 특성과 매칭하는 고주파수 파워 서플라이 시스템의 특성을 갖는 파워 전달의 등가 공진 포인트를 야기한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23) 내의 조절 가능한 리액터 및/또는 컴패시터의 시스템 마이크로프로세서 제어는 고주파수 파워 서플라이 시스템 및 부하 회로의 조합의 고유 공진 포인트를 사용자가 선택한 고유 공진 포인트로 변경시키기 위해 사용된다. 예를 들어, 부하 특성이 전형적으로 안정적인 용접 및 가열 프로세스 조건하에서 변경되지 않고 유지되면, 공진 주파수의 다양한 값이 조절 가능한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스의 변경을 통해 사용자가 선택한 고유 공진 포인트로 선택될 수 있다.
공진 주파수에서의 최대 전력 전달을 얻기 위해, 파워 서플라이 스위칭을 제어하는 스위칭 회로의 타이밍은 변하는 출력 공진 포인트를 통해 최대 전력이 전달될 수 있도록, 펄스 폭 변조(PWM)을 통해 조정될 수 있다. 또한, PWM 기술은 도 6 또는 도 7의 트랜지스터 스위칭 장치(12, 13, 14 및 15)의 효율을 유지하기 위해 사용될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 시스템 제어 엘리먼트는 시스템 마이크로프레서 컨트롤러 또는 동등한 하나 이상의 제어 컴포넌트 내에 제공될 수 있다. 시스템 제어 엘리먼트는 도 8a의 고주파수 컨트롤러, 전압, 전류 및 주파수 비교기 및 전류 비교기, 도 8b의 매칭 제어 회로, 및 도 8c의 전압/전류 피드백 회로를 포함할 수 있다.
리액터 이동 가능한 컴포넌의 위치(가변 인덕턴스 값의 함수임); 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 리액터에 걸친 전압 및 리액터를 통과하는 전류를 감지하기 위해 임의의 조절 가능한 리액터에 대하여 시스템 마이크로프로세서로 컨트롤러로의 센서 피드백이 제공될 수 있다. 이와 유사하게, 또한 커패시터 이동 가능한 컴포넌트의 위치(가변 커패시턴스 값의 함수임), 커패시터에 걸친 전압 및 커패시터를 통과하는 전류를 감지하기 위해 임의의 조절 가능한 커패시터에 대하여 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러로의 센서 피드백이 추가될 수 있다. 이러한 조절 가능한 리액터 및 커패시터 측정값은 설정된 출력을 유지 및 조정하기 위한 폐쇄 루프 제어를 위해 사용된다. 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크로부터 부하로의 출력 전력, 제어 네트워크로부터 부하로의 출력 전류 및 제어 네트워크로부터의 출력 주파수는 정확한 공진 포인트, 부하로의 전력, 및 부하에서의 임피던스 변화를 탐지하기 위해 본 발명의 몇몇 실시예에서 측정된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 그 후 측정된 전압의 센서의 피드백으로부터, 측정값 신호는 도 8a에 도시된 바와 같이 측정값 비교기로 공급되고어 각각의 가변 리액터 또는 커패시터와 연관된 개별 액추에이터(M)로의 출력 조정 제어 신호를 생성한다. 이러한 출력 조정 제어 신호는 각각의 가변 리액터 및/또는 커패스터와 연관된 이동 가능한 컴포넌트의 이동을 정밀하게 제어하여, 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러에 의해 결정된 공진 포인트 또는 오프 공진 포인트 중 하나를 유지하기 위해 사용된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러는 고주파수 파워 서플라이 시스템의 공진 포인트가 부하 임피던스와 함께 변하고, 인버터의 스위칭 장치의 기존의 마이크로프로세서 출력 컨트롤을 조정하는 것을 허용하도록 개방 루프 시스템 컨트롤러로서 동작하여, 최대 출력 전력 전달을 유지하거나, 또는 시스템이 공진을 벗어날 때 최대 출력 전력 전달 보다 적지만 인버터의 스위칭 장치의 기존의 마이크로프로세서 출력 제어를 유지한다.
대안으로서, 본 발명의 다른 실시예에서, 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러는 폐쇄 루프 제어 컨트롤러로서 동작하여, 시스템 공진 포인트를 마이크로프로세서 컨트롤러에 입력된 사용자 선택 출력 주파수로 이동시키고, 인버터의 스위칭 장치의 기존의 마이크로프로세서 출력 제어를 조절하여 최대 출력 전력 전달을 유지하거나 시스템이 공진을 벗어날 때 최대 출력 전력 전달 보다 적지만 인버터의 스위칭 장치의 기존의 마이크로프로세서 출력 제어를 유지한다.
도 8b는 고주파수 컨트롤(HIGH FREQUENCY CONTROL)(38) 및 전압, 전류 및 주파수 비교기(VOLTAGE, CURRENT & FREQUENCY COMPARER)(35)로 도 8a에 도시된 고주파수 가열 파워 서플라이 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 고주파수 파워 서플라이 시스템의 몇몇 실시예에 대한 제어 블록도의 일례이다.
도 8c는 제어 시스템이 입력 파워 변동 및 변화를 보상하기 위해 출력 파워의 통제를 유지할 수 있는 능력을 가지는 도 8a에 도시된 고주파수 가열 파워 서플라이 제어 시스템에 사용될 수 있는 전력 진폭 제어 블록 다이어그램의 일례이다.
도 9는 본 발명의 고주파수 히팅 파워 서플라이 시스템의 동작을 도식적으로 보여준다. 도 9에 도식적으로 도시된 전기 부하 매칭 프로세스는 본 발명의 조절 가능한 리액터 및/또는 커패시터 컴포넌트와 함께 하드 스위칭 프로세스를 이용한다. 본 발명의 하드 하드 스위칭 프로세스에서, 하드 턴온은 젼류 커뮤테이션(commutation) 시간에 전류 전달 스위칭 장치에 걸쳐 전체 커뮤테이션 전압 강하를 특징으로 하고, 하드 턴오프는 전류가 계속 흐르는 동안 전류가 강하되기 전에 커뮤테이션 전압 값까지의 전압 증가를 특징으로 한다. 하드 턴온 또는 하드 턴오프는 인버터의 스위칭 장치 내의 높은 전력 손실 피크를 야기한다. 대안의 동작 모드에서, 도 5의 곡선은 명시된 최대 출력 전력을 얻기 위한 방법을 나타낸다. 이 방법은 공진 포인트를 벗어난 때 최대 전력을 달성하기 위해 입력에 추가 KVA를 필요로 한다. 반대로, 도 9의 곡선은 부하 임피던스가 변할 때 공진 포인트를 시프트시키기 위해 하드 스위칭 및 네트워크(23)의 가변 유도성 및 용량성 리액턴스 제어에 의해 최대 출력 전력을 획득하는 본 발명에 따른 한 방법을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 또는 인덕터 및 커패시터의 고정 배열과 함께 사용될 수 있는 대안의 PWM 모듈형 가변 스위칭 주파수 파워 서플라이를 도식적으로 보여준다. 전계 효과 트랜지스터가 인버터에서 사용된다면, 인버터의 전계 효과 트랜지스터 스위칭의 최대 효율 및 파워 전달을 위하여, 트랜지스터 스위칭의 타이밍을 제어하기 위해 PWM 기술이 사용될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 두 전류 전달 버스 사이의 개방 볼륨 공간으로부터 하나 이상의 조절 가능한 리액터 쌍이 형성될 수 있고, 단일 코어가 개방 볼륨의 인터리빙 공간으로 가변 위치에 삽입될 수 있으며, 여기서 이 볼륨 및 영역은 낮은 인덕턴스를 야기한다. 예를 들어, 개방 볼륨 공간의 구성은 상자, 사다리꼴, 삼각형, 원뿔, 타원형 또는 달걀형과 같은 기하학적 형상, 또는 리액터 코어가 그 내부로 삽입될 수 있는 임의의 다른 개방 볼륨 기하학적 형상의 형태일 수 있다. 개방 볼륨 공간은 각각의 리액터 쌍에 대하여 요구되는 최대 인덕턴스를 기초로 선택된다. 코어는 유도 영역의 전체 경계 둘레의 코어와 리드 사이의 정밀하게 동등한 이격(clearance)을 형성하기 위해 코어가 삽입되는 개방 볼륨 형상의 반전 형상을 포함하는 포함하여, 코어가 개방 볼륨 공간으로 완전히 삽입된 때, 최소 값 인덕턱스는 각각의 가변 리액터 쌍에 대하여 유지된다. 그 다음, 코어는 수동적으로 또는 모터 또는 액추에이터의 사용을 통해 자동으로 이동 가능할 수 있고, 이는 코어가 개방 볼륨 공간으로부터 후퇴함에 따라 최소에서 최대로의 인덕턴스의 아날로그 변경(analog change)을 야기한다. 예컨대, 인덕턴스의 선형 변화, 인덕턴스의 로그 변화, 또는 특정 애플리케이션에 대한 임피던스 부하 매칭 조건에 의존하는 다른 곡선 형상을 야기하기 위해, 특정 애플리케이션의 경우 개방 볼륨 공간 및 코어의 기하학적 형상의 테이퍼(taper)가 구성될 수 있다. 모터 또는 다른 액추에이터는 도 8b에 도시된 시스템 마이크로프로세서 내의 매칭 제어 회로에 정밀한 피드백을 제공하고, 또는 대안으로서, 개방 볼륨 공간의 내부 또는 외부의 코어의 액추에이션 또는 이동은 인덕턴스 변화와 연관된 거리의 정밀한 측정을 제공하도록 조절될 것이다. 대안으로서, 인덕턴스 변화는 또한 아래의 식으로부터 전류의 주어진 변화에 대하여 생성된 전압의 양으로부터 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러에 의해 도출될 수 있다.
Figure pct00002
여기서, V(t)는 시간의 함수로서 조절 가능한 리액터 쌍 각각에 걸친 전압과 동등하다.
L은 핸리의 인덕턱스와 동등하고, 그리고
Figure pct00003
는 전류 변화의 순간 속도(암페어/s)와 동등하다.
본 발명에서, 도 6 또는 도 7의 임피던스 조정 주파수 제어 네트워크(23) 내의 임의의 가변 리액터 쌍(24-24', 24a-24a' 및 25-25')은 도시된 바와 같이, 예컨대, 도 11a 및 도 11b 또는 도 14에 각각 도시된 바와 같이, 상보적인 원추형 섹션, 웨지(2개의 삼각형과 3개의 사다리꼴 면에 의해 형성된 다면체) 섹션 또는 포문선 원추 섹션인 단일 이동 가능한 기하학적 형상의 삽입 코어 및 구리와 같은 전기 도전성 시트 재료로부터의 본 발명의 하나의 실시예에서 구성된 고정 스플릿-버스를 갖는 기하학적 형상의 리액터 쌍으로부터 형성될 수 있다.
단락된 삽입 코어 섹션이 상보적인 버스 섹션에 대하여 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 이동함에 따라, 단락된 삽입 코어 섹션 내에 유도된 전류의 크기는 상보적인 버스 섹션 내의 전류 흐름에 의해 생성된 필드와 함께 가변 자속 필드를 형성하여, 기하학적 삽입 코어 섹션이 상보적 기하학적 버스 섹션으로 완전히 삽입된 때 최소값에서부터, 기하학적 삽입 코어 섹션이 단락된 삽입 코어 섹션과 기하학적 버스 섹션 사이의 작기장 결합이 최대가 되는 위치까지 후퇴한 때 최대값까지 일 범위의 가변 인덕턴스를 가질 수 있는 인덕터 쌍 각각에 대하여 교류 전류(AC) 버스의 단자에서의 가변 인덕턴스를 형성한다.
주로, 특정 애플리케이션에 대하여 선택된 자기적으로 상호작용하는 삽입 코어 섹션과 버스 엘리먼트의 기하학적 형태는 그 기하학적 형상의 인덕터를 통해 달성될 수 있는 인덕턴스의 변화 정밀도를 결정하며, 이러한 정밀도는 파워 서플라이 제어 시스템이 가열 프로세스를 실행하는 중에 파워 서플라이의 출력 주파수의 통제 정밀도와 관련된다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에서, 도 11a 및 도 11b에 가변 리액터 쌍(60)이 도시되어 있는데, 여기서, 단일 단락된 기하학적 형상의 삽입 코어 색션(62)은 도 11a 및 도 11b의 양방향 화살표로 도시된 바와 같이 고정 스플릿 버스 섹션(64)의 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 버스 원추형 섹션(64a 및 64b)의 안으로 또는 밖으로 이동된다. 삽입 코어 섹션(62) 내의 유도된 전류 크기는 고정 스플릿 버스 섹션(64)의 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 버스 원추형 섹션(64a 및 64b) 내의 교류 전류 흐름으로부터 가변 자속 필드(가변 에너지 필드라고도 함)을 형성하여, 각각의 리액터 쌍에 대하여 교류 전류 버스의 스플릿 전기 버스 단자 섹션(A1-B1 및 A2-B2)에 가변 인덕턴스를 형성하며, 이는 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션(62)이 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 원추형 버스 섹션(64a 및 64b)으로 완전히 삽입된 때의 최소 인덕턴스에서, 삽입 코어 섹션(62)과 고정된 스플릿 버스 섹션(64) 사이에 형성된 인터리빙 공간 내의 가변 에너지 필드가 최대 값이 되는, 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션(62)이, 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같은 위치까지 후퇴한 때의 최대 인덕턴스 값까지의 일 범위의 가변 인덕턴스를 가진다. 도 11c는 도 6 또는 도 7의 고주파수 파워 서플라이 시스템 내에 연결된 가변 리액터 쌍(60)을 가변 리액터 쌍(24a-24a')으로 도시한다. 고정 스플릿 버스 섹션(64)은 전기적으로 격리된 스플릿 원추형 버스 섹션(64a 및 64b) 및 (원추형 버스 섹션(64a)에 연결된) 스플릿 전기 버스 단자 섹션(A2 및 B2) 및 (원추형 버스 섹션(64b)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A1 및 B12)을 포함한다. 즉, 전기적으로 상호 연결된 원추형 버스 섹션(64a) 및 스플릿 전기 버스 단자 섹션(A2 및 B2)는 전기적으로 상호 연결된 원추형 버스 섹션(64b) 및 스플릿 전기 버스 단자 섹션(A1 및 B1)으로부터 공간적으로 이격되어 있다.
자기적으로 상호작용하는 이동 가능한 삽입 코어 섹션 및 고정 버스 엘리먼트의 기하학적 형상은 기하학적 형상의 리액터 쌍을 통해 달성될 수 있는 인덕턴스의 변화의 정밀도를 기초로 하여 특정 애플리케이션에 대하여 선택되며, 여기서 이 정밀도는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이의 출력 주파수의 통제 정밀도와 관련된다.
각각의 기하학적 형상의 리액터 쌍은 리액터 쌍은, 예컨대, 도 6 또는 도 7의 점선의 교차(X)에 의해, 예컨대, 리액터 쌍(24a 및 24a')의 경우, 도 8a에 도시된 바와 같은 이동 가능한 삽입 코어 또는 모터(M3)에 부착된 도 11a 및 도 11b의 액추에이터(M')를 통한 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 고정 스플릿 버스 섹션(64)의 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션 안으로 또는 밖으로의 삽입 코어 섹션(62)의 이동에 의해 표시된 쌍에서 조절 가능한 도 6 또는 도 7에서의 리액터 쌍(24-24', 24a-24a' 및 25-25')을 포함한다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 및 도 11b의 원추 형상의 리액터 쌍(60)과 함께 원추형 코어 삽입 섹션(62)에 대하여 자성 재료(예컨대, 페라이트(62a))의 사용을 도시한다. 도 12a에서, 원추형 코어 삽입 섹션(62a)은 속이 꽉찬 또는 속이 빈 자성 재료 코어 삽입 섹션을 형성한다. 도 12b에서, 원추형 코어 삽입 섹션(62b)은 코어 삽입 섹션의 바깥 둘레를 형성하는 하나의 어레이의 페라이트릭 로드를 포함한다.
도 13은 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템과 함께 사용될 수 있는 본 발명의 고주파수 가변 리액터(90)의 다른 예를 도시한다.
고주파수 가변 리액터(90)는 웨지 섹션이라는 공통 명칭에 의해 식별되며, 도 13에서 양방향 화살표로 도시된 고정 스플릿 버스 섹션(94)의 고정된 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 웨지 버스 섹션(94a 및 94b) 안으로 또는 바깥쪽으로 이동되는, 2개의 삼각형 및 3개의 사다리꼴 면에 의해 형성된 다면체의 기하학적 형상의 단일 단락된 삽입 코어 섹션(92)을 포함한다. 삽입 코어 섹션(92) 내의 유도된 전류의 크기는 고정 스플릿 버스 섹션(94)의 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 웨지 버스 섹션(94a 및 94b) 내의 교류 전류 흐름으로부터 가변 자속 필드(가변 에너지 필드라고도 함)를 형성하여, 리액터 쌍 각각에 대하여 교류 전류 버스의 스플릿 전기 버스 단자 섹션(A1-B1 및 A2-B2)에서 가변 인덕턴스를 형성하며, 이는 기학적 형상의 삽입 코어 섹션(92)이 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 원추 버스 섹션(94a 및 94b)으로 완전히 삽입된 때의 최소 인덕턴스 값에서, 삽입 코어 섹션(92)와 고정 스플릿 버스 섹션(94) 사이에 형성된 인터리빙 공간 내의 가변 에너지 필드가 최대 값이 되는 위치까지 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션(92)이 후퇴한 때의 최대 인덕턴스 값까지의 일 범우위 가변 인덕턴스를 가질 수 있다. 가변 리액터 쌍(90)은 가변 리액터 쌍(24-24', 24a-24a' 및/또는 25-25a) 처럼, 도 6 또는 도 7의 고주파수 파워 서플라이 시스템에서 연결된다. 고정 스플릿 버스 섹션(94)은 전기적으로 격리된 스플릿 웨지 버스 섹션(94a 및 94b) 및 (웨지 버스 섹션(94a)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A2 및 B2) 및 (웨지 버스 섹션(94b)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A1 및 B1)을 포함한다. 즉, 전기적으로 연결된 버스 섹션(94a) 및 단자 섹션(A2 및 B2)는 전기적으로 연결된 버스 섹션(94b) 및 단자 섹션(A1 및 B1)으로부터 공간적으로 이격되어 있다.
도 14는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템과 함께 사용될 수 있는 고주파수 가변 리액터(110)의 다른 예를 도시한다. 고주파수 가변 리액터(110)는 도 14에 양방향 화살표로 표시된 고정 스플릿 버스 섹션(114)의 고정된 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 타원 포물면(elliptic paraboloid) 버스 섹션(114a 및 114b) 안으로 또는 바깥쪽으로 이동 가능한 타원 표물면의 기하학적 형상인 단일 단락된 삽입 코어 섹션(112)을 포함하고, 삽입 코어 섹션(112) 내의 유도된 전류의 크기는 고정 스플릿 버스 섹션(114)의 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 원추형 버스 섹션(114a 및 114b) 내의 교류 전류 흐름으로부터 가변 자속 필드(가변 에너지 필드라고도 함)를 형성하여, 각각의 리액터 쌍에 대하여 교류 전류 버스의 스플릿 전기 버스 섹션 단자(Al-Bl 및 A2-B2)에서의 가변 인덕턴스를 형성하며, 이는 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션(112)가 상보적인 기하학적 형상의 스플릿 원추형 버스 섹션(114a 및 114b)으로 완전히 삽입된 때의 최소 인덕턴스 값에서부터, 삽입 코어 섹션(112)과 고정 스플릿 버스 섹션(114) 사이에 형성된 인터리빙 공간 내의 가변 에너지 필드가 최대 값이 되는 위치까지 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션(112)이 후퇴된 때의 최대 인덕턴스 값까지의 한 범위의 가변 리액턴스를 가질 수 있다. 고주파수 가변 리액터(110)은 가변 리액터 쌍(24-24', 24a-24a' 및/또는 25-25a)처럼 도 6 및 도 7의 고주파수 파워 서플라이 시스템에서 연결된다. 고정 스플릿 버스 섹션(114)은 전기적으로 격리된 스플릿 원추형 버스 섹션(114a 및 114b) 및 (타원 포물면 버스 섹션(114a)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A2 및 B2) 및 (타원 포물면 버스 섹션(114b)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A1 및 B1)을 포함한다. 즉, 전기적으로 연결된 버스 섹션(114a) 및 단자 섹션(A2 및 B2)은 전기적으로 연결된 버스 섹션(114b) 및 단자 섹션(A1 및 B1)으로부터 공간적으로 이격되어 있다.
본 발명의 다른 예에서, 본 발명의 기하학적 형상의 고주파수 리액터는 기하학적 형상의 삽입 코어 섹션과 고정 스플릿 버스 섹션 사이에 형성된 인터리빙 공간의 함수인, 특정 애플리케이션에 대하여 요구되는 가변 인덕턴스 프로파일에 따라, 예컨대, 피라미드와 같은 다른 기하학적 형태일 수 있다. 예를 들어, 특정 고주파수 가변 리액터가 본 발명의 고주파수 전기 가열 시스템을 통한 가열을 달성하기 위해 인덕턴스의 선형 또는 로그 변화를 필요로 하는 경우, 특정 기하학적 형상은 다른 기하학적 형상보다 훨씬 더 엄격하게 통제된 인덕턴스 프로파일을 제공할 수 있다.
도 15a 및 도 15d는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템과 함께 사용될 수 있는 본 발명의 고주파수 가변 리액터(70)의 일 실시예를 도시한다. 고주파수 가변 리액터(70)는 투-턴(two-turn) 가변 인덕터 쌍(70)을 포함하고, 여기서 기하학적 형상은 원추 단면이고, 쌍 내의 각각의 가변 리액터, 예컨대, 도 6 또는 도 7의 리액터(24a 및 24a')는 각각 자신의 원뿔 형상의 삽입 코어 섹션(72a 및 72b), 및 각각 자신의 원뿔 형상의 투-턴 스플릿 버스 섹션(74a 및 74b)을 갖는다. 제1 고정 스플릿 버스 섹션은 전기적으로 격리된 투-턴 스플릿 버스 섹션(74a) 및 (투-턴 스플릿 버스 섹션(74a)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(Al 및 Bl) 및 (투-턴 스플릿 버스 섹션(74b)에 연결된) 스플릿 전기 단자 섹션(A2 및 B2)을 포함한다. 즉, 전기적으로 연결된 투-턴 스플릿 버스 섹션(74a) 및 단자 섹션(A1 및 B1)은 전기적으로 연결된 투-턴 스플릿 버스 섹션(74b) 및 단자 섹션(A2 및 B2)으로부터 공간적으로 이격되어 있다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템과 함께 사용될 수 있는 본 발명의 고주파수 가변 리액터(120)의 다른 예를 도시한다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 실시예는 스플릿 버스 단자 섹션(A1 및 A2)이 버스 단자(A1')에서 함께 전기적으로 접속되어 있고, (B1 및 B2)가 버스 단자(B1')에서 함께 전기적으로 접속되어 있어 가변 리액터 쌍이 단일 리액터(120)를 형성한다는 점을 제외하면 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예와 유사하다. 본 실시예에서, 인덕터 쌍은 본 발명의 실시예에서 가변 직렬 리액터 쌍(24a 및 24')을 단일 가변 리액터(120)로 대체한 도 16c에 도시된 바와 같이, 버스 단자(A1' 및 B1') 사이의 단일 인덕터(120)로서 구성된다. 이와 유사하게, 도 6 또는 도 7에서의 다른 리액터 쌍들은 도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이 리액터 쌍을 수정함으로써 단일 리액터로 대체될 수 있다.
본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템의 몇몇 예에서, 고정된 인덕턴스 값을 갖는 인덕터는 본 발명의 리액터 쌍 내의 임의의 하나 이상의 가변 인덕터와 직렬로 결합될 수 있다.
본 발명의 기하학적 형상의 고주파수 가변 리액터 쌍 각각에 대한 이동 가능한 삽입 코어 섹션은 적절한 액추에이터, 예컨대, 각각 리액터 쌍(24a-24a' 및 25-25')에 대하여 도 8a에 도시된 모터(M2 및 M3)를 통해 고정된 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 이동될 수 있고, 여기서 모터는, 예컨대, 점선이 이동 가능한 삽입 코어 섹션 및 액추에이터(M')에 연결되어 있는 도면에 도식적으로 지시된 바와 같이 삽입 코어 섹션에 대한 선형 가역 출력 연결을 가진다.
본 발명의 기하학적 형상의 고주파수 가변 리액터 쌍의 열은, 예컨대, 고정 스플릿 버스 섹션 및/또는 이동 가능한 삽입 코어 섹션과 열 접촉하는 냉각 튜브 내에서의 냉매의 순환에 의해 소실될 수 있다.
본 발명의 다른 예에서, 기하학적 형상의 리액터 쌍은 특정 애플리케이션에 대하여 요구되는 가변 인덕턴스 프로파일에 따라, 예컨대, 피라미드와 같은 다른 기하학적 형태일 수 있다. 예컨대, 특정 리액터가 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템을 통한 가열을 달성하기 위해 인덕턴스의 선형 또는 고르 변형을 필요로 하는 애플리케이션에서, 특정 기하학적 형상은, 다른 기하학적 형상보다 훨씬 더 엄격하게 통제된 인덕턴스 프로파일을 제공할 수 있다.
특정 애플리케이션에 대한 최소 인덕턴스를 달성하기 위해 이동 가능한 삽입 코어의 완전한 삽입은 삽입 코어가 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션 내의 위치에 놓인 때 인덕턴스를 측정하고, 삽입 코어의 최대 인덕턴스 위치 설정을 위해 애플리케이션의 최대 요구 인덕턴스가 달성되는 위치까지 삽입 코어를 후퇴시킴으로써 판정될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23)의 도 6 또는 도 7의 가변 커패시터 쌍(27a-27a' 및 26a-26a') 중 하나 또는 모두는 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이 형성될 수 있는데, 여기서, 도 6 또는 도 7의 가변 커패시터 쌍(26-26')은 도 7의 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크로부터 도 17c에 상세하게 도시된 바와 같이 인터리빙된 및 이격된 전기적으로 도전성인 플레이트(26 및 26')에 각각 연결된 이동 가능한 버스 섹션(A1, A2, D1 및 D2)로부터 형성된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 조절 가능한 기하학적 형상의 리액터 쌍 및 커패시터 쌍의 조합은 본 발명의 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크에서 사용된다.
도 18a는 부하에 대한 전력 크기 및 주파수를 제어하는 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크(23) 내의 부하 특성 및 커패시턴스 및 인덕턴스 설정에서 주어진 실제 러닝 포인트를 나타내기 위한 수단으로서 타겟의 사용자 시각화를 가능하게 하는 그래픽 사용자 인터페이스의 일례를 도시한다. 좌표 시스템의 중심은 용접 또는 열처리 프로세스 동안의 임의의 시점에 부하 임피던스와 무관하게 시스템 동작 주파수 및 Q를 정밀하게 설정하기 위한 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템의 사용자에게 지시로서 사용될 수 있다.
도 18b는 본 발명의 고주파수 파워 서플라이 시스템과 함께 사용될 수 있는 단접 또는 가열 장치의 용접 주파수 및 용접 전력을 각각 제어하기 위한 도면에 도시된 그래픽 사용자 인터페이스 상에 시각적 제어 바(42 및 44)를 디스플레이하는 시스템 마이크로컨트롤러의 일례를 도시한다. 장치의 사용자가 제어 바(42)(HAZ 폭) 또는 (44)(전력) 중 하나의 위치를 수정한 때, 장치의 용접 주파수 또는 용접 파워가 수정되도록, 마이크로컨트롤러는 HAZ 폭의 예측 값과 관련된 양을 실시간으로 또는 실질적으로 실시간으로 디스플레이한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 또한 그래픽 사용자 인터페이스 상에 최적의 용접 주파수를 디스플레이하고, 또한 도 18b에 도시된 바와 같이 2차원 그래프(46) 상에 예측된 HAZ 폭과 최적의 HAZ 폭 간의 백분율 차이를 보여준다. 도 18b의 디스플레이는 용접 또는 열처리 프로세스 동안의 임의의 시점에 부하 임피던스와 무관하게 시스템 동작 주파수 및 Q 팩터를 정밀하게 설정하기 위해 용접 또는 가열 프로세스에 걸쳐 추가적인 컨트롤을 단접 또는 열처리 장치의 사용자에게 제공하는 도 18a의 그래픽 사용자 인터페이스를 포함한다.
대안으로서, 본 발명의 몇몇 실시예에서 휴먼 머신 인터페이스 컨트롤 패널은 전력 및 주파수 디스플레이 및 열을 받는 구역의 크기를 조합하여 고주파수 파워 서플라이 시스템으로부터의 전력 크기 출력 및 주파수 크기를 제어하기 위해, 단일 시너지 노브(synergistic knob)와 같은 통합된 단일 사용자 입럭 제어 장치를 가질 수 있다.
상기 설명에서, 설명의 목적 상, 예시 및 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 요구사항 및 몇몇 특수항 세부사항이 나열되었다. 그러나, 이러한 특수한 세부사항 없이도 하나 이상의 다른 예 또는 실시예가 실시될 수 있음을 당업자들을 이해할 것이다. 서술된 특정한 실시예는 본 발명을 제한하기 위해 제공된 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위해 제공된 것이다.
예컨대, 본 명세서 전체에서 "하나의 예 또는 실시예, "일례 또는 실시예", "하나 이상의 예 또는 실시예, 또는 "상이한 실시예 또는 실시예들"에 대한 언급은 특정한 특징이 본 발명을 실시함에 있어서 포함될 수 있음을 의미한다. 설명에서, 명세서를 간략화할 목적으로 그리고 다양한 발명의 양상의 이해를 돕기 위해, 다양한 특징이 종종 단일 예, 실시예, 도면, 또는 그 설명에서 함께 그룹화되어 있다.
본 발명은 바람직한 예시 및 실시예와 관련하여 설명되었다. 명시적으로 언급된 것 외의 동등물, 대안 및 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 본 명세서의 교시의 이익을 얻은 당업자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 변형을 만들 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템으로서, 상기 고주파수 파워 서플라이 시스템은:
    복수의 브릿지 스위칭 장치 및 단상 인버터 출력 리드를 가지는 풀 브릿지(full bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 인버터;
    상기 단상 인버터 출력 리드에 연결된 제어 네트워크 입력 및 상기 워크피스 부하에 연결된 제어 네트워크 출력을 가지는 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크; 및
    상기 워크피스 부하의 워크피스 임피던스와 무관하게 상기 단상 인버터 출력 리드로부터 상기 워크피스 부하로의 조절 가능한 전력 전달 및 상기 단상 인버터 출력 리드로부터 상기 워크피스 부하로의 가변 출력 주파수를 위한, 상기 복수의 브릿지 스위칭 장치로의 하나 이상의 인버터 제어 출력 및 상기 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 내의 하나 이상의 가변 임피던스 엘리먼트로의 하나 이상의 제어 네트워크 출력을 갖는 마이크로프로세서 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 임피던스 엘리먼트는:
    상기 단상 인버터 출력 리드에 직렬로 배열 및 연결된 제1 쌍의 직렬 가변 리액터, 제2 쌍의 직렬 가변 리액터, 제1 쌍의 직력 가변 커패시터, 및 제2 쌍의 직렬 가변 커패시터의 조합;
    상기 단상 인버터 출력 리드 사이에 병렬로 배열 및 연결된 한 쌍의 병렬 가변 리액터, 한 쌍의 병렬 가변 커패시터의 조합; 및
    상기 단상 인버터 출력 리드 사이에 병렬로 배열 및 연결된 병렬 가변 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러는 상기 하나 이상의 제어 네트워크 출력으로부터 상기 하나 이상의 가변 임피던스 엘리먼트에 대한 조절 가능한 임피던스 컨트롤과 조합하여, 상기 하나 이상의 인버터 제어 출력으로부터 상기 복수의 브릿지 스위칭 장치의 하드 스위칭 컨트롤을 제공하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템 마이크로프로세서 컨트롤러는 상기 하나 이상의 컨트롤 네트워크 출력으로부터 상기 하나 이상의 가변 임피던스 엘리먼트에 대한 조절 가능한 임피던스 컨트롤과 조합하여, 상기 하나 이상의 인버터 컨트롤 출력으로부터 상기 복수의 브릿지 스위칭 장치의 펄스폭 변조된 가변 스위칭 컨트롤을 제공하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서 컨트롤러는 고주파수 파워 서플라이 시스템 공진 포인트를 상기 마이크로프로세서 컨트롤러로 입력된 사용자 선택 출력 주파수로 이동시키기 위한 폐쇄 루프 컨트롤을 제공하고, 상기 마이크로프로세서 컨트롤러는 대안으로서 상기 사용자 선택 출력 주파수에 응답하여 상기 고주파수 파워 서플라이 시스템이 공진 포인트를 벗어날 때 최대 출력 전력 전달을 유지하거나 더 적은 최대 출력 전력 전달을 제공하도록 마이크로프로세서 폐쇄 루프 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서 컨트롤러는 고주파수 파워 서플라이 시스템 공진 포인트에 대한 개방 루프 출력 컨트롤을 제공하여 상기 워크피스 부하의 상기 워크피스 임피던스와 함께 변하고, 대안으로서 또는 상기 고주파수 파워 서플라이 시스템이 공진을 벗어날 때 최대 출력 파워 전달을 유지하거나 최대 출력 전력 전달보다 낮게 유지하도록 마이크로프로세서 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 임피던스 엘리먼트는 적어도 한 쌍의 가변 리액터를 포함하고, 적어도 하나의 가변 리액터는:
    기하학적 형상의 이동 가능한 삽입 코어;
    고정 스플릿 버스로서,
    기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션으로서, 상기 기하학적 형상의 인서트 코어에 대하여 기하학적으로 상보적인 형상을 가짐으로써, 상기 기하학적 형상의 삽입 코어의 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션으로의 조절 가능한 삽입 위치를 제공하여, 상기 기하학적 형상의 삽입 코어가 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션으로 완전히 삽입된 때의 최소 인덕턴스 값부터, 상기 기하학적 형상의 삽입 코어와 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션 사이에 형성된 인터리빙 공간 내의 가변 에너지 필드가 최대 값이 되도록 하는 위치까지 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션을 후퇴시킨 때의 최대 인덕턴스 값까지 상기 기하학적 형상의 리액터 쌍의 인덕턴스를 변경하는 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션; 및
    부하 매칭 및 주파수 제어 장치 내의 상기 기하학적 형상의 리액터 쌍의 전기적 연결을 위한 스플릿 전기 버스 단자 섹션을 포함한 것인, 상기 고정 스플릿 버스; 및
    상기 기하학적 형상의 삽입 코어를 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션으로 삽입하고 그로부터 후퇴시키기 위해 상기 기하학적 형상의 삽입 코어에 연결된 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기하학적 형상의 삽입 코어는 단락된 전기 도전성 재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 단락된 전기 도전성 재료는 대안으로서 구리 시트 또는 속이 꽉 찬 구리 삽입 코어를 포하하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 기하학적 형상의 이동 가능한 삽입 코어는 대안으로서 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 자성 재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 자성 재료는 페라이트 도는 복수의 페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 기하학적 형상의 이동 가능한 삽입 코어 및 상기 기하학적 형상의 스플릿 버스 섹션은 원추형 섹션, 웨지 섹션 또는 포물 원추형 섹션의 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 가변 리액터 쌍 중 적어도 하나와 직렬로 결합된 적어도 하나의 고정 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 가변 리액터 쌍 중 적어도 하나의 상기 스플릿 전기 버스 단자 섹션은 함께 연결되어 전기적으로 단일 가변 리액터를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 가변 커패시터 쌍 중 적어도 하나는 상기 가변 커패시터 쌍 각각의 조절 가능한 사이에 삽입된(interlayered) 플레이트 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 전력 및 주파수 디스플레이 및 열을 받는 구역 크기와 조합하여 상기 고주파수 파워 서플라이 시스템으로부터의 전력 크기 출력 및 주파수 출력을 제어하기 위해 통합된 단일 사용자 입력 컨트롤 장치를 가지는 후먼 머신 인터페이스 컨트롤 패널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  17. 상기 워크피스 부하의 워크피스 임피던스와 관계없이 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크를 통해 복수의 스위칭 장치를 갖는 풀 브릿지 또는 하프 브릿지 인버터로부터, 용접 또는 어닐링 프로세스에서 고주파수 파워 서플라이 시스템으로부터 워크피스 부하로의 매우 통제된 전력 및 주파수를 제어하는 방법으로서,
    상기 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크 내에 적어도 하나의 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍 및 적어도 하나의 기하학적 형상의 가변 커패시터 쌍을 제공하는 단계;
    상기 복수의 스위칭 장치의 스위칭을 제어하는 단계; 및
    상기 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크로부터 상기 워크피스 부하로의 가변 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 복수의 스위칭 장치의 스위칭을 제어하는 단계는 상기 복수의 브릿지 스위칭 장치의 하드 스위칭 컨트롤을 포함하고, 상기 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크로부터 상기 워크피스 부하로의 상기 가변 임피던스를 제어하는 단계는 상기 워크피스 부하의 상기 워크피스 임피던스와 관계없이 상기 적어도 하나의 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍 및 상기 적어도 하나의 가변 커패시터 쌍의 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 복수의 스위칭 장치의 스위칭을 제어하는 단계는 상기 복수의 브릿지 스위칭 장치의 펄스 폭 변조식 가변 스위칭 컨트롤을 포함하고, 상기 인버터 출력 임피던스 조정 및 주파수 제어 네트워크로부터 상기 워크피스 부하로의 상기 가변 임피던스를 제어하는 단계는 상기 워크피스 부하의 상기 워크피스 임피던스와 관계없이 상기 적어도 하나의 기하학적 형상의 가변 리액터 쌍 및 상기 적어도 하나의 가변 커패시터 쌍의 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 또는 어닐링 프로세스에서 워크피스 부하를 가열하기 위해 엄격하게 통제된 출력을 가지는 고주파수 파워 서플라이 시스템.
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