KR20200082088A - 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치 - Google Patents

열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치는, 입력된 3상 교류전압이 3상 다이오드 정류기에 의해 직류전압으로 정류되고, 커패시터에 의해 리플 성분이 제거된 직류링크 전압을 검출하는 전압 검출부와, 커패시터로부터 출력된 전압을 인가받고, 제1, 제2 타이머를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하여 교류 전압을 출력하는 단상 인버터와, 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기를 기준 전압으로 조정하여 히터에 인가하는 고주파 변압기와, 검출된 직류링크 전압과 고주파 변압기의 권선 수를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하기 위한 위상변위각을 연산하는 연산부 및 히터의 온도값을 히스테리시스 온도값이 반영된 기준 히터 온도값과 비교하여, 비교 결과에 따라 결정된 위상변위각을 단상 인버터에 전달하는 히터 온도 제어부를 포함하고, 단상 인버터는 고주파 변압기의 동작주파수를 설정 범위의 주파수로 변환하고, 커패시터로부터 출력된 전압에 위상변위각을 반영하여 단일 펄스폭을 변조할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 직류링크 커패시터 전압과 두 타이머의 위상차를 이용하여 단상 인버터 고주파 변압기의 출력 전압을 제어함으로써 히터에 인가되는 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

Description

열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치{INVERTER-HIGH FREQUENCY TRANSFORMER TYPE POWER CONVERSION APPARATUS FOR HEAT TREATMENT}
본 발명은 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직류링크 커패시터 전압과 두 타이머의 위상차를 이용하여 단상 인버터-고주파 변압기 장치의 출력 전압을 제어함으로써 교류입력전압 크기에 관계없이 히터에 인가되는 전압을 일정하게 제어하기 위한 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치에 관한 것이다.
구조물 열처리는 용접 전에 예열하는 예열 열처리와 용접 후 냉각 온도를 조정하는 후열 열처리로 나뉘며, 예열 및 후열 처리로 용접부의 기계적 성질의 향상과 함께 변형 및 잔류 응력의 완화를 이룬다. 이러한 구조물 열처리 시스템은 열선에 전류를 흘려 열을 발생시키는 히터와 히터의 온도를 제어하는 전력변환장치 등으로 구성된다.
국내에서는 열처리용 전력변환장치로 대부분 SCR형 전력변환장치를 사용한다. SCR형 전력변환장치는 SCR의 위상제어로 출력전압크기를 제어하여 히터온도를 제어하는 방식으로, 무게가 가볍고 부피가 작으면서 저가라는 장점이 있으나, 출력전압의 크기가 220V 또는 440V로 고압이므로 감전 등 인명사고가 발생할 가능성이 있다는 단점이 있다.
따라서, 유럽연합국가에서는 고압에 의한 감전 등 인명사고를 방지하기 위하여 열처리용 전력변환장치의 출력전압 크기를 60V이하로 제한하고 있어 국내에서 사용하는 SCR형 전력변환장치를 사용할 수 없고, 변압기의 권선비를 조정하여 변압기 2차 측 전압 즉 히터 입력전압을 60V로 낮추는 변압기형 전력변환장치를 사용하고 있다.
이러한 변압기형 전력변환장치는 3상 전원전압을 3상 변압기의 1차 측 권선단자에 연결하며 권선비를 조정하여 변압기 2차 측 권선전압을 60V로 한다. 변압기 2차측 각 상별로 연결된 히터의 온도를 제어하기 위하여 두 개 SCR이 역병렬로 연결된 단상 교류전압제어기를 사용한다.
즉, 히터온도가 기준온도보다 낮을 경우에는 두 SCR을 도통시켜 히터에 변압기 2차측 전압인 60V 전압을 인가함으로써 히터온도를 상승시키며, 히터온도가 기준온도보다 높을 경우에는 두 SCR를 오프시킴으로써 히터에 인가되는 전압을 차단하여 히터온도를 낮춘다.
이러한 변압기형 전력변환장치의 출력전압 즉, 히터 입력전압은 60V이므로 감전에 안전하며, 각 상별 2차 측 단자 수에 따라 전력변환장치-히터 수가 결정되므로 전력변환장치-히터의 채널 수를 쉽게 늘일 수 있다는 장점이 있다.
그러나 변압기형 전력변환장치의 3상 변압기는 무게가 무거우면서 부피가 크므로 작업현장에서 이동시키기가 힘들다는 문제점과, 입력 3상 교류전압 크기에 따라 다른 권선비를 가진 변압기를 각각 설계 제작해야 한다는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0825475호(2008. 04. 28. 공고)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직류링크 커패시터 전압과 두 타이머의 위상차를 이용하여 단상 인버터-고주파 변압기의 출력 전압을 제어함으로써 교류입력전압 크기에 관계없이 히터에 인가되는 전압을 일정하게 제어하는 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치는, 입력된 3상 교류전압이 3상 다이오드 정류기에 의해 직류전압으로 정류되고, 커패시터에 의해 리플 성분이 제거된 직류링크 전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 커패시터로부터 출력된 전압을 인가받고, 제1, 제2 타이머를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하여 교류 전압을 출력하는 단상 인버터; 상기 단상 인버터로부터 출력되는 고주파 교류 전압의 크기를 기준 전압으로 조정하여 히터에 인가하는 고주파 변압기; 상기 검출된 직류링크 전압과 상기 고주파 변압기의 권선 수를 이용하여 상기 단일 펄스폭을 변조하기 위한 위상변위각을 연산하는 연산부; 및 상기 히터의 온도값을 히스테리시스 온도값이 반영된 기준 히터 온도값과 비교하여, 비교 결과에 따라 결정된 위상변위각을 상기 단상 인버터에 전달하는 히터 온도 제어부를 포함하고, 상기 단상 인버터는, 상기 고주파 변압기의 동작주파수를 설정 범위의 주파수로 변환하고, 상기 커패시터로부터 출력된 전압에 상기 위상변위각을 반영하여 상기 단일 펄스폭을 변조할 수 있다.
또한, 상기 기준 전압은 실효치 60V이고, 상기 단상 인버터는 제1, 제2 스위칭 소자를 제어하기 위한 상기 제1 타이머와, 제3, 제4 스위칭 소자를 제어하기 위한 제2 타이머의 위상변위제어를 이용하여 출력 전압의 주파수 및 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 연산부는 다음의 수학식에 의해 상기 히터에 인가되는 전압을 상기 기준 전압으로 유지시키기 위한 위상변위각을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Φ는 상기 위상변위각, VDC는 상기 직류링크전압, n은 상기 고주파 변압기의 권선비(n1/n2)이다.
또한, 다음의 수학식을 이용하여 상기 단상 인버터 내 동시에 도통되는 두 개의 스위칭 소자에 대한 전압강하와, 상기 단상 인버터 데드타임(dead time)에 의한 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각을 연산하는 전압강하 연산부를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Φc는 상기 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각, VCE(sat)는 상기 단상 인버터 내에 포함되는 스위칭 소자 도통 시 스위칭 소자의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압, fs는 상기 단상 인버터의 출력전압 주파수, td는 단상 인버터 데드타임이다.
또한, 상기 히터 온도 제어부는 상기 히터의 온도를 기준 온도로 제어하기 위해 히스테리시스 온오프 제어 방식을 이용하되, 상기 히터의 온도가 상기 기준 온도와 히스테리시스 온도의 합보다 높은 경우 상기 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 0V가 되도록 상기 위상변위각(Φ)을 180도로 설정하고, 상기 히터의 온도가 상기 기준 온도와 히스테리시스 온도의 차보다 낮은 경우 상기 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 상기 기준 전압이 되도록 상기 위상변위각(Φ)을 상기 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각(Φc)으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 단상 인버터는 상기 제1 타이머의 주기값과 상기 제1 타이머의 최대값의 1/2인 값을 비교하여 듀티비가 50%인 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 게이팅 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 단상 인버터는 상기 제1 타이머에 대하여 상기 위상변위각(Φ) 만큼 지연된 상기 제2 타이머의 주기값과 상기 제2 타이머의 최대값의 1/2인 값을 비교하여 듀티비가 50%인 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 게이팅 신호를 발생시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 직류링크 커패시터 전압과 두 타이머의 위상차를 이용하여 교류입력전압 크기에 관계없이 단상 인버터 고주파 변압기의 출력 전압을 제어함으로써 히터에 인가되는 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 변압기의 동작주파수를 증가시켜 변압기의 크기와 무게가 감소되도록 설계할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, IGBT에 의한 전압강하 및 단상 인버터 데드타임에 의한 출력전압의 크기감소를 보상함으로써 출력전압 크기의 오차를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치의 단상 인버터의 단일 펄스폭 변조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치의 단상 인버터에서 데드타임에 의한 출력전압감소를 보상하기 위한 단일 펄스폭 변조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3상 입력 교류 전압이 380V에서 440V로 증가할 때의 파형 시뮬레이션 결과 예시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치(100)는, 3상 다이오드 정류기(110), 커패시터(120), 전압 검출부(130), 연산부(140), 전압강하 연산부(150), 히터 온도 제어부(160), 단상 인버터(170) 및 고주파 변압기(180)를 포함한다.
먼저, 3상 다이오드 정류기(110)는 3상(a, b, c)으로부터 3상 교류 전압을 입력받아 직류 전압으로 변환시킨다.
그리고 커패시터(120)는 3상 다이오드 정류기(110)를 통해 변환된 직류 전압에 포함된 리플 성분을 제거한다.
따라서 커패시터(120)는 평활용 커패시터(120)가 적용되는 것이 바람직하다.
그리고 전압 검출부(130)는 3상 교류 전압이 3상 다이오드 정류기(110)에 의해 정류되고, 커패시터(120)에 의해 리플 성분이 제거된 직류링크 전압(VDC)을 검출한다.
자세히는 본 발명의 실시예에서는 입력되는 교류 전압의 크기에 관계없이 단상 인버터(170)로부터 출력되는 교류 전압을 실효치 60V로 제어하기 위하여 3상 교류 전압 크기를 검출하는데 3상 교류 전압 크기를 검출하기 위해 커패시터(120)의 직류링크 전압(VDC)을 검출한다.
이때, 커패시터(120)의 직류링크 전압(VDC)은 3상 교류 전압을 3상 다이오드 정류기(110)로 정류한 평균 전압값이므로, 커패시터의 직류링크 전압(VDC)을 검출함으로써 3상 교류 전압 크기를 계산할 수 있다.
그리고 연산부(140)는 커패시터(120)에 의해 검출된 직류링크 전압과 고주파 변압기(180)의 권선 수를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하기 위한 위상변위각을 연산한다.
그리고 전압강하 연산부(150)는 단상 인버터(170) 내 동시에 도통되는 두 개의 스위칭 소자에 대한 전압강하와, 단상 인버터(170) 데드타임(dead time)에 의한 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각을 연산한다.
그리고 히터 온도 제어부(160)는 히터(200)의 온도값을 히스테리시스 온도값이 반영된 기준 히터 온도값과 비교하여, 비교 결과에 따라 결정된 위상변위각을 단상 인버터(170)에 전달한다.
그리고 단상 인버터(170)는 커패시터(120)로부터 출력된 전압을 인가받고, 제1, 제2 타이머를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하여 교류 전압을 출력한다.
이때, 단상 인버터(170)는, 고주파 변압기(180)의 동작주파수를 설정 범위의 주파수로 변환하고, 커패시터(120)로부터 출력된 전압에 연산부(140)를 통해 연산된 위상변위각을 반영하여 단일 펄스폭을 변조한다.
자세히는, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)를 제어하기 위한 제1 타이머와, 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)를 제어하기 위한 제2 타이머의 위상변위제어를 이용하여 출력 전압의 주파수 및 크기를 제어한다.
이때, 스위칭 소자는 FET와 같이 저항으로 동작하는 스위칭 소자를 제외한 IGBT, BJT, MOSFET 등이 적용될 수도 있다.
또한, 단상 인버터(170)는 10KHz 내지 20KHz 범위의 주파수를 가지면서 구형파 형태의 교류 전압을 출력시킨다.
그리고 고주파 변압기(180)는 단상 인버터(170)로부터 출력되는 교류 전압의 크기를 기준 전압으로 조정하여 히터(200)에 인가한다.
이때, 고주파 변압기(180)는 도1에 도시된 바와 같이 1차 측이 단상 인버터(170)의 출력단에 연결되고, 2차측이 히터(200)의 입력단에 연결된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치의 단상 인버터의 단일 펄스폭 변조를 설명하기 위한 도면이다.
자세히는 도 2는 제1 타이머 및 제2 타이머를 이용한 위상변위제어를 통해 단일 펄스폭을 변조하는 기법을 나타낸 것이다. 제1 타이머 및 제2 타이머 모두 업다운 카운팅하여 주기(Ts)에 최대값(Top)인 삼각파형태를 가지며, 제2 타이머 값을 제1 타이머 값에서 위상변위각(Ψ)만큼 지연시킨다.
여기서 단상 인버터(170)의 출력전압 주파수가 fs일 경우, 제1 타이머의 주기(Ts)는 1/fs이 된다. 이때 제1 타이머는 제1 타이머 값과 제1 타이머 최대값의 1/2인 Top/2값을 비교하여 듀티비가 50%인 제1 스위칭 소자(S1)과 제2 스위칭 소자(S2)의 게이팅 신호를 발생시킨다.
그리고, 제2 타이머는 제1 타이머에 대하여 위상각(Ψ)만큼 지연된 제2 타이머 값과 제2 타이머 최대값의 1/2인 Top/2 값을 비교하여 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)의 게이팅 신호를 발생시킨다.
도 2에서와 같이, 4개의 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 게이팅 신호에 의해 발생된 단상 인버터(170) 출력전압파형을 보면 알 수 있듯이, 위상변위각(Φ)에 의해 펄스폭이 변조되어 출력전압의 실효치를 제어할 수 있다.
즉 위상변위각(Φ)이 0일 경우 출력전압의 실효치는 직류링크전압인 VDC로 최대 전압값이 출력되고, 위상변위각(Φ)이 증가함에 따라 출력전압 실효치가 감소되다가 위상변위각(Φ)이 π일 경우 출력전압이 0V가 된다. 입력교류전압 크기에 관계없이 인버터 출력전압을 개루프로 60V로 제어하기 위하여 3상 입력교류전압 대신 3상 교류전압을 정류한 평균 전압값인 커패시터 전압 즉, 직류링크전압(VDC)를 검출한다. 검출된 직류링크전압(VDC)을 사용하여 실효치를 60V로 유지시키기 위한 위상변위각은 다음의 수학식 1과 같이 연산될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, Φ는 위상변위각, VDC는 직류링크전압, n은 고주파 변압기(180)의 권선비(n1/n2)이다.
또한, 단상 인버터(170) 내 스위칭소자(S1, S2, S3, S4) 도통 시 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 컬렉터와 에미터 사이에 순방향 전압강하가 발생되며, 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 전압강하가 단상 인버터(170) 출력전압의 크기를 감소시키므로, 위상변위각을 계산할 때, 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 전압강하를 고려하여야 한다.
단상 인버터(170)는 도 2에서와 같이 2의 스위칭 소자(S1과 S2, S3과 S4)가 동시에 도통되므로, 단상 인버터(170) 내 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)에 의한 전압강하는 2VCE(sat)가 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치의 단상 인버터에서 데드타임에 의한 출력전압감소를 보상하기 위한 단일 펄스폭 변조를 설명하기 위한 도면이다.
자세히는 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 턴 오프시간 때문에 발생되는 단상 인버터(170)의 암단락을 방지하기 위하여, 도 3과 같이 단상 인버터(170)의 동일 암의 상단 스위칭 소자와 하단 스위칭 소자 사이(즉, S1과 S2, S3와 S4)에 스위칭 소자의 턴오프 시간보다 더 긴 단상 인버터 데드타임(td)을 부가해야 한다.
그런데 단상 인버터 데드타임(td) 구간에서 출력전압이 VDC전압에서 0V가 되어 출력전압이 감소하게 된다. 따라서 출력전압 감소를 보상하기 위하여, 데드타임 만큼 펄스폭을 더 증가시켜야 하므로 위상변위각을 데드타임에 해당하는 위상각만큼 감소시켜야 한다.
이때, 전압강하 연산부(150)는 다음의 수학식 2를 이용하여 연산부(140)를 통해 연산된 위상변위각에서 단상 인버터(170)의 스위칭 소자 전압강하와 데드타임에 의한 출력전압 감소를 보상한 위상변위각(Φc)을 연산할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, Φc는 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각, VCE(sat)는 단상 인버터 내에 포함되는 스위칭 소자 도통 시 스위칭 소자의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압, fs는 단상 인버터의 출력전압 주파수, td는 단상 인버터(170) 데드타임이다.
또한, 히터 온도 제어부(160)는, 히터(200)의 온도를 기준 온도로 제어하기 위해 히스테리시스 온오프 제어 방식을 이용하되, 히터(200)의 온도가 기준 온도와 히스테리시스 온도의 합보다 높은 경우 단상 인버터(170)로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 0V가 되도록 위상변위각(Φ)을 180도로 설정하고, 히터(200)의 온도가 기준 온도와 히스테리시스 온도의 차보다 낮은 경우 단상 인버터(170)로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 기준 전압이 되도록 위상변위각(Φ)을 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각(Φc)으로 설정할 수 있다.
이를 다음의 수학식 3과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00005
즉, 출력전압 개루프 제어루프에서는 직류링크전압을 검출하고, 수학식 2를 이용하여 직류링크전압과 고주파 변압기(180)의 권선비와 함께 단상 인버터(170) 내 스위칭 소자의 전압강하와 단상 인버터(170)의 데드타임에 의한 전압강하까지 보상하여 입력교류전압크기에 관계없이 출력전압을 60V 실효치로 출력시키는 위상변위각(Φ)을 계산하여 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3상 입력 교류 전압이 380V에서 440V로 증가할 때의 파형 시뮬레이션 결과 예시도이다.
자세히는, 단상 인버터(170)의 출력 전압 주파수(fs)가 10KHz이고, 고주파 변압기(180)의 권선비(n)가 1/8인 상태에서 저항(R) 0.24Ω, 인덕터(L) 0.5 mH인 히터(200)를 고주파 변압기(180)의 2차 측에 연결한 상태에서 0.15초 구간에서 입력교류전압을 380V에서 440V로 증가했을 때, 입력교류전압, 커패시터전압, 도단위로 표시한 위상변위각[deg], 출력교류전압[V] 및 출력교류전류[A] 파형에 대한 시뮬레이션 결과 예시를 각각 나타낸 그래프이다.
먼저, 입력교류전압이 380V인 경우, 이 교류전압을 정류한 직류링크전압(VDC) 값이 520V(직류링크전압[V] 파형에서 빨간선)이며, 수학식 2를 이용하여 계산한 위상변위각 27도로 제어하여 단상 인버터(170)의 출력교류전압[V]을 60V로 유지하였으며, 출력교류전류[A]의 실효치는 242A이다.
0.15초 구간에서 입력교류전압을 440V로 증가하였을 경우, 직류링크전압(VDC) 역시 565V(직류링크전압[V] 파형에서 파란선)로 증가되었다. 직류링크전압(VDC)이 증가함에 따라 출력교류전압[V]을 60V로 유지시키기 위하여 위상변위각[Φ, deg]은 수학식 2에 의해 50도로 증가된다. 즉, 본 발명의 실시예에서와 같이 위상변위각을 제어함으로써 입력교류전압이 380V에서 440V로 증가했음에도 불구하고 출력교류전압[V]의 크기는 거의 60V로 제어됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열처리용 인버터 변압기형 전력 변환 장치는 직류링크 커패시터 전압과 두 타이머의 위상차를 이용하여 단상 인버터-고주파 변압기의 출력 전압을 제어함으로써 교류입력전압 크기에 관계없이 히터에 인가되는 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 변압기의 동작주파수를 증가시켜 변압기의 크기와 무게가 감소되도록 설계할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, IGBT의 전압강하 및 인버터 데드타임에 의한 출력전압 감소를 보상함으로써 출력전압 크기의 오차를 최소화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 전력 변환 장치 110 : 3상 다이오드 정류기
120 : 커패시터 130 : 전압 검출부
140 : 연산부 150 : 전압강하 연산부
160 : 히터 온도 제어부 170 : 단상 인버터
180 : 고주파 변압기 200 : 히터

Claims (7)

  1. 열처리용 인버터-고주파 변압기형 전력 변환 장치에 있어서,
    입력된 3상 교류전압이 3상 다이오드 정류기에 의해 직류전압으로 정류되고, 커패시터에 의해 리플 성분이 제거된 직류링크 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 커패시터로부터 출력된 전압을 인가받고, 제1, 제2 타이머를 이용하여 단일 펄스폭을 변조하여 교류 전압을 출력하는 단상 인버터;
    상기 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기를 기준 전압으로 조정하여 히터에 인가하는 고주파 변압기;
    상기 검출된 직류링크 전압과 상기 고주파 변압기의 권선 수를 이용하여 상기 단일 펄스폭을 변조하기 위한 위상변위각을 연산하는 연산부; 및
    상기 히터의 온도값을 히스테리시스 온도값이 반영된 기준 히터 온도값과 비교하여, 비교 결과에 따라 결정된 위상변위각을 상기 단상 인버터에 전달하는 히터 온도 제어부를 포함하고,
    상기 단상 인버터는,
    상기 고주파 변압기의 동작주파수를 설정 범위의 주파수로 변환하고, 상기 커패시터로부터 출력된 전압에 상기 위상변위각을 반영하여 상기 단일 펄스폭을 변조하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전압은 실효치 60V이고,
    상기 단상 인버터는,
    제1, 제2 스위칭 소자를 제어하기 위한 상기 제1 타이머와, 제3, 제4 스위칭 소자를 제어하기 위한 제2 타이머의 위상변위제어를 이용하여 출력 전압의 주파수 및 크기를 제어하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    다음의 수학식에 의해 상기 히터에 인가되는 전압을 상기 기준 전압으로 유지시키기 위한 위상변위각을 산출하는 전력 변환 장치:
    Figure pat00006

    여기서, Φ는 상기 위상변위각, VDC는 상기 직류링크전압, n은 상기 고주파 변압기의 권선비(n1/n2)이다.
  4. 제3항에 있어서,
    다음의 수학식을 이용하여 상기 단상 인버터 내 동시에 도통되는 두 개의 스위칭 소자에 대한 전압강하와, 상기 단상 인버터 데드타임(dead time)에 의한 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각을 연산하는 전압강하 연산부를 더 포함하는 전력 변환 장치:
    Figure pat00007

    여기서, Φc는 상기 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각, VCE(sat)는 상기 단상 인버터 내에 포함되는 스위칭 소자 도통 시 스위칭 소자의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압, fs는 상기 단상 인버터의 출력전압 주파수, td는 단상 인버터 데드타임이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터 온도 제어부는,
    상기 히터의 온도를 기준 온도로 제어하기 위해 히스테리시스 온오프 제어 방식을 이용하되, 상기 히터의 온도가 상기 기준 온도와 히스테리시스 온도의 합보다 높은 경우 상기 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 0V가 되도록 상기 위상변위각(Φ)을 180도로 설정하고,
    상기 히터의 온도가 상기 기준 온도와 히스테리시스 온도의 차보다 낮은 경우 상기 단상 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 크기가 상기 기준 전압이 되도록 상기 위상변위각(Φ)을 상기 전압강하와 출력 전압 감소를 보상하기 위한 위상변위각(Φc)으로 설정하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단상 인버터는,
    상기 제1 타이머의 주기값과 상기 제1 타이머의 최대값의 1/2인 값을 비교하여 듀티비가 50%인 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 게이팅 신호를 발생시키는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단상 인버터는,
    상기 제1 타이머에 대하여 상기 위상변위각(Φ) 만큼 지연된 상기 제2 타이머의 주기값과 상기 제2 타이머의 최대값의 1/2인 값을 비교하여 듀티비가 50%인 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 게이팅 신호를 발생시키는 전력 변환 장치.
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KR960006602B1 (ko) * 1993-10-12 1996-05-20 재단법인한국전기연구소 반도체 소자(igbt, mosfet)를 사용한 crt(tv 브라운관) 제조용 유도 가열 전원장치

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