KR20210093140A - 유도 가열 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR20210093140A
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사사가와 마사시
오타와라 마사유키
니시쿠오리 노부하루
가나가와 토모유키
야기 유타카
요시다 타로
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Abstract

개시된 발명은 공진 회로 방식을 이용한 유도 가열 장치에서 피가열물이 이동한 경우에도 과전류의 발생을 방지할 수 있는 유도 가열 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 피가열물을 가열시키기 위한 유도 가열 장치는, 가열 코일 및 콘덴서를 포함하는 공진 회로; 상기 공진 회로에 전력을 공급하는 인버터; 상기 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하는 검출부; 및 상상기 검출부에 의해 검출된 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하고, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 적어도 하나의 프로세서;를 포함한다.

Description

유도 가열 장치 및 그 제어 방법{INDUCTION HEATING APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
개시된 발명은 가열 코일을 가지는 공진 회로를 구비한 유도 가열 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공진 회로를 구비하는 유도 가열 장치에는 공진 주파수의 변동에 맞추어 인버터의 스위칭 주파수를 조정함으로써 인버터의 출력 전력을 일정하게 제어하는 기술이 적용될 수 있다.
그러나, 유도 가열 장치 위에 놓인 냄비와 같은 피가열물이 위로 들리거나, 흔들림 등에 의해 이탈된 경우, 회로의 공진 주파수가 동적으로 변화함으로써 가열 코일에 축적된 에너지가 한 번에 해방될 수 있고, 이로 인해 과전류가 발생할 우려가 있다.
개시된 발명은 공진 회로 방식을 이용한 유도 가열 장치에서 피가열물이 이동한 경우에도 과전류의 발생을 방지할 수 있는 유도 가열 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 피가열물을 가열시키기 위한 유도 가열 장치는 가열 코일 및 콘덴서를 포함하는 공진 회로; 상기 공진 회로에 전력을 공급하는 인버터; 상기 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부에 의해 검출된 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하고, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 적어도 하나의 프로세서;를 포함하는 유도 가열 장치.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력의 저하시켜, 상기 공진 회로의 임피던스를 유지하고 상기 유도 가열 장치의 가열 능력을 저하시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수를 주파수 설정 값과 비교하고, 상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 구동 주파수를 미리 설정된 주파수만큼 저하시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 구동 주파수를 상기 미리 설정된 주파수만큼 저하시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 출력을 출력 설정 값과 비교하고, 상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 출력을 미리 설정된 출력만큼 저하시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 출력을 상기 미리 설정된 출력만큼 저하시킬 수 있다.
상기 공진 회로는, 직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로를 포함하는 복합 공진 회로이고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 인버터의 구동 주파수를 제어하여 상기 병렬 공진 회로를 공진 주파수 근방에서 동작시킬 수 있다.
상기 공진 회로는, 스위치의 온오프에 의해 직렬 공진 회로와 복합 공진 회로 사이에서 전환이 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 스위치를 제어하여 상기 공진 회로를 상기 직렬 공진 회로로 동작시키거나, 상기 복합 공진 회로로 동작시킬 수 있다.
상기 검출부는, 상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 적어도 하나의 전류계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값이 기준 전류값을 초과하면, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단할 수 있다.
상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 전류계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 인버터의 출력 및 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 피가열물을 가열시키기 위한 가열 코일과 콘덴서를 포함하는 공진 회로 및 상기 공진 회로에 전력을 공급하는 인버터를 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법은 검출부에 의해 상기 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하고; 상기 검출부에 의해 검출된 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하고; 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것;을 포함한다.
상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력의 저하시켜, 상기 공진 회로의 임피던스를 유지하고 상기 유도 가열 장치의 가열 능력을 저하시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수를 주파수 설정 값과 비교하고; 상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 구동 주파수를 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은, 상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 구동 주파수를 상기 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 출력을 출력 설정 값과 비교하고; 상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 출력을 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은, 상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 출력을 상기 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 공진 회로는, 직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로를 포함하는 복합 공진 회로이고, 상기 제어 방법은, 상기 인버터의 구동 주파수를 제어하여 상기 병렬 공진 회로를 공진 주파수 근방에서 동작시키는 것;을 더 포함할 수 있다.
상기 공진 회로는, 스위치의 온오프에 의해 직렬 공진 회로와 복합 공진 회로 사이에서 전환이 가능하고, 상기 제어 방법은, 상기 스위치를 제어하여 상기 공진 회로를 상기 직렬 공진 회로로 동작시키거나, 상기 복합 공진 회로로 동작시키는 것;을 더 포함할 수 있다.
상기 검출부는, 상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 적어도 하나의 전류계를 포함하고, 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것은, 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값이 기준 전류값을 초과하면, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단하는 것을 포함할 수 있다.
상기 검출부는, 상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 전류계를 포함하고, 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것은, 상기 인버터의 출력 및 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 유도 가열 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 공진 회로 방식을 이용한 유도 가열 장치에서 피가열물이 이동한 경우에도 과전류의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치 구성의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법의 예시를 나타내는 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 각 전류의 파형 및 위상의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 각 전류의 위상 벡터를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 냄비 부상(浮上)이 검출된 경우의 구동 주파수 및 출력 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법에 대한 다른 예시를 나타내는 순서도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 도 12의 유도 가열 장치에 있어서 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 신호 또는 데이터를 전달 또는 전송한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하여 이 구성요소를 통해 전달 또는 전송하는 것을 배제하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
제1, 제2와 같은 서수의 표현은 복수의 구성요소 또는 복수의 데이터를 상호 구분하기 위해 사용되는 것일 뿐, 복수의 구성요소 또는 복수의 데이터가 서수의 표현에 의해 그 위치, 우선 순위, 데이터 처리 순서 또는 데이터 값의 크기 등이 제한되는 것은 아니다.
각 단계들에 있어 식별 부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별 부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 일 측면에 따른 유도 가열 장치 및 그 제어 방법의 실시예를 상세하게 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 이하의 바람직한 실시 예에 대한 설명은 본질적으로 예시에 불과하며, 본 발명, 그 적용물 혹은 그 용도를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
도 1은 일 실시 예에 따른 유도 가열 장치 구성의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이 유도 가열 장치(A)는 직류 전원(5)으로부터 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 인버터(1)와, 인버터(1)로부터 전력을 공급받아 발열하는 가열 코일(3)을 포함하는 공진 회로(2)와, 전류계(45, 46), 및 제어부(6)를 포함한다.
인버터(1)의 회로 구성은 특히 한정되는 것은 아니며, 종래부터 알려져 있는 구성을 적용할 수 있다. 예를 들면, 도 1은 2 쌍의 아암(11, 12)이 병렬 연결된 브리지 구성의 인버터(1) 일례를 도시하고 있다. 도 1에서, 2 쌍의 아암(11, 12)에서는 각각 2 개의 스위칭 소자(13)가 직렬로 연결되어 있다.
또한, 각 스위칭 소자(13)는 트랜지스터와, 이 트랜지스터에 병렬 및 역방향으로 연결된 다이오드의 병렬 회로로 이루어져 있다. 그리고, 인버터(1)에서는 각 스위칭 소자(13)가 제어부(6)의 제어를 받아 스위칭 동작함으로써, 직류 전력이 교류 전력으로 변환되어 출력된다.
이하의 설명에서는 일측 아암(11)의 양 스위칭 소자(13) 사이의 연결 노드를 제1 노드(N1)라 지칭하고, 타측 아암(12)의 양 스위칭 소자(13) 사이의 연결 노드를 제2 노드(N2)라 지칭한다.
공진 회로(2)는 직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로로 구성된 복합 공진 회로일 수 있다. 공진 회로(2)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 마련된 가열 코일(3) 및 콘덴서(C1)를 가진다.
가열 코일(3)은 제1 가열 코일(31)과 제2 가열 코일(32)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 가열 코일(31)과 콘덴서(C1)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 직렬로 연결되어 있어 직렬 공진 회로(21)를 구성한다.
또한, 직렬 공진 회로(21)에는 제2 가열 코일(32)이 병렬로 연결되어 병렬 공진 회로(22)가 구성된다. 즉, 병렬 공진 회로(22)는 제1 및 제2 가열 코일(31, 32) 및 콘덴서(C1)로 구성된다. 다시 말해, 제1 가열 코일(31), 콘덴서(C1), 및 제2 가열 코일(32)에 의해 폐루프 회로(23)가 형성될 수 있다.
여기서, 가열 코일(3)의 구체적인 구성은 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 가열 코일(31)과 제2 가열 코일(32)이 물리적으로 별도의 코일로 구성될 수도 있고, 물리적으로 하나인 가열 코일(3)을 전기적으로 분할한 것과 같은 구성일 수도 있다.
도 1은 전류의 방향을 화살표로 나타내고 있다. 도 1과 같이 구성함으로써, 폐루프 회로(23)에 루프 전류(Ip)가 흐른다. 이하의 설명에서는 제1 가열 코일(31)에 흐르는 전류를 제1 전류(I1)라 하고, 제2 가열 코일(32)에 흐르는 전류를 제2 전류(I2)라 지칭한다.
또한, 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2)에 흐르는 전류를 제3 전류(I3)라 한다. 전류계(45)는 제2 전류(I2)를 측정하기 위한 것이며, 전류계(46)는 제3 전류(I3)를 측정하기 위한 것이다. 전류계(45, 46)는 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하는 검출부의 일례이다.
제어부(6)은 CPU 나 메모리 등의 하드웨어와, 제어 프로그램 등의 소프트웨어로 구성되어 있으며, 유도 가열 장치(A)의 동작을 종합적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(6)는 후술하는 동작을 수행하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리와 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
제어부(6)는 스위칭 소자(13)의 스위칭 동작을 제어함으로써 가열 코일(3)(제1 가열 코일(31) 및 제2 가열 코일(32))에 흐르는 전류의 주파수(F)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(6)는 조작부(미도시)의 조작 정보에 따라 가열량을 설정하거나, 피가열물의 상태에 따라 가열량을 조정하거나 가열을 중지시킬 수 있다.
이하에서는, 냄비가 들리는 냄비 부상(浮上)이나 냄비가 이탈되는 경우와 같은 냄비의 이동이 검출된 경우의 제어부(6) 동작에 대해 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다. 여기에서는, 유도 가열 장치에서 피가열물로서 냄비가 가열되는 경우의 예에 대해서 설명한다. 또한, 이하 도 2의 설명에서 제어의 주체는 제어부(6)이지만, 그 취지의 기재를 생략하는 경우가 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법의 예시를 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 단계 S1에서, 제어부(6)는 통상적인 운전 상태에서 가열 제어를 시작한다. 구체적으로, 제어부(6)는 통상적인 운전 상태에서, 직렬 공진 회로(21)의 임피던스(Z1)의 절대값(| Z1 |)과 제2 가열 코일(32)의 임피던스(Z2)의 절대값(| Z2 |)이 서로 같아지도록 스위칭 소자(13)를 제어한다. 설명의 편의상, 이러한 통상적인 운전 상태의 제어부(6) 제어를 "통상 운전 제어"라 하기로 한다.
여기서, 아래 수학식 1은 직렬 공진 회로(21)의 임피던스(Z1)를 나타내는 식이며, 수학식 2는 제2 가열 코일(32)의 임피던스(Z2)를 나타내는 식이다.
[수학식１]
Figure pat00001
[수학식２]
Figure pat00002
수학식 1과 수학식 2에 있어서, ω는 가열 코일(3)에 흐르는 전류의 각주파수, C1은 콘덴서(C1)의 용량 값, L1은 제1 가열 코일(31)의 인덕턴스 값, L2는 제2 가열 코일(32)의 인덕턴스 값이다. j는 허수를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 각 전류의 파형 및 위상의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 3에는 본 실시 예의 제어를 수행한 경우에 나타나는 제1 전류(I1)(점선), 제2 전류(I2)(일점 쇄선), 및 제3 전류(I3)(실선)의 파형 예가 도시되어 있다. 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)는 도 3의 I1, I2의 전류 방향에 있어서, 거의 동상(同相)의 전류이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상대적으로 큰 루프 전류(Ip)를 폐루프 회로(23)에 흘린 경우에도 인버터(1)에 흐르는 전류인 제3 전류(I3)를 작게 할 수 있다.
수학식 1과 수학식 2를 이용하여 임피던스(Z1)의 절대값(| Z1 |)과 임피던스(Z2)의 절대값(| Z2 |)이 일치하는 주파수(Fo)는
[수학식３]
Figure pat00003
로 나타낼 수 있다. 위의 수학식 3에서 구해진 주파수(Fo)로 인버터(1)를 구동시킴으로써, 구동 주파수를 병렬 공진 주파수에 근접시킬 수 있다. 이렇게 하여 제어부(6)는 인버터(1)의 구동 주파수가 병렬 공진 회로(22)의 공진 주파수 근방이 되도록 제어하여 병렬 공진 회로(22)를 공진 주파수 근방에서 동작시킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 각 전류의 위상 벡터를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 4는 통상 운전 제어를 수행한 경우의 각 전류(I1 ~ I3)의 위상 벡터를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 전류(I1)의 위상 벡터와 제2 전류(I2)의 위상 벡터가 서로 거의 반대 방향의 위상 관계에 있다. 도 4에서도 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)의 합성 전류인 제3 전류(I3)의 값을 작게 할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 제1 노드(N1)에 흐르는 전류를 상대적으로 작은 값으로 유지하면서 폐루프 회로(23)에 상대적으로 큰 전류를 흘릴 수 있다. 즉, 유도 가열 장치(A)를 고효율로 동작시킬 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 있어서 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 5에서는 제어부(6)가 통상 동작 제어를 수행한 경우의 주파수 범위를 점선의 사각형 영역(Q)으로 나타내고 있다. 사각형 영역(Q)은 병렬 공진 회로(22)의 공진 주파수, 즉 병렬 공진 주파수의 근방을 나타내는 일 예시이다.
단계 S2에서는 냄비 부상 혹은 냄비 이탈과 같은 냄비의 이동 여부가 판단된다. 예를 들면, 알루미늄 냄비가 사용되고 있는 경우, 가열 시의 전자기력에 의해 냄비가 탑 플레이트에서 약간 들뜰 수 있는바, "냄비 부상"이란 이러한 냄비의 상태를 가리키는 것으로 한다. 냄비 부상이나 냄비 이탈이 발생하면 냄비와 가열 코일의 상호 인덕턴스가 변화하여 가열 코일(3)의 임피던스가 변화한다.
단계 S2에서 냄비 부상/냄비 이탈의 판단 방법은 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 제어부(6)는 전류계(45, 46)를 이용하여 측정된 전류에 기반하여 냄비 부상/냄비 이탈을 판단할 수 있다. 구체적으로, 제어부(6)는 1. 인버터 전류(I3)와, 제2 가열 코일(32) 혹은 제1 가열 코일(31)에 흐르는 전류와의 대소 관계가 역전하고, 또는 2. 인버터 전류(I3)와, 제2 가열 코일(32) 혹은 제1 가열 코일(31)에 흐르는 전류(I1, I2) 중 메인으로 인버터(1)에 흐르는 전류가 기준 전류 값을 초과(예를 들면, 30[A])한 경우에, 냄비 부상 혹은 냄비 이탈이 발생했다고 판단할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 적외선 센서를 이용하여 냄비 부상/냄비 이탈을 검출할 수도 있다.
냄비 부상 혹은 냄비 이탈이 발생하면, 공진 회로(2)의 공진 주파수(Fos)(직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수)는 저주파수 측으로 시프트한다. 도 5에서는 실선으로 통상 운전 상태, 점선으로 냄비 부상/냄비 이탈이 발생했을 경우의 주파수-임피던스 특성을 나타내고 있다.
냄비 부상 혹은 냄비 이탈이 발생한 경우의 공진 회로(2)의 공진 주파수(Fos)의 시프트량(도 5에서 Fos-Fot)은 통상 운전 동작 시 주파수 제어의 제어 스피드와 냄비 부상/냄비 이탈을 검출하는 임계 값(threshold)에 따라 달라질 수 있다. 특히 한정되는 것은 아니나, 현 상태의 제어 스피드에서 인버터 전류가 30A를 초과하는 경우의 공진 주파수(Fos) 시프트량은, 예를 들면 0.5 ~ 2.5 [kHz] 정도가 될 수 있다.
단계 S2에서 냄비 부상이나 냄비 이탈이 발생되지 않은 것으로 판단되면(단계 S2에서 NO), 도 2의 처리는 종료되고 제어부(6)는 통상 운전 동작을 지속한다. 도시하지는 않지만, 통상 운전 동작 중 소정 기간마다 단계 S2의 판정이 실행되도록 할 수 있다. 한편, 단계 S2에서 냄비 부상이나 냄비 이탈이 발생한 것으로 판단되면(단계 S2에서 YES), 플로우는 다음 단계 S3로 진행한다.
단계 S3에서는 인버터(1)의 현재 구동 주파수와, 소정의 주파수 설정 값(Fc)과의 비교가 행해진다. 주파수 설정 값(Fc)은 예를 들면, 제어부(6)의 제어 스피드와 냄비 이탈에 의한 임피던스 이탈과의 관계에 기반하여 결정되는 값이다. 주파수 설정 값(Fc)은 공진 회로(2)의 공진 주파수(Fos) 시프트량의 범위 내에서 설정되며, 예를 들어 1 kHz로 설정된다. 여기서, 소정의 주파수 설정 값(Fc)은 임의로 설정이 가능하며, 상기한 값이나 값의 설정 방법으로 한정되는 것은 아니다.
단계 S3에서 인버터(1)의 현재의 구동 주파수(이하, 현재 주파수라 함)가 주파수 설정 값(Fc)보다 큰 경우(단계 S3에서 YES), 플로우는 단계 S4로 진행한다. 단계 S4에서 제어부(6)는 미리 설정된 주파수(Fd)(예를 들어, 1 [kHz])만큼 인버터(1)의 구동 주파수를 저하시키고, 플로우는 다음 단계 S5로 진행한다. 또한 단계 S3에서 인버터(1)의 현재 주파수가 주파수 설정값(Fc) 이하인 경우(단계 S3에서 NO), 그대로 플로우는 단계 S5로 진행한다.
단계 S5에서는 인버터(1)의 현재의 출력(이하, 현재 출력이라 함)과, 소정의 출력 설정 값(Pc)과의 비교가 행해진다. 출력 설정 값(Pc)은 냄비 이탈이나 냄비 부상이 발생한 경우에, 최종적으로 도달시키고자 하는 출력의 목표값이며, 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 출력 설정 값(Pc)은 최대 출력의 3%로 설정된다.
단계 S5에서, 인버터(1)의 현재 출력이 출력 설정 값(Pc)보다 큰 경우(단계 S5에서 YES), 플로우는 단계 S6으로 진행한다. 단계 S6에서, 제어부(6)는 미리 설정된 출력(Pd)(예를 들어, 최대 출력의 3%)만큼 인버터(1)의 출력을 저하시키고, 플로우는 단계 S7로 진행한다. 또한, 단계 S5에서 인버터(1)의 현재 출력이 출력 설정값(Pc) 이하인 경우(단계 S5에서 NO), 그대로 플로우는 단계 S7로 진행한다.
단계 S7에서는 단계 S3 ~ S6의 처리, 즉 인버터(1)의 구동 주파수 및 출력의 저하 처리가 종료 되었는지의 여부를 판정한다. 단계 S7에서 NO 판정한 경우, 즉 구동 주파수 또는 출력의 저하 처리 중 어느 일측이 종료되어 있지 않은 경우, 플로우는 단계 S3에 복귀한다. 이에 따라, 인버터(1)의 현재 주파수 및 현재 출력이 설정 값이 될 때까지 단계 S3에서 단계 S6의 처리가 반복된다.
도 6은 냄비 부상(浮上)이 검출된 경우의 구동 주파수 및 출력 변화의 일례를 나타내는 도면으로서, 단계 S3에서 단계 S6 사이의 동작에 대한 타이밍 차트이다.
도 6에서는 시각 T1에서 냄비 이탈 또는 냄비 부상이 검출되고, 이후 시각 T2까지의 기간 Td동안에, 단계 S3에서 단계 S6의 처리가 반복해서 실행되고 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 시각 T1에서 시각 T2의 사이에서, 인버터(1)의 구동 주파수가 주파수 설정값(Fc)까지 단계적으로 저하하는 동시에, 인버터(1)의 출력이 출력 설정값(Pc)까지 단계적으로 저하하고 있다. 기간 Td는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 1 [ms] 정도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 구동 주파수의 저하(단계 S4)가 출력의 저하(단계 S6)와 거의 동시에 종료하거나, 구동 주파수의 저하가 빨리 끝나는 경우에는, 도 2의 단계 S7을 생략할 수 있다. 또한, 구동 주파수의 저하 측이 출력의 저하보다 빨리 끝나는 경우에는, 단계 S3의 처리와 단계 S5의 처리 간의 순서를 바꿀 수도 있다.
이상과 같이, 본 실시 예에 따르면, 냄비 이탈 또는 냄비 부상이 검출된 경우에, 인버터(1)의 구동 주파수와 함께 인버터(1)의 출력을 저하시킴으로써 유도 가열 장치(A)의 가열 능력을 저하 시키도록 하고 있다. 따라서, 공진 회로(2)의 임피던스를 유지하면서 유도 가열 장치(A)의 가열 능력을 저하시키는 것이 가능하게 되므로, 가열 코일(3)에 흐르는 전류가 증가하여 과전류에 이르는 것을 방지할 수 있다.
특히, 도 1의 구성에서는 인버터(1)의 구동 주파수가 병렬 공진 주파수에서 벗어난 위치(예를 들어, 도 4의 사각형 영역(Q)에서 벗어난 상태)가 되면, 전류(I3)가 크게 증가하는 경우가 있어서 종래 기술에 대비한 본 발명의 기술 우위성이 더 현저하게 나타난다.
여기서, 인버터(1)의 구동 주파수와 함께 인버터(1)의 출력을 저하시킨다는 것은 인버터(1)의 구동 주파수와 출력을 동시에 저하시키는 경우와, 인버터(1)의 구동 주파수와 출력을 함께 저하시키지만, 그 시작이나 종료의 타이밍이나 시간 간격 등이 서로 조금 어긋나 있는 것 같은 경우를 포함하는 개념이다.
<기타 실시 예>
상기 실시 예에서, 제어부(6)는 도 2의 순서도 대신 도 7의 순서도에 따른 제어를 수행할 수도 있다. 도 7에서는 단계 S3의 비교 처리와 단계 S5의 비교 처리를 동시 진행으로 수행하도록 하고 있다.
도 7의 순서도에서, 단계 S1에서 단계 S6의 각 처리는 동일하다. 그리고, 단계 S3 ~ S6의 처리 후에 인버터(1)의 구동 주파수 및 출력의 저하 처리가 종료되었는지의 여부를 판정하는 단계 S7을 마련하고 있다.
도 7에서는 인버터(1)의 구동 주파수를 단계적으로 저하시키는 처리와 인버터(1)의 출력을 단계적으로 저하시키는 처리가 모두 끝날 때까지 단계 S2 ~ 단계 S6의 처리가 반복된다. 도 7의 처리를 행한 경우에도 상기 실시 예(도 2의 처리)와 같은 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 예에서는 전류계를 2개 마련하는 예를 설명했지만, 이에 한정되지 않는다. 도시하지는 않지만, 예를 들어 제어부(6)가 인버터(1)에서 출력되는 전력을 파악하고 있는 경우에는 전류계(45, 46)의 일측을 생략할 수 있다. 이 경우에는, 인버터(1)의 출력과 접지된 전류계 값의 변화를 기반으로 피가열물의 변위를 검출할 수 있다.
상기 실시 예에서 공진 회로(2)의 구성은 도 1의 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에서 제1 가열 코일(31)과 제2 가열 코일(32)의 권선 시작 위치를 노드 N1 측으로 하고, 동일한 방향(도 1의 왼쪽에서 오른쪽)으로 전류가 흐르도록 구성할 수도 있다. 다만, 도 1과 같이 구성함으로써, 앞서 언급했듯이 통상 운전 시에 노드 N1, N2에 흐르는 전류(I3)를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 1의 공진 회로(2) 대신에 도 8 내지 도 12와 같은 구성을 이용할 수도 있다. 도 8 내지 도 12에서 공진 회로 이외의 구성 및 제어부(6)의 동작은 상기 실시 예와 동일하며 공진 회로(2)를 치환하더라도 상기 실시 예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 8 내지 도 12는 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 다른 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 8을 도 1과 비교하면, 제2가열 코일(32)에 직렬로 연결된 콘덴서(C12)가 추가되어 있다. 구체적으로, 도 8의 공진 회로(2)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)의 사이에 제1 가열 코일(31)과 콘덴서(C11)가 직렬로 연결된 제1 직렬 회로와, 제2 가열 코일(32)과 콘덴서(C12)가 직렬로 연결된 제2 직렬 회로를 갖는다. 따라서, 제1 직렬 회로와 제2 직렬 회로가 병렬 연결된 구성을 가진다.
도 8의 공진 회로(2)는 도 1과 마찬가지로 직렬 공진 회로(21)와 병렬 공진 회로(22)로 구성된 복합 공진 회로이다. 구체적으로, 도 8에서 직렬 공진 회로(21)는 제1 가열 코일(31) 및 콘덴서(C11)로 구성되고, 병렬 공진 회로(22)는 제1, 2 가열 코일(31, 32) 및 콘덴서(C11, C12)로 구성된다.
도 9의 공진 회로(2)에서는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 통상 코일(35), 제1 가열 코일(31), 및 콘덴서(C21)가 직렬로 연결된다. 또한, 제1 가열 코일(31) 및 콘덴서(C21)의 직렬 회로에 대해 콘덴서(C22)가 병렬로 연결된다.
도 9의 공진 회로(2)는 도 1과 마찬가지로 직렬 공진 회로(21)와 병렬 공진 회로(22)로 구성된 복합 공진 회로이다. 도 9에서 직렬 공진 회로(21)는 통상 코일(35), 제1 가열 코일(31), 및 콘덴서(C21)로 구성되고, 병렬 공진 회로(22)는 제1 가열 코일(31) 및 통상 코일(35)과, 콘덴서(C21, C22)로 구성된다. 본 실시 예에서는 가열용이 아닌 코일에 대해 가열용 코일(가열 코일)과 구분해서 설명하기 위해 편의상 "통상 코일"이라고 지칭하기로 한다. 즉, 통상 코일의 "통상"이라는 말은 코일에 대해 어떠한 한정을 부여하는 것을 의도하는 것이 아니다. 즉, 통상 코일의 형상이나 구성 등은 특히 한정되는 것은 아니며, 종래부터 이용되고 있는 각종 코일을 채용할 수 있다.
도 10 및 도 11의 공진 회로(2)는 직렬 공진 회로와 복합 공진 회로 사이의 전환이 가능하게 구성되어 있다. 도 10 및 도 11의 유도 가열 장치(A)에서는 예를 들어, 피가열물의 재질에 따라 직렬 공진 회로만을 사용할지 복합 공진 회로를 사용할 지가 판단될 수 있다. 제어부(6)는 피가열물의 재질에 따라 스위치를 제어하여 공진 회로(2)를 직렬 공진 회로로 동작시키거나, 복합 공진 회로로 동작시킬 수 있다.
도 10에서 가열 코일(3)은 소정의 일방향을 향해 나선형으로 감겨 있으며, 그 중간에 위치하는 중간 지점(P1)이 스위치(SW31)를 통해 제1 노드(N1)에 연결된다. 즉, 가열 코일(3)은 중간 지점(P1)을 경계로 하여 제1 가열 코일(31)과 제2 가열 코일(32)로 분할된다. 다시 말해, 제1 가열 코일(31) 및 제2 가열 코일(32)의 각각의 일단이 중간 지점(P1)에 연결된다.
제1 가열 코일(31)과 제2 가열 코일(32)은 제1 노드(N1)에 대한 권선의 감긴 방향이 서로 다르게 되어 있다. 제2 코일의 타단은 스위치(SW32)를 통해 제1 노드(N1)에 연결되고, 스위치(SW33)를 통해 제2 노드(N2)에 연결된다. 제 1 코일의 타단은 콘덴서(C31)를 통해 제2 노드(N2)에 연결된다.
도 11의 공진 회로(2)에서는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)의 사이에 인덕터(L4), 가열 코일(3), 및 콘덴서(C41)가 직렬로 연결된다. 또한, 가열 코일(3)과 콘덴서(C41)의 직렬 회로에 대해 스위치(SW41)와 콘덴서(C42)의 직렬 회로가 병렬로 연결된다.
도 12의 공진 회로(2)는 병렬 공진 회로(22)만으로 구성되어있다. 도 12에서는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)의 사이에 통상 코일(35)과 병렬 공진 회로(22)가 직렬로 연결된다. 또한, 병렬 공진 회로(22)는 제1 가열 코일(31) 및 콘덴서(C)로 구성된다.
도 13은 도 12에 도시한 유도 가열 장치(A)의 임피던스 주파수 특성의 일례를 나타내고 있다. 도 13에서는 도 5와 마찬가지로, 제어부(6)가 통상 운전 제어를 행한 경우의 주파수 범위를 점선의 사각형 영역(Q)으로 나타내고 있다. 사각형 영역(Q)은 제어부(6)의 제어에 있어서, 병렬 공진 회로(22)의 공진 주파수 근방을 나타내는 일례이다.
또한, 도 13에서도 도 5와 마찬가지로, 실선으로 통상 운전 상태, 점선으로 냄비 부상/냄비 이탈이 발생한 경우의 주파수-임피던스 특성을 나타내고 있다. 여기서, 제어부(6)의 구체적인 제어 동작에 대해서는 상기 실시 예와 동일하여 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 공진 회로(2)가 병렬 공진 회로(22)만으로 구성되는 경우에 대해서도 상기 실시 예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
A 유도 가열 장치
1: 인버터
2; 공진 회로
3; 가열 코일
31: 제1 가열 코일
32: 제2 가열 코일
35: 통상 코일
45, 46: 전류계(검출부)
6: 제어부

Claims (20)

  1. 피가열물을 가열시키기 위한 유도 가열 장치에 있어서,
    가열 코일 및 콘덴서를 포함하는 공진 회로;
    상기 공진 회로에 전력을 공급하는 인버터;
    상기 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부에 의해 검출된 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하고, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 적어도 하나의 프로세서;를 포함하는 유도 가열 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력의 저하시켜, 상기 공진 회로의 임피던스를 유지하고 상기 유도 가열 장치의 가열 능력을 저하시키는 유도 가열 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수를 주파수 설정 값과 비교하고, 상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 구동 주파수를 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 유도 가열 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 구동 주파수를 상기 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 유도 가열 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 출력을 출력 설정 값과 비교하고, 상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 출력을 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 유도 가열 장치,
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 출력을 상기 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 유도 가열 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는,
    직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로를 포함하는 복합 공진 회로이고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 인버터의 구동 주파수를 제어하여 상기 병렬 공진 회로를 공진 주파수 근방에서 동작시키는 유도 가열 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는,
    스위치의 온오프에 의해 직렬 공진 회로와 복합 공진 회로 사이에서 전환이 가능하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스위치를 제어하여 상기 공진 회로를 상기 직렬 공진 회로로 동작시키거나, 상기 복합 공진 회로로 동작시키는 유도 가열 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 적어도 하나의 전류계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 전류계에 의해 검출된 전류 값이 기준 전류값을 초과하면, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단하는 유도 가열 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 전류계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 인버터의 출력 및 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 유도 가열 장치.
  11. 피가열물을 가열시키기 위한 가열 코일과 콘덴서를 포함하는 공진 회로 및 상기 공진 회로에 전력을 공급하는 인버터를 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법에 있어서,
    검출부에 의해 상기 피가열물의 이동과 관련된 값을 검출하고;
    상기 검출부에 의해 검출된 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하고;
    상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것;을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력의 저하시켜, 상기 공진 회로의 임피던스를 유지하고 상기 유도 가열 장치의 가열 능력을 저하시키는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은,
    상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 구동 주파수를 주파수 설정 값과 비교하고;
    상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 구동 주파수를 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은,
    상기 인버터의 구동 주파수가 상기 주파수 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 구동 주파수를 상기 미리 설정된 주파수만큼 저하시키는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은,
    상기 피가열물이 이동한 것으로 판단되면, 상기 인버터의 출력을 출력 설정 값과 비교하고;
    상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값보다 크면, 상기 인버터의 출력을 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 인버터의 구동 주파수 및 상기 인버터의 출력을 저하시키는 것은,
    상기 인버터의 출력이 상기 출력 설정 값 이하가 될 때까지 상기 인버터의 출력을 상기 미리 설정된 출력만큼 저하시키는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 공진 회로는,
    직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로를 포함하는 복합 공진 회로이고,
    상기 인버터의 구동 주파수를 제어하여 상기 병렬 공진 회로를 공진 주파수 근방에서 동작시키는 것;을 더 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 공진 회로는,
    스위치의 온오프에 의해 직렬 공진 회로와 복합 공진 회로 사이에서 전환이 가능하고,
    상기 스위치를 제어하여 상기 공진 회로를 상기 직렬 공진 회로로 동작시키거나, 상기 복합 공진 회로로 동작시키는 것;을 더 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 적어도 하나의 전류계를 포함하고,
    상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것은,
    상기 전류계에 의해 검출된 전류 값이 기준 전류값을 초과하면, 상기 피가열물이 이동한 것으로 판단하는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 가열 코일에 흐르는 전류를 검출하는 전류계를 포함하고,
    상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것은,
    상기 인버터의 출력 및 상기 전류계에 의해 검출된 전류 값에 기초하여 상기 피가열물의 이동 여부를 판단하는 것을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
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