[논문]공진형 인버터를 이용한 2단 유도가열 시스템의 주파수제어에 관한 연구

유재훈; 신대철

doi:10.5207/jieie.2008.22.1.095

문제 정의

목표온도 180[℃], 250[℃]을 설정한 이유는 음식물 쓰레기 건조와 음식물 가공을 할 수 있는 온도이기 때문이다. 또한 본 논문에서는 직접 제작한 고주파 유도 가열시스템을 사용하여 출력 온도에 따라 주파수를 변화하도록 시스템을 제어하여 유도가열 시스템의 전력변화를 확인하고 그에 따른 안정성을 논하고자 한다.
본 논문에서는 하프브리지 대상 인버터로 유도가열용 인버터를 설계, 제작하여 유도가열 시스템으로써의 동작 특성 및 성능을 검증하였다. 시스템을 안정적으로 제어를 하기 위해서 인버터는 스위칭주파수 20[kHz]대역에서 작동되는 하프브리지 고주파 직렬 부하 공진형으로 하였으며, LC 공진 설계에서 부하 자체를 인덕턴스(L)로 설정하였다.

가설 설정

부하 인덕턴스 乙은 매우 커서 출력 전류의 리플 성분이 거의 무시된다고 가정하고 위상제어 정류회로의 동작 원리를 알아본다.

제안 방법

설정 온도를 정하면 목표온도[℃]까지 올라가 목표 온도부터 전력 조정기에서 위상제어를 해줌으로써 온도조절을 할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다. 공진형 인버터를 이용해 각각의 주파수에 따른 유도가열 시스템의 전력 변화와 그에 따른 온도제어를 제안하였다. 주파수에 대한 동작특성을 확인하여 공 진형 인버터를 이용한 유도가열 시스템의 안정성을 확인하고 주파수 선택도에 따른 전류의 변화 역시 확인할 수 있었다.
2차 가열부는 l[kW] 급 하프-브릿지 인버터로 구성하였으며, 1차측으로부터 유입되는 증기를 다시 가열하여 100[℃]이상의 과열증기를 발생시킨다. 그리고 1차측의 보일러부에는 항상 적정 량의 물이 공급되어야 하므로 본 실험에서는 수위조절 센서와 밸브를 설치하여 원활한 물의 공급을 하였다.
본 논문에서는 유도가열용 하프브리지 공 진형 인버터를 이용하여 스위칭 주파수 19~31[kl切범위에서 전압을 조정하여 안정하게 동작하는 유도가열 시스템을 설계 및 제작하여 실험한 결과 상압에서 100[℃] 이상의 과열증기를 단시간에 발생시킬 수 있는 장점을 가지고 있으며, LC공진에 있어서 부하 자체를 인덕터만을 사용하였다. 고주파 공진형 인버터를 이용한 유체 가열방식은 유도가열에 있어 새로운 가열방식으로 기대가 되며 충분한 열원으로서 가능성을 확인할 수 있었다.
용량의 것을 사용하였다. 브릿지 다이오드 뒷단에 사용되는 1妃필터는 상용주파수의 전원 측에서 보면 복잡한 액티브 PVM제어를 행하지 않고 고효율, 특히 선 전류의 정현파화 기능을 갖도록 설계하는데 소형화로 구성된 시스템 특성상 리플성분을 그대로 통과시킬 수 있도록 작은 용량의 필터를 선정하였다. 또한 필터 선정 시 역률 제어 특성을 고려하여 통상 LC 필터로 사용되는 인덕턴스는 수 십 [' HI 콘덴서는 수 [' T정도의 용량을 사용하였다.
동작 특성 및 성능을 검증하였다. 시스템을 안정적으로 제어를 하기 위해서 인버터는 스위칭주파수 20[kHz]대역에서 작동되는 하프브리지 고주파 직렬 부하 공진형으로 하였으며, LC 공진 설계에서 부하 자체를 인덕턴스(L)로 설정하였다. 마지막으로공진형 인버터 설계를 위해 시뮬레이션 및 실험을 통해 정상 유도가열 시스템의 동작해석, 성능분석을 하여 제안한 방법이 효과적임을 보였고 실제 제작한 시스템에서는 2단 가열을 구현하였다.
부하에 포함된인덕턴스 乙의 크기에 따라 출력전류가 연속이 되기도 하고 불연속이 되기도 한다. 여기서는 인덕턴스 乙이 매우 큰 경우에 대하여 위상제어 정류기의 동작 특성을 살펴보고 교류 입력측 역률과 고조파 등을 분석한다. 또한 이 방식은 AC 파형에 따라 아주 미세하게 조정되므로 AC 모터등 각종 전기기기를 손쉽게 제어할 수 있다.
온도조절기를 사용하였다. 온도조절기는 4- 20[mA]의 출력을 내는데 이를 전압으로 변환하여 PICBASIC KIT의 입력으로 넣고 그에 따른 출력으로 주파수를 가변하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 IGBT모듈은 페어차일드사의 FMG2G100US60제품으로 내압이 600[|/], 100 [4]이다. 또한 1차측 파라메타로 용량이 0.
전력조정부는 위상제어를 하고 있다. 본 실험에서 사용한 스위칭소자는 모듈타입으로 된 IGBT 이며, 구동회로의 주요 소자는 74HC₄M6, 74HC₇₄, n袒no을 사용하였다. 그리고 출력부는 공진회로로 구성되며 커패시터와 부하 인덕터가 있다.
출력에 따른 주파수 가변을 위해 PICBASIC 2000 KIT와 온도조절기를 사용하였다. 온도조절기는 4- 20[mA]의 출력을 내는데 이를 전압으로 변환하여 PICBASIC KIT의 입력으로 넣고 그에 따른 출력으로 주파수를 가변하였다.

성능/효과

7배 증가하고. 1인당 온실가스 배출량도 동일 기간중 1.8배 증가하였다.
부하 자체를 인덕터만을 사용하였다. 고주파 공진형 인버터를 이용한 유체 가열방식은 유도가열에 있어 새로운 가열방식으로 기대가 되며 충분한 열원으로서 가능성을 확인할 수 있었다. 설정 온도를 정하면 목표온도[℃]까지 올라가 목표 온도부터 전력 조정기에서 위상제어를 해줌으로써 온도조절을 할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.
시스템을 안정적으로 제어를 하기 위해서 인버터는 스위칭주파수 20[kHz]대역에서 작동되는 하프브리지 고주파 직렬 부하 공진형으로 하였으며, LC 공진 설계에서 부하 자체를 인덕턴스(L)로 설정하였다. 마지막으로공진형 인버터 설계를 위해 시뮬레이션 및 실험을 통해 정상 유도가열 시스템의 동작해석, 성능분석을 하여 제안한 방법이 효과적임을 보였고 실제 제작한 시스템에서는 2단 가열을 구현하였다. 목표온도 180[℃], 250[℃]을 설정한 이유는 음식물 쓰레기 건조와 음식물 가공을 할 수 있는 온도이기 때문이다.
본 실험을 통하여 표 1은 목표온도 180TC] 로써현재 시중에서 판매하고 있는 음식물 쓰레기 건조기와 비교하여 완전건조시간이 약 4시간 정도이었으나 본 시스템에서는 시간을 단축시킬 수가 있다.
고주파 공진형 인버터를 이용한 유체 가열방식은 유도가열에 있어 새로운 가열방식으로 기대가 되며 충분한 열원으로서 가능성을 확인할 수 있었다. 설정 온도를 정하면 목표온도[℃]까지 올라가 목표 온도부터 전력 조정기에서 위상제어를 해줌으로써 온도조절을 할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다. 공진형 인버터를 이용해 각각의 주파수에 따른 유도가열 시스템의 전력 변화와 그에 따른 온도제어를 제안하였다.
실험 결과 1차측 목표온도 도달 시간은 50[sec], 2 차측 온도도달 시간은 200[sec]로 일체의 압력을 걸지 않은 상태에서 고온도의 과열증기를 단시간에 발생시킬 수 있었다.
것이다. 실험을 통하여 본 논문에서 설계 제작한공진형 인버터가 20~50[kHz] 영역에서 부하 양단의 전압파형과 부하의 전류파형이 이론파형 및 시뮬레이션 파형과 일치함을 확인하였다.
공진형 인버터를 이용해 각각의 주파수에 따른 유도가열 시스템의 전력 변화와 그에 따른 온도제어를 제안하였다. 주파수에 대한 동작특성을 확인하여 공 진형 인버터를 이용한 유도가열 시스템의 안정성을 확인하고 주파수 선택도에 따른 전류의 변화 역시 확인할 수 있었다. 하프브리지 공진형 인버터를 이용하여 유도가열 시스템을 제품화하는데 앞으로 고주파 인버터의 스위칭손실 및 노이즈대책, 고성능화에 대한 실질적 연구가 계속 필요하며, 특히 고주파 인버터의 회로방식 및 제어부의 개발 그리고 유체가 열부의 새로운 구조의 제안과 그 열 교환 효과에 대한 보다 구체적으로 연구가 진행되어야 할 것이다.

후속연구

주파수에 대한 동작특성을 확인하여 공 진형 인버터를 이용한 유도가열 시스템의 안정성을 확인하고 주파수 선택도에 따른 전류의 변화 역시 확인할 수 있었다. 하프브리지 공진형 인버터를 이용하여 유도가열 시스템을 제품화하는데 앞으로 고주파 인버터의 스위칭손실 및 노이즈대책, 고성능화에 대한 실질적 연구가 계속 필요하며, 특히 고주파 인버터의 회로방식 및 제어부의 개발 그리고 유체가 열부의 새로운 구조의 제안과 그 열 교환 효과에 대한 보다 구체적으로 연구가 진행되어야 할 것이다.

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