기존 발열체의 전력제어는 On-Off 제어, 위상제어, PWM 제어를 사용해왔다. 최근 개발된 PTC 발열체를 기존의 방법으로 전력제어를 하였을 경우, 온도를 정밀하게 제어하지 못하고 인체에 유해한 전자파가 발생한다. 본 논문은 AC Cycles 가변을 이용한 PTC 열선의 전력 제어를 제안한다. 이것은 N개의 교류 cycle을 전력 제어의 단위로 간주하여, 각 cycle 마다 On-Off 여부를 결정하여 N cycles 내의 on-cycle 을 랜덤하게 배치하여 지속적으로 AC전력제어방법이다. 이 때 최소 전력량은 1/N이 되고 최대 전력량은 1이 되며 설정 값에 따라 on cycle의 수를 설정하여 N개의 단계로 일정하게 전력을 제어할 수 있다. PTC 열선과 온도센서를 사용한 발열 시스템에서 제안한 전력제어 방식이 전자파 발생과 온도제어 특성에서 우수함을 MATLAB simulation과 실험 및 측정을 통하여 확인하였다.
기존 발열체의 전력제어는 On-Off 제어, 위상제어, PWM 제어를 사용해왔다. 최근 개발된 PTC 발열체를 기존의 방법으로 전력제어를 하였을 경우, 온도를 정밀하게 제어하지 못하고 인체에 유해한 전자파가 발생한다. 본 논문은 AC Cycles 가변을 이용한 PTC 열선의 전력 제어를 제안한다. 이것은 N개의 교류 cycle을 전력 제어의 단위로 간주하여, 각 cycle 마다 On-Off 여부를 결정하여 N cycles 내의 on-cycle 을 랜덤하게 배치하여 지속적으로 AC전력제어방법이다. 이 때 최소 전력량은 1/N이 되고 최대 전력량은 1이 되며 설정 값에 따라 on cycle의 수를 설정하여 N개의 단계로 일정하게 전력을 제어할 수 있다. PTC 열선과 온도센서를 사용한 발열 시스템에서 제안한 전력제어 방식이 전자파 발생과 온도제어 특성에서 우수함을 MATLAB simulation과 실험 및 측정을 통하여 확인하였다.
The power control of the existing heating element has been using the On-Off control, phase control, and PWM control. In case of controlling power PTC heating element developed recently with the existing method, the temperature is unable to be precisely controlled or the harmful electromagnetic wave ...
The power control of the existing heating element has been using the On-Off control, phase control, and PWM control. In case of controlling power PTC heating element developed recently with the existing method, the temperature is unable to be precisely controlled or the harmful electromagnetic wave to human body is generated. In this paper, We suggest the power control of PTC heating cable using variable AC Cycles. This regards the AC cycle of N as the unit of the power control. It determines On-Off for each cycle. It is the AC power control method in which it arranges the on-cycle in N cycles in the random and it supplies the current continuously. At this time. the minimal electric power amount becomes 1/N. The maximum current amount becomes 1 and sets up the number of on cycles according to the set value and can control the electric power with the step of N consistently. In the PTC heating system, we show that proposed power control method is superior in the EMI and temperature control property using MATLAB simulation, experiments and measurements.
The power control of the existing heating element has been using the On-Off control, phase control, and PWM control. In case of controlling power PTC heating element developed recently with the existing method, the temperature is unable to be precisely controlled or the harmful electromagnetic wave to human body is generated. In this paper, We suggest the power control of PTC heating cable using variable AC Cycles. This regards the AC cycle of N as the unit of the power control. It determines On-Off for each cycle. It is the AC power control method in which it arranges the on-cycle in N cycles in the random and it supplies the current continuously. At this time. the minimal electric power amount becomes 1/N. The maximum current amount becomes 1 and sets up the number of on cycles according to the set value and can control the electric power with the step of N consistently. In the PTC heating system, we show that proposed power control method is superior in the EMI and temperature control property using MATLAB simulation, experiments and measurements.
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문제 정의
그러나 이러한 방법은 PTC 발열체에서 사용하였을 때 온도를 정밀하게 제어하지 못하거나 전자파가 발생하며, 전력이 낭비된다. 본 논문에서는 Micro controller# 이용한 AC Cycles 가변을 통해 PTC 발열체의 새로운 전력제어 방식을 제안한다. [1] 제안한 AC Cycles 가변 전력제어 방식은 AC cycle 별로 제어하는 zero-crossing 방식으로 전자파의 발생을 제거하였으며 공급되는 On cycle을 일정시간 동안 균등하게 분포시켜 통전 효과를 얻었다.
본 논문은 Micro Controllere 이용한 AC Cycles 가변 전력 제어에 대한 것으로, 일정 시간동안 공급되는 교류 cycle의 수를 뙈턴화하여 전력량의 최대치를 1로 했을 때 최소치는 1/N이 되도록 가변시키고 특정 고주파의 발생을 억제하도록 on cycl연을 랜덤하게 배치하여 언제나 통전되는 것처럼 하며, 설정 값에 따라 교류 cycle의 수를 정하여 특정된 시간에 측정한 값을 기준으로 교류 cycle의 수를 가변 시켜 일정하게 전력제어를 할 수 있다. 또한 제어량을 연속적으로 가변 가능하므로 잘 알려진 PID제어나 퍼지 제어 방식을 사용할 수 있다.
본 장에서는 제안한 알고리즘의 랜덤 패턴 파형의 고조 파 특성에 관하여 수학적으로 검증하고자 한다.
제안 방법
on cycle이 한 순간에 집중되는 것을 방지하기 위해 on cycle을 랜덤하게 배치하여 특정 고조파의 발생을 억제하였으며, 평균적으로 일정한 전류가 흐르도록 하였다.
[1] 제안한 AC Cycles 가변 전력제어 방식은 AC cycle 별로 제어하는 zero-crossing 방식으로 전자파의 발생을 제거하였으며 공급되는 On cycle을 일정시간 동안 균등하게 분포시켜 통전 효과를 얻었다. 또한 Cycle을 랜덤하게 배치하여 고조파의 영향을 최소화 하였다.
또한, 교류 cycle 별로 제어하는 Zero-Crossing 방식으로 전자파의 발생을 최소화하였으며 Cycle을 랜덤하게 배치하여 고조파의 영향을 최소화 하였다.[1] 본 논문에서 수행한 연구를 간략하게 요약하면 그림 6과 같다.
본 논문에서 제안하는 AC Cycles 가변 전력제어 방식은 일정시간동안(예: 교류 64 cycle)에 공급되는 교류 cycle 의 수를 패턴화하여 가변시키고, 공급되는 On cycle을 일정 시간 동안 균등하게 분포시켜 전력량을 결정한다. 또한, 교류 cycle 별로 제어하는 Zero-Crossing 방식으로 전자파의 발생을 최소화하였으며 Cycle을 랜덤하게 배치하여 고조파의 영향을 최소화 하였다.
생성되는 패턴이 발생할 확률이 균일분포를 가질 때 무한대의 시간에 발생된신호의 n번째 고조파는 발생할 수 있는 모든 패턴의 n번째 고조파 성분의 평균이 된다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 동일한 제어량에 대해 일정한 패턴이 아닌 각 제어단위 시간마다 랜덤한 새로운 패턴을 생성하여 전체적으로 피크 값을 가지는 고조파의 전력을 낮추었다.
본 논문에서 제안한 알고리즘의 성능을 확인하기 위해 MCU 기본회로 보드와 PTC 열선부하, 온도 센서를 이용 하드웨어를 구성하였고 PC와 직렬 통신을 통하여 데이터를 획득하여 그래프로 확인하였다.
전력 제어 단위를 N cycle로 했을 때 다음에서 보는 바와 같이 ne on cycle, me off cycle로 하여 평균전력량을 제어하였다.
제안한 AC Cycle 가변제어의 소비전력을 MATLAB을 통하여 시뮬레이션을 수행하고 DW-6(B0 디지털 전력계를 사용하여 실제 소비전력을 측정하였다.
또한 제어량을 연속적으로 가변 가능하므로 잘 알려진 PID제어나 퍼지 제어 방식을 사용할 수 있다. 제안한 알고리즘을 사용하여 전력제어를 하면 저렴한 비용으로 전력의 제어를 사용자 임의로 정밀하게 제어할 수 있으며 교류 cycle 별로 제어하는 zero-crossing 방식을 사용하여 전자파의 발생을 최소화 하였다. 향후 유도성 부하에서 알고리즘 적용에 대해 고찰하고자 한다.
최초 64/64 cycle로서 부하에 전력을 공급하기 시작하여 설정온도에 접근할수록 on cycle 양을 가변시켜 접근을 하였다. 실험 결과 설정온도와 0.
대상 데이터
결과이다. 부하는 100Q PTC 열선을 사용하였다. 측정 결과 제안하는 AC Cycles 가변 방식은 모든 cycle에서 전자파가 거의 발생하지 않았지만 위상제어 방식으로 부하에 전력을 공급하였을 때 100MHz 미만에서 전자파가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
성능/효과
나타낸 것이다. Cycle이 높을수록 최초 전원 인가 시 전력 값이 높이 나타나는 것을 확인할 수 있으며 이로 인하여 PTC 열선의 수명이 극히 짧아지는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 Micro controller# 이용한 AC Cycles 가변을 통해 PTC 발열체의 새로운 전력제어 방식을 제안한다. [1] 제안한 AC Cycles 가변 전력제어 방식은 AC cycle 별로 제어하는 zero-crossing 방식으로 전자파의 발생을 제거하였으며 공급되는 On cycle을 일정시간 동안 균등하게 분포시켜 통전 효과를 얻었다. 또한 Cycle을 랜덤하게 배치하여 고조파의 영향을 최소화 하였다.
급격하게 높아지고 있는 추세이다.[2] 기존의 난방기기의 열선은 니크롬선을 사용하였으나 이는 화재의 위험을 항시 내포하고 있다. 최근 이를 개선하기 위해 PTC 발열체가 개발되었다.
30/128 Cycle을 공급하였을 때 가장 빠른 상승을 보인다. 또한 최초 전원 인가 후 일정 시간 이후 Cycle의 수를 증가 시켰을 때 아래의 그림에서 보이는 것과 같이 급격한 전원 상승이 사라지며 더욱 빠른 온도 상승을 보이는 것을 확인하였다. 그림17은 PTC 발열체의 초기 온도 최적 상승을 위해 최초 30/128 Cycle을 공급 후 100초 후 다른 패턴을 공급한 실험 결과이다 최초 전압 인가시 PTC 발열체의 초기 전력 상승의 문제점을 해결할 수 있다.
최초 64/64 cycle로서 부하에 전력을 공급하기 시작하여 설정온도에 접근할수록 on cycle 양을 가변시켜 접근을 하였다. 실험 결과 설정온도와 0.2X: 이내의 오차를 가지며 안정하게 제어 가능함을 확인 하였다.
그림 4는 위상 제어 방식을 이용한 공급전압과 주파수 특성을 나타낸다. 위상 제어 방식은 항상 통전 되는 장점이 있지만, 주파수 특성을 살펴보면 고주파가 -50dB 전후로 존재하는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 전자파가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 전자파에 의한 영향이 크기 때문에 인체에 근접한 제품에는 위상제어 방식을 사용할 수 없다.
제안하는 AC Cycles 가변 전력제어는 원하는 정밀도의전력량을 선형적으로 제어 가능하므로 잘 알려진 PED제어나 퍼지 제어 방식을 사용할 수 있다.
[6][기⑻ 그림 5는 PWM 제어 방식을 이용한 공급전압과 주파수특성을 나타낸다. 주파수 특성을 살펴보면 고주파가 -70dB 전후로 존재하는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 전자파가 위상 제어보다 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 PWM 제어회로의 구성이 복잡하다.
부하는 100Q PTC 열선을 사용하였다. 측정 결과 제안하는 AC Cycles 가변 방식은 모든 cycle에서 전자파가 거의 발생하지 않았지만 위상제어 방식으로 부하에 전력을 공급하였을 때 100MHz 미만에서 전자파가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
제안한 알고리즘을 사용하여 전력제어를 하면 저렴한 비용으로 전력의 제어를 사용자 임의로 정밀하게 제어할 수 있으며 교류 cycle 별로 제어하는 zero-crossing 방식을 사용하여 전자파의 발생을 최소화 하였다. 향후 유도성 부하에서 알고리즘 적용에 대해 고찰하고자 한다.
참고문헌 (8)
공재웅, "전류센서를 이용한 PTC 발열체용 온도조절기",특허청,등록번호 10-0954058-00-00, 2008.
사업자원부전력산업과, "2000년 9월 전력소비 동향", 산업자원부 자원정책실, pp.1-7, 2000.6.
김철진, "위상제어와 주 제어를 이용한 단상유도기의 속도제어", 대한전기학회, pp.190-192, 2003.10.
Kyodo. Y, "A Study on Phase Control Method of Ultrasonic Motor - A Servo Drive Techiique around Reference." Advanced Robotics, '99 ICAR, pp. 123-128, 1999
Mitchel E. Schultz, "Grob's Basic Electronics: Fundamentals of DC and AC Circuits", McGraw-Hill, 2009
Thomas von Raumer, Jean Michel Dion, Luc Dugard, and Jean Luc Thomas, "Applied Nonlinear Control of an Induction Motor Using Digital Signal Processing", IEEE Trans. Control System Technology, Vol.2, No.4, pp.327-335, Dec. 1994
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