[논문]트랜스포머 자가 LC공진을 이용한 고전압 유전가열 연구

정재훈; 김희제; 김수원

doi:10.5370/kiee.2012.61.12.1877

트랜스포머 자가 LC공진을 이용한 고전압 유전가열 연구
Dielectric Heating using High Voltage Generation of Self LC Resonance of Transformer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.12, 2012년, pp.1877 - 1879

정재훈 (부산대학교 로봇협동과정) , 김희제 (부산대학교 공과대학 전기공학과) , 김수원 (부산대학교 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, stray capacitance is unnecessary element of designing circuit, because it can not be predicted by a designer. But we propose LC Resonant Circuit using stray capacitance of transformer. This method proposes miniaturization of circuit, because LC Resonant Circuit can be make simply to using stray capacitance instead of capacitor and size of transformer is reduced. Finally, we research aspect of dielectric heating by change of frequency and output voltage using developed converter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전극을 근접시키고 유전율이 높은 피가열체를 사용할 경우 유전가열을 수백kHz에서도 발생시킬 수 있다. 또한 자가공진을 이용한 고전압 발생용 직병렬 트랜스포머 설계를 통해 트랜스포머의 제작시간을 단축시킬 수 있는 방안을 제시한다. 100℃이하로 유전체를 가열하는 유전가열 시스템의 제작을 원할 경우, 고비용이 들어가는 기존의 유전가열 시스템보다는 저주파를 적용한 유전가열 시스템은 전체시스템을 소형화를 통한 경제적 이점을 가질 수 있기 저주파 유전가열 시스템을 제안한다.

제안 방법

또한 자가공진을 이용한 고전압 발생용 직병렬 트랜스포머 설계를 통해 트랜스포머의 제작시간을 단축시킬 수 있는 방안을 제시한다. 100℃이하로 유전체를 가열하는 유전가열 시스템의 제작을 원할 경우, 고비용이 들어가는 기존의 유전가열 시스템보다는 저주파를 적용한 유전가열 시스템은 전체시스템을 소형화를 통한 경제적 이점을 가질 수 있기 저주파 유전가열 시스템을 제안한다.
5도, 측정주파수 3GHz)라는 높은 유전율을 가지기 때문에 유전가열을 확실히 관찰하기 위해 물을 피가열체 대상으로 선정하였다. 1분동안 전압과 주파수를 가변해가면서 실험을 실시하였다. 본론 2.
두 개의 트랜스포머(2:80)를 1차측은 병렬연결, 2차측은 직렬연결하여 트랜스포머를 설계하였다. 그리고 동일한 턴수를 가진 트랜스포머(2:160)를 설계하여 트랜스포머의 출력효율을 비교하였다.
따라서 실험은 주파수와 전압을 가변하여 실시하였고, 주파수와 전압의 변화에 따른 발열량정도를 확인하였다. 그림에서 보듯이 전극간 거리를 15mm, 30mm설정하여 전극 간 거리에 따른 유전가열의 양상을 확인하였다. 거리에 상관없이 열은 전극주위에서 발생하여 심부로 열이 점차 이동하는 것을 확인 할 수 있다.
기본 회로구성은 플라이백 컨버터를 적용하여 구성하였다. 회로 구성을 간단히 하기 위해서 플라이백 컨버터에 공진요소를 추가하여 고전압 펄스전압을 만들었다.
두 개의 트랜스포머(2:80)를 1차측은 병렬연결, 2차측은 직렬연결하여 트랜스포머를 설계하였다. 그리고 동일한 턴수를 가진 트랜스포머(2:160)를 설계하여 트랜스포머의 출력효율을 비교하였다.
1에서 제시된 식(1)은 유전가열을 통해서 발생되는 발열량에 대한 식이고, 식에 알 수 있듯이 유전가열의 발열량은 주파수와 전압에 의해 결정된다. 따라서 실험은 주파수와 전압을 가변하여 실시하였고, 주파수와 전압의 변화에 따른 발열량정도를 확인하였다. 그림에서 보듯이 전극간 거리를 15mm, 30mm설정하여 전극 간 거리에 따른 유전가열의 양상을 확인하였다.
LC공진의 공진이득을 적용함으로써 낮은 턴수비를 통해서 고전압을 발생시켰다. 또한 LC공진의 구성요소인 캐패시터를 트랜스포머의 부유용량을 통해서 자가공진회로를 구현함으로써 회로구성을 간단히 하였다. 유전가열에서 발열량은 전압과 주파수에 큰 영향을 받으므로 전압과 주파수와 유전체에 발생되는 열의 침투깊이 및 발열간의 관계를 해석하였다.
실험은 1 ∼5kV, 200∼400kHz의 전압을 유전체에 전극을 부착시켜 진행하였다.
또한 LC공진의 구성요소인 캐패시터를 트랜스포머의 부유용량을 통해서 자가공진회로를 구현함으로써 회로구성을 간단히 하였다. 유전가열에서 발열량은 전압과 주파수에 큰 영향을 받으므로 전압과 주파수와 유전체에 발생되는 열의 침투깊이 및 발열간의 관계를 해석하였다. 실험은 1 ∼5kV, 200∼400kHz의 전압을 유전체에 전극을 부착시켜 진행하였다.
기본 회로구성은 플라이백 컨버터를 적용하여 구성하였다. 회로 구성을 간단히 하기 위해서 플라이백 컨버터에 공진요소를 추가하여 고전압 펄스전압을 만들었다. 자가공진은 기존의 LC직렬공진의 요소인 캐패시터를 트랜스포머의 부유용량으로 대체하여 하나의 트랜스포머만을 사용하여서 LC직렬공진을 구현한다.

대상 데이터

그림 4 ∼ 10은 물은 흡수한 수건의 유전가열 양상이다. 물은 80.5(측정온드 1.5도, 측정주파수 3GHz)라는 높은 유전율을 가지기 때문에 유전가열을 확실히 관찰하기 위해 물을 피가열체 대상으로 선정하였다. 1분동안 전압과 주파수를 가변해가면서 실험을 실시하였다.

성능/효과

거리에 상관없이 열은 전극주위에서 발생하여 심부로 열이 점차 이동하는 것을 확인 할 수 있다. 발생되는 열은 주파수의 변화에 영향을 받지 않고 전압이 상승할수록 피가열체의 온도가 상승함을 확인하였다. 이는 식(2)에 따라서 전압은 제곱으로 적용되기 때문에 주파수보다 전압에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다.
이번 연구를 통해 수백kHz에서 유전가열이 발생됨을 확인 할 수 있었다. 전극을 근접시키고 유전율이 높은 피가열체를 사용할 경우 유전가열을 수백kHz에서도 발생시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유전가열이란 무엇인가?	전류를 유전체에 가했을 때, 분자의 극성이 양전극간에가해진 전계의 방향으로 회전하므로 인접 분자간의 마찰 손실에 의해서 발열하는데 이를 유전가열이라 한다. 전극간에 피가열체를 넣고 양전극에 고주파 전압을 가하면 유전체를 구성하고 있는 쌍극자가 교류전계의 방향을 변경하면서 인가 주파수와 동일한 진동을 일으키게 된다.
	유전가열의 원리는 어떠한가?	전류를 유전체에 가했을 때, 분자의 극성이 양전극간에가해진 전계의 방향으로 회전하므로 인접 분자간의 마찰 손실에 의해서 발열하는데 이를 유전가열이라 한다. 전극간에 피가열체를 넣고 양전극에 고주파 전압을 가하면 유전체를 구성하고 있는 쌍극자가 교류전계의 방향을 변경하면서 인가 주파수와 동일한 진동을 일으키게 된다. 이 진동으로 유전체 내부에 쌍극자의 마찰열이 발생되어 유전체가 가열이 된다. 만약 물질이 완전 절연체였을 때, 가열은 어렵게 되지만 대부분의 물질은 고주파 전류에 의해 가열했을 경우 충분히 높은 손실 요소를 가지고 있다[4].
	유전가열이 사용되는 산업 분야는 무엇인가?	회로기술의 발달로 유전가열을 적용한 장치의 가열온도의 조절이 용이해졌다. 이에 따라 유전가열은 합판의 제조, 종이 건조, 비닐접착, 해충박멸의 산업적 용도로 사용되고 있다. 주요 적용분야는 합판의 제조로써 두 장의 목판사이에 접착제를 바른 다음 그 상하의 전극판에 고주파 전압을 가하면 목판 사이에 삽입된 접착제에 유전가열을 쌍극자 진동 열이 발생되어 목판이 접착되고, 적정주파수는 6MHz정도이다.

참고문헌 (6)

D.E.Lee, K.D.Joo, T.J.Kim, K.Y.Joe, S.H.Baek, Temperature Characteristic Analysis of Food Steriliaztion Apparatus using dielectric heating. KIEE 2003.
Yeon-Gu Choo, Ju-Hwan Jang, Gi-Bong Kim, Han-Ho Tak, Design of High-Frequency Dielectric Heating System with oscillation generator and power MOSFET. Proceedings of KIIS Spring Conference 2010; vol. 20, No.1.
Dong-Yeol Jung, Jae-Kwang Lee, Sung-Soo Hong, Sang-Kyoo Han, Sug-Chin Sakong, Chung-Wook Roh. A Characteristic Analysis of High Voltage Flyback Converter including Resonant Element. The korean institute of power electronics 2008; pp.186-195.
Scott, G.W, The role of frequency in Industrial Dielectric Heating. American Institute of Electrical Engineers, Transactions of the Volume: 64, pp.558- 562, 1945.

상세보기
Lin Wu; Jun Wang; Meng Jiang; Wei Li; Zhigang Liu; Shutian Zhang, An improved design method for LC resonant converter considering effects of parasitic components, Electrical Machines and Systems(ICEMS), 2011 International Conference, Publication Year: 2011 , Page(s): 1 - 4.
Dae-Kwon Jo, Study on the dielectric heating characteristics for high-voltage pulses, 2008, mater's thesis, Pusan national university.

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