[논문]워킹코일 온도 및 제어 속응성을 고려한 All-Metal Domestic Induction Heating 제어 시스템 설계

박상민; 장은수; 주동명; 이병국

doi:10.6113/tkpe.2018.23.3.199

워킹코일 온도 및 제어 속응성을 고려한 All-Metal Domestic Induction Heating 제어 시스템 설계
Design of Control System for All-Metal Domestic Induction Heating Considering Temperature and Quick-Response 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.3, 2018년, pp.199 - 207

박상민 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 장은수 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 주동명 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 이병국 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an all-metal domestic induction heating (IH) system that can quickly identify ferromagnetic and non-ferromagnetic pots considering temperature changes in the working coil is designed. Load modeling is performed after analyzing the parameters of the pot material and the central misalignment of the working coil. To improve the performance and stability of the all-metal IH cooking heater, a power curve-fitting model is used to design a control system that quickly responds to load parameter fluctuations. In addition, a power control algorithm is established to compensate for the reference value by reflecting the increase in working coil temperature during heating of the non-ferromagnetic pot. The validity of the proposed control algorithm for the all-metal IH is verified by experiments using a 3.2 kW all-metal IH cooking heater.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 All Metal IH 레인지의 성능 및 안정성 향상을 위해 전력 Curve-fitting 모델링을 통하여 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단하고 부하 파라미터 변동에 민감하게 동작이 가능한 제어 알고리즘을 제안한다. 그리고 실제 유도가열 실험을 통하여 워킹코일 온도를 분석하고 변화량을 제어 기법에 반영하여 부하에 따른 인버터 동작 주파수를 자동적으로 추종 제어 함으로써 온도 상승으로 인한 전력감소나 부하 조건의 변화에 관계없이 항상 안정된 출력 특성을 갖는 보상 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 자성체 및 비자성체 용기 판별이 가능 하고 워킹코일 온도 변화가 고려된 All Metal IH 제어 알고리즘을 설계하였다. 용기 별 파라미터 분석을 통해 용기 재질 및 위치에 따른 여러 가지 경우의 부하 모델링을 수행하였다.
하지만, 비자성체 용기는 낮은 비저항과 비투자율을 갖기 때문에 유도가열이 어려우며, All Metal IH Cooker 제품 상용화를 위한 연구가 최근 진행되고 있다^[3]-[6] . 비자성체 용기를 유도가열 하기 위한 핵심 기술은 낮은 비저항과 비투자율의 보상기법이 며, 이러한 기술들의 공통된 목적은 비자성체 용기의 낮은 비저항과 비투자율을 높이기 위해서 스위칭 주파수를 증가시키거나 입력전압을 가변하여 높은 출력을 얻기 위한 기술들이다. 그러나 이러한 연구들은 All Metal IH를 구현하기 위한 하드웨어 설계에 대한 연구가 주를 이를 뿐 용기 재질 및 크기 판별 및 제어 알고리즘을 적용한 실험 결과가 제시되지 않고 있다^[3]-[6] .

제안 방법

비자성체 모드로 동작하는 이종용기와 Al 규격용기는 그림 7(a)에서 볼 수 있듯이 주파수가 감소함에 따라서 전력이 상승 기울기가 다르므로 두 용기 가열 모드를 구분하여 각각의 다른 3차 다항식을 도출하여 Curve-fitting 모델링을 수행한다. 자성체 모드로 동작하는 경우에는 이종용기 및 Al규격용기와는 다르게 용기 면적에 따라서 기울기는 유사하고 전력 값만 차이가 나므로 그림 7(b)와 같이 전력차를 이용하여 용기를 판별 하고, 9cm 용기는 21cm 용기와 동일한 3차 다항식에서 전력 Curve-fitting 곡선의 fitting ratio만 다르게 한다.
따라서 본 논문에서는 All Metal IH 레인지의 성능 및 안정성 향상을 위해 전력 Curve-fitting 모델링을 통하여 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단하고 부하 파라미터 변동에 민감하게 동작이 가능한 제어 알고리즘을 제안한다. 그리고 실제 유도가열 실험을 통하여 워킹코일 온도를 분석하고 변화량을 제어 기법에 반영하여 부하에 따른 인버터 동작 주파수를 자동적으로 추종 제어 함으로써 온도 상승으로 인한 전력감소나 부하 조건의 변화에 관계없이 항상 안정된 출력 특성을 갖는 보상 알고리즘을 제안한다. 제안한 All Metal IH 제어 알고리즘은 실제 용기 데이터를 기반으로 3.
또한 부하 조건으로 사용자의 실수로 인한 용기 벗어남 및 용기가 없는 무부하 상태와 용기 이외의 숟가락과 같은 물체 등을 고려해야 한다. 따라서 All Metal IH 시스템의 부하는 총 5가지 케이스로 진행하며, 표 3은 5가지 케이스의 용기 재질별 바닥 면적과 IEC standard 60335-2-9 규격을 토대로 한 유도가열 실험시의 수 부하 량을 나타낸다^[12] . 그림 4는 각 부하상태의 파라미터값을 토대로 matlab 시뮬레이션을 통하여 도출한 주파수별 전력을 나타낸다.
All Metal IH Cooking Heater를 구현하기 위해서는 자성체 / 비자성체 용기 부하의 특성 차이로 인하여 운전 동작 모드를 달리해야 한다. 따라서 All Metal IH를 구현하기 위해서는 용기 재질 및 위치 판별이 가능한 알고리즘 시스템이 필요하며, 본 논문에서는 그림 2와 같이 비교적 간단한 구조의 자성체 / 비자성체 용기의 동작 주파수 영역을 고려한 공진 커패시터 절체방식의 HB-SRC를 이용하여 All Metal IH Cooking Heater를 구현한다. All Metal IH Cooking Heater의 부하는 워킹 코일과 피 가열체인 용기로 이루어지며 용기 크기 및 재질과 스위칭 주파수에 따라 부하의 인덕턴스값과 저항값이 변화한다.
2kW를 뽑아낼 수 없으므로 용기 바닥 면적을 구별하여 전력 제어해야 한다. 따라서 본 논문에서는 이종용기를 비자성체 용기로 판단하고 9cm 자성체 용기의 전력을 1100W로 제한하고 실험을 진행한다. 또한 All Metal IH 시스템의 성능 및 안정성 향상을 위해 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단이 가능하고 부하 파라미터 변동에 즉각적으로 민감하게 동작이 가능한 제어 알고리즘을 설계한다.
또한 가열 중 용기를 들어 올리거나 워킹코일 중앙에서 벗어날 시 전력이 차단되어야 하며, 다른 재질의 용기로 교체한다 하여도 정상적으로 모드 변경 후 가열 동작하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 주파수별 실제 전력곡선을 앞절에서 분석한 Matlab 시뮬레이션과 실제 가열 실험시의 전력분석을 토대로 Curve-fitting 모델링을 이용하여 제어 알고리즘을 설계한다. 기존 IH Cooker 제어 방식은 그림 5(a) 방식과 같이 최소 주파수와 최대 전력 Limit를 설정하는 방식으로써, 용기가 벗어나거나 이물질이 들어와서 부하상태가 변경되면 전력차단 시점까지 delay가 발생하는 단점이 있다.
용기 별 파라미터 분석을 통해 용기 재질 및 위치에 따른 여러 가지 경우의 부하 모델링을 수행하였다. 또한 All Metal IH Cooking heater의 성능 및 안정성 향상을 위해 전력 Curve-fitting 모델링을 통하여 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단이 가능하고, 비자성체 가열 시 급상하는 워킹코일 온도를 반영함으로써 부하 파라미터 변동에 민감하게 동작이 가능한 효과적인 전력 제어 알고리즘을 설계하였다. 제안한 All Metal IH 제어 알고리즘은 워킹코일 온도가 급상하여도 정상적으로 용기 재질 및 위치가 판단이 가능함을 3.
따라서 본 논문에서는 이종용기를 비자성체 용기로 판단하고 9cm 자성체 용기의 전력을 1100W로 제한하고 실험을 진행한다. 또한 All Metal IH 시스템의 성능 및 안정성 향상을 위해 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단이 가능하고 부하 파라미터 변동에 즉각적으로 민감하게 동작이 가능한 제어 알고리즘을 설계한다.
본 논문에서는 자성체 및 비자성체 용기 판별이 가능 하고 워킹코일 온도 변화가 고려된 All Metal IH 제어 알고리즘을 설계하였다. 용기 별 파라미터 분석을 통해 용기 재질 및 위치에 따른 여러 가지 경우의 부하 모델링을 수행하였다. 또한 All Metal IH Cooking heater의 성능 및 안정성 향상을 위해 전력 Curve-fitting 모델링을 통하여 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단이 가능하고, 비자성체 가열 시 급상하는 워킹코일 온도를 반영함으로써 부하 파라미터 변동에 민감하게 동작이 가능한 효과적인 전력 제어 알고리즘을 설계하였다.

성능/효과

워킹코일 온도가 100℃를 넘긴 상태에서 비자성체 용기가에서 자성체 용기로 교체되는 시간 동안에 알고리즘이 리셋을 반복하면서 워킹코일 온도를 반영하고 있다. 따라서 파형에서 볼 수 있듯이 정상적으로 자성체 용기를 판별하여 공진캡 Relay가 붙고 자성체 모드로 변환 후 목표전력을 추종하는 것을 확인할 수 있다.
용기가 벗어난 후 다시 정중앙에 위치하여 정상동작 할 때까지 대기하는 시간은 리셋 횟수를 조절함으로써 손쉽게 조절할 수 있다. 본 실험을 진행할 때 리셋 알고리즘 횟수를 5번으로 설정하였기 때문에 이후 전원이 정상적으로 차단되는 것을 확인할 수 있다. 그림 9는 Al 규격용기로 주철용기와 동일한 실험을 한 파형을 나타낸다.
그림 9는 Al 규격용기로 주철용기와 동일한 실험을 한 파형을 나타낸다. 용기가 벗어나서 초기 동작으로 리셋 후 전력 Under Limit에 도달 할 때까지 전력 상승량이 자성체 용기와 다르게 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
그리고 실제 유도가열 실험을 통하여 워킹코일 온도를 분석하고 변화량을 제어 기법에 반영하여 부하에 따른 인버터 동작 주파수를 자동적으로 추종 제어 함으로써 온도 상승으로 인한 전력감소나 부하 조건의 변화에 관계없이 항상 안정된 출력 특성을 갖는 보상 알고리즘을 제안한다. 제안한 All Metal IH 제어 알고리즘은 실제 용기 데이터를 기반으로 3.2kW급 Cooking Heater를 이용한 실험 결과를 통해 그 타당성을 검증한다.
또한 All Metal IH Cooking heater의 성능 및 안정성 향상을 위해 전력 Curve-fitting 모델링을 통하여 용기 재질 및 위치를 빠르게 판단이 가능하고, 비자성체 가열 시 급상하는 워킹코일 온도를 반영함으로써 부하 파라미터 변동에 민감하게 동작이 가능한 효과적인 전력 제어 알고리즘을 설계하였다. 제안한 All Metal IH 제어 알고리즘은 워킹코일 온도가 급상하여도 정상적으로 용기 재질 및 위치가 판단이 가능함을 3.2kW급 Cooking Heater를 이용한 실험 결과를 통해 그 타당성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도 가열의 원리는 무엇인가?	유도 가열은 가열 코일에 고주파 교류 전류가 흐를때 발생하는 고주파 자계 중에 도전성의 금속을 위치시키면 금속의 표면에 Eddy Current가 유기 되어 표피 저항에 의해 Joule 열을 발생시키는 원리이다[9] .
	기존 인덕션 레인지의 한계점은 무엇인가?	가정에서 사용 되는 인덕션 레인지는 강자성체(ferromagnetic) 용기만을 가열할 수 있다[1] . 하지만 기존 인덕션 레인지는 흔히 가정에 보급되어 있는 조리용기인 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸 등의 비자성체(non-ferromagnetic) 용기는 사용할 수 없으며, 용기전체 또는 바닥면이 강자성체로 형성된 특정한 용기만 사용할 수 있는 제한을 가지고 있다[2] . 따라서 인덕션 레인지의 보급성 및 활용성을 높이기 위해서 모든 용기를 가열할 수 있는 All Metal IH Cooker의 연구개발이 필요하다.
	가열 부하로 비자성체 용기를 적용 시 발생할 수 있는 문제점은 무엇인가?	따라서 가열 부하로 비자성체 용기를 적용 시, 수식 (5)로부터 유도가열 출력 전력을 증가시키기 위하여 가열 코일의 턴 수와 운전 주파수를 증가시켜야 한다. 하지만 이런 조건들은 가열 워킹코일의(Skin Effect)와 근접 효과 (Proximity Effect)로 인해 코일의 저항을 증가시키며, 비자성체 가열 시 상대적으로 큰 전류에 의해 코일 저항 상승으로 인한 발열과 동손으로 인한 페라이트 온도 상승으로 인하여 투자율이 급격히 감소하고 유도 가열 효율이 저하되는 문제점이 발생한다[7] . 또한, 자속 밀도는 투자율에 비례하므로 자속밀도의 감소로 인하여 유도 기전력(induced EMF)이 줄어들고 결과적으로 Eddy Current의 발생량이 줄어들어 IH 시스템의 출력전력을 감소시키므로 그에 따른 보상이 필요하다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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C. Hammouma, H. Zeroug, and A. Attab, "Investigations into performances of a low power parallel resonant inverter topology for induction metal hardening," Power Electronics and Power Engineering Conf., Apr. 2017.
H. W. Koertzen, J. D. van Wyk, and J. A. Ferreira, "Design of the half bridge series resonant converters for induction cooking," Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf. Records, Jun. 1995.
Safety standards for household electrical products-IEC 60335-2-9, figure 103 and 104.
W. Martinez, M. Noah, and J. Imaoka, "Reverserecovery current reduction in a ZCS boost converter with saturable inductors using nanocrystalline core materials," in Power Electronics and Applications, Conf., Sep. 2016.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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