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열처리용 단상 PWM인버터시스템의 히터온도 및 인버터 출력전압 제어기법
Control Strategies of Both the Heater Temperature and the Inverter Output Voltage of a Single-Phase PWM Inverter Systems for Heat Treatment 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.8, 2018년, pp.1047 - 1054  

양시경 (Dept. of Electrical Engineering, University of Ulsan) ,  전태원 (Dept. of Electrical Engineering, University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposed the strategies for controlling both the heater temperature and the output voltage of a single-phase inverter for the heat treatment. The single-phase inverter system for the heat treatment controls the heater temperature to its reference one, and also it limits the inverter outpu...

주제어

#Heater temperature   #Heat treatment   #LC filter   #PWM inverter   #Voltage control  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그런데 히터온도 시정수는 약 3~4초이며 인버터 출력전압의 시정수는 약 50 msec로 히터온도와 인버터 출력전압의 시정수가 너무 차이가 나므로, 히터온도와 출력전압을 동시에 제어 시 안정성문제가 발생될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이 안정성 문제를 해결하기 위하여 먼저 시정수가 상당히 큰 히터온도를 기준온도를 기준으로 히스테리시스 온도범위 안에서 제어하는 히스테리시스 온/오프 제어방식을 제시하며, 또한 인버터 출력전압제어를 위하여 개루프 제어 방식과 폐루프 제어 방식을 각각 제시한다.
  • 본 논문에서는 변압기형 전력변압기의 문제점을 해결하기 위하여, 단상 PWM(Pulse width modulation) 인버터로 히터온도 및 출력전압을 동시에 제어하는 열처리용 전력변환장치를 개발한다. 이 열처리용 단상 PWM 인버터의 전력회로에서 단상인버터와 함께 인버터 출력전압 고조파성분을 감소시키기 위하여 LC필터를 사용한다.
  • 본 논문에서는 열처리용 인버터 시스템 특성에 적절한 LC필터를 설계하고, 히터온도 및 인버터 출력전압을 동시에 안정되게 제어하는 기법을 제시한다. 32-비트 DSP를 사용한 실험을 통하여 히터온도와 인버터 출력전압제어 기법의 성능을 검증한다.
  • 본 논문에서는 인버터 출력 전류의 방향에 따라 데드시간에의한 전압강하 분을 계산하는 방법을 기반으로 열처리용 인버터 시스템에서 데드시간에 의한 전압강하 값을 계산한다. 그림 6은 인버터 출력전압 및 출력전류 파형과 데드시간 td에 의해 발생되는 전압강하성분을 보인 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열처리용 전력변환장치의 출력전압을 60 V 이내로 제한하는 조건을 맞추기 위해 사용되는 장비와 특징은? 따라서 유럽국가에서는 감전 등 인명사고를 방지하기 위하여 열처리용 전력변환장치의 출력전압을 60 V 이내로 제한하고 있다. 이 조건을 맞추기 위하여 SCR 전력제어기대신 변압기형 전력변환장치를 사용하고 있다. 이 변압기형 전력변환장치는 전압 강하용 3상변압기와 각 상별 변압기 2차 측 권선에 각각 히터온도제어용 전자계폐기 또는 SCR을 연결한다. 이 변압기형 전력변환장치 앞단에 연결된 3상 변압기의 권선비를 조정하여 220V/440 V의 고압 교류입력전압을 60 V로 감소시킨 후, 각 상별 변압기 2차 측 권선에 연결된 전자개폐기 또는 SCR의 온/오프 동작으로 히터온도를 기준온도로 제어한다. 이 변압기형 전력변환 장치는 출력전압이 거의 정현파로 전력품질이 우수하며 히터온도제어가 쉽다는 장점이 있다.
SCR 전력제어기란? 용접대상에 따라 원하는 온도로 예열 및 후열을 하기 위하여 전류에 의해 열을 발생시키는 열선으로 구성된 세라믹 케이스 히터와 이 히터의 온도제어하기 위한 전력변환장치로 구성된다. 이 온도제어하기 위한 전력변환장치인 SCR (Silicon controller rectifier) 전력제어기는 SCR로 입력교류전압의 위상각을 제어하여 출력전압 크기를 제어할 수 있으므로 국내 열처리 작업 시 90% 이상 사용하는 장비이다[1]. 그런데 이 SCR 전력제어기의 입력 교류전압이 220 V 또는 440 V임에 따라, 출력전압 역시 최대 220 V 또는 440 V인 고압이 출력되므로 열처리 작업 중 감전 등 인명사고가 발생될 가능성이 있다.
구조물 용접부분의 급격한 온도상승을 방지하기 위한 방법은? 구조물 용접부분의 급격한 온도상승을 방지하기 위하여 용접 전에 용접부위에 온도를 상승시키는 예열과 용접 후 금속의 경도를 더 향상시키기 위하여 다시 가열하는 후열이 필요하다. 용접대상에 따라 원하는 온도로 예열 및 후열을 하기 위하여 전류에 의해 열을 발생시키는 열선으로 구성된 세라믹 케이스 히터와 이 히터의 온도제어하기 위한 전력변환장치로 구성된다.
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참고문헌 (13)

  1. R. Suguna, V. Usha, and S. Chidambaram, "A temperature control by using PID based SCR control system," IOSR-Journal of Electronics and Communication, vol. 9, no. 2, pp. 51-55. Mar.- Apr. 2014. 

  2. J. K. Steinke, "Use of an LC filter to achieve a motorfriendly performance of the PWM voltage source inverter", IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 14, no. 3, pp. 649-654, Sep. 1999. 

    상세보기 crossref

  3. H. S. Kim and S. K. Sul, "A novel filter design for output LC filters of PWM inverters", Journal of Power Electronics, vol. 11, no. 1, pp. 74-81, Jan. 2011. 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. Y. M. Chen, "Passive filter design using genetic algorithms", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, no. 1, pp. 202-207, Feb. 2003. 

    상세보기 crossref

  5. X. Wang, H. Lin, B. Feng, and Y. Lyu, "Damping of input LC filter resonance based on virtual resistor for matrix converter", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE ), pp. 3910-3916, Nov. 2012. 

  6. P. Mishra and R. Maheshwari, "Active damping control of induction motor drive with LC filter", IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), pp. 1-6, May. 2016. 

  7. D. A. R. Wati, "Design of type-2 fuzzy logic controller for air heater temperature control", International Conference on Science and Technology (TICST), pp. 360-365, Jan. 2015. 

  8. D. A. R. Wati and R. Hidayat, "Genetic algorithm-based PID parameters optimization for air heater temperature control", International Conference on Robotics, Biomimetics, Intelligent Computational Systems, pp. 30-34, Nov. 2013. 

  9. N. I. Septiani, I. Bayusari, Caroline, T. Haiyunnisa, and B. Y. Suprapto, "Optimization of PID control parameters with genetic algorithm plus fuzzy logic in stirred tank heater temperature control process", International Conference on Electrical Engineering and Computer Science (ICECOS), pp. 61-66, Aug. 2017. 

  10. K. Upamanyu, D. Venkatramanan, A. Adapa, and G. Narayanan, "Experimental study on the influence of dead-time on IGBT turn-off Characteristics in an inverter leg at high and low currents", India International Conference on Power Electronics (IICPE), pp. 1-5, Nov. 2016. 

  11. A. Guha and G. Narayanan, "Impact of dead time on inverter input current, DC-link dynamics, and light-load instability in rectifier-inverter-fed induction motor drives", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 2, pp. 1414-1424, Mar./Apr. 2018. 

    상세보기 crossref

  12. E. S. Kim, U. S. Seong, J. S. Lee, and S. H. Hwang, "Compensation of dead time effects in grid-tied single-phase inverter using SOGI", IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2633-2637, Mar, 2017. 

  13. Y. Murai, T. Watanabe, and H. Iwasaki, "Waveform distortion and correction circuit for PWM inverters with switching lag-times", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 23, no. 5, pp. 881-886, Sep. 1987. 

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