유도 가열기
Induction heater인덕션 히터는 모든 형태의 인덕션 난방에 사용되는 핵심 장비다.일반적으로 유도 히터는 중주파수(MF) 또는 무선주파수(RF) 범위에서 작동한다.[1]
현대식 유도 히터의 기본을 이루는 4개의 주요 구성 요소 시스템
작동 방식
유도난방은 강한 자기장을 이용하여 전도체를 가열하는 비접촉식 방법이다.공급(마인) 주파수 50Hz 또는 60Hz 유도 히터는 일반적으로 낮은 표면 온도가 요구되는 낮은 전력 산업 용도에 대해 전기 공급 장치에서 직접 공급되는 코일을 포함한다.일부 특수 유도 히터는 항공우주 전력 주파수인 400Hz에서 작동한다.
유도 가열은 두 개의 가열 시스템이 대부분 서로 매우 다르기 때문에 유도 요리와 혼동해서는 안 된다.특히 유도 가열(일명 단조) 시스템은 긴 금속 막대와 시트로 작동하여 2500 °C의 온도까지 끌어올려 작업한다.
주 장비 구성품
유도 히터는 일반적으로 세 가지 요소로 구성된다.
동력 장치
흔히 인버터 또는 제너레이터라고 한다.시스템의 이 부분은 주전원 주파수를 취하여 10Hz ~ 400kHz 사이의 어느 곳으로든 증가시키는 데 사용된다.장치 시스템의 일반적인 출력 전력은 2 kW ~ 500 kW이다.[2]
작업 헤드
이것은 콘덴서와 변압기의 조합을 포함하고 있으며 동력 장치를 작업 코일에 결합하는 데 사용된다.[3]
작업 코일
인덕터라고도 알려진 코일은 동력 장치와 작업 헤드의 에너지를 작업물로 전달하기 위해 사용된다.인덕터는 만드렐 주위에 감긴 구리 튜브의 여러 회전으로 구성된 단순한 상처 솔레노이드에서부터 단단한 구리로부터 가공되고, 브레이징 및 납땜된 정밀 품목에 이르기까지 복잡성이 다양하다.인덕터가 난방이 일어나는 영역인 만큼 코일 디자인은 시스템의 가장 중요한 요소 중 하나이며 그 자체로 과학이다.[4]
정의들
무선 주파수(RF) 유도 발전기는 100kHz에서 최대 10MHz까지 주파수 범위에서 작동한다.대부분의 유도 가열 장치(유도 주파수 제어 포함)는 주파수 범위가 100kHz~200kHz이다.출력 범위는 일반적으로 2.5 kW ~ 40 kW를 포함한다.이 범위의 유도 히터는 엔진 밸브의 유도 강화와 같은 작은 구성 요소 및 용도에 사용된다.[5]
MF 유도 발전기는 1kHz에서 10kHz까지 작동한다.출력 범위는 일반적으로 50 kW ~ 500 kW를 포함한다.이 범위 내의 유도 히터는 중간에서 큰 구성 요소 및 축의 유도 단조와 같은 용도에 사용된다.[1]
주전원(또는 공급) 주파수 유도 코일은 표준 AC 공급 장치에서 직접 구동된다.대부분의 주파수 유도 코일은 단상 작동을 위해 설계되었으며, 드럼 히터와 같이 국소화 가열 또는 저온 표면 영역 난방을 위한 저전류 장치다.
역사
유도 가열과 관련된 기본 원리는 1831년 마이클 패러데이에 의해 발견되었다.패러데이의 작업은 배터리에 의해 제공되는 교환식 DC 공급과 철심 둘레에 감긴 구리선 두 개의 권선의 사용을 포함했다.스위치를 닫을 때 순간 전류가 2차 권선에 흐르는데, 이는 전류를 통해 측정할 수 있다.회로에 전원이 공급되면 전류가 흐르지 않게 된다.스위치를 열었을 때 전류가 2차 권선으로 다시 흐르지만 반대 방향으로 흘렀다.패러데이는 두 권선 사이에 물리적인 연계가 존재하지 않았기 때문에 2차 코일의 전류는 반드시 첫 번째 코일에서 유도된 전압에 의해 발생해야 하며, 생성된 전류가 자속 변화 속도에 정비례한다고 결론지었다.[6]
처음에 이 원칙들은 라미네이트 코어의 사용에 의해 바람직하지 않은 난방 효과가 제어되는 변압기, 모터 및 발전기의 설계에 사용되도록 사용되었다.
20세기 초 기술자들은 강철 용융을 목적으로 유도의 열 발생 특성을 활용할 수 있는 방법을 찾기 시작했다.이 초기 작업은 모터 발전기를 사용하여 중주파수(MF) 전류를 만들었지만 적절한 크기의 교류발전기와 콘덴서가 부족하여 초기 시도를 저지하였다.그러나, 1927년까지 최초의 MF 유도 용해 시스템이 EFCO에 의해 영국 셰필드 지역에 설치되었다.
거의 동시에 미국 미드베일 스틸과 오하이오 크랭크축 회사의 엔지니어들은 크랭크축에서 국부적인 표면 케이스 경화를 만들기 위해 MF 전류의 표면 가열 효과를 사용하려고 시도했다.이 작업의 대부분은 1920년과 3000Hz의 주파수에서 발생했는데, 이는 장비를 사용할 수 있는 상태에서 생산하기 가장 쉬운 주파수였기 때문이다.많은 기술 기반 분야와 마찬가지로, 차량 부품과 군수품 생산에 있어 유도 가열 활용에 큰 발전을 가져온 것은 제2차 세계 대전의 도래였다.[7]
시간이 지남에 따라, 유도 단조 및 대형 유도 강화 애플리케이션에서 600kW의 출력 전력으로 3~10kHz 주파수 범위의 기술이 발전하고 유닛이 보편화되었다.모터 발전기는 1960년대 후반과 1970년대 초의 고전압 반도체가 등장할 때까지 MF 발전의 주축이 될 것이다.
진화 과정 초기에 엔지니어는 더 높은 무선 주파수 범위의 장비를 생산할 수 있는 능력이 더 큰 유연성을 가져오고 전체 범위의 대체 애플리케이션을 개방할 것이라는 것이 명백해졌다.200~400kHz 범위에서 작동하기 위해 이러한 더 높은 RF 전원 공급 장치를 생산하기 위한 방법을 모색했다.
이 특정 주파수 범위의 개발은 항상 무선 송신기와 텔레비전 방송 산업의 발전을 반영해 왔으며 실제로 이러한 목적을 위해 개발된 부품들을 종종 사용해 왔다.초기 유닛들은 스파크 갭 기술을 이용했지만, 제한 때문에 접근방식은 다중 전자 열전극 3극기(밸브) 기반 오실레이터의 사용으로 빠르게 대체되었다.실제로 업계의 선구자들 중 다수는 라디오와 통신 산업에도 매우 관여했고 필립스, 잉글리시 일렉트릭, 레디폰과 같은 회사들은 1950년대와 1960년대에 모두 유도 난방 장비 제조에 관여했다.
이 기술의 사용은 1990년대 초반까지 존속되었고, 그 시점에서는 파워 MOSFET와 IGBT 솔리드 스테이트 장비로 대체되었다.그러나 여전히 많은 밸브 오실레이터가 존재하며, 5MHz 이상의 극한 주파수에서는 유일하게 실행 가능한 접근법이 되어 여전히 생산되는 경우가 많다.[8]
주파수 유도 히터는 부품이나 강철 용기를 배치 공정 라인의 일부로 가열해야 하는 복사 난방에 비해 상대적으로 저렴한 비용과 열 효율 때문에 제조 산업 전반에 걸쳐 여전히 널리 사용되고 있다.
밸브 오실레이터 기반 전원 공급 장치
그것의 유연성과 잠재적 주파수 범위 때문에, 밸브 오실레이터 기반 유도 히터는 근년까지 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되었다.[9]1 kW ~ 1 MW의 전력과 100 kHz ~ 많은 MHz의 주파수 범위에서 쉽게 구할 수 있는 이 유형의 장치는 납땜 및 브레이징, 유도 강화, 튜브 용접 및 유도 수축 피팅을 포함한 수천 가지 용도에 광범위하게 사용된다는 것을 발견했다.단위는 다음과 같은 세 가지 기본 요소로 구성된다.
고전압 DC 전원 공급 장치
DC(직류) 전원 공급 장치는 표준 공기 또는 수냉식 스텝업 변압기와 오실레이터에 전력을 공급하기 위해 일반적으로 5 - 10 kV 사이의 전압을 생성할 수 있는 고전압 정류기로 구성된다.오실레이터에 필요한 전류를 공급하려면 장치를 정확한 킬로볼트 암페어(kVA)로 정격해야 한다.초기 정류기 시스템에는 GXU4(고전압 고전압 반파 정류기)와 같은 밸브 정류기가 등장했지만, 이는 결국 고전압 솔리드 스테이트 정류기로 대체되었다.[10]
셀프 신나는 클래스 'C' 발진기
오실레이터 회로는 상승 주파수 전류를 생성하는데, 이 전류를 작업 코일에 적용하면 부품을 가열하는 자기장이 생성된다.회로의 기본 요소는 인덕턴스(탱크 코일)와 캐패시턴스(탱크 캐패시터)와 오실레이터 밸브다.기본적인 전기 원리는 콘덴서와 인덕터를 포함하는 회로에 전압을 가할 경우 회로가 밀린 스윙과 동일한 방식으로 진동한다는 것을 지시한다.적절한 때에 다시 밀지 않으면 스윙이 점차 멈추게 될 우리의 스윙을 비유로 삼는 것은 오실레이터도 마찬가지다.밸브의 목적은 에너지가 진동을 유지하기 위해 정확한 시간에 오실레이터로 전달되도록 하는 스위치의 역할을 하는 것이다.전환 시간을 맞추기 위해 소량의 에너지를 3중극의 그리드에 다시 공급하여 기기를 효과적으로 차단하거나 점화시키거나 정확한 시간에 수행하도록 한다.소위 격자 편향이라고 불리는 이 그리드 편향은 오실레이터가 콜핏스, 하틀리 오실레이터, 암스트롱 티클러 또는 마이스너인지에 따라 정전적으로 또는 전도적으로 또는 유도적으로 도출될 수 있다.[11]
전원 제어 수단
시스템에 대한 전원 제어는 다양한 방법으로 달성할 수 있다.많은 후기 장치는 입력 변압기에 대한 기본 전압을 변화시키는 전파 AC(대체 전류) 드라이브를 통해 작동하는 사이리스터 전원 제어를 특징으로 한다.더 전통적인 방법으로는 입력 전압을 제어하기 위한 세 가지 위상 변수(자동변수) 또는 모터 구동식 브렌트포드형 전압 조절기가 있다.또 다른 매우 인기 있는 방법은 1차 권선과 2차 권선이 공극으로 분리된 2차 권선 탱크 코일을 사용하는 것이었다.전력 제어는 두 코일을 서로 상대적으로 물리적으로 이동시킴으로써 두 코일의 자기 결합을 변화시킴으로써 영향을 받았다.[12]
솔리드 스테이트 전원 공급 장치
유도 가열 초기에는 최대 10 kHz의 MF 출력을 생산하기 위해 모터-제너레이터를 광범위하게 사용하였다.AC 발전기를 구동하는 표준 유도 모터를 사용해 150Hz와 같은 공급 주파수의 배수를 생성할 수 있지만 한계가 있다.이러한 유형의 발전기는 로터 장착형 권선을 특징으로 하여 이들 권선의 원심력 때문에 로터의 주변 속도를 제한하였다.이는 기계의 직경을 제한하고, 따라서 기계의 동력과 물리적으로 수용할 수 있는 극의 수를 제한하여 최대 작동 주파수를 제한하는 효과가 있었다.[13]
이러한 한계를 극복하기 위해 유도 가열 산업은 인덕터-제너레이터로 전환되었다.이 유형의 기계는 주먹으로 때린 철 층을 쌓아 만든 톱니형 로터가 특징이다.호기 및 AC 권선은 모두 스테이터에 장착되며, 따라서 로터는 위의 표준 AC 발전기보다 높은 주변 속도로 회전할 수 있는 소형 고체 구조로, 주어진 RPM에서 더 큰 직경을 허용한다.이 더 큰 직경은 더 많은 극을 수용할 수 있도록 하며, 1 - 10 kHz의 주파수 생성을 허용하는 로렌츠 게이지 조건이나 가이 슬롯팅과 같은 복잡한 슬롯팅 배열과 결합할 때 허용된다.
모든 회전하는 전기 기계와 마찬가지로, 고속 회전 속도와 작은 간격을 활용하여 플럭스 변동을 극대화한다.이를 위해서는 이용되는 베어링의 품질과 로터의 강성과 정확성에 세심한 주의를 기울여야 한다.교류 발전기의 구동력은 일반적으로 표준 유도 모터에 의해 제공되어 관례와 단순성을 보장한다.수직 및 수평 구성이 모두 사용되며 대부분의 경우 모터 로터와 발전기 로터는 커플링이 없는 공통 축에 장착된다.그런 다음 전체 어셈블리를 모터 스테이터와 제너레이터 스테이터를 포함하는 프레임에 장착한다.전체 구조는 필요에 따라 열 교환기와 수냉 시스템을 갖춘 큐비클에 장착된다.
모터-제너레이터는 1970년대 초 솔리드 스테이트 기술이 등장하기 전까지 중주파 발전이 주축이 되었다.
1970년대 초 솔리드 스테이트 스위칭 기술의 등장은 기존의 유도 난방 발전 방식에서 변화를 보였다.초기에는 이것은 이산형 전자 제어 시스템을 사용하여 'MF 범위의 주파수'를 생성하기 위한 사이리스터의 사용으로 제한되었다.
기술 단위는 현재 SCR(실리콘 제어 정류기),[14] IGBT 또는 MOSFET 기술을 사용하여 'MF' 및 'RF' 전류를 생성한다.현대식 제어 시스템은 일반적으로 PIC, PLC(프로그래밍 가능 논리 제어기) 기술 및 인쇄 회로 기판 생산을 위한 표면 탑재 제조 기법을 이용하는 디지털 마이크로프로세서 기반 시스템이다.솔리드 스테이트는 현재 시장을 지배하고 있으며, 이중 주파수 단위를 포함하여 1kHz에서 3MHz까지의 주파수에서 1kW에서 많은 메가와트까지의 단위를 사용할 수 있다.[8]
반도체를 이용한 MF·RF전원 발전에는 전 범위의 기법이 채용되고, 실제 채택되는 기법은 복잡한 범위에 따라 좌우되는 경우가 많다.일반적인 발전기는 전류 또는 전압 공급 위상 중 하나를 사용한다.채택된 실제 접근방식은 요구되는 전력, 빈도, 개별 애플리케이션, 초기 비용 및 후속 실행 비용의 기능이 될 것이다.그러나 채택된 접근법과 관계없이 모든 단위는 다음과 같은 네 가지 요소를 특징으로 하는 경향이 있다.[15]
AC-DC 정류기
이것은 주전원 공급 전압을 취하여 50 또는 60 Hz의 공급 주파수에서 변환하고 또한 'DC'로 변환한다.이것은 가변 DC 전압, 고정 DC 전압 또는 가변 DC 전류를 공급할 수 있다.가변 시스템의 경우, 시스템에 대한 전체적인 전원 제어 기능을 제공하기 위해 사용된다.고정 전압 정류기는 전력 제어의 대체 수단과 함께 사용할 필요가 있다.이는 인버터 섹션 내의 다양한 제어 방법을 사용하여 스위치 모드 조절기 또는 를 사용하여 수행할 수 있다.
DC-AC 인버터
인버터는 DC 공급을 관련 주파수에서 단상 AC 출력으로 변환한다.이것은 SCR, IGBT 또는 MOSFETs가 특징이며 대부분의 경우 H-브릿지로 구성된다.H-브릿지는 각각 스위치가 달린 4개의 다리를 가지고 있으며, 출력 회로는 장치 중앙을 가로질러 연결되어 있다.관련 스위치 2개가 닫힌 전류가 한 방향으로 부하를 통과하면 이들 스위치가 열리고 반대쪽 스위치 2개가 닫히면서 전류가 반대 방향으로 흐르게 된다.스위치의 개폐 타이밍을 정밀하게 맞추면 부하 회로에 진동을 지속할 수 있다.
출력 회로
출력 회로는 인버터의 출력을 코일에 필요한 출력과 일치시키는 작업을 한다.이것은 가장 간단한 형태의 콘덴서가 될 수도 있고 어떤 경우에는 콘덴서와 변압기의 조합이 될 수도 있다.
제어 시스템
제어 섹션은 부하 회로, 인버터의 모든 파라미터를 모니터링하고 적절한 시간에 스위칭 펄스를 공급하여 출력 회로에 에너지를 공급한다.초기 시스템은 스위칭 시간, 전류 한계, 전압 한계치 및 주파수 트립을 조정하기 위해 가변 전위차계를 가진 이산형 전자장치를 특징으로 했다.그러나 마이크로컨트롤러 기술의 등장으로 현재 대부분의 첨단 시스템은 디지털 제어 기능을 갖추고 있다.
전압 공급 인버터
전압 공급 인버터는 인버터 입력에 필터 캐패시터와 직렬 공명 출력 회로가 있다.전압 공급 시스템은 매우 인기가 있으며 최대 10kHz의 주파수까지 SCR, 최대 100kHz의 IGBT, 최대 3MHz의 MOSFET와 함께 사용할 수 있다.병렬 부하에 직렬로 연결된 전압 공급 인버터를 제3의 순서 시스템이라고도 한다.기본적으로 이것은 솔리드 스테이트와 유사하지만, 이 시스템에서는 직렬로 연결된 내부 콘덴서와 인덕터가 병렬 출력 탱크 회로에 연결되어 있다.이러한 유형의 시스템의 주요 장점은 내부 회로가 효과적으로 출력 회로를 차단하여 전환부품이 코일 플래시 오버 또는 불일치로 인해 손상되기 쉽기 때문에 인버터의 강건성이라는 것이다.[16]
전류식 인버터
전류 공급 인버터는 가변 DC 입력에 이어 인버터 브리지 입력에 대형 인덕터를 사용한다는 점에서 전압 공급 시스템과 다르다.전원 회로는 병렬 공명 회로를 특징으로 하며 일반적으로 1kHz ~ 1MHz의 작동 주파수를 가질 수 있다.전압 공급 시스템과 마찬가지로 SCR은 일반적으로 최대 10kHz까지 사용되며 IGBT와 MOSFET는 더 높은 주파수에서 사용된다.[17]
적절한 재료
적절한 재료는 투과성이 높은 재료(100-500)로 해당 재료의 퀴리 온도 이하로 가열된다.
참고 항목
참조
메모들
참고 문헌 목록
- Rudnev, Valery; Loveless, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Handbook of Induction Heating, CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.
