설비기술/ 고주파 유도 가열장치의 개요
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고주파 유도 가열장치의 개요
1. 서론
우리나라에서 사용되고 있는 산업로용 에너지는 산업용 공급전력의 57%를 상회할 만큼 대량의 전력을 차지하고 있다.
이것은 가열장치의 종류에 따라 그 효율이 약 15%에서 80%까지 크게 차이가 있으므로 낭비되고 있는 에너지도 그만큼 크다고 할 수 있다.
따라서, 에너지 절약의 지표는 바로 효율이 높은 가열장치의 개발, 보급에 있다고 할 수 있다.

최근에는 에너지절약 뿐만 아니라 환경오염 규제 때문에도 화석연료를 사용하는 가열로 또는 열처리로는 점차 줄어들어 부득이한 경우 또는 특별한 경우에만 사용되고 있으며, 효율이 우수하고, 자동화, 생산성 향상, 품질 고급화 등으로 고주파 유도가열장치의 수요가 크게 증가되고 있는 경향이다.

고주파 유도가열장치는 1920년대 말부터 미국의 AJAX에서 산업용 용해로 개발에 시작으로 INDUCTOTHERM, AMERICAN INDUCTION, PILLAR, 영국의 NEWELCO, RADYNE, 독일의 SIEMENS, AEG, 스위스의 BBC, 일본의 고주파 열연, EME, 니흔 덴꼬, 스페인의 G.H-ELIN 등에서 '60년대에 들어와 반도체 기술의 혁신적인 발전으로 대용량 사이리스터가 개발되면서 본격적으로 산업용으로 생산, 보급되기 시작하여 발전 성장해 왔다.

현재에 이르러서는 미국, 영국 등은 관련 산업의 퇴조와 더불어 자국내 공급이 성장, 포화기를 거쳐 쇠퇴기에 도달한 상태에 있다.
따라서, 외국 시장 특히 한국 등 동남아 시장개척에 집중적인 노력을 보이고, 경쟁 기종에 대해서는 저가공급 공세를 취하고 있다.

2. 기술 동향
(1)기술의 개요
1) 역사적 배경
미국의 노즈 스랏푸 박사가 소위 “아작스 수라푸”로를 시작한 것이 1916년의 일이다. 이 로는 용해할 금속의 도가니를 소레노리형의 코일속에 놓은 무철심형의 용해로로 현재까지 그 원리를 이용하고 있다. 같은 시기에 “와이얏트"씨는 변압기의 2차를 용해금속체로 단락회로를 형성시킨 slot형 저주파로 즉 수직 V slot형식에 의해 공업화에 성공하였다.

일반적으로 가열이란 산업에 있어서 기본적인 수단이지만, 가열 자체가 최종적인 목적이 아니다. 예로 합금을 만들 목적으로 금속을 가열하여 용해하는 수으로 사용되므로 가열이란 응용적인 의미를 가지고 있다. 1916년 이래 약 70년 동안의 공업발전은 놀라운 성장을 하여 왔다. 그중에 유도가열은 전기라는 고품질의 에너지를 저품위의 열로 변환하는 것이기 때문에 그 응용은 고급수단으로 인식되어졌다.

초창기의 유도가열은 금속을 용해하는 목적으로 응용되었으나, 고주파전류의 표피작용을 이용하여 금속체의 표면을 국부적으로 급속 가열한 후 즉시 급냉한 금속의 표면강화가 주목되어 1930년대에 TOCCO식 고주파 소입법이 실용화 되었다. 그 후 제2차 대전에 의해서 무선통신 분야가 부각되면서 통신기기용 전원장치가 급속히 발전되어 장파에서 증파에 더우기 단파영역까지 진출하여 급속한 성장을 거듭하면서 대출력 송신관의 개발을 부채질 하였다.

이들의 대형 송신관은 대전종결을 경계로 하여 공업용에 전용되어 전사관에 의한 자력발전기로서, 주파수로 볼 때 400khz까지, 출력 100KW을 넘는 본격적인 고주파가열이 공업에 이용되었다.
전후 게르마늄 트란지스터의 발명으로 반도체에 관한 기술이 눈부시게 발전하여 1960년대에 들어와 대용량 사이리스터가 개발 완료되어 여러 형태의 사이리스터 Inverter회로가 고안된 결과 자기주파수정배기, 고주파전동발전기가 자취를 감추기 시작하는 상황에 이르렀다.

유도가열은 직접적으로 부하의 피열체에 전력을 투입하는 가열코일부, 여기에 필요한 주파수의 전력을 공급하는 전원부 그리고 프로세서가 요하는 제어동작 등으로 system화가 된다.
그중에서도 공통적인 요소, 더우기 최근까지 연구개발을 시도하고 있는 전원부(고주파 Inverter)는 유도가열 system에서의 심장부로 향후 다양한 기술개발이 기대되고 있다. <표 1>은 공업전력용 전원장치의 역사적 변천을 보여주고 있다.

2)고주파 가열의 원리
모든 유도가열(induction heating)의 기본인 전자계 유도는 1831년 Michael Faraday에 의해 밝혀지고, 이 이론은 지난 160년간 전동기, 변압기 및 라디오방송 등에 응용되었다.
이 이론은 1차회로에 교번전류가 흐르면 2차측 회로에 자속이 쇄교하여 전류가 흐른다는 것으로 이 이론을 바탕으로 근접한 도체에 흐르는 유도전류에 의하여 가열하는 것을 고주파 가열이라고 한다.

이 유도전류는 1868년 포커트(Foucauit)에 의해 제시된 와전류(Eddy Current Loss)과 가열재의 자화곡선(Hysterisis Loop)에 의해 히스테리시스 손실(Hysterisis Loss)과 함께 발열을 일으키는 근거가 된다. 고주파 가열은 전기를 직접적인 에너지원으로 하며 크게 유도가열(induction heating)과 유전가열(dielectric heating)들로 구분된다.

일반적으로 유도가열은 금속물질을 가열하는데 이용되며, 비금속 물질의 가열에는 유전가열을 이용한다. 유도가열시 사용되는 전원의 주파수는 60Hz에서 1MHz 정도인데 반해 유전가열은 10MHZ이상의 microwave region의 주파수 전원이 이용된다. 고주파 가열장치의 전력범위는 수백 watts에서 수 Mega watts로 그 범위가 용도에 따라 대단히 광범위하며 그에 따른 에너지 변환기술 응용기술도 다양하다.

고주파 가열전원장치의 개발에는 고도의 power switching 기술이 필요하다. 그러나 국내 산업계에서는 기술 수준의 빈약으로 개발보다 필요에 따라 수입에 의존하고 있으며 관련 학계에서도 이의 연구에는 대부분 미흡한 실정이다.
이러한 국내외적인 배경으로 볼 때, 이 분야에 대한 연구개발은 국가적인 차원에서도 그 필요성이 요구되고 있다.

3) 고주파 가열의 분류
고주파가열은 피가열재의 물리적 성질에 따라 크게 유도가열과 유전가열로 나누어지며, 전자는 도전성 금속을 가열하는데 사용하며 후자는 유전손실이 있는 재료, 즉 물, 종이, 플라스틱 등을 가열하는데 주로 이용한다. 또한 가열하는 전원의 주파수에 따라 분류하면 <표2> 같다.

특히, 고주파유도가열에 이용되는 주파수는 더욱 세분화하여 저주파(사용주파 50/60HZ) 및, 중주파(100HZ~10KZ), 고주파(10Khz~500Khz), 라디오주파(100 kZ~500Khz)라 하며 특히 중주파, 고주파, 라디오주파를 이용한 가열을 고주파 가열이라 한다.



4) 고주파 유도가열의 장점
가. 표면소입의 경우
1.특정부위만 급속히 가열하므로 재료비와 가공비가 절감된다.
2.작업시간의 단축과 자동화가 가능하다.
3.공해 발생이 적다.
4.극히 얕은 소입깊이도 얻을 수 있으므로 정밀 처리가 가능하다.
5.소입깊이의 조절이 가능하다.
6.국부 가열이 가능하다.
7.질량효과가 경감된다.
8.침탄 등에 비하여 양질의 소입효과를 얻을 수 있다.
나. 단조가열의 경우
1.균일한 가열온도로 급속하게 가열할 수 있다.
2.스케일(scale) 발생이 적고 입자의 조대화와 탈탄이 적어 양질의 가열을 할 수 있다.
3.Tack system 작업이 가능하다.
4.품질관리가 용이하다.
5.공해발생이 적다.
6.기동, 정지가 순간적으로 가능하며 필요할 때 즉시 사용이 가능하다.



5)고주파 유도가열의 응용분야 1.Through-heating
2.Forming and annealing
3.Surface hardening
4.Soldening
5.Braging
6.Tube welding
7.Vessel heating
8.Semiconductor processing
9.Induction melting


3. 선진국의 기술 동향
1) Static Inverter
최근에 static thyristor inverter개발은 유도가열장치의 부하에 고주파수의 전력을 공급하기 위해 많은 관심을 끌고 있다. 이는 종래의 motor-generator set에 비해 가격이 저렴할 뿐아니라 기술적인 면에서도 우위를 점하고 있기 때문이다.
즉, static inverter는 가동부분이 없으므로 마모나 maintenance가 필요없다. 더욱이 motor-generator set보다 가볍고, 설치면적이 적다.

효율도 91-93%로 M-G set보다 높다. 한편, static inverter의 출력주파수는 부하변동에 따라 자동적으로 주파수 변환이 가능하며 보상된(compensated)부하의 역률이 1.0에 가깝다. 따라서 부하변동에 따른 역률보상용 capacitor를 스위치 ON, OFF할 필요가 없다.

①Current-fed inverter의 기본원리
이 전류형 inverter는 <그림1>로 그 원리를 쉽게 설명할 수 있다. smooth한 연속 전류가 DC전원으로부터 inductor를 통해 inverter terminal에 공급되면, 이 DC 전류는 thyristor를 쌍으로 1과 2 또는 3과 4를 교대로 triggening시켜 반대극성으로 출력회로에 공급된다.
이 결과 출력전류는 필연적으로 구형파를 가지게 되며, 각 thyristor는 총 출력싸이클의 반주기 동안 도전하게 된다.



반면 출력전압파형은 이 구형파의 전류를 공급할 수 있는 임의의 파형이 될 수 있다. 원리적으로는 출력회로의 형태가 여러가지가 될 수 있으나 적어도 다음의 두 가지는 만족시켜야 한다.

첫째, 기본출력 주파수에서 phase angle은 leading으로 되어 한쌍의 thyristor에서 다음쌍으로의 commutation시 지장이 없어야 한다.
둘째, 출력회로의 임피던스가 고주파수의 hamonics에 대해 충분히 낮아야 한다. 그렇지 않으면 실질적인 구형파의 전류를 얻기 어렵고 회로가 필요한 대로 동작하지 않는다.

②병렬로 보상된 부하를 가지는 전류형 Inverter
유도가열 work coil의 임피던스는 유도성(inductive)이 강하므로 전원의 reactive 부하를 최소화 하기 위해서는 capacitor를 연결하여 보상할 필요가 있다. 가장많이 쓰이는 방법으로는 (그림3)과 같이 워크코일과 병렬로 콘덴서를 연결하여 보상하고 있으나 부하변동에 따른 과보상 문제도 있다. 이 회로는 (그림4)와 같이 구성된다.

Work coil의 Q값이 크면 구형파의 전류가 이 보상된 부하에 인가되면 정현파의 전압을 인가한 결과같이 나타난다. Capacitor 보상후에도 회로의 stray 인덕턴스 때문에 인버터의 출력단에 약간의 인덕턴스 성분이 나타나게 되고, 이는 thyristor의 전류상승률을 제한하는데 유용하다.

Inverter의 DC source는 input이 3이상 60Hz인 6-pulse 또는 12-pluse thyristor phase-controlled bridge rectifier를 사용하게 되는데, DC 출력단에서의 평균전압은 연속적으로 triggering angle을 제어하여 uncontrolled 3상 bridge 정류기에서 얻어지는 최대 전압부터 0전압까지 얻을 수 있다.

이 가변전압이 필요한 이는 다음의 두가지를 들 수 있다.
첫째, 제어가 쉬운 고주파 출력전압과 전력을 공급해 주고,
둘째, inverter의 input전류를 고속으로 제어할 수 있다.
실제 과도상태하에서 전류가 계속 흐르고 있을 때 input converter의 출력 전압을 reverse시켜 smoothing inductor에 저장되어 있던 에너지를 교류전원에 환원시킬 수 있다.
그리하여 과부하나, 고장조건에서 빠른 보호 수단을 강구할 수 있다. invertertriggening 펄스의 timing을 결정하는 방법은 아주 중요한 부분이다.

이론적으로는 inverter의 동작주파수가 독립적인 oscillator에 의해 결정될 수 있어서 확실히 정해질 수 있고 보상용 capacitor를 잘 조정하면 필요한 leading load phase angle을 얻을 수 있으리라 생각되지만 실제로는 그런 제어접근법은 바람직스럽지 못하고 동작되지 않는다.

그 이유는 work coil의 변수의 작은 변화라도 고정된 주파수 동작에서는 보상된 부하의 위상제어에 상대적으로 큰 변화를 유발시키기 때문이다. 실제로 work coil의 전기적 특성은 heat cycle동안 상당히 변하므로, 고정된 주파수로 동작되는 converter의 동작 위성각 범위가 넓어 inverter의 commutation failure나 system collapse의 원인이 된다.



③직.병렬 보상부하를 가지는 current-fed inverter
위에 기술한 회로와 다른 점은 (그림 5)에 보이는 바와 같이 병렬로 보상된 회로에 ca-pacitor가 직렬로 연결된 점이다. 이 회로 또한 current fed inverter의 기본조건을 만족한다. 이 회로는 단순히 capacitor기 병렬로 연결되어 보상된 회로보다 inverter의 starting이 매우 높은 동작 주파수에서도 가능한 장점이 있다.

두번째로는 응용부분에 따라 매우 유용할 수 있는 특성으로서, 이 직렬 capacitor는 부하전압의 크기에 상관없이 current-dependent Commutation을 가능케하여 주므로써 어느 전압 크기에서나 전정격전류를 Commutation 할 수 있는 능력을 갖도록 해준다.
반면 이 회로의 단점으로는 기본 병렬 회로에 비해서 직렬 capactior 값이 고정되면 동작 주파수의 범위가 제한된다는 점이다.



  • Inverter의 고주파 운전
    위의 두 inverter의 경우 경제적 동작 주파수의 상한은 3.5-4KHz이며 thyistor의 turn-off시간에 의해 제한된다. 고속 스위칭 power thyristor의 최소 turn-off 간은 20uSec이며 이는 4kHz이상의 주파수에서 경제적으로 device로 이용 하기에는 너무 긴 시간이다.

    정상적인 inverter 회로 동작에서 원천적인 문제는 전류의 완전한 commutation이 적어도 thyristor turn-off시간만큼 출력전압의 zerocrossing보다 앞서야 한다는 점이다.
    따라서 주파수가 증가함에 따라서 최소 요구 출력 전압과 전류간의 lead angle이 증가하므로 inverter의 주어진 전압, 전류에 대해 주파수의 증가에 따라 사용할 수 있는 inverter의 출력은 줄어든다.

    많은 유도가열장치는 4kHz이상의 주파수 때로는 10kHz에서 상당량의 전력(100kw이상)이 요구된다. 확실한 것은 이러한 고주파 전력을 static inverter로 경제적으로 공급하기 위해서는 thyristor의 turn-off시간이 기본적 제한요소가 되지않는 새로운 형태의 회로가 필요하다.
    유도가열에 있어서, voltage-fed inverter는 current-fed형에 비해 실질적용에 있어서 thy-ristor의 di/dt특성에 있어서 여러 가지 단점을 가지고 있다.

  • 전체 제어 Scheme
    주로 사용되는 제어 scheme은 그림 6과 같으며, 주 제어 loop는 고주파 출력전압을 제어하는 closed loop를 형성한다. 물론 이 전압제어 loop는 전력 또는 온도제어 loop로 대체될 수 있다. 또 전체 system은 한 개의 inner loop를 가지는데 이 loop는 두가지 목적으로 사용된다.

    하나는Inverter 입력전류를 요구치 만큼 손쉽게 제안해 준다. 즉 전류값의 명령치인 I*의 최대값을 제안하여 간단하게 실현할 수 있다. 둘째로는 병렬로 연결된 converter간의 부하분담을 정확하게 해준다. 이는 같은 전류명령치를 모든 converter에 주어서 실현시킬 수 있는 것이다.



    ⑥고장검출 및 보호기능
    모든 scheme은 과부하나 고장에 대해 완전히 보호되어야 하는데 가장 중요한 두가지를 들면 과전류(over current)와 과전압(overvoltage)이다.

    1.Overcurrent
    정상 상태에서 inverter 입력전류는 미리 설정된 어느값까지 자동으로 제한되며 이 전류값은 초과할 수 없다.
    그러나, 부하 순간 단락과 같은 고장에서는 inverter의 입력전류가 이 설정된 값을 초과할 수 있다. 이와같이 전류가 큰 폭으로 변하면 고장조건이 되어 가능한 한 빨리 system을 shut down해야 한다.

    이는 전류의 상승을 검출하여 설정된 trip치를 초과하면 즉시 전류 명령치(I*)가 zero가 되도록하여 제어를 구성할 수 있다. 이때 DC 입력 converter의 전압을 inverting mode로 전환하는 방법에 의해 DC 전압의 극성을 바꾸어 (60Hz의 1/2 cycle이내) 입력전류를 ms 시간내에 감소시킬 수 있다.
    이 신속한 조치를 통해서 출력 측에서의 단락전류에 의한 thyristor나 입력 계통에 심각한 과부하없이 해결할 수 있다. 이러한 고장조건이 사라지면 converter의 logic제어회로를 reset하여 재가동할 수 있도록 한다.

    2.Overvoltage
    Inverter의 DC 입력과 출력단에서의 전압은 work coil은 갑작스런 개방과 같은 고장에 대해서 정상 피이크 동작전압을 초과하게 되는데, 이와같은 전압의 상승은 smoothing indutor가 흐르는 전류를 계속 유지하여야 하기 때문이다. 이에 대한 대책으로는 dc 전류에 대해 저 임피던스 회로를 구성할 수 있다.

    과전압 방지 회로는 과전압을 감지하여 해당 thyristor의 triggening을 재구성하고 전류를 기동회로로 들어가게 하며 전류 명령치(1*)를 zero로 clamp하여 converter를 shut down하게 된다. 이 신속한 방법을 통해서 과전압으로부터 system의 과전압 절대치를 정상 피이크 전압의 10% 이내로 제한할 수 있다.

    ⑦EMI와 EMC
    고주파 가열에 쓰이는 주파수는 이름 그대로 고주파의 전력을 사용하므로 무선통신, 무선표식, 방송 등에 유도장해에 문제점을 야기하는데, 일본의 전파법이나 미국의 FCC 등에 의해 엄격히 규제되고 있다. 이들 장치 부근에서는 강력한 전자파가 있으므로 가까이 설치되어 있는 전자기기는 방해를 많이 받는다. 그러나 이 전자파는 지속파이므로 이를 제시하는데는 그리 힘들지 않다.

    1.유도가열장치
    유도가열장치의 고주파 출력은 수 KW에서 수백 KW로 크고, 사용주 파수가 대부분 450KHz이하로 일본의 경우 전파법에 의해 100m-60db{μV/m}이하로 정해져 있다. 이를 3m의 거리로 환산하면, 150db가 되고 수m의 선로에서는 100V에 가까운 전압을 유지하게 되므로 이들선로가 전자기기에 접촉되더라도 방해를 주지 않도록 해야 한다.

    2.유전가열장치
    유전가열장치의 고주파출력은 1~100KW로 크며 사용주파수는 6~80MHz것이 주로 사용된다. 일본의 경우 전자파의 외부누설은 100m~40db[μV/m]이하로 정해져 있으나 산업용에 해당하는 주파수는 13.56MHz, 27.12MHz, 40.68MHz의 방사는 제한되어 있지 않다. 그러므로 이 주파수를 사용한 장치의 주위 전계는 150db이상도 허용된다. 이들 장치 부근에 있는 선로에는 수백V의 전압을 유가할 가능성도 있다.

    3.전파장해방지대책
    전자기기를 전계가 강한 곳에 설치하면, 방해전파는 기기에 직접 침입한다. 이 때문에 전자기기는 금속판으로 완전하게 shield해야 한다. 온도상승방지를 위한 통풍구가 있는 경우는 직경 10mm이하의 원형으로 한다. 선로나 제어선로는 강자계내에 놓이면 해파를 유기하여 기기에 유입본체에 완전히 earth시킨다.

    선로의 shield인 입구에는 관통 콘덴사로 방해파 저 지가 불가능하면 filter를 사용한다. filter를 조건에 맞지 않는 특성의 것을 사용하면 역효과가 되는 경우도 있다. 수 MHZ이상의 주파수에서는 fernte dead에 선을 관통시키면 효과가 있다. Ferrite ning에 선을 수회감고 여기에 병렬로 200~300의 저항을 접속한 것을 선로에 직렬로 집어넣어도 좋다.
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