설비기술/ 유도가열에 의한 에너지절약 및 응용설비
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
고주파 유도가열 열처리장치의 가열효율 분석
(주)피에스텍·생기원 생산기반기술본부
성환호·이재택·성병기·김갑환·박종덕·김성완
1.서 론
유도가열 전원장치는 금속의 표면강화 처리에 폭 넓게 이용되고 있다. 지금까지 대부분의 열처리와 관련된 사람들의 주관심사는 경화패턴에 관련된 것이었다. 사용되는 전원장치의 용량과 주파수 그리고 코일의 형태는 경화패턴에 중요한 영향을 미치므로 최적의 조건을 찾는 노력이 진행되어 왔지만 실제 전원장치의 가열효율이 어느 정도인지에 대해서는 크게 관심을 갖지 않았다.
여기에는 전원장치 제작사가 관련된 자료를 제공하지 않는 관행도 한 몫을 하였다. 효율을 문제 삼지 않는다면 전원장치 공급업체로서는 낮은 효율이 큰 이익을 보장해 주기 때문에 굳이 효율에 대한 정보를 제공할 필요가 없는 것이다.
이 논문에서는 유도가열 전원장치의 설계자의 관점에서 스위칭 소자의 종류에 따른 효율 차이, 회로방식에 따른 효율차이, 고주파 변압기와 변류기(Current Transformer, C/T)의 제작방법에 따른 효율 차이 등을 분석하고 최적의 가열 효율을 위해 전원장치의 어떤 특성을 개선하는 것이 적합한지를 분석하였다.

2.열처리용 유도가열 전원장치의 손실
2.1 유도가열 정원장치의 구성
금속의 경화처리에 이용되는 유도가열 전원장치는 대부분 주파수 50/60Hz인 3상 교류(AC, Alternate Current)전압원으로부터 에너지를 공급받는다. 전원장치 내에는 3상 교류전압원을 직류전압원(직렬공진형 인버터인 경우)이나 직류전류원(병렬공진형의 경우)으로 변환하는 컨버터(Converter)와 그 직류전원을 필요한 경화층의 깊이에 따라 적절한 고주파 교류전원으로 변환하는 인버터(Inverter)로 구성되어 있다.
그리고 가열코일의 역률을 개선하여 인버터의 용량을 줄이고 효율을 개선하기 위한 공진 콘덴서와 코일의 임피던스를 전원전압에 정합(Impedance Matching)시키기 위한 변압기(Transform, TR) 코일에서 전원장치까지의 도통 손실(Conduction Loss)을 줄이기 위한 변류기(Current Transformer, C/T) 등이 중요한 부분을 이루고 있다.
여기서 변압기와 변류기는 적절한 조건에서는 두 개의 기능이 하나로 합쳐질 수도 있다.
유도가열 전원장치에서는 거의 모두가 직렬공징형 또는 병렬공진형으로 인버터를 구성한다.

2.2 유도가열 전원장치내의 배선의 도통 손실
전기에너지를 전원으로부터 부하로 전달하기 위해서는 흔히 전선이라고 불리는 도체를 이용해 결선을 한다. 동은 금속 중에서 은 다음으로 전기 저항율(Resistivity)이 낮은 관계로 전선의 소재로 가장 널리 이용된다.
저항이 낮기는 하지만 없는 것은 아니므로 동으로 된 전선에도 I2R에 해당하는 열이 발생하게 된다.
전원장치내의 전체 부품과 부품들을 연결하는 도체에서 발생하는 손실을 도통 손실(Conduction Loss)이라 한다.


특히 고주파 전류가 흐르게 되면 표피효과(Skin Effect)와 근접효과(Proximity Effect)에 의해 직류전류가 흐를 때보다 저항이 증가하게 된다. 표피효과란 고주파 전류가 도체의 표면부근으로 집중해서 흐르는 현상이다.
표면전류의 e-1(36.8%)이 흐르는 깊이를 표피두께(Skin Depth) 또는 침투깊이(Penetration Depth)라고 한다. 표피두께는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
δ= 2ρ/μω = 503.3 ρ/μrf [m] (1)
여기서 ρ는 저항율[Ωm], μr은 비투자율(Relative Permeability), f는 주파수이다. 20kHz에서 동의 표피두께는 약 0.5㎜이므로 그보다 두꺼운 동으로 배선을 하여도 그 내부에는 전류가 전혀 흐르지 않는 것처럼 열이 난다. 근접효과는 가까이 있는 다른 도체의 전류로 인해서 전류가 한 쪽으로 치우쳐 흐르는 현상이다.
예를 들어 고주파 전류가 오고가는 두 도체를 겹치게 되면 전류는 두 도체가 마주보고 있는 면으로만 흐르게 된다. 전류가 흐르는 면적이 작아짐으로서 손실이 더욱 증가하게 된다.
표피효과와 근접효과로 인해 고주파 전원장치 전체적으로 부품 사이의 연결로 인해 생기는 손실을 주파수에 비례하여 증가하게 된다.
전원장치 내부의 배선 손실은 적절한 배선이 이루어지면 통상 1∼1%를 넘지 않는다. 그러나 지나치게 얇은 동선을 이용하거나 고주파임에도 불구하고 부스 판(Bus Plate)을 이용하지 않으면 그 손실은 크게 증가하게 된다. 적절한 배선자재를 이용하더라도 배치가 적합하지 않으면 그 손실은 커질 수 있다.
전원장치와 변류기를 연결하는데 쓰이는 수냉 케이블이 그 대표적인 예인데 수십 kHz 이상의 고주파 전류가 흐르는 수냉 케이블은 내부의 전선을 일반적인 나동선이 아닌 리쯔 와이어(Litz Wire)를 이용해서 제작해야 한다.
리쯔 와이어란 에나멜 절연 코팅이 된 얇은 동선을 꼬아서 만든 전선으로 표피효과와 근접효과로 인한 추가 발열을 거의 없앨 수 있다.

2.2.1 스위칭 소자의 도통 손실과 스위칭 손실


그림 3.1의 컨버터의 Q1∼Q6, 인버터의 S1∼S4를 스위칭 소자라고 부른다. 스위칭 소자란 전기에너지를 단속하는(Turn-On, Turn-Off할 수 있는) 스위치처럼 전기에너지를 전기적인 신호로 단속할 수 있는 소자를 말한다. 유도가열에 주로 이용되는 수위칭 소자에는 SCR, IGBT, MOSFET 등의 반도체 소자와 진공관이 있다.
소자의 양단에 전류가 흐르게 되면 SCR에는 VT, IGBT의 경우에는 CCE,SAT의 포화전압 만큼의 전압강하가 발생하여 그 포화전압과 흐르는 평균전류의 곱만큼의 도통 손실이 발생하게 된다. MOSFET의 경우에는 소자양단에 전류가 흐르게 되면 저항과 같은 특성을 갖는다.
도통했을 경우에 MOSFET 양단의 저항을 RDS,ON이라고 하는데 흐르는 실효전류의 제곱에 RDS,ON을 곱한 만큼의 열이 발생하게 된다. 이러한 스위칭 소자의 도통 손실은 인버터 출력의 1∼3 정도로 설계하는 것이 보통이다. 손실을 줄이기 위해서는 대용량 소자를 이용하면 되는데 이는 스위칭손실의 증가와 제작단가의 상승을 의미한다.
고주파 전원장치에서는 스위칭 소자의 도통 손실보다는 스위칭 손실이 차지하는 비중이 더 크다고 할 수 있다. 스위칭 소자는 이상적인 스위치가 아닌 관계로 ON/OFF하는 속도에 제한이 있다. 소자내의 전류가 증가하고 하강하는데 일정한 시간이 소요되고 인가된 전압도 마찬가지이다.
그림 2.1처럼 ON/OFF를 반복할 때 전압과 전류가 모두 0이 아닌 구간이 반드시 발생하여 0이 아닌 전압과 전류의 곱만큼의 손실이 발생하는데 이것을 스위칭 손실이라고 한다. 스위칭 손실은 스위칭 주파수에 정비례하게 된다. 각 스위칭 소자는 구조적인 특성으로 인하여 스위칭 주파수에 한계를 갖는다. 불가능한 것은 아니지만 스위칭 손실이 인버터 출력의 5% 이상이 되면 적절하다고 할 수 없다.
SCR의 최대 주파수는 10kHz, IGBT는 100kHz, MOSFET은 1MHz 정도이다. 그러나 동일한 면적의 반도체 칩으로 흘릴 수 있는 최대전류는 최대 스위칭 주파수와는 반대이다.
진공관의 경우에는 스위칭 컨버터가 아니라 선형증폭기(Linear Amplifier) 방식의 전원장치이다. 선형증폭기란 소자가 항상 도통 상태에 있으면서 전류를 많이 흘렸다 작게 흘렸다 하는 방법으로 부하에 에너지를 전달한다. 따라서 스위칭 컨버터에 비해서 도통 손실이 매우 크다. 진공관의 도통 손실은 인버터 출력의 40% 정도를 차지하게 된다.
따라서 진공관을 이용한 고주파 인버터의 경우에는 최대 효율이 60%를 넘지 못한다. 적절한 설계를 했을 경우의 각 스위칭 소자별 전력용량과 주파수 영역을 그림 2.2에 표시하였다.

2.3 변압기와 변류기의 손실
같은 변압기임에도 불구하고 유도가열 전원장치에서 변압기와 변류기를 구별하는 이유는 회로상의 위치 때문이다. 일반적으로 엄밀한 구별이 있는 것은 아니지만 변압기가 공진 콘덴서와 가열코일 앞에 위치하면 변압기, 공진콘덴서와 가열코일 사이에 위치하면 변류기라는 용어를 사용한다. 변압기는 인버터 출력과 동일한 출력용량을 가지면 되지만 변류기는 그렇지 못하다.
가열코일 주변에는 시편의 가열에 필요한 자속뿐만 아니라 시편과 쇄교(Linkage)하지 않는 불필요한 누설 자속(Leakage Flux)도 필연적으로 발생하게 된다. 그 누설 자속으로 인해 발생하는 무효전력(Imaginary Power)을 보상하기 위해 공진콘덴서를 이용한다. 즉 가열코일이 필요로 하는 무효전력을 인버터가 아닌 공진 콘덴서에 저장된 에너지로 공급하게 함으로써 인버터의 역률을 개선하는 것이다.
따라서 공진콘덴서와 가열코일 사이에 위치한 변류기는 출력전력 뿐만 아니라 공진 콘덴서와 가열코일이 주고받는 무효전력도 전달해야 한다. 부하의 임피던스를 전원전압과 정합시키기 동일한 기능을 수행하기 위한 것이지만 출력용량은 출력전력과 무효전력의 합을 가져야 한다.
공진회로에서 그 무효전력과 출력전력의 비를 Q(Quality Factor, ωL/R)라고 한다. 변류기는 출력전력의 (Q+1)배의 용량을 가져야 한다.
일반적인 고주파 열처리장치에서 Q는 3∼5 정도이다. 코일 제작을 잘못하면 그보다 더 커질 수도 있다.
고주파 변압기에서 발생하는 손실은 권선에서 발생하는 동손(Copper Loss)과 코어(Core)에서 발생하는 철손(Core Loss)이다. 수십kHz 이상의 고주파 변압기의 코어는 대분 훼라이트 코어를 이용한다. 훼라이트 코어의 경우에는 적절한 권선수만 유지하면 철손은 심각한 문제가 되지는 않지만 동손은 권선 방법에 따라 표피효과와 근접효과로 인한 손실이 기하급수적으로 증가하므로 적절한 설계를 해야 한다.
시판되는 고주파 변압기의 효율은 80∼95%까지 다양하다.
특히 변류기의 경우에는 효율이 전체 가열효율에 절대적인 영향을 미친다. Q가 5이고 가열코일 출력이 100kW인 경우에 변류기의 효율이 90%라면 코일의 출력전력 100kW를 위해 변류기에는 600kW의 전력이 오가게 되고 거기에 따른 손실은 60kW가 된다. 인버터의 나머지 손실이 0이라고 하더라도 인버터의 가열효율은 100/160=62.5% 밖에 되지 않는다.
Q가 큰 경우에는 변류기를 잘못 설계하면 이로 인한 효율 저하가 유도가열 전원장치 전체 손실의 대부분을 차지하게 된다.

2.4 가열코일의 손실
유도가열 전원장치에서 가열코일의 손실은 전력밀도에 비례하게 된다. 전력밀도란 인버터의 출력전력을 가열코일과 마주하고 있는 시편의 표면적으로 나눈 것이다. 전력밀도가 높으면 단위출력을 내기 위한 가열코일의 도통손실이 커지게 되는 것이다.
유도 용해로나 빌렛 가열기 등의 큰 가열코일과는 달리 열처리용 가열코일은 경화층의 깊이와 경화 패턴을 위해 최대한 짧은 시간 내에 급속가열을 해야 하므로 전력밀도를 높일 수밖에 없다.
다른 유도가열 전원장치에 비해 가열효율이 저하되는 것이다. 통상 가열코일의 손실은 전력밀도에 따라 다르지만 약 30% 전후로 본다.

3.고주파 유도가열 열처리장치의 가열효율
> 2장의 분석에서 각 부분별 효율을 모두 곱하게 되면 고주파 유도가열 열처리장치 전체의 효율을 구할 수 있다. 2장에서 언급하지 않은 부분은 컨버터 부분이다. SCR을 이용한 위상제어 정류기(Phase Controlled Rectifier)는 상용주파수에 맞추어 SCR을 구동하기 때문에 SCR의 스위칭 손실은 아주 작아서 변환효율은 SCR의 도통손실만 고려하면 된다.
SCR의 포화전압 VT는 약 1.5V정도이고 두 SCR이 직렬로 보이므로 전체 전압강하는 약 3V이고 전원전압이 3상 440VAC인 경우에 정류전압은 약 600V이므로 도통손실은 약 0.5%이다.
입력필터(Lf, Cf)에서는 Lf의 도통손실, Cf의 등가저항으로 인한 발열 등을 합쳐서 적절한 설계를 했을 경우에 손실 0.5% 미만이 가능하다. Cf의 손실계수는 사양서에 명시되는 수치로는 0.1% 미만이지만 실제로는 그것의 몇 분의 밀 정도로 작아진다. 그러나 필요한 사양에 미치지 못하는(예를 들어 등가 인덕턴스가 큰) 콘덴서를 채택하게 되면 손실은 수 %를 넘게 되고 결국은 콘덴서가 파괴된다.
입력필터의 손실을 0.5%로 한 것은 적절한 콘덴서의 선정이 이루어 졌다는 전제이다. Lf도 동을 넉넉히 사용하여 효율에 대한 고려를 해야 한다.
인버터의 경우에는 그림 2.2의 적정 주파수 영역의 가운데 정도의 주파수에서의 설계를 기준으로 효율을 산정하였다. IGBT의 경우에 최근에 시판되는 작은 용량의 경우에 최대 200kHz까지도 가능하지만 그 대역에서는 스위칭 손실이 커져서 효율이 저하되게 된다.
대용량 IGBT의 경우에는 10∼20kHz 영역 내에서는 인버터 효율 96%의 설계가 가능하다. MOSFET의 경우도 마찬가지이다. 도통 손실을 줄이기 위해 대용량의 소자를 이용하면 스위칭 손실이 증가하게 된다.

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