KR102009578B1 - 전기히터 제어용 하나 이상의 부하에 대한 측정 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히터를 사용하는 산업 기계장치에서 모든 히터가 정상적인 작용을 하고 있는지를 판단하기 위한 부하 검출 방법에 관한 것으로, 전체 홀 센서 및 컨버터 회로에서 도출된 값을 하나의 멀티플렉서 부품소자를 이용하여 순차적으로 측정한 후, 노이즈 필터 및 증폭회로를 통하여 지속적으로 제어 시스템에 공급하도록 하며, 제어 시스템에서는 순차적으로 들어오는 측정값을 활용하여 부하를 검출토록 함으로써 간단한 구성과 방법으로 효율적인 검출이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

Description

전기히터 제어용 하나 이상의 부하에 대한 측정 검출 방법{Measuring method for at least one load for electric heater control}

본 발명은 여러 개의 전기히터를 사용하는 산업용 기계장치에 있어서, 모든 히터가 정상적인 작용을 하고 있는지를 판단하기 위한 부하 검출 방법에 관한 것으로, 간단한 구성과 방법으로 효율적인 검출이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

주지된 바와 같이 각종 산업기계장치에서 원하는 온도를 얻기 위해 전기히터를 주로 사용하는데, 전기적인 히터의 종류에는 저항선 등에 전류를 흘려 발생하는 줄(J)열을 직접 이용하는 것(예: 일반 전열기, 저항로 등), 전구처럼 일단 가시광선 또는 적외선으로 하여 열을 전하는 것(예: 적외선 건조전구, 전기난로나 전기풍로의 일종, 레저 응용의 일부 등) 등이 있다. 즉 부하에 전압을 가하면 전류가 발생되고 전압의 양에 따라 전류의 변화도 일어나게 되므로 히터의 발열량을 조절할 수 있다.

이렇게 전압의 양을 조절하는 방법은 교류전압 및 직류 전압을 스위치를 이용하여 on/off 하는 방법과 무접점 반도체 소자를 이용하여 전압의 양을 조절하는 방법이 있다.

교류전압의 부하를 제어하는 방법은 다음과 같은 예가 있다.

[참고도 1] 교류전압의 부하제어 방법

상기 참고도 1은 교류 전압의 인가 시 제어방법에 따라 파형이 변하는 유형을 나타내고 있는데, 전압이 인가되면 스위치방식(일반 스위치 및 차단기, 마그네트스위치 등)은 ON 시점에서 바로 부하에 전압이 공급되며 OFF 시점에서 전압이 바로 공급되지 않는다. 스위치 방식은 기계식 부품으로 전압의 공급 시점에서 아크가 발생해 스위치의 접점 수명을 단축하는 단점이 있다. 사이클 방식 및 위상각방식은 무접점 반도체 소자(SSR 및 SCR, TRIAC 등)를 이용하는 방식으로 사이클 방식은 교류전압의 기준점을 중심으로 전압을 ON/OFF 하므로 아크 발생률이 현저하게 줄어들어 잡음이 많이 발생하는 장비를 위주로 많이 사용되는 방식이다. 위상각방식은 전압의 양만큼 각 파형에서 위상을 변화시켜 제어하는 방식이다.

그림에서는 약 50%의 제어를 예로 들어 나타내고 있다. 스위치 방식과 다른 점은 아크가 발생한다는 점은 비슷하지만 기계식방법과 반도체소자를 이용한다는 점에서 수명에 있어서 유리하고 부하에 보다 더 정밀하고 꾸준히 전압을 공급할 수 있는 장점이 있다.

부하의 이상 유무를 판단하는 방법은 여러 가지 방법이 쓰이나 보편적으로는 전류를 측정하는 전류센서나 전압을 측정하는 트렌스포머, 즉 변압기를 이용해 전류값 또는 전압값으로 부하의 이상 유무를 판단한다.

부하의 전류를 감지하는 방법은 썬트저항, 전류 센서등 여러 가지가 있으나 각종 장치의 분리 절연 및 안전의 이유로 전류센서는 보통 홀 센서를 이용한다. 또한 전압을 측정하는 방법으로는 주로 변압기를 이용하여 측정한다.

홀 센서로부터 전류값을 판단하는 방식은 보통 홀 효과를 이용한 것으로 홀 센서는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어 주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아낸다. 이때 발생된 전압은 전류차가 발생하는 효과를 이용하는 센서이다. 이때 발생된 전압은 전류와 자장의 세기에 비례하며, 전류가 일정할 경우 자장의 세기에 비례하는 출력을 발생하지만 전압이 약하기 때문에 증폭하여 사용한다.

[참고도 2] 위상제어 시 위상각에 따른 출력 파형

위상각제어방식은 전압의 양 만큼 각 파형에서 위상을 변화시켜 제어하는 방식이다. [참고도 2]에서는 25%, 50%, 75%, 100%의 제어를 예로 들어 나타내고 있다. 이처럼 위상제어란 교류 사인파에 대해 Turn On 되는 시간을 제어해서 전력제어를 하는 것을 의미한다.

[참고도 3] 홀 센서

[참고도 4] 홀 센서를 이용한 전류값 측정을 위한 기본 회로

상기 [참고도 3]과 같은 홀 센서를 이용해 [참고도 4]와 같은 시스템을 구성하면 도선에 흐르는 전류의 값을 측정하여 각종 이상 유무를 판단하는데 이용되어진다. 다수의 부하이면 각 부하별로 [참고도 3]과 같은 홀 센서를 이용하여 [그림 4]과 같은 기본적 인 회로를 이용하여 각 부하에 흐르는 전류값을 측정한다.

[참고도 5]

[참고도 6]

[참고도 7]

[참고도 5]는 앞에서 설명한 [참고도 4]의 기본 회로를 제어시스템에서 활용하는 기본적인 회로이다. 만약 도선에 흐르는 전압값을 측정하고자 하면 [참고도 6]과 같이 [C-T1]과 같이 변압기로 변환하면 된다. (이하 설명은 홀 센서를 이용한 예시로 진행한다.) [참고도 5]의 [D1]은 [C1]의 홀 센서에서 얻어지는 측정값은 전류값으로 [F1]의 제어시스템에서 쓰는 전압값으로 변환해야 한다. 홀 센서에서 얻어진 전류값을 전압으로 변환하여 [F1]의 제어시스템에서 활용한다.

[참고도 7]의 [A-A1]은 [B1]의 도선에 흐르는 전류의 파형을 나타낸다. [D1] 컨버터회로에서 얻어진 측정값은 [D-A1]의 파형과 같다. 즉 [A-A1]과 [D-A1]의 파형은 홀센서의 코일 비에 의해 감쇠효과와 전압레벨만 다를 뿐이지 출력의 주파수 및 파형의 형태는 같다. [F1]의 제어시스템에서 바로 사용 할 경우 교류회로의 특성상 주파수에의 의해 제어시스템의 마이크로프로세서에서는 샘플링 방식으로 측정값을 활용하거나 상당히 빠른 처리속도를 요해야 측정값을 활용할 수 있다. 샘플링 방식으로 사용할 경우는 샘플링 주기에 의해 신뢰성이 반영된다. 또한 각종 노이즈에 의해서도 제어시스템의 신뢰성이 하락 될 경우가 있다. [E1] 노이즈 필터 및 증폭 회로는 측정값의 신뢰성을 확보하기 위한 회로로써 노이즈 필터 회로, 증폭회로 및 파형 변환회로 등을 이용하여 [E-A1]의 파형과 같이 레벨전압 등으로 변환하여 각 종 제어시스템에 맞게 산출 및 변환하여 사용한다.

[참고도 8]

[참고도 8]과 같이 하나 이상의 다수의 멀티부하인 경우 [참고도 5]와 같은 기본 회로를 부하의 개수만큼 추가하여 사용한다. 하지만 [참고도 8]과 같은 일반 회로를 사용하면 부하의 전류의 양 및 종류에 따라 [라-A1]과 같이 0~100%의 구간별 측정값이 직선성이 아닌 커브효과로 상이하게 나타나고 제어시스템에서 마이크로프로세스가 각종 보정값을 미리 연산해서 사용한다. 다수의 같은 부하에서는 미리 테스트를 한 보정값을 적용해 사용은 가능하나 다수의 여러 가지 부하에는 미리 테스트를 한 보정값 적용에 많은 시간과 애로 사항이 있으며 부하 변동시 다시 테스트 값을 적용해야 한다.

[참고도 9]

[참고도 9]는 측정값 산출회로를 이용한 하나 이상의 부하를 가진 제어 회로로써 측정값 산출회로를 추가하여 하드웨어로 미리 보정값을 적용하거나 실효값 측정 회로를 적용해 [라-B1]과 같은 구간별 측정값을 확보할 수 있으며, 제어 시스템에서는 특별한 보정값을 적용하지 않아도 된다. 하지만 하드웨어의 부피와 하드웨어적인 테스트 보정값을 적용해야 하는 불편함이 있다. 이때 실효값을 측정하는 전용 반도체 소자를 이용하면 보다 더 정확한 측정이 가능하고 하드웨어적인 부피를 줄일 수 있으나 고가의 반도체소자로 인하여 제품의 단가가 상승하는 요인이 된다.

결국, 상기와 같은 종래 검출방법에 의하면 장비의 구성과 작동이 복잡해지는 것은 물론, 장비의 부피가 불필요하게 크게 되고 가격이 상승하게 되는 문제점을 갖는다. 또한 true rms(root-mean-square) 값을 측정하기 위해서는 true rms 회로를 이용하면 부피가 증가하여 각부품의 특징으로 인해 측정값이 상이하게 나오므로 신뢰성이 감소되고 true rms 전용 칩을 이용하게 되면 부피 및 신뢰성은 확보되지만 장치의 가격상승이라는 문제로 이어진다.

특허공개공보 10-2016-0121641(2016년10월20일)

상기 종래 하나 이상의 부하에 대한 측정 검출 방법의 문제점을 감안하여 안출한 본 발명은 검출을 위한 설비 구성을 간단히 함으로써 장치의 부피를 줄일 수 있으면서 설비제조 및 운영에 따르는 비용을 절감하며, 아울러 검출에 따르는 오차를 줄이고 정확도와 신뢰성을 향상시켜 다수의 전기히터들을 장착하여 운영하는 장비들에서 효율적인 제어가 가능하도록 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 전기 히터를 사용하는 산업기계에서 각 전기히터의 도선에 흐르는 전류 값을 홀 센서를 이용하여 측정한 후 컨버터 회로를 통하여 전압 값으로 변환한 후, 이를 제어 시스템에 공급하는 측정 검출 방법을 개선한 것이다.

즉, 전체 홀 센서 및 컨버터 회로에서 도출된 값을 하나의 멀티플렉서 부품소자를 이용하거나 또는 홀 센서 및 컨버터 회로를 임의의 숫자만큼씩 병합하여 하나의 멀티플렉서 부품소자를 통과하도록 하여 순차적으로 측정한 후, 노이즈 필터 및 증폭회로를 통하여 지속적으로 제어 시스템에 공급하도록 하며, 제어 시스템에서는 순차적으로 들어오는 측정값을 활용하여 부하를 검출토록 함을 특징으로 한다.

또한 멀티플렉스의 채널을 부하의 개수의 처음인 1번부터 지정하고, 측정값을 제어시스템에 맞게 활용을 하고, 부하의 개수, 즉 컨버터 개수의 마지막인지를 판단해 마지막이 아니면 기존 컨버터 채널 지정 위치의 +1을 해 증가하며, 만약 마지막 채널이면 마치고 다시 1번 채널부터 순차적으로 진행하는 제어 단계를 갖는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하면 하나 이상의 부하에 대한 각각의 부하 측정 시 하나의 회로(true rms chip)를 이용한 회로 또는 일반적인 회로)를 이용하여 다수의 부하를 측정하므로 장치의 부피 및 가격적 요인이 감소하게 되는 효과가 있다.

또한 하나의 true rms chip을 이용한 회로와 일반적인 측정 회로를 사용하여 각각의 부하단을 측정하고, 또 일반적인 측정회로를 이용하여 각 부하를 실시간으로 체크하고, True rms chip을 이용한 회로로 각각의 부하단을 순차적으로 측정하여 일반적인 측정회로를 이용한 average값과 비교하여 그 측정 오차를 해상도에 따라 보정함으로써 장치의 신뢰성이 확보되며 실시간 측정이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구성도
도 2는 도 1의 구동 순서도
도 3은 본 발명의 다른 실시 예시 구성도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예시 구성도
도 5는 도 4의 구동 순서도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예시도
도 7은 도 6의 구동 순서도

이하 본 발명을 구현하기 위한 바람직한 구성 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 하나 이상의 부하를 가진 제어 회로의 개선 회로로 측정값 산출회로를 하나만 사용하는 것을 보여준다. [바1]의 멀티플렉서 부품소자를 이용해 다수의 부하에서 나오는 각 컨버터회로의 측정값을 순차적으로 측정하여 지속적으로 제어 시스템에 공급한다. 제어 시스템에서는 순차적으로 들어오는 측정값을 활용하면 된다. 멀티플렉서 부품소자의 측정값은 측정값 산출회로 및 노이즈필터 및 증폭회로를 거쳐 제어시스템에 공급토록 한다.

도 2는 도 1의 하나 이상의 부하를 가진 제어 회로의 개선회로의 순서도이다. [순-A1]에서 멀티플렉스의 채널을 부하의 개수의 처음인 1번부터 지정하고, [순-B1]에서 측정값을 제어시스템에 맞게 활용(디스플레이 및 부하이상 체크 등)을 하고 [순-C1]에서 부하의 개수, 즉 컨버터 개수의 마지막인지를 판단해 마지 막이 아니면 [순-D1]에서 기존 컨버터 채널 지정 위치의 +1을 해 증가 한다. 만약 마지막 채널이면 마치고 다시 1번 채널부터 순차적으로 진행한다.

따라서 도 1은 기존의 [참고도 9]처럼 다수의 부하에 각각 측정값 산출회로 및 노이즈 필터 및 증폭회로를 쓰지 않고 측정값 산출회로와 노이즈 필터 및 증폭회로를 하나만 사용해 시스템의 단가 및 회로의 간편화를 개선한 제어 회로이다.

또한 제어시스템의 안정성 및 신뢰성 확보에도 만족한다. 만약 도 3과 같이 측정값 산출회로를 제외하고 사용하여도 된다. 하지만 참고도 8의 [라-A1]과 같이 0~100%의 구간별 측정값이 직선성이 아닌 커브효과로 상이하게 나타나는 현상으로 인해 제어시스템의 안정성 및 신뢰성 확보가 힘들다. 물론 현장의 시스템이 굳이 단순 에러체크만 한다면 도 3과 같이 측정값 산출회로를 제외하고 사용하여도 된다. 하지만 제어시스템의 안정성 및 신뢰성 부분에서는 도 1의 회로가 앞선다.

도 4는 앞서 개선된 하나 이상의 부하를 가진 제어 회로의 응용으로 보편적으로 멀티플렉서 부품소자는 8채널로 부하가 많은 회로에 적용할 수 있다. 만약 24 개의 부하를 측정한다면 센서 및 컨버터 회로를 24개의 부하에 맞게 적용하고 멀티 플렉서 부품소자를 3개를 사용하여 측정값 산출회로로 공급한다. 도 5는 개선된 하나 이상의 부하를 가진 제어 회로의 응용-1의 순서도로써 [순-E1]의 멀티플렉서 지정 및 [순-F1]과 [순-G1]의 멀티플렉서 지정의 판단을 추가한 부분이 있다.

도 6은 개선된 하나 이상의 부하를 가진 제어회로의 응용-2 회로와 도 7은 그 순서도이다. 도 4와 같이 측정될 부하의 개수가 많아지면 측정값 산출회로와 노이즈 필터 및 증폭회로를 거치면서 약간의 지연효과가 발생한다. 또 한 [참고도 7]의 [E-A1]과 같이 초기에 하드웨어 조건에 의해 안정화가 되기까지 지연효과가 발생한다.
도 6은 이러한 지연효과를 줄이고자 도 6의 [마2]의 측정값 산출회로 및 [다2]의 노이즈 필터 및 증폭회로를 추가하여 [마1], [다1]과 [마2], [다2]를 교대로 사용해 지연효과에 따르는 시간을 줄여준다. 즉, 측정값 산출회로#2 및 노이즈 필터 및 증폭회로#2를 추가하여 기존의 측정값 산출회로#1와 노이즈 필터 및 증폭회로#1와 더불어 추가된 측정값 산출회로#2 및 노이즈 필터 및 증폭회로#2를 교대로 사용하는 것이다.
이에 따라 측정값 산출회로와 노이즈 필터 및 증폭회로를 하나씩만 사용하는 방식보다 두 배 빠른 효과를 발생할 수 있다. 즉 사용자의 시스템에 맞게 적절하게 추가해서 제어시스템의 안정성 및 신뢰성 부분에서 보다 더 향상된 기능을 갖출 수 있는 것이다.
이에 따른 작용을 도 7에 의해 순서대로 살펴보면, 멀티플렉스의 채널을 부하의 개수의 처음인 1번부터 지정하고, 멀티플렉서 채널을 지정하고, 측정값을 제어시스템에 맞게 활용을 하고, 멀티플렉서 지정이 마지막인지를 판단하여 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서를 지정하는 단계로 돌아가고 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서 채널 지정이 마지막인가를 판단한다. 여기서 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서 채널을 지정하는 단계로 돌아가고 마지막이면 종료되도록 하는 단계로 이어진다.

Claims (3)

1. 다수의 전기 히터를 사용하는 산업기계에서 각 전기히터의 도선에 흐르는 전류 값을 홀 센서를 이용하여 측정한 후 컨버터 회로를 통하여 전압 값으로 변환한 후, 이를 제어 시스템에 공급하는 측정 검출 방법에 있어서,
   전체 홀 센서 및 컨버터 회로에서 도출된 값을 하나의 멀티플렉서 부품소자를 이용하거나 또는 홀 센서 및 컨버터 회로를 임의의 숫자만큼씩 병합하여 하나의 멀티플렉서 부품소자를 통과하도록 하여 순차적으로 측정한 후, 측정값은 측정값 산출회로#1를 통하여 노이즈 필터 및 증폭회로#1로 공급한 후 제어 시스템에 공급하도록 하며,
   측정될 부하의 개수가 많아지면 측정값 산출회로#1와 노이즈 필터 및 증폭회로#1를 거치면서 발생하는 약간의 지연효과와, 초기에 하드웨어 조건에 의해 안정화가 되기까지 발생하는 지연효과를 방지하기 위하여, 측정값 산출회로#2 및 노이즈 필터 및 증폭회로#2를 추가하여 기존의 측정값 산출회로#1와 노이즈 필터 및 증폭회로#1와 더불어 추가된 측정값 산출회로#2 및 노이즈 필터 및 증폭회로#2를 교대로 사용해 지연효과에 따르는 시간을 줄여주도록 하며,
   멀티플렉스의 채널을 부하의 개수의 처음인 1번부터 지정하고, 멀티플렉서 채널을 지정하고, 측정값을 제어시스템에 맞게 활용을 하고, 멀티플렉서 지정이 마지막인지를 판단하여 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서를 지정하는 단계로 돌아가고 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서 채널 지정이 마지막인가를 판단하여 마지막이 아니면 다시 멀티플렉서 채널을 지정하는 단계로 돌아가고 마지막이면 종료되도록 하는 제어단계를 갖는 것을 특징으로 하는 전기히터 제어용 하나 이상의 부하에 대한 측정 검출 방법.
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