유도 가열기

유도 가열기 또는 인덕션 히터(induction heater)는 모든 형태의 유도가열에 사용되는 핵심 장비이다. 일반적으로 유도 가열기는 중주파수(MF) 또는 무선 주파수(RF) 범위에서 작동한다.Rudnev, p. 229.

현대 유도 가열기의 기본을 이루는 네 가지 주요 구성 요소 시스템
 제어 시스템, 제어판 또는 ON/OFF 스위치; 경우에 따라 이 시스템이 없을 수도 있다
 전원 장치(인버터)
 작업 헤드(변압기)
 그리고 가열 코일(유도자)

작동 방식
유도 가열은 강한 자기장을 이용하여 전도성 물체를 비접촉 방식으로 가열하는 방법이다. 전원(주전원) 주파수 50 Hz 또는 60 Hz 유도 가열기는 전력 공급 장치에서 직접 공급되는 코일을 포함하며, 일반적으로 낮은 표면 온도가 필요한 저전력 산업용 애플리케이션에 사용된다. 일부 특수 유도 가열기는 항공우주 전력 주파수인 400 Hz에서 작동한다.

유도 가열은 유도 요리와 혼동해서는 안 된다. 두 가열 시스템은 물리적으로 서로 매우 다르기 때문이다. 특히, 유도 가열 시스템은 강자성 물질에 교류 자기장을 인가하여 물질에 교류를 유도하고, 이로 인해 물질 내의 원자가 여기되어 가열되는 방식으로 작동한다.

주요 장비 구성 요소
유도 가열기는 일반적으로 세 가지 요소로 구성된다.

전원 장치
종종 인버터 또는 발전기라고 불린다. 이 시스템의 이 부분은 주전원 주파수를 받아 10 Hz에서 400 kHz 사이로 높이는 데 사용된다. 단위 시스템의 일반적인 출력 전력은 2 kW에서 500 kW이다.Rudnev, p. 627.

작업 헤드
이것은 축전기와 변압기의 조합을 포함하며 전원 장치를 작업 코일에 연결하는 데 사용된다.Rudnev, p. 628.

작업 코일
유도자라고도 불리는 코일은 전원 장치와 작업 헤드에서 작업물로 에너지를 전달하는 데 사용된다. 유도자는 맨드릴 주위에 여러 번 감은 구리 튜브로 구성된 간단한 감긴 솔레노이드부터 고체 구리에서 정밀 가공되고 납땜 및 접합된 정밀 품목에 이르기까지 복잡성이 다양하다. 유도자는 가열이 일어나는 영역이므로 코일 설계는 시스템의 가장 중요한 요소 중 하나이며 그 자체로 과학이다.Rudnev, p. 629.

정의
무선 주파수(RF) 유도 발전기는 100 kHz에서 10 MHz까지의 주파수 범위에서 작동한다. 대부분의 유도 가열 장치(유도 주파수 제어 포함)는 100 kHz에서 200 kHz의 주파수 범위를 가진다. 출력 범위는 일반적으로 2.5 kW에서 40 kW를 포함한다. 이 범위의 유도 가열기는 엔진 밸브의 유도 경화와 같은 소형 부품 및 애플리케이션에 사용된다.Rudnev, p. 227.

MF 유도 발전기는 1 kHz에서 10 kHz까지 작동한다. 출력 범위는 일반적으로 50 kW에서 500 kW를 포함한다. 이 범위 내의 유도 가열기는 샤프트의 유도 단조와 같은 중형에서 대형 부품 및 애플리케이션에 사용된다.

주전원(또는 공급) 주파수 유도 코일은 표준 교류 공급 장치에서 직접 구동된다. 대부분의 주전원 주파수 유도 코일은 단상 작동을 위해 설계되었으며, 드럼 히터와 같이 국부적인 가열 또는 저온 표면 영역 가열을 위한 저전류 장치이다.

역사
유도 가열과 관련된 기본 원리는 1831년에 마이클 패러데이에 의해 발견되었다. 패러데이의 작업은 배터리에 의해 제공되는 스위치식 직류 공급 장치와 철심 주위에 감긴 두 개의 구리선 권선을 사용하는 것을 포함했다. 스위치가 닫혔을 때 2차 권선에 순간적인 전류가 흘렀고, 이는 검류계를 사용하여 측정할 수 있었다. 회로가 계속 작동하면 전류는 흐르지 않았다. 스위치를 열면 2차 권선에 다시 전류가 흘렀지만 반대 방향이었다. 패러데이는 두 권선 사이에 물리적인 연결이 없으므로 2차 코일의 전류는 첫 번째 코일에서 유도된 전압에 의해 발생하며, 생성된 전류는 자기 선속의 변화율에 정비례한다고 결론지었다.Rudnev, p. 1.

초기에는 이 원리가 변압기, 전동기 및 발전기 설계에 적용되었는데, 여기서는 적층 코어를 사용하여 원치 않는 가열 효과를 제어했다.

20세기 초, 엔지니어들은 강철을 녹이는 목적으로 전자기 유도의 열 발생 특성을 활용하는 방법을 찾기 시작했다. 이 초기 작업은 전동 발전기를 사용하여 중주파(MF) 전류를 생성했지만, 적절한 교류 발전기와 올바른 크기의 축전기가 부족하여 초기 시도는 지연되었다. 그러나 1927년에는 영국 셰필드의 EFCO에서 최초의 MF 유도 용해 시스템이 설치되었다.

거의 동시에 미국의 미드베일 강철과 오하이오 크랭크샤프트 회사의 엔지니어들은 MF 전류의 표면 가열 효과를 사용하여 크랭크축의 국부적인 표면 침탄 경화를 생성하려고 시도하고 있었다. 이 작업의 대부분은 1920 Hz와 3000 Hz 주파수에서 이루어졌는데, 이는 사용 가능한 장비로 생산하기 가장 쉬운 주파수였기 때문이다. 많은 기술 기반 분야와 마찬가지로 제2차 세계 대전의 발발은 차량 부품 및 군수품 생산에서 유도 가열의 활용에 엄청난 발전을 가져왔다.Rudnev, p. 2.

시간이 지남에 따라 기술은 발전했고, 3에서 10 kHz 주파수 범위에서 최대 600 kW의 출력 전력을 가진 장치들이 유도 단조 및 대형 유도 경화 애플리케이션에서 일반화되었다. 전동 발전기는 1960년대 후반과 1970년대 초반에 고전압 반도체가 등장할 때까지 MF 전력 생성의 주축으로 남았다.

초기 진화 과정에서 엔지니어들은 더 높은 무선 주파수 범위의 장비를 생산하는 능력이 더 큰 유연성을 가져오고 완전히 새로운 범위의 대체 애플리케이션을 열어줄 것이라는 점을 명백하게 알게 되었다. 200에서 400 kHz 범위에서 작동하는 이러한 더 높은 RF 전원 공급 장치를 생산하는 방법이 모색되었다.

이 특정 주파수 범위의 개발은 항상 라디오 송신기 및 텔레비전 방송 산업의 개발과 유사했으며, 실제로 이 목적으로 개발된 부품을 자주 사용했다. 초기 장치는 불꽃 방전 갭 기술을 사용했지만, 제한 사항으로 인해 이 접근 방식은 다중 전극 열전자 3극 진공관 (진공관) 기반 발진기의 사용으로 빠르게 대체되었다. 실제로 이 산업의 많은 선구자들은 라디오 및 통신 산업에도 깊이 관여했으며, 필립스, 잉글리시 일렉트릭 및 레드폰과 같은 회사들은 모두 1950년대와 1960년대에 유도 가열 장비 제조에 참여했다.

이 기술은 1990년대 초까지 사용되었으며, 그 시점에서 이 기술은 거의 MOSFET 및 IGBT 고체 전자공학 장비로 대체되었다. 그러나 여전히 많은 진공관 진동 발진기가 존재하며, 5 MHz 이상의 극단적인 주파수에서는 종종 유일한 실행 가능한 접근 방식이며 여전히 생산되고 있다.Rudnev, p. 632.

주파수 유도 히터는 배치 공정 라인의 일부로 부품이나 강철 용기를 가열해야 하는 복사 가열에 비해 비교적 저렴한 비용과 열효율 때문에 제조 산업 전반에 걸쳐 여전히 널리 사용된다.

진공관 발진기 기반 전원 공급 장치
유연성과 잠재적인 주파수 범위 덕분에 진공관 발진기 기반 유도 가열기는 최근 몇 년 전까지 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되었다.Rudnev, p. 635. 1 kW에서 1 MW까지의 전력과 100 kHz에서 여러 MHz까지의 주파수 범위에서 쉽게 구할 수 있는 이 유형의 장치는 납땜 및 브레이징, 유도 경화, 튜브 용접 및 유도 수축 이음쇠를 포함한 수천 가지 응용 분야에서 널리 사용되었다. 이 장치는 세 가지 기본 요소로 구성된다.

고전압 직류 전원 공급 장치
직류(DC) 전원 공급 장치는 표준 공기 또는 수냉식 승압 변압기와 발진기에 전력을 공급하기 위해 일반적으로 5에서 10 kV 사이의 전압을 생성할 수 있는 고전압 정류기 장치로 구성된다. 이 장치는 발진기에 필요한 전류를 공급하기 위해 올바른 킬로볼트-암페어(kVA) 등급을 가져야 한다. 초기 정류기 시스템은 GXU4 (고전력 고전압 반파 정류기)와 같은 진공관 정류기를 특징으로 했지만, 이들은 결국 고전압 고체 정류기로 대체되었다.Rudnev, p. 636.

자려식 C급 발진기
발진기 회로는 상승된 주파수의 전류를 생성하는 역할을 하며, 이 전류는 작업 코일에 인가될 때 부품을 가열하는 자기장을 생성한다. 회로의 기본 요소는 유도계수(탱크 코일)와 전기 용량(탱크 축전기) 및 발진기 밸브이다. 기본적인 전기 원리는 축전기와 유도자를 포함하는 회로에 전압이 가해지면 회로가 밀린 그네와 매우 유사한 방식으로 진동한다는 것을 지시한다. 우리의 그네를 비유로 사용하면, 제때 다시 밀지 않으면 그네는 점차 멈출 것이고, 이는 발진기와 동일하다. 밸브의 목적은 진동을 유지하기 위해 올바른 시간에 발진기로 에너지가 통과할 수 있도록 하는 스위치 역할을 하는 것이다. 스위칭 시간을 맞추기 위해 소량의 에너지가 3극 진공관의 그리드로 다시 공급되어 효과적으로 장치를 차단하거나 발화시키거나 올바른 시간에 전도되도록 한다. 이 소위 그리드 바이어스는 발진기가 콜피츠, 하틀리 발진기, 암스트롱 티클러 또는 마이스너인지에 따라 용량성, 전도성 또는 유도성으로 얻을 수 있다.Rudnev, p. 690.

전력 제어 수단
시스템의 전력 제어는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 많은 최신 장치들은 사이리스터 전력 제어를 특징으로 하는데, 이는 완전파 교류(AC) 구동을 통해 입력 변압기로의 1차 전압을 변화시키는 방식으로 작동한다. 더 전통적인 방법에는 입력 전압을 제어하기 위한 3상전력 가변변압기(단권변압기) 또는 전동 브렌트포드형 전압 조정기가 포함된다. 또 다른 매우 인기 있는 방법은 공극으로 분리된 1차 및 2차 권선을 가진 두 부분으로 된 탱크 코일을 사용하는 것이었다. 전력 제어는 두 코일을 물리적으로 서로 상대적으로 이동시켜 자기 결합을 변화시키는 방식으로 이루어졌다.Rudnev, p. 478.

고체 전원 공급 장치
유도 가열 초기에는 전동 발전기가 10 kHz까지의 MF 전력 생산에 광범위하게 사용되었다. 표준 유도 전동기가 교류 발전기를 구동하여 150 Hz와 같은 공급 주파수의 배수를 생성하는 것이 가능하지만, 한계가 있다. 이 유형의 발전기는 회전자에 장착된 권선을 특징으로 하는데, 이는 이 권선에 가해지는 원심력 때문에 회전자의 주변 속도를 제한했다. 이는 기계의 직경, 따라서 전력 및 물리적으로 수용할 수 있는 극의 수를 제한하는 효과를 가졌으며, 이는 다시 최대 작동 주파수를 제한했다.Rudnev, p. 652.

이러한 한계를 극복하기 위해 유도 가열 산업은 유도 발전기로 전환했다. 이 유형의 기계는 천공된 철 라미네이션 스택으로 구성된 톱니 모양의 회전자를 특징으로 한다. 여자 및 교류 권선은 모두 고정자에 장착되므로 회전자는 표준 교류 발전기보다 더 높은 주변 속도로 회전할 수 있는 컴팩트한 고체 구조이며, 따라서 주어진 분당 회전수에 대해 더 큰 직경을 가질 수 있다. 이 더 큰 직경은 더 많은 수의 극을 수용할 수 있게 하며, 로렌츠 게이지 조건 또는 가이 슬로팅과 같은 복잡한 슬롯팅 배열과 결합될 때 1에서 10 kHz까지의 주파수를 생성할 수 있다.

모든 회전하는 전기 기계와 마찬가지로, 높은 회전 속도와 작은 간극은 자속 변화를 최대화하기 위해 활용된다. 이는 사용되는 베어링의 품질과 회전자의 강성 및 정확도에 세심한 주의를 기울여야 함을 의미한다. 교류 발전기의 구동은 일반적으로 관습과 단순성을 위해 표준 유도 전동기에 의해 제공된다. 수직 및 수평 구성이 모두 활용되며, 대부분의 경우 전동기 회전자와 발전기 회전자는 커플링 없이 공통 샤프트에 장착된다. 전체 조립품은 전동기 고정자와 발전기 고정자를 포함하는 프레임에 장착된다. 전체 구조는 필요한 경우 열교환기 및 수냉 시스템을 특징으로 하는 캐비닛에 장착된다.

전동 발전기는 1970년대 초반 고체 전자공학 기술이 등장할 때까지 중주파 전력 생산의 주축이 되었다.

1970년대 초, 고체 스위칭 기술의 등장은 유도 가열 전력 생성의 전통적인 방법에서 변화를 가져왔다. 처음에는 이산 전자 제어 시스템을 사용하여 'MF' 주파수 범위를 생성하는 사이리스터의 사용으로 제한되었다.

최신 장치는 이제 SCR(실리콘 제어 정류기),Rudnev, p. 630. IGBT 또는 MOSFET 기술을 사용하여 'MF' 및 'RF' 전류를 생성한다. 현대 제어 시스템은 일반적으로 PIC, PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 기술 및 표면 실장 제조 기술을 사용하여 인쇄 회로 기판을 생산하는 디지털 마이크로프로세서 기반 시스템이다. 고체는 이제 시장을 지배하며, 1 kW에서 여러 메가와트까지의 전력과 1 kHz에서 3 MHz까지의 주파수(이중 주파수 장치 포함)를 가진 장치들을 이용할 수 있다.

반도체를 이용한 MF 및 RF 전력 생성에는 다양한 기술이 사용되며, 실제 사용되는 기술은 종종 복잡한 요인들에 따라 달라진다. 일반적인 발전기는 전류 또는 전압 공급 토폴로지를 사용한다. 실제 사용되는 접근 방식은 필요한 전력, 주파수, 개별 애플리케이션, 초기 비용 및 후속 운영 비용의 함수가 될 것이다. 어떤 접근 방식이 사용되든, 모든 장치는 네 가지 뚜렷한 요소를 특징으로 하는 경향이 있다.Rudnev, p. 637.

교류-직류 정류기
이것은 주전원 전압을 받아 50 또는 60 Hz의 공급 주파수에서 '직류'로 변환한다. 이것은 가변 직류 전압, 고정 직류 전압 또는 가변 직류 전류를 공급할 수 있다. 가변 시스템의 경우, 전체 시스템의 전력 제어를 제공하는 데 사용된다. 고정 전압 정류기는 대체 전력 제어 수단과 함께 사용되어야 한다. 이는 스위치 모드 조정기를 활용하거나 인버터 섹션 내에서 다양한 제어 방법을 사용하여 수행할 수 있다.

직류-교류 인버터
인버터는 직류 공급 장치를 해당 주파수의 단상 교류 출력으로 변환한다. 이것은 SCR, IGBT 또는 MOSFET을 특징으로 하며, 대부분의 경우 H-브리지로 구성된다. H-브리지는 각각 스위치가 있는 네 개의 다리를 가지며, 출력 회로는 장치 중앙에 연결된다. 해당 두 스위치가 닫히면 부하를 통해 한 방향으로 전류가 흐르고, 이 스위치가 열리면 반대쪽 두 스위치가 닫혀 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다. 스위치의 개폐 시간을 정확하게 조절함으로써 부하 회로에서 진동을 유지할 수 있다.

출력 회로
출력 회로는 인버터의 출력을 코일에 필요한 것과 일치시키는 역할을 한다. 이는 가장 간단한 형태로 축전기일 수 있으며, 경우에 따라 축전기와 변압기의 조합을 특징으로 할 수 있다.

제어 시스템
제어 섹션은 부하 회로와 인버터의 모든 매개변수를 모니터링하고 적절한 시간에 스위칭 펄스를 공급하여 출력 회로에 에너지를 공급한다. 초기 시스템은 스위칭 시간, 전류 제한, 전압 제한 및 주파수 트립을 조정하기 위한 가변 전위차계를 가진 이산 전자 장치를 특징으로 했다. 그러나 마이크로컨트롤러 기술의 등장으로 대부분의 고급 시스템은 이제 디지털 제어를 특징으로 한다.

전압 공급 인버터
전압 공급 인버터는 인버터 입력에 필터 축전기와 직렬 공진 출력 회로를 특징으로 한다. 전압 공급 시스템은 매우 인기가 많으며 최대 10 kHz 주파수까지 SCR, 100 kHz까지 IGBT, 3 MHz까지 MOSFET과 함께 사용할 수 있다. 병렬 부하에 직렬 연결된 전압 공급 인버터는 3차 시스템으로도 알려져 있다. 기본적으로 이는 고체와 유사하지만, 이 시스템에서는 직렬 연결된 내부 축전기와 유도자가 병렬 출력 탱크 회로에 연결된다. 이 유형의 시스템의 주요 장점은 내부 회로가 출력 회로를 효과적으로 격리시켜 스위칭 부품이 코일 플래시오버 또는 불일치로 인한 손상에 덜 취약하게 만들기 때문에 인버터의 견고성이다.Rudnev, p. 640.

전류 공급 인버터
전류 공급 인버터는 인버터 브리지 입력에 대형 유도자가 뒤따르는 가변 직류 입력을 사용한다는 점에서 전압 공급 시스템과 다르다. 전력 회로는 병렬 공진 회로를 특징으로 하며 일반적으로 1 kHz에서 1 MHz까지의 작동 주파수를 가질 수 있다. 전압 공급 시스템과 마찬가지로 SCR은 일반적으로 10 kHz까지 사용되며 IGBT와 MOSFET은 더 높은 주파수에서 사용된다.Rudnev, p. 645.

적합한 재료
적합한 재료는 높은 투자율(100–500)을 가지며 해당 재료의 퀴리 온도 이하로 가열되는 재료이다.

 같이 보기 
 유도 단조
 유도 수축 이음쇠
 유도 경화
 유도가열
 드럼 히터

 각주 

 내용주 

 참고 문헌 
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 외부 링크 
 셰필드 대학교는 유도 가열기 기술을 가능하게 하는 기초 및 응용 연구를 수행한다 – 셰필드 대학교 
 TWI의 유도 가열기 기술을 이용한 유도 납땜 예시 
 주파수 유도 드럼 히터의 FEA에서 도출된 가열 속도를 보여주는 애니메이션 – LMK Thermosafe Ltd
 유도 가열기 튜토리얼 – 금속을 공중 부양시킬 수 있는 저전력 및 고전력 장치 회로도를 포함하여 유도 가열기의 이론과 작동에 대한 포괄적인 튜토리얼]

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