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[기술특집/국내편] 전력 제어 유니트(TPR)의 최신 기술 동향
2009-06-03

국내외 중전기기 업체별 최신 기술

전력 제어 유니트(TPR)의 최신 기술 동향
- 전력 제어 SYSTEM의 최적화 SOLUTION을 중심으로 -


㈜운영 부설연구소_정일성 소장
(031)456-7733 / www.woonyoung.com

TPR의 개요

1. SSR과의 차이점
TPR(Thyristor Power Regulator)은 THYRISTOR(SCR, TRIAC 등 교류제어용 반도체 소자)를 이용한 전력 제어 유니트이다. 반도체 소자를 사용한 무접점 전력제어기기라는 측면에서는 SSR과 유사하다. 그러나 SSR과 다른점은 SSR에는 없는 과전류 결상 검출 등의 각종 부가기능이 탑재되어 있는 것과 SSR이 ON과 OFF의 두 가지 상태만이 존재하는 단순 제어기기인데 반해 TPR은 위상제어나 CYCLE 제어, 정전류 제어, 정전압 제어 등의 다양한 제어 모드가 있다. 또한 4-20㎃ 또는 1-5V 등의 제어 신호에 따라 출력을 가감하는 비례 제어를 기본으로 하므로 정교한 부하 제어가 가능하다는 것이다.
이와 같은 TPR의 특성에 따라 TPR은 특히 각종 전기로 히터의 가장 합리적인 온도 제어기기로 인식되어지고 있으며 현장에서의 수요가 점차적으로 증가하고 있다.

2. 온도제어 SYSTEM의 구성(<그림 1> 참조)

● 측온체
온도를 전기량의 변화로 교환하는 소자를 PIPE로 보호한 구조로 되어 있고, 이 소자를 일정한 온도로 하고 싶은 부분(검출부)에 설치한다.

● THYRISTOR UNIT
TEMPERATURE CONTROLLER의 신호에 따라 전기로를 가열하는 히터의 전력을 조정한다.

● TEMPERATURE CONTROLLER
측온체의 전기량 변화를 검출해 목표(설정) 온도와 비교해서 조작기에 조절신호를 보내는 기기를 말한다.


TPR 최신 기술동향

1. 위상 제어(位相制御, Phase Control)
위상 제어는 TPR의 가장 대표적인 부하전류 제어형태로서 입력 주파수의 위상각을 분할 제어하여 결과적으로 부하에 흐르는 전류의 양을 제어하는 방식이다. 이와 같은 제어에는 통상 게이트가 있는 정류 다이오드소자인 SCR(Silicon Controled Rectifier)이나 교류 스위치 소자인 TRIAC을 사용하며, 소자의 순방향 도통시간을 제어해 그 목적을 달성한다.

● 50㎐ 1/2주기 180°10mS

● 60㎐ 1/2주기 180°8.3mS

● 각 주파수의 1/2주기를 0~180°까지 분할하여 제어

● 출력이 미세하게 제어되므로 AC 모터 히터 등을 부드럽게 제어할 수 있다

2. CYCLE 제어(ZERO CROSSING 방식)
전항의 위상 제어가 교류 입력 주파수의 1주기 내에서의 도통 시간 제어방식이었다면 사이클 제어는 10개 또는 20개의 주기에 해당하는 시간을 1사이클로 설정하고 그 기간 내에서의 도통 시간을 제어하여 부하에 흐르는 전류의 양을 제어하는 방식이다.
이 방식에서도 위상 제어와 같이 SCR이나 TRIAC 등의 순방향 도통 시간을 제어하는 것은 동일하다. 그러나 위상 제어와 달리 교류 입력 주파수를 변형하지 않고 완전한 형태로 부하에 공급할 수 있다. 또한 교류 주파수의 +와 -가 교차하는 0전위 지점에서 ON/OFF가 실행되는 ZERO CROSS 제어가 이루어짐으로써 부하에 전기적인 무리를 주지 않는다는 것이 이 방식의 특징이다.

● 임의의 제어주기(Sampling Time)를 설정 :약 200mS

● 입력 조절신호에 따라 제어주기를 비례 분할하여 출력

● 항상 ZERO CROSS 점에서 ON/OFF

● 위상 제어에 비해 NOISE 발생 적음

● 부하 제어 직선성 양호, 히터 수명 연장

● 유도성 부하, 특히 모터 밸브에는 사용 불가


3. 기타 제어방식 - OPTION 사양
⑴ 정전류 제어 - Constant Current Control
① 부하저항의 변동에 관계없이 일정한 전류로 부하 제어
② 가열 초기에 저항이 낮아 돌입 전류가 크고 점차 저항치가 높아지는 순저항성(Positive Resistivity)의 히터에 적용
③ 가열 초기의 히타 과전류 방지가 목적
④ 비례 제어에서는 Soft Start(약 1분) 기능으로 방지
⑤ 적용 히타 : 백금, 몰리브덴, 탄탈, 규소화 몰리브덴, 텅스텐 등
⑥ 적용 전기로 : Super Kanthal로, Salt Bath로 유리용융로 등 직가열로, 볼트 강재 등의 열처리용 통전로

⑵ 정전압 제어 - Constant Voltage Control
① 부하저항의 변동에 관계없이 일정한 전압으로 부하 제어
② 가열 전후의 저항치 변동이 별로 없는 히터 적용
③ 센서로 온도 검출이 불가능한 로의 정온도 제어가 목적
④ 수동 제어 기능으로 가능
⑤ 적용 히타 : 니크롬, 훼로크롬 등
⑥ 적용 전기로 : 위의 히타를 사용하는 온도 검출이 불가능한 로

⑶ 정전력 제어 - Constant Power Control
① 부하저항의 변동에 관계없이 일정한 전력으로 부하 제어
② 가열 초기에 저항이 높고 점차 저항치가 낮아지는 부저항성(Negative Resistivity) 히터에 적용
③ 가열 초기의 충분한 가열과 히터의 경시 변화로 저항 증가 시의 전력 보상이 목적
④ 비례 제어에서는 외부에 전력 검출 변환기를 설치하여 제어계 구성
⑤ 적용 히터 : 탄화규소 히터
⑥ 적용 전기로 : 실리콘 카바이드 전기로, 탄소로, 기타 온도 검출이 불가능한 로

온도 조절계(T/C)의 개요

1. 최적의 온도 제어
이상적인 온도 제어란 <그림 5> A와 같은 오버슈트, 헌팅 그리고 <그림 5> B와 같은 응답의 늦음이 없고, <그림 5> C와 같이 설정 온도에 신속히 도달하고 어떠한 외란에 대해서도 설정한 온도를 그대로 유지하지만 실제로는 제어 대상의 특성에 의해 <그림 5> C와 같은 이상적인 온도 제어를 실현하기가 어렵다. 일반적으로 응답을 빠르게 하면 오버슈트나 헌팅이 발생하게 되고 반대로 응답을 늦게 하면 설정치에 도달하는 시간이 길어지게 된다. 그러나 사용 용도에 따라서는 <그림 5> A와 같이 오버슈트가 생겨도 빨리 설정 온도에 도달하는 특성이 필요한 경우가 있고, <그림 5> B와 같이 시간이 걸려도 오버슈트가 있어서는 안되는 경우도 있다. 결국 최적의 온도 제어는 용도와 목적에 따라 다르다고 말할 수 있으며, 일반적으로는 <그림 5> C와 같은 특성이 가장 바람직한 온도 제어 특성일 것이다.

2. 제어 대상의 특성
최적의 온도 제어를 하기 위해서는 온도 조절계나 전력 조절기 등을 선택하기 전에 제어 대상의 열적 특성을 파악해야 하므로 다음의 4가지를 ‘제어 대상의 열적 특성’이라 한다.
① 열용량 - 가열의 용이함을 나타내며 제어 대상(전기로 항온조 등)의 크기에 관계한다.
② 정특성 - 가열의 능력을 나타내며 히터 용량의 대소로 결정한다.
③ 동특성 - 가열 초기의 급상승 특성(과도응답 특성)을 나타낸다.
④ 외란 - 온도를 변화시키는 원인들을 말한다. 예를 들면 항온조 문의 개폐, 내용물의 입출, 주변 온도의 변동 등이 외란에 해당한다.

3. PID 제어

● PID(Proportional Integral Derivation Control) 제어
비례 제어, 적분 제어, 미분 제어를 합친 것으로 지연 시간을 가진 제어 대상에도 뛰어난 제어 결과를 나타낸다. 즉 비례 제어(P)로 오버슈트와 헌팅을 억제하고 적분 동작(I)으로 오프셋을 자동적으로 수정하며 미분동작(D)으로 외란에 대한 응답을 신속하게 한 것이 PID 제어이다. PID 제어 기능을 탑재한 ㈜운영의 UT/UTX 시리즈온도 조절계와 위상 또는 CYCLE 제어 전력 조절기 TPR을 적용하면 완벽한 온도 제어 시스템 구축이 가능하다.

●AUTO TUNING - UT/UTX Series 온도 조절계
‘PID AUTO TUNING’은 각종 제어 대상체의 열적 특성과 열 응답 속도 등을 온도 조절계 스스로가 측정해 최적의 제어에 필요한 PID 시정수를 연산 ㆍ 설정하여 빠른 응답 특성과 고안정도를 유지하는 동작 기능을 말한다. 시스템의 기본 구성 후에는 최초에 반드시 오토 튜닝을 실시해야 하며 장시간 사용 후 또는 열 특성 변화 요소가 발생 시에는 다시 오토 튜닝을 하는 것이 좋다.



온도 제어 전력시스템의 최적화


마무리

앞으로 전력계통 제어 산업은 IT화 및 디지털화로 대폭 바뀔 전망이다. ㈜운영은 첨단 진단 정보 기술 등을 적극 활용하여 전력 제어기기 소형화 및 간소화를 꾀하고, 산업 설비의 불필요한 전력의 낭비와 손실을 줄일 수 있는 고신뢰성의 전력 제어기기를 개발하여 안정된 전력 품질을 유지할 수 있는 솔루션을 지속적으로 연구 ㆍ 개발하여 수입을 억제하고 관련기기를 국산화하는 데 전력을 다하고자 한다.

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