이 글은 소프트 스타터, 2kW 유도 가열 위상 제어 구조와 점호각 램프 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 유도 가열용 소프트 스타터의 필요성과 주회로 구성, 영점 검출과 점호각 램프 제어 구조를 다룹니다.
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유도 가열용 소프트 스타터의 필요성과 주회로 구성
유도 가열(Induction Heating) 장치는 고주파 교류 자기장을 발생시켜 전도성 공작물을 직접 가열하는 고효율 산업용 전력 변환 설비입니다. 2kW급 단상 유도 가열 장치의 전원 입력단에 220V 60Hz 상용 교류 전원을 직입 투입하면, 정지 상태의 평활 커패시터 충전 및 공진 탱크의 과도 응답으로 인해 정격 전류의 수 배에 달하는 과도한 돌입 전류(Inrush Current)가 유입하는 과도 현상을 초래합니다. 이러한 돌입 전류는 전원측 배선용 차단기의 불필요한 트립을 유발하고, 동일 배전 계통에 연결된 정밀 전자기기에 순시 전압 강하 장애를 일으키며, 내부 전력 반도체 소자에 가혹한 전기적 및 열적 스트레스를 가합니다.
이러한 기동 시 과도 문제를 근본적으로 억제하기 위해 상용 전원과 유도 가열 장치 사이에 단상 AC-AC 소프트 스타터(Soft Starter)를 구성합니다. 소프트 스타터의 주회로는 단상 교류 선로에 역병렬(Back-to-back) 형태로 결합된 한 쌍의 SCR(Silicon Controlled Rectifier, 사이리스터)로 구성합니다. 교류 전압의 양의 반주기 동안에는 순방향으로 배치된 SCR이 도통을 담당하고, 음의 반주기 동안에는 역방향으로 배치된 SCR이 도통을 담당합니다.
사이리스터는 게이트에 트리거 펄스가 인가되는 순간 턴온되고, 부하 전류가 소자의 유지 전류(Holding Current) 이하로 떨어져 자연 영점을 지날 때 턴오프되는 선로 전류 전호(Line Commutation) 특성을 갖습니다. 따라서 제어기가 상용 교류 전압의 영점을 기준으로 게이트 트리거 시점인 점호각(Firing Angle, α)을 점진적으로 조절하면, 부하에 공급되는 교류 전압의 실효값을 0V 부근에서 전정격 전압까지 부드럽게 증가시키는 위상 제어(Phase Angle Control)를 정밀하게 구현할 수 있습니다.
영점 검출과 점호각 램프 제어 구조
소프트 스타터가 안정적인 위상각 제어를 수행하기 위해서는 상용 전원 전압의 위상과 마이크로컨트롤러(MCU) 내부의 타이머 카운터를 정확히 일치시켜야 합니다. 이를 위해 교류 입력단에 포토커플러(Optocoupler) 기반의 절연형 영점 검출(Zero-Crossing Detection) 회로를 배치합니다. 영점 검출 회로는 상용 교류 전압이 0V를 통과하는 매 반주기마다 급격한 전압 펄스를 발생시켜 디지털 제어기의 외부 인터럽트 핀으로 동기화 신호를 전달합니다.
220V 60Hz 계통에서 교류 전원의 한 주기는 약 16.67ms이며, 양과 음의 반주기는 각각 약 8.333ms(8333μs)에 해당합니다. 영점 검출 인터럽트가 수신되면 제어기는 내부의 고분해능 하드웨어 타이머를 리셋하고 카운트를 시작합니다. 제어기는 기동 초기 점호각 α_start에서 전도각이 최대가 되는 목표 점호각 α_end까지 시간에 따라 점호각을 선형적으로 줄여 나가는 점호각 램프(Ramp) 제어를 실행합니다. 시간 t에 따른 기준 점호각 α(t)의 함수 관계는 식 (1)과 같이 정의할 수 있습니다.
식 (1)에서 T_ramp는 사전에 설정된 목표 기동 시간입니다. 점호각 α의 범위는 0 ≤ α ≤ π rad(0° ≤ α ≤ 180°)이며, 점호각이 클수록 반주기 내 도통 구간이 축소되어 부하에 인가되는 실효 전압이 감소합니다. 60Hz 상용 전원 환경에서 전체 기동 시간 T_ramp 동안 발생하는 총 반주기 스텝 수 N_step은 반주기 주기 식 (2)에 의해 산정하며, 매 반주기마다 제어기가 갱신해야 하는 이산 점호각 감소량 Δα는 식 (3)과 같이 계산합니다.
식 (3)에 따라 제어기는 영점 검출 인터럽트가 발생할 때마다 이전 점호각에서 Δα만큼 차감된 새로운 점호각을 계산합니다. 계산된 점호각 α에 비례하는 지연 시간 t_delay의 수식은 식 (4)와 같습니다.
식 (4)의 지연 시간이 경과하는 순간, 제어기는 펄스 트랜스포머나 고속 옵토드라이버를 통해 해당 반주기 SCR의 게이트로 수십 마이크로초 폭의 트리거 신호를 인가합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.