CN105992415B - 感应加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应加热系统，在不使用斯科特接线变压器地使用三相交流电源使一个感应加热装置运转的情况下不会产生不流通电流的相。所述感应加热系统(100)通过三相交流电源(4)使具备感应加热线圈(21)的感应加热装置(2)运转，其具备中间装置(3)，中间装置(3)具有缠绕在形成闭合磁路的铁心(30)上的偶数匝数的线圈(31)，感应加热线圈(21)的缠绕始端部(21x)与三相交流电源(4)的U相连接，缠绕终端部(21y)与中间装置(3)的线圈(31)的中点部(31z)连接，并且中间装置(3)的线圈(31)的缠绕始端部(31x)和缠绕终端部(31y)分别与三相交流电源(4)的V相和W相连接。

Description

感应加热系统

技术领域

本发明涉及使用三相电源使单相感应加热装置运转的感应加热系统。

背景技术

如果在同一磁路内相位不同的磁通混在一起，则由于会引起功率因数降低、产生发热分布不均，所以感应加热装置的感应加热线圈希望供给单相交流。

可是，感应加热装置的动力源一般为三相交流电源，因此通常从三相交流取出单相交流。

在此，如果将一个感应加热装置的感应加热线圈直接与例如U-V端子连接，则成为虽然与三相电流中的两相(例如U相和V相)等值的电流流通但是剩余的一相(例如W相)电流完全不流通的状态。即，U相、V相和W相的相电流的平衡成为1：1：0。

此外，如专利文献1所示，虽然存在通过在三相交流电源和感应线圈之间设置斯科特接线变压器由此从三相交流取出两个回路的单相交流输出的方法，但是由于需要斯科特接线变压器，所以从成本和空间的观点来看缺点很大。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2001-297867号

发明内容

本发明是用于解决所述的问题而做出的发明，本发明的主要目的在于提供一种感应加热系统，其在不使用斯科特接线变压器地使用三相交流电源使一个感应加热装置运转的情况下不会产生不流通电流的相。

即，本发明提供一种感应加热系统，其通过三相交流电源使具备感应加热线圈的单相感应加热装置运转，所述感应加热系统具备中间装置，所述中间装置是与所述单相感应加热装置不同的装置，介于所述单相感应加热装置和所述三相交流电源之间，并具备用于形成闭合磁路的铁心和缠绕在所述铁心上的偶数匝数的线圈，所述闭合磁路与形成在所述单相感应加热装置中的闭合磁路不同，所述感应加热线圈的缠绕始端部和缠绕终端部中的一方与所述三相交流电源的一相电连接，所述感应加热线圈的缠绕始端部和缠绕终端部中的另一方与所述中间装置的线圈的中点部电连接，并且所述中间装置的线圈的缠绕始端部和缠绕终端部与所述三相交流电源的剩余的两相电连接。

按照该感应加热系统，由于将感应加热线圈的一方的端部与三相交流电源的一相电连接、将另一方的端部与中间装置的线圈的中点部电连接，并且将中间装置的线圈的两端部与三相交流电源的剩余的两相电连接，所以能够使U相、V相和W相的相电流的平衡成为2：1：1。即，即使在不使用斯科特接线变压器地使用三相交流电源使一个感应加热装置运转的情况下，也能够防止产生三相中的一相完全没有电流流通的状态。对于详细的内容将在后面进行描述。

优选的是，所述中间装置的线圈的层数是偶数，所述中间装置的线圈的缠绕始端部、缠绕终端部和中点部位于所述线圈的轴向的端部。

按照该结构，感应加热线圈的电流从中间装置的线圈的中点部进入后分别以1/2的方式分流并流向缠绕始端部和缠绕终端部。因为流向中间装置的线圈的缠绕始端部的电流与流向中间装置的线圈的缠绕终端部的电流方向相反，所以产生的磁通相抵消失。因此，中间装置的线圈的端子间电压仅成为电源电压的成分。

在此，如果使中间装置的线圈的层数为偶数、并使缠绕始端部、缠绕终端部和中点部位于所述线圈的轴向的端部，则从中点部到缠绕始端部的线圈部分与从中点部到缠绕终端部的线圈部分的磁耦合好，能够高效消灭磁通。

优选的是，在所述感应加热线圈的一端侧与所述三相交流电源之间设有电力控制设备。

按照该结构，能够在将三相电流的平衡保持为2：1：1的状态下进行感应加热装置的输出控制。

优选的是，所述铁心具有低磁导率部，所述低磁导率部的磁导率比所述铁心的其它部分的磁导率低。

按照该结构，由铁心形成的闭合磁路的磁阻变小，励磁电流增加。通过以成为所希望的励磁电流的方式调整磁阻，能够使使三相电流平衡。详细内容将在后面描述。

优选的是，在所述感应加热装置和所述中间装置与、所述三相交流电源之间设有三相电力控制设备。

按照该结构，能够同时控制流过感应加热线圈的电流和流过中间装置的线圈的电流，能够在保持通过铁心的低磁导率部调整磁阻得到的三相电流的平衡的状态下进行感应加热装置的输出控制。

优选的是，在所述感应加热线圈的一端侧与所述三相交流电源之间、以及所述中间装置的线圈的缠绕始端部侧或缠绕终端部侧与所述三相交流电源之间设有电力控制设备。

按照该结构，代替三相电力控制设备，利用2台单相电力控制设备的结构，能够在保持所述三相电流的平衡的状态下进行感应加热装置的输出控制。

在此，根据感应加热装置的负载温度等，对设置在感应加热线圈的一端侧的电力控制设备进行反馈控制。另一方面，由于中间装置的线圈没有负载，所以设置在中间装置的线圈侧的电力控制设备的控制，与设置在感应加热线圈的一端侧的电力控制设备同步。例如，可以采取使流过两者的电流值相同的控制方式。

三相交流电源是工业设备使用的电源，被感应加热的对象物因为被称为工业设备所以基本上由厚壁金属构成。因此，通过将所述三相交流电源的电源频率设为50Hz或60Hz的商用频率，能够加大厚壁金属的感应加热的电流渗透度，能够高效地进行对象物的加热。

感应发热辊装置在加热时的辊主体的属性(特性)的均匀性是重要的，相比于相位不同的三相磁通在同一辊主体内混在一起的三相交流，更希望单相交流。此外，作为工业设备的辊主体，大部分都由厚壁金属构成。因此，优选的是，所述感应加热装置是感应发热辊装置，在所述感应发热辊装置的转动自如地被支承的辊主体的内部设有感应发热机构，所述感应发热机构具有所述感应加热线圈。

按照所述结构的本发明，能够在不使用斯科特接线变压器地使用三相交流电源使一个感应加热装置运转的情况下不会产生不流通电流的相。

附图说明

图1是示意性地表示本实施方式的感应加热系统的结构的图。

图2是示意性地表示变形实施方式的中间装置的结构的图。

图3是变形实施方式的电流矢量图。

图4是示意性地表示变形实施方式的感应加热系统的结构的图。

附图标记说明

100 感应加热系统

2 单相感应加热装置

21 感应加热线圈

21x 感应加热线圈的缠绕始端部

21y 感应加热线圈的缠绕终端部

3 中间装置

30 闭合磁路铁心

31 线圈

31x 线圈的缠绕始端部

31y 线圈的缠绕终端部

31z 线圈的中点部

4 三相交流电源

51 电力控制设备

52 电力控制设备

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的感应加热系统的一个实施方式。

如图1所示，本实施方式的感应加热系统100通过三相交流电源4使单相感应加热装置2(以下称为感应加热装置2)运转，与感应加热装置不同的中间装置3介于感应加热装置2和三相交流电源4之间。

所述中间装置3具备用于形成闭合磁路的铁心30和缠绕在所述铁心30上的线圈31(以下称为中间线圈31)。

所述感应加热装置2具有感应加热线圈21，所述感应加热线圈21缠绕设置在铁心20上。作为所述感应加热装置2，例如可以是流体加热装置，所述流体加热装置将感应加热线圈21作为初级线圈，通过对作为缠绕在所述铁心20上的次级线圈的导体管进行感应加热，来加热流过所述导体管的流体。在该情况下，感应加热装置2可以是通过加热水来生成饱和水蒸气的饱和水蒸气生成装置，也可以是通过加热饱和水蒸气来生成过热水蒸气的过热水蒸汽生成装置。此外，作为感应加热装置2，可以是感应发热辊装置，所述感应发热辊装置在被转动自如地支承的辊主体的内部设有具有所述感应加热线圈21的感应发热机构。

此外，三相交流电源4的电源频率是50Hz或60Hz的商用频率。由此，能够加大导体管等厚壁金属的感应加热的电流渗透度，能够高效地进行对象物的加热。

此外，感应加热线圈21的缠绕始端部21x与三相交流电源4的U相电连接，感应加热线圈21的缠绕终端部21y与中间线圈31的中点部31z电连接。此外，中间线圈31的缠绕始端部31x与三相交流电源4的V相电连接，中间线圈31的缠绕终端部31y与三相交流电源4的W相电连接。

在本实施方式中，在感应加热线圈21和中间线圈31各线圈的缠绕始端部21x、缠绕终端部21y、缠绕始端部31x、缠绕终端部31y上设有连接端子。此外，在中间线圈31的中点部31z设有连接端子。

此外，使中间线圈31的匝数为偶数{2N(N为自然数)}。即，从中间线圈31的中点部31z到缠绕始端部31x的匝数为N，从中点部31z到缠绕终端部31y的匝数也是N。

在本实施方式中，中间线圈31的层数是偶数。例如，当中间线圈31形成两层结构时，缠绕始端部31x和缠绕终端部31y位于中间线圈31的轴向的一端侧，中点部31z位于中间线圈31的轴向的另一端侧。

此外，在感应加热线圈21的一端部和三相交流电源4之间设有电力控制设备51，所述电力控制设备51控制流过感应加热线圈21的电流。在本实施方式中，在感应加热线圈21的缠绕始端部21x和三相交流电源4之间(U相)设有电力控制设备51。另外，电力控制设备51是例如晶闸管等半导体控制元件。所述电力控制设备51由未图示的控制部控制。

接着，参照图1说明流过所述结构的感应加热系统100的各相的电流。另外，以下将感应加热装置的容量设为P，将三相交流电源4的电源电压设为E，将三相电流设为I_U、I_V、I_W。

如果设感应加热线圈的端子间电压为E_U-O，则E_U-O＝√3E/2。

流过感应加热线圈的电流与I_U相等，I_U＝2P/(√3E)。

中间线圈的端子间电压与电源电压相等，为E。

流过中间线圈的电流为I_V＝I_W＝{P/(√3E)}+I₀。

在此，I₀是产生闭合磁路中流通的磁通的励磁电流，加法计算成为矢量和。可是，由于是闭合磁路所以励磁电流的值足够小，所以认为I_V＝I_W≒P/(√3E)是没有问题的。

因此，三相电流比为，

I_U：I_V：I_W＝2P/(√3E)：P/(√3E)：P/(√3E)

＝2：1：1

按照所述结构的感应加热系统100，由于将感应加热线圈21的缠绕始端部21x与三相交流电源4的U相电连接、将缠绕终端部21y与中间线圈31的中点部31z电连接并且将中间线圈31的缠绕始端部31x和缠绕终端部31y分别与三相交流电源4的V相和W相电连接，所以中间装置3作为电流平衡化装置发挥作用，可以使U相、V相和W相的相电流的平衡成为2：1：1。即，即使在不使用斯科特接线变压器地使用三相交流电源4使一个感应加热装置2运转的情况下，也能够防止产生三相中的一相完全不流通电流的状态。

此外，因为在感应加热线圈21的一端侧(缠绕始端部21x)和三相交流电源4之间设有电力控制设备51，所以能够在将三相电流的平衡原状保持2：1：1的状态下进行感应加热装置2的输出控制。

另外，本发明不限于所述各实施方式。

例如，所述中间装置3的铁心30也可以具有低磁导率部30a，所述低磁导率部30a的磁导率比所述铁心30的其它部分的磁导率低，相比于不具有低磁导率部30a的装置，能够降低闭合磁路的磁阻。低磁导率部30a由能耐受铁心30和线圈31的温度上升的绝缘物构成，例如由硅玻璃层叠板或芳纶板等构成。另外，低磁导率部30a以外的部分成为由电磁钢板或非晶态金属等构成的高磁导率部。

如果在所述闭合磁路中放入低磁导率部30a来降低磁阻，则流过铁心30的励磁电流I₀增加。通过矢量计算，

I_V＝I_U/2+I₀(矢量和)

I₀＝I_V－I_U/2(矢量差)

如果调整磁阻以成为所述的值I₀，则三相电流成为平衡。

图3是表示了电流矢量的图。

流过感应加热线圈21的电流具有功率因数，其值成为cosθ。I₀基本上相位延迟90°。

在图3的三角形I₀－I_V－O中，如果根据余弦定理计算绝对值，则

I_V ²＝I₀ ²+(I_U/2)²－I₀I_Ucos(180°－θ)

(2P/√3E)²＝

I₀ ²+(P/√3E)²－2I₀Pcos(180°－θ)/√3E

I₀ ²-2I₀Pcos(180°－θ)/√3E

－(2P/√3E)²+(P/√3E)²＝0

I₀＝Pcos(180°－θ)/√3E

±(√[{－2Pcos(180°－θ)/√3E}²

+4{(2P/√3E)²－(P/√3E)²}])/2

如果将所述计算式简化，则

I₀＝P[cos(180°－θ)

+√{cos²(180°－θ)+3}]/√3E

如果调整闭合磁路的磁阻以成为满足所述计算式的I₀，则能够使三相电流平衡。另外，对于原式中的±符号，选择符合实际的适当的符号，在此采用了+。

此外，关于电力控制，除了所述实施方式以外，可以在所述中间装置3的中间线圈31的缠绕始端部31x侧或缠绕终端部31y侧与三相交流电源4之间，设置电力控制设备52。在该情况下，根据感应加热装置2的负载温度等对设置在感应加热线圈21的一端侧的电力控制设备51进行反馈控制。另一方面，由于中间装置3的线圈31上没有负载，所以设置在中间装置3的线圈31侧的电力控制设备52的控制，与设置在感应加热线圈21侧的电力控制设备51同步。

另外，也可以在所述感应加热装置2和所述中间装置3与、所述三相交流电源4之间，设置三相电力控制设备。

此外，本发明不限于所述实施方式，在不脱离发明宗旨的范围内可以进行各种变形。

可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技术方案。

Claims (8)

1.一种感应加热系统，其通过三相交流电源使具备感应加热线圈的单相感应加热装置运转，所述感应加热系统的特征在于，

所述感应加热系统具备中间装置，所述中间装置是与所述单相感应加热装置不同的装置，介于所述单相感应加热装置和所述三相交流电源之间，并具备用于形成闭合磁路的铁心和缠绕在所述铁心上的偶数匝数的线圈，所述闭合磁路与形成在所述单相感应加热装置中的闭合磁路不同，

所述感应加热线圈的缠绕始端部和缠绕终端部中的一方与所述三相交流电源的一相电连接，所述感应加热线圈的缠绕始端部和缠绕终端部中的另一方与所述中间装置的线圈的中点部电连接，

并且所述中间装置的线圈的缠绕始端部和缠绕终端部与所述三相交流电源的剩余的两相电连接。

2.根据权利要求1所述的感应加热系统，其特征在于，

所述中间装置的线圈的层数是偶数，

所述中间装置的线圈的缠绕始端部、缠绕终端部和中点部位于所述线圈的轴向的端部。

3.根据权利要求1所述的感应加热系统，其特征在于，在所述感应加热线圈的一端侧和所述三相交流电源之间设有电力控制设备。

4.根据权利要求1所述的感应加热系统，其特征在于，所述铁心具有低磁导率部，所述低磁导率部的磁导率比所述铁心的其它部分的磁导率低。

5.根据权利要求4所述的感应加热系统，其特征在于，在所述感应加热装置和所述中间装置与、所述三相交流电源之间设有三相电力控制设备。

6.根据权利要求4所述的感应加热系统，其特征在于，在所述感应加热线圈的一端侧与所述三相交流电源之间、以及所述中间装置的线圈的缠绕始端部侧或缠绕终端部侧与所述三相交流电源之间设有电力控制设备。

7.根据权利要求1所述的感应加热系统，其特征在于，所述三相交流电源的电源频率为50Hz或60Hz。

8.根据权利要求1所述的感应加热系统，其特征在于，所述感应加热装置是感应发热辊装置，在所述感应发热辊装置的转动自如地被支承的辊主体的内部设有感应发热机构，所述感应发热机构具有所述感应加热线圈。

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