CN107820730B - 用于热处理的电力转换设备和电力转换方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于热处理的电力转换设备和电力转换方法。该电力转换设备包括：整流器，该整流器被配置为将AC电力转换为DC电力；平滑滤波器，该平滑滤波器被配置为控制从整流器收到的DC电力使其恒定；逆变器，该逆变器被配置为通过使用由SiC半导体制成的开关装置接通和断开DC电力而将从平滑滤波器收到的DC电力转换为高频电力；和控制单元，该控制单元被配置为控制整流器和逆变器。根据从逆变器输出的高频电力、通电时间以及使用率而确定从逆变器输出的输出电力的额定值，通过将通电时间除以通电时间与非通电时间之和得到该使用率。

Description

用于热处理的电力转换设备和电力转换方法

技术领域

本发明涉及用于热处理的电力转换设备和电力转换方法。

背景技术

电阻加热方法包括感应加热和直接电阻加热。在特别地是作为利用感应加热的一种热处理的硬化处理中，根据工件中的热处理深度选择适当的频率。

根据现有技术的用于热处理的电力转换设备，通过利用电力半导体器件进行开关以将DC电力转换为高频电力。近年来，由SiC(碳化硅)制成的SiC-MOSFET已经作为用于电力半导体的开关元件而受到关注。

当振荡频率从10kHz变为100kHz时，开关频率变为十倍。从而，电力半导体器件的温度上升大幅改变。即，当根据用于热处理的电力转换设备的操作范围中的最大频率确定该装置中的逆变器的容量(最大额定值)时，对于低输出频率来说温度上升较低，这是不经济的。温度上升根据每一次的通电时间以及根据操作频率而不同也是不经济的。

发明内容

本发明的示例性方面提供了能够与使用状况对应地使输出在额定值的范围内变化的用于热处理的经济的电力转换设备和经济的电力转换方法。

该电力转换设备包括：整流器，该整流器被配置为将AC电力转换为DC电力；平滑滤波器，该平滑滤波器被配置为控制从所述整流器收到的DC电力使其恒定；逆变器，该逆变器被配置为通过使用由SiC半导体制成的开关装置接通和断开DC电力，以将从所述平滑滤波器收到的DC电力转换为高频电力；和控制单元，该控制单元被配置为控制所述整流器和所述逆变器。根据从逆变器输出的高频电力、通电时间以及使用率而确定从逆变器输出的输出电力的额定值，通过将通电时间除以通电时间与非通电时间之和得到所述使用率。

所述控制单元可以具有如下数据：其限定所述开关装置的频率、所述通电时间、所述使用率以及在所述开关装置能够运行的温度下的输出电力之间的关系。当给定所述通电时间和所述使用率时，所述控制单元基于所述数据计算最大容许电流，并中止或控制所述输出电力。

所述电力转换方法包括：将AC电力转换为DC电力；通过使用由SiC半导体制成的开关装置接通和断开DC电力而将所述DC电力转换为高频电力；和根据所述高频电力的频率、通电时间和使用率增大最大输出电力，使得所述开关装置的接点温度不超过给定温度，通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间之和而得到所述使用率。

可以增大所述最大输出电力，直到所述开关装置的所述接点温度的上限达到所述开关装置的额定值的范围内的设计值，根据由于所述开关装置的损失引起的温度升高与由于所述开关装置的冷却引起的温度降低之差而得到所述接点温度。

可以基于所述开关装置的导通损失与所述开关装置的开关损失之和确定所述开关装置的所述损失。

对所述开关装置的通电时间可以短于或长于替换和设定热处理对象的时间。

根据本发明，根据频率、通电时间和使用率来限定额定值。从而，当将电力转换为低频率时，能够在开关装置的额定值的范围内增大输出。因此，能够提供经济的装置和经济的方法。

附图说明

图1是图示出根据本发明的实施例的电力转换设备的配置的图。

图2是图示出使用率(operation rate)的图。

图3是图示出存储在控制单元中的数据的一部分的图。

图4A是图示出电力转换设备的设计原理的图，示出在开关装置具有MOSFET结构的情况下的漏极电流波形和漏源电压波形。

图4B是图示出电力转换设备的设计原理的另一个图，示出损失波形。

图5A是图示出根据规律重复的电流，即，其中使热计算用的矩形波近似实际的正弦波这样的电流来计算开关装置的接点温度的方法的图。

图5B是图示出接点温度的计算方法的另一个图。

图5C是图示出接点温度的计算方法的另一个图。

图6A是图示出存储在控制单元中的数据的图，示出在通电时间为参数的情况下的100kHz的频率下的使用率与电力之间的关系。

图6B是图示出存储在控制单元中的数据的另一个图，示出在通电时间为参数的情况下的400kHz的频率下的使用率与电力之间的关系。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。

图1是图示出用于热处理的电力转换设备10的配置的图。如图1所示，电力转换设备10包括：整流器11，该整流器11将AC电力转换为DC电力；平滑滤波器12，该平滑滤波器12被配置为，将从整流器11接收到的DC电力控制为恒定；逆变器13，该逆变器13被配置为通过以给定频率的电力通断开关装置而将从平滑滤波器接收到的DC电力转换为高频电力；和控制单元14，该控制单元14被配置为控制整流器11和逆变器13。

整流器11，也称为转换器，其通过整流商用AC电力而将商用AC电力转换为DC电力。整流器11在控制单元14的输出控制之下调整电力转换设备10的输出电力的大小。

在电力转换设备是电流型电流转换装置的情况下，平滑滤波器12利用电抗器(reactor)使从整流器11输出的电流中的脉动平滑，并且将得到的电流输出到逆变器13。在电力转换设备是电压型电力转换设备的情况下，平滑滤波器12利用电容器使从整流器11输出的电压中的脉动平滑，并且将得到的电压输出到逆变器13。

在逆变器13中，用作开关装置的电力半导体器件被布置为桥接电路。电力半导体器件进行开关，以将DC电力转换为高频电力，并且输出高频电力。这里，使用诸如SiC-MOSFET这样的SiC半导体器件作为电力半导体器件。SiC半导体器件的优点在于下面的原因。即，SiC半导体器件具有高的开关速度，并且是电压驱动型的半导体器件。器件的导通电阻很低，使得能够降低电力消耗。器件的耐受电压高，并且器件的电流密度高。因此，能够使得电源自身小型化和轻量化。从而，SiC半导体器件是有效的。

控制单元14将输出控制信号和异常停止指令信号输出到整流器11，从而控制整流器11。另外，控制单元14将频率控制信号和异常停止指令信号输出到逆变器13，从而控制逆变器13。控制单元14分别从整流器11和逆变器13接收反馈信号，使得控制单元14能够检测整流器11和逆变器13的状态。

在本发明的实施例中，控制单元14根据从逆变器13输出的高频电力的频率、通电时间和使用率中止或控制来自逆变器13的输出电力。为此，控制单元14具有如下数据：其限定开关装置的频率、通电时间、使用率与开关装置能够运行的温度下的输出电力之间的关系。当设定通电时间和使用率时，能够基于该数据得到最大容许电流。因此，当根据来自整流器11的电流反馈信号所检测到的整流器11的输出电流超过根据通电时间、使用率和频率而得到的最大容许电流时，例如，中止或控制以减小逆变器13的输出。这里，根据限定开关装置的频率、通电时间、使用率和开关装置能够运行时的温度下的输出电力这几者之间的关系的数据，计算最大容许电流。最大容许电流是能够应用于这些状况的最大电流。结果，即使当操作电力转换设备10时，也根据由于开关装置的操作所引起的温度上升的值而中止或控制从逆变器13输出的最大电力，即，容量已经额定这样的电力转换设备10的输出。

图2是图示出使用率α的图。在图2中，横轴表示时间，并且纵轴表示输出。通过下面的等式得出使用率α。

使用率α＝通电时间tp/周期τ

＝通电时间tp/(通电时间+非通电时间)

通电时间tp为从逆变器13输出高频电力的时间。周期τ是通电时间与非通电时间之和，即，从一个脉冲的输出到下一个脉冲的输出的时间周期。

运转率a与电力

将使用率α与在开关装置针对通电时间tp和频率的接点温度上升值ΔTj的情况下的电力之间的关系，累计为控制单元14中的数据。图3是示意性地示出在控制单元14中累计的数据的一部分的曲线图。横轴表示使用率(％)，并且纵轴表示电力(kW)。在100％的使用率的情况下，将电力限定为作为连续额定电力的P1。然而，当使用率降低时，电力增大。随着通电时间变短，电力的增加量变大。图3的纵轴的电力(kW)是将开关装置针对频率的接点温度上升值ΔTj的电流A转换为电力(kW)的值。

将描述根据本发明的实施例的电力转换设备的设计原理。图4A和4B图示出电力转换设备10的设计原理，图4A图示出在开关装置具有MOSFET结构的情况下的漏极电流I_D波形和漏源电压V_DS波形，并且图4B图示出损失波形。在各个曲线图中，横轴表示时间。电力转换设备10的额定输出取决于开关装置的温度特性，以及其它特性，诸如额定电压、温度平衡等。开关装置的温度取决于开关装置的损失和冷却。通过下面的等式得出开关装置的损失。

装置的损失＝稳态损失+开关损失

当在横轴表示时间的情况下示出漏极电流I_D波形和漏源电压V_DS波形时，如图4A和4B所示，I_D波形相对于V_DS波形具有相位延迟。在波形的相位以这种方式互相重叠的区域中，由于I_D波形和V_DS波形的积而发生开关损失。

稳态损失是由于将电流施加于开关装置而引起的损失，即，开关装置的导通损失，并且取决于施加的电流的值。另一方面，开关损失与开关的次数(即，频率)成比例。因此，即使当施加相同的电流时，开关损失也增大，并且因此，开关装置的损失随着频率变高而增大。

然而，在背景技术中销售和使用的电力转换设备中，已经将振荡频率高或低的任意电力转换设备额定在具有最大损失的最高频率，并且基于连续运行的假设。结果，虽然当高频电力的频率低时能够增大电流值，但是施加小电流。另外，温度上升取决于使用率或每一次的通电时间以及操作频率。即，在其中不连续地施加电流而是在从几秒到几十秒的很短时间内施加电流的高频淬火等的情况下，在不考虑开关装置存在足够的冷却时间的事实的情况下确定额定值。

因此，在本发明的实施例中，在基于通电时间和使用率而考虑开关装置的冷却时间的情况下，对各个频率确定额定输出电力。即，基于在逆变器13中使用的开关装置的特性并且根据通电时间tp和使用率α，对电力转换设备的各个振荡频率得出其中接点温度将不超过预定值的安培数。从而，得到输出电力。当来自逆变器13的输出电流超过基准电流值时，控制单元14停止整流器11和逆变器13的操作，以中止逆变器13的输出。以这种方式，考虑到使用率和通电时间对各个频率额定电力转换设备的输出，从而针对各个频率而将该输出分段。从而，当频率的值小时，能够对剩余电力进行充分利用。

在根据本发明的实施例的热处理的电力转换方法中，将AC电力临时转换为DC电力，并且通过开关装置接通和断开DC电力，以进一步将DC电力转换为高频电力。最大输出电力与转换频率、通电时间和使用率对应地增大，通过将通电时间除以通电时间与非通电时间之和得到所述使用率，使得开关装置的接点温度不超过给定温度。

能够根据由于开关装置的损失引起的温度上升与由于开关装置的冷却引起的温度降低之差，得到开关装置的接点温度。增大最大输出电力，直到接点温度的上限达到开关装置的额定值的范围内的值。因此，能够实现经济的热处理。特别地，其中电流施加于开关装置的通电时间比替换或设定热处理对象的时间短得多。从而，经济效率变得显著。

如前所述，装置的损失是稳态损失与开关损失之和。稳态损失取决于电流，并且开关损失取决于电流和电压。因此，装置的损失基本取决于电流。图3示出考虑到电流依赖性和电压依赖性的计算结果。在图3中，累计在控制单元14中的数据由电力(kW)表示。然而，数据可以由电流(A)表示。

接着，将描述作为控制单元14停止输出的基准的电流值的计算方式的一个实例。图5A至5C是图示出根据规律重复的电流，即，其中已经由用于热处理的矩形波形近似实际的正弦波这样的电流，而得到开关装置的接点温度的方法。当具有电力消耗Ptm的通电时间是tp并且频率是τ时，如图5A所示，算出除了最后两个脉冲之外的脉冲的平均数，以近似电力消耗，如图5B所示。如图5C所示，将叠加原理应用于功率损失。从而，得到温度上升。

已知能够通过下面的等式根据规律重复的矩形电流得到开关装置的接点温度Tj。

Tj＝Tw+Ptm{(tp/τ)·R(j-w)+(1-tp/τ)·R(j-w)(τ+tp)-R(j-w)(τ)+R(j-w)(tp)}

将该等式如下变形。

Tj-Tw＝(T∞+T3-T2+T1)·Ptm

T∞＝(tp/τ)·R(j-w)

T3＝(1-tp/τ)·R(j-w)(τ+tp)

T2＝R(j-w)(τ)

T1＝R(j-w)(tp)

T∞是指在无限时间的通电率tp/τ的情况下产生损失Ptm，并且通过利用通电率tp/τ乘以连续的额定值时的热电阻得出该T∞。

T3是指将与通电率tp/τ对应的部分从时间(τ+tp)的损失减去。

T2是指减去在时间τ中的损失。

T1是指增加在时间tp中的损失。

τ表示周期时间，并且R(j-w)(t)表示时间t的瞬态热阻(℃/W)。Tw表示冷却水的温度(℃)。

以上述方式计算接点温度Tj。当逆变器13的开关装置的接点温度达到基准值时，控制单元14中止整流器11和逆变器13的操作，并从而控制输出。这是因为，当操作开关装置时，通过施加电流而产生损失，并且当接点温度变得比基准温度高时，开关装置可能损坏。例如，根据以下的方式计算的稳态损失与开关损失之和得到损失。

通过测量特定电流的损失，并且通过将测量的损失乘以由于电流的增大引起的损失的增长率和由于电流的增大引起的装置的损失的增长率，而得到稳态损失。通过测量每1kHz的开关损失，并且通过将测量出的开关损失乘以频率并且通过考虑电流的增大而得到开关损失。使得由上述T∞+T3-T2+T1乘以稳态损失与开关损失之和不高于给定温度。

基于要使用的开关装置确定给定温度。从而，通过确定满足以上关系的电流(“基准电流”)，在开关装置中流动的电流不超过基准电流的范围内，能够使输出增大。

将描述通过以上方式得到的结果。图6A和6B是图示出在控制单元14中累计的数据的图。图6A和6B分别图示出使用通电时间tp作为参数的分别在100kHz和400kHz的频率下的使用率α与电力之间的关系。在作为tp的值的t1至t4之间满足t1<t2<t3<t4的关系。

当在用于热处理的电力转换设备中输出频率是100kHz的高频电力时，如图6A所示地确定额定值。当使用率α下降时，能够增大电力。另外，能够根据当通电时间tp是t2、t3或t4时的使用率改变输出电力。

当输出频率是400kHz的高频电力时，如图6B所示地确定额定值。当使用率α下降时，能够增大电力。另外，能够根据当通电时间tp是t1、t2、t3或t4时的使用率改变输出电力。

在基于相同设计原理的电力转换设备中，能够与在其额定输出电力的范围内的频率对应地改变输出电力，使得能够以低频波形输出更多的电力。

因此，在根据本发明的实施例的电力转换设备中，对各个输出频率设定独立的额定值。在背景技术中，高频率的电力转换设备的额定值与低频率的电力转换设备的额定值相同。另一方面，根据本发明的实施例，能够根据电力转换设备的额定值增大低频率的额定值，从而提高经济效率。另外，可能需要根据输出频率替换整流器11、逆变器13和控制单元14的部件，或改变部件的常数。在这样的情况下，可以通过开关的转换进行这样的微调。使得能够改变振荡频率。

虽然已经参考特定的示例性实施例描述了本发明，但是本发明的范围不限于上述实施例，并且本领域技术人员将要理解的是：可以在不背离由附加的权利要求限定的本发明的范围的情况下对本发明做出各种修改和改进。

从逆变器13输出的电力的额定值根据从逆变器13输出的高频电力的频率、通电时间和使用率而确定，通过将通电时间除以通电时间与非通电时间之和而得到所述使用率，并且通过调整频率、通电时间和使用率中的至少一个而设定所述额定值。即，额定值可以通过仅调整这三个参数中的仅一个参数而设定，或者可以在不改变参数中的一个参数的情况下通过调整参数中的两个参数而设定。可选择地，可以通过调整所有的三个参数而设定额定值。

本申请基于2015年6月18日提交的日本专利申请No.2015-123337，该专利申请的全部内容通过引用并入此处。

Claims (5)

1.一种用于热处理的电力转换设备，该电力转换设备包括：

整流器，该整流器被配置为将AC电力转换为DC电力；

平滑滤波器，该平滑滤波器被配置为，将从所述整流器接收到的所述DC电力控制为恒定；

逆变器，该逆变器被配置为，通过使用由SiC半导体制成的开关装置接通和断开所述DC电力，将从所述平滑滤波器接收到的所述DC电力转换为高频电力；以及

控制单元，该控制单元被配置为控制所述整流器和所述逆变器，

其中，根据从所述逆变器输出的所述高频电力的频率、通电时间以及使用率来确定从所述逆变器输出的输出电力的额定值，所述通电时间是从所述逆变器输出所述高频电力的时间，通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间之和得到所述使用率。

2.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述控制单元具有限定所述开关装置的频率、所述通电时间、所述使用率以及在所述开关装置能够运行的温度下的输出电力之间的关系的数据，并且当给定所述通电时间和所述使用率时，所述控制单元基于所述数据计算最大容许电流，并中止或控制所述输出电力。

3.一种用于热处理的电力转换方法，该电力转换方法包括：

将AC电力转换为DC电力；

通过使用由SiC半导体制成的开关装置接通和断开所述DC电力，将所述DC电力转换为高频电力；以及

根据所述高频电力的频率、通电时间和使用率增加最大输出电力，使得所述开关装置的接点温度不超过给定温度，所述通电时间是从逆变器输出所述高频电力的时间，通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间之和得到所述使用率。

4.根据权利要求3所述的电力转换方法，其中，增加所述最大输出电力，直到所述开关装置的所述接点温度的上限达到所述开关装置的额定值范围内的设计值，根据由于所述开关装置的损失引起的温度升高与由于所述开关装置的冷却引起的温度降低之差得到所述接点温度。

5.根据权利要求4所述的电力转换方法，其中，基于所述开关装置的导通损失与所述开关装置的开关损失之和确定所述开关装置的损失。

Images