JP2000500269A - 加熱炉の電力制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセスをインタバルに分割してこれらのインタバルの間の平均電力を制御することによる３相接続電気炉内の加熱プロセスの電力制御。それぞれの相における電力制御は別々に制御され、電力制御は中性線へのアクセスなしに既存の及び新規な炉内でシンプルな方法で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】 加熱炉の電力制御 技術分野 本発明は各相に接続された加熱素子を備える３相電気加熱炉に関する。より特 定的には、本発明は加熱過程で加熱炉及び各加熱素子から発生した熱の制御方法 に関する。本発明はまた超硬合金ブランク（blanks）の焼結用に特に利用される ３相電気炉に関する。 技術的背景及び従来技術 超硬合体は、材料の成分をなす粉末を湿式混合し、得られた混合物を一般にス プレイ乾燥により乾燥して粉末を得、乾燥した粉末に加圧して所望の形状の本体 を得、最後に焼結することを含む粉末冶金技術により生成される。 焼結は全体積が約２ｍ³で炉の有効体積がその約１０％である大規模な炉にお いて行われる。焼結温度は１４４０〜１５００°Ｃであり、焼結炉は炉内の異な るゾーンの間で一定温度、例えば、ゾーン間の差を±５°に維持できることが非 常に重要である。これは、しばしば高度に複雑な構造を持つ現代の超硬合金を製 造する際に特に重要である。 従来の設計において、焼結炉は３相変圧器を備えた電源を採用している。３相 変圧器の一次側は電流レギュレータを介して電源に接続されており、３つの加熱 素子は変圧器の二次側のそれぞれの相に接続されている。炉のキャビティの内側 の温度は１つの温度センサにより１つの位置で測定され、その温度センサは電流 レギュレータに接続されている。温度センサにより与えられる温度情報を用いて 、電流レギュレータは位相角制御により各相の電流を修正する。電流レギュレー タはその修正を平行に行うことができる。しかしながら、このタイプの温度制御 方式を採用している焼結炉は、炉のキャビティ内の異なるゾーンの間に存在して いるゾーン間の温度差を考慮にいれることはしないし出来ない。 考えられた高温においてはグラファイトロッドが加熱素子として使用される。 グラファイトロッドはネットワークの電圧より低い印加電圧ですみ、この理由で 前記変圧器を介してネットワークから電源供給がなされる。グラファイトロッド は中性線なしの星形接続負荷を生成するように接続されている。これは、炉はそ れぞれの相の導体のために炉のキャビティに貫入する３本だけのリード線を持っ ていることを意味している。より高い電源電圧を必要とする加熱素子、例えば、 タングステンの素子、を用いる場合は、変圧器は省略されるかもしれない。 上記温度差はいくつかの理由、例えば、超硬合金ブランクの量が炉の異なる部 分で異なるとか、炉のアイソレーションが炉の寿命の間に変化して炉内のある場 所において大きな熱の漏洩をもたらすとか、ネットワーク内の相電圧が変化する とか、その他、といった理由により、生じる。これらの変位を修正することは加 熱素子の個々の電力制御の可能性を示唆する。 星形接続グラファイトロッド加熱素子を採用する炉により生成される電力は２ ００ＫＶＡのオーダであり、グラファイトロッドに供給される相電力は５０Ｖの オーダであり、グラファイトロッドを通る相電流は２．５〜３ＫＡに達する。炉 のキャビティ内のグラファイト素子の構成及び位置は３つのゾーン内での電力制 御のためによく適合する。 したがって、本発明の一つの目的は、３相電気炉内の各加熱素子 により生成された電力を個々に制御する方法を提供することである。 本発明の他の目的は既存の炉と新規な焼結炉（即ち、中性線なしの炉）とを利 用可能な、シンプルで廉価な電力制御システムを提供することである。 発明の要旨 上記目的は、加熱プロセスがサイクルに分割され、該サイクルはさらに期間に サブ分割され、該期間は制御インタバルに分割され、各期間は各相に対して少な くとも１つの制御インタバルを備えており、加熱素子の各々からの加熱電力は、 ある期間内の関連する制御インタバルの可変時間デュレーションの間に該加熱素 子をスイッチングオン、オフすることにより制御され、前記時間デュレーション は、その期間の間の平均電力がその加熱素子からの所望の加熱電力に対応するよ うに、且つ少なくとも２つの相が導通状態にあるようにして選ばれ、炉内の全電 力レベルは、各サイクル内の可変な数の期間を使用することにより、且つそのサ イクルの間の平均電力が所望の全電力レベルに対応するように使用される期間の 数を選ぶことにより、制御される方法により達成される。 この方法の１つの利点は、オンオフ制御を比較的シンプルなコンポーネントに より行うことができること、及び加熱過程の時間分割のために必要な制御信号は 、適切な時間基準を用いることによりシンプルな方法で生成できることである。 本発明による方法の好ましい実施例によれば、前記期間はそれぞれ異なる相に 関係した一定デュレーションの３つの制御インタバルに分割されている。これは さらに制御信号の生成を単純化する。 本発明による３相接続電気炉は各相に接続された加熱素子を備え る。加熱プロセスの間の炉内の加熱電力レベルは加熱素子への電流を制御するこ とにより調整される。この炉の特徴は、相の各々が相電流のオンオフスイッチン グにより各加熱素子の加熱電力を制御するための電流スイッチを備えていること 、及び請求の範囲による特徴を持つ制御ユニットが配置されて本発明による制御 方法を実現することである。 本発明により変圧器が供給されている炉の好ましい実施例によれば、前記電流 スイッチは前記変圧器の二次側に配置されている。この実施例は、既存の変圧器 が保持され、且つ加熱素子の電力制御は中性線へのアクセスなしになされるので 、上記の種類の既存の変圧器を備えた焼結炉が、重大な再構築なしに、且つ低価 格で、本発明によるゾーン制御炉に変形できる点で有利である。この最後の特徴 は、炉が圧力容器としても製造され、これは中性線用の他の貫入リードは適当な 認証当局による新たな許可を必要とするという理由から、特に重要である。 本発明による炉の他の好ましい実施例によれば、実際の電流スイッチはゼロ遷 移制御サイリスタ装置により提供される。これらのコンポーネントを使用するこ とにより、生成される主電源干渉(interferences)は現在使用されている相角度 制御電流レギュレータよりもより少なくなる。 本発明による方法と炉のさらなる好ましい実施例は請求の範囲から明らかとな る。 図面の説明 本発明は図面を参照する非限定的な実施例についての以下の記載によってより 詳細に説明されるであろう。図面において、 図１は従来の焼結炉のための電流源のブロック図を示す。 図２は本発明による焼結炉のための電流源のブロック図を示す。 図３は本発明による制御方法に使用されるサイクル、期間及び制御インタバル の例を示す。 図４は電力制御の例を示す。 異なる図面中の対応する部分には同一の符号が付されている。 実施例の記載 図１のブロック図は３８０Ｖの主電圧と２２０Ｖの相電圧を持つ３相主電源内 の３相導体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を示す。電流レギュレータＳＲを介して、相導体は ３相変圧器Ｔに接続されており、変圧器Ｔのそれぞれの相は炉内の加熱素子Ｒ１ 、Ｒ２、Ｒ３に接続されている。キャビティを持つ炉は一点鎖線で示されており 、図に示されているように加熱素子はキャビティＯＶ内に分布されており、加熱 素子は主としてキャビティ内の異なるゾーンを加熱するものであることを示して いる。加熱素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はグラファイト・ロッドで形成されており、そ れらは星形接続で、実質的に対称的な、３相負荷を形成するようにして接続され ている。炉はそれぞれの相導体のための３本の貫入リード線を持っている。 温度センサＢが炉のキャビティＯＶの内側の中央に配置されており、電流レギ ュレータＳＲに温度に関する情報を与える。この温度情報によって、電流レギュ レータは３相電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を並列に制御し、それにより炉に必要な全電 力を供給する。炉内の異なるゾーンの間に存在する温度差はこの制御方法によっ ては補償できない。 図２のブロック図において、３相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は変圧器Ｔの一次側に直接 接続されている。変圧器の二次側の３相導体は電流スイッチング装置Ｖ１、Ｖ２ 、Ｖ３を介して、図１と類似の仕方で炉 のキャビティＯＶ内に配置されているそれぞれの加熱素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に接 続されている。 電流スイッチング装置Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はいわゆるゼロ遷移制御サイリスタ装 置であり、供給される制御信号の相に依存して遷移ゼロにおいてそれぞれの相電 流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を個々にオン又はオフする。 加熱素子Ｒ１に関連して、炉の対応ゾーン内の温度を感知する温度センサＢ１ がある。センサＢ１はレギュレータＲＥＧ１に接続されている。そのレギュレー タＲＥＧ１は、センサＢ１からの温度情報に依存して、サイリスタＶ１の制御入 力２に接続されている制御信号出力１におけるオン、オフの制御信号を生成でき るように配置されている。 同様に、加熱素子Ｒ２及びＲ３は温度センサＢ２及びＢ３にそれぞれ関連して おり、温度センサＢ２及びＢ３はそれぞれレギュレータＲＥＧ２及びＲＥＧ３に 接続されており、それらのそれぞれの制御信号出力３、５はそれぞれのサイリス タ装置Ｖ２、Ｖ３の制御入力４、６に接続されている。 さらに、メインレギュレータＲＥＧ１０が含まれており、その制御信号出力７ はサイリスタ装置Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の制御入力２、４、６に並列に接続されてい る。メインレギュレータには３つの温度センサＢ１、Ｂ２、Ｂ３の全てからの温 度情報が供給され、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３からの温度情報の平均に依存して制御信号 出力７上に制御信号を発生するように配置されている。これはレギュレータＲＥ Ｇ１０のブロックにおいて、平均（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３）／３によって示されてい る。 図２における構成はそれぞれの加熱素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のための電圧レベル の個々の制御を可能にし、それにより温度センサＢ１ 、Ｂ２、Ｂ３により検出された炉内の異なるゾーン間の温度差の補償を可能にす る。その制御は、図３及び図４によって以下に更に詳細に記載する方法でサイリ スタ装置Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３により相電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のオン、オフの時間的 に制御された切り替えにより行われる。 本発明による方法は加熱プロセスを複数のサイクルに分割する。図３の“ａ” に１つのサイクルｔ１０が示されており、このサイクルは“ｂ”に示すように１ ０個の期間ｔ１２３に分割される。尚、１０個の期間への分割は一例に過ぎない 。 各期間ｔ１２３は次いで“ｃ”に示されるように、制御インタバルｔ１、ｔ２ 、ｔ３にサブ分割され、それらはそれぞれ、サイリスタ装置Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に 関係している。本例の場合、期間ｔ１２３は等しいデュレーションの３つの制御 インタバルｔ１、ｔ２、ｔ３に分割されているが、他の選択も勿論可能である。 こうして、一例として、制御インタバルの間隔はセンサＢ１、Ｂ２、Ｂ３により 測定された温度差に関係して変化させることが可能であり、それにより、大きな 温度変化のより迅速な補償が達成できる。 その制御は、相内の電流が、対応する制御インタバルの全体又は一部の間にそ れぞれのサイリスタ装置をスイッチオフすることにより中断されるようにして行 われる。一例として、相電流Ｉ１は、他の２つの相が導通している間に制御イン タバルｔ１の全体又は一部の間、中断される。 同様にして、全ての電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は、レギュレータＲＥＧ１０からす べてのサイリスタ装置Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３への制御信号によりｔ１０サイクルの周 期ｔ１２３の選択された数に対して中断することができる。 各加熱素子に対する関連する制御インタバルの選択された部分の 間にそれぞれの相電流を中断することにより、その期間の電圧の平均が達成され 、それは素子の所望の電圧に一致する。同様にして、所望の全電圧レベルは、期 間ｔ１２３の任意の数の間の全ての相電流を中断することによりｔ１０サイクル の間の平均電圧として生成される。 これにより、上記サイクル、期間及び制御インタバルはそれぞれ、オン、オフ 制御が温度変動を生じないようなデュレーションを有するということが理解され る。 実際の応用においては、制御インタバルは１０ｍｓのデュレーションを持ち、 これは、前の例においては３０ｍｓの期間デュレーションと３００ｍｓ＝０．３ ｓのサイクルデュレーションを持つことを意味している。超硬合金ブランクを含 む炉は大きいサーマルマスとしたがって高いサーマルイナーシャとを持つので、 このサイズのサイクル長は測定可能な温度変動を起こさない。設定された温度限 界と競合することなしに、１０以上のファクタだけサイクル長を増大することも 可能である。 図４は想像された電圧制御の場合における‘ａ’における期間ｔ１２３と‘ｂ ’におけるサイクルｔ１０を示す図である。温度センサＢ２からの温度情報は、 加熱素子Ｒ２の回りのゾーンの温度が高すぎて、その制御インタバルｔ２の間に Ｒ２における電力を２０％だけ減少させることを要求していることを知らせてい る。制御は平均電力に基づいているので、これは相電流１２がｔ２の２０％の間 スイッチオフされることを意味している。この条件は図４において‘ａ’におけ る期間で満たされる。 同時に、センサＢ１、Ｂ２、Ｂ３からの温度情報は、温度を炉内で所望のレベ ルに維持するためには４０％の全電力消費が必要であることを示すかも知れない 。この結果、これは、メインレギュレー タＲＥＧ１０は、ｔ１２３における１０個の期間のうちの６個に等しい期間であ る、サイクルの時間の６０％の間は、相電流の全てをスイッチオフしなければな らないことを意味する。 この２つの制御条件の最終結果は、図４の‘ｂ’におけるサイクルｔ１０が、 ４つの期間ｔ１２３を含んでおり、それらの各々におけるインタバルｔ２は２０ ％だけ減少していることである。これにより、そのサイクルの間の平均電力は、 含まれる期間の間の平均電力により当然に影響されるということが実現される。 これは以下のステップの間に補償されるが、期間の電力の平均に関係する全電力 レベルの決定のための期間の数を設定することにより測定もやはり行われてもよ い。 制御インタバルｔ１、ｔ２、ｔ３を含む期間ｔ１２３の間の各加熱素子Ｒ１、 Ｒ２、Ｒ３のそれぞれに対する平均電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、以下の関係により 規定される。 P1＝(I₁ ²＊R1＊t1＋I₁ ²＊R1＊t2＋I₁ ²＊R1＊t3)/t123 P2＝(I₂ ²＊R2＊t1＋I₂ ²＊R2＊t2＋I₂ ²＊R2＊t3)/t123 P3＝(I₃ ²＊R3＊t1＋I₃ ²＊R3＊t2＋I₃ ²＊R3＊t3)/t123 したがって、Ｐ１は制御インタバルｔ１のアクティブ部を変化することにより 影響され、全電力の寄与は制御インタバルｔ２及びｔ３の間に与えられる。平均 電力Ｐ２及びＰ３も同様に制御インタバルｔ２及びｔ３によりそれぞれ影響され る。 負荷が抵抗性で、対称的で星形接続であるとすると、以下の計算が行われる。 すべての相が導通していると、各加熱素子上での電圧降下は相電圧Ｖ_fに等し い。各素子で発生する熱はＶ_f ²／Ｒであり、これはまた最大電力生成Ｐ_maxに等 しい。 相が切り替わると、その素子Ｒ上での電圧降下はゼロであり、そ の結果電力生成もゼロである。残りの２つの加熱素子については、 となる。これら２つの素子の各々で生成される電力はしたがって となる。 こうして、スイッチオフ時間の間に、中断された相の素子は効果を発生せず、 他の２つの相では各々の最大電力の７５％を生成する。 制御インタバルｔ１、ｔ２、ｔ３の長さが同じで、加熱素子Ｒ１が制御インタ バルｔ１の全体の間スイッチオフされており、素子Ｒ２、Ｒ３が対応する制御イ ンタバルの全体の間にスイッチオンされていると、Ｒ１に対しては平均電力２Ｐ_max ／３が得られ、Ｒ２及びＲ３に対しては平均電力（２Ｐ_max＋０．７５＊Ｐ_{ma x} ）／３＝２．７５＊Ｐ_max／３ が得られる。 こうして、期間ｔ１２３の間に、Ｒ１に対する平均電力が得られ、それはＲ２ 、Ｒ３に対する電力より約２７％低い。ｔ１、ｔ２、ｔ３を変化させることによ り、平均電力の間のより大きい差異が達成できる。 図１及び図２において、レギュレータは分離された機能ブロックとして示され ている。しかしながら、これはレギュレータが実際に物理的に分離したユニット であることを意味しない。考察された炉は通常はコンピュータ化された制御装置 を有しているので、これらの機能はコンピュータのソフトウエアとして好ましく は実現される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．各相に接続された加熱素子を備える３相接続電気炉の加熱プロセスの電力 制御方法であって、 加熱プロセスは複数のサイクルに分割され、該サイクルは期間に分割され、該 期間は制御インタバルに分割され、前記期間の各々は各相に対して少なくとも１ つの制御インタバルを備えており、 前記加熱素子の各々からの加熱電力は、ある１つの期間内の関連する制御イン タバルの選択的な時間デュレーションの間の該加熱素子のオンオフスイッチング により制御され、前記時間デュレーションは、前記期間の間の平均電力が前記加 熱素子からの所望の加熱電力に対応するように、且つ少なくとも２つの相が導通 状態にあるようにして選ばれ、 炉内の全電力レベルは各サイクル内の選択的な数の期間を使用して制御され、 使用される期間の数は前記サイクルの間の平均電力が所望の全電力レベルに対応 するように選ばれるようにすることを特徴とする、３相接続電気炉の加熱プロセ スの電力制御方法。 ２．前記期間の各々は一定デュレーションの３つの制御インタバルに分割され 、前記相は制御インタバルにそれぞれ関係していることを特徴とする、請求項１ に記載の方法。 ３．少なくとも２つの期間の各々は選択的な数の制御インタバルに分割され、 前記制御インタバルの各々は可変デュレーションを有することを特徴とする、請 求項１に記載の方法。 ４．前記炉のゾーンに依存した電力制御をし、それによりそれぞれの加熱素子 に関係して前記炉は前記加熱素子により加熱される炉のゾーン内の温度を検知す る温度センサを備えている方法において、 それぞれの加熱素子のオンオフスイッチングは前記制御インタバルの間の関連 するセンサからの温度情報に関係して制御され、 全電力レベルは前記センサからの平均化した温度情報に関係して制御されるこ とを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 ５．各相に接続された加熱素子を備え、加熱プロセスの間の炉内の加熱電力レ ベルは前記加熱素子への電流を制御することにより調整される３相接続電気炉に おいて、 前記相の各々は相電流のオンオフスイッチングにより各加熱素子の加熱電力を 制御するための電流スイッチング装置を備え、 加熱プロセスをサイクルに分割された期間に分割することにより加熱電力レベ ルを制御するための制御ユニットが配置されており、各期間は各相に対して制御 インタバルを備え、前記電流スイッチング装置に対してそれぞれの加熱素子への 相電流のオンオフスイッチングのための制御信号を発生することにより、各加熱 素子は、該サイクルの間で、所望の全加熱電力レベルに対応する平均電力を与え るそれぞれのサイクルの期間の数の間に所望の平均電力を発生するようにしたこ とを特徴とする、３相接続電気炉。 ６．３相変圧器を介して主電源からの電圧源を有し、該電圧源の一次側は主電 源の電圧のステップダウン変換のための主電源に接続されている炉において、 前記電流スイッチング装置は前記変圧器の二次側に配置されていることを特徴 とする、請求項５に記載の炉。 ７．前記加熱素子は前記炉の対応するゾーンを加熱するために配置されている 炉において、 それぞれのゾーン内の温度を検知する温度装置が配置されており、 前記制御ユニットは各相に接続されたレギュレータ装置を備えており、前記レ ギュレータ装置は関連する温度センサからの温度情報を受け取る入力と、受け取 った温度情報に依存してオンオフ制御信号を供給するための前記電流スイッチン グ装置のオンオフ制御入力に接続された制御信号出力とを有していることを特徴 とする、請求項５又は６に記載の炉。 ８．前記制御ユニットは全電圧レベルを制御するためのメインレギュレータを 備えており、前記メインレギュレータは、それぞれの電流スイッチング装置のオ ンオフ制御入力に接続されている制御信号出力と、前記センサから温度情報を受 け取るための入力とを有しており、前記メインレギュレータは、受け取った温度 情報の平均に依存する各サイクルの間に前記電流スイッチング装置に対するオン オフ制御信号を発生することにより全加熱電力を制御するために配置されている ことを特徴とする、請求項７に記載の炉。 ９．各電流スイッチング装置はゼロ遷移制御サイリスタ装置により実現される ことを特徴とする請求項５、６、７、及び８のいずれか一項に記載の炉。 １０．超硬合金ブランクを焼結するための本発明による方法及び炉の使用であ って、 前記炉はアイソレーションにより囲まれた炉のキャビティと圧力に耐えるケー シングとを具備し、前記加熱素子はグラファイト・ロッドからなり、該グラファ イト・ロッドは、中性線のない３相導体のそれぞれに接続された実質的に対称的 な負荷を形成するように配置されており、前記炉のキャビティは前記３相導体の ためだけの供給スルーを有していることを特徴とする使用。