JP2002260833A

JP2002260833A - 誘導加熱方法および装置

Info

Publication number: JP2002260833A
Application number: JP2001197970A
Authority: JP
Inventors: Naoki Uchida; 直喜内田; Keiji Kawanaka; 啓二川中; Hideyuki Nanba; 秀之難波
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】各加熱コイルの境界部における温度低下を防
止するとともに、相互誘導による影響を除去できるよう
にする。【解決手段】誘導加熱装置１００は、マスタ加熱ユニ
ット１１０ｍとスレーブ加熱ユニット１１０ｓとを有す
る。マスタ側の駆動制御部１２４ｍは、変圧器１５８ｍ
の出力電圧Ｖｍに基づいて、インバータ１２０ｍを駆動
するトランジスタゲートパルスを生成し、インバータ１
２０ｍとスレーブ側駆動制御部１２０ｓとに与える。ス
レーブ側駆動制御部１２０ｓは、マスタ側駆動制御部１
２０ｍから与えられたパルスに同期してトランジスタゲ
ートパルスを生成し、インバータ１２０ｓに与える。位
相制御部１７０は、位相差検出部１７２がスレーブ側の
電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの位相差を求め、位相調整部１７
４が位相差に応じて可変リアクトル部１６２を制御して
電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの位相差を零にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱方法およ
び装置に係り、特に近接して配置した複数の加熱コイル
のそれぞれに、対応して設けた共振型インバータによっ
て給電する誘導加熱方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘導加熱は、加熱コイルに電流を流して
磁場を発生させ、被加熱部材に渦電流を発生させて加熱
するもので、抵抗体加熱では得ることができない高温を
発生させることができるため、各方面において採用され
ている。図８に示したものは、圧延機などのロール焼入
れする誘導加熱装置の概略を模式的に示したものであ
る。

【０００３】図８において、ロール１０は、ロール本体
１２とその両端に設けたジャーナル１４とから形成して
ある。ロール１０の焼入れを誘導加熱で行なう場合、誘
導加熱装置１５に磁束密度の大きな磁場を発生させる加
熱用コイル１６と、これよりも磁束密度の小さな磁場を
発生させる温度保持用コイル１８とを設け、それぞれを
対応するインバータからなる高周波電源２０、２２に接
続する。これらの加熱用コイル１６と温度保持用コイル
１８とは、両者間に隙間を生じないように接近させて配
置し、両コイル１６、１８の境界部において温度が低下
しないようにしている。そして、ロール１０の焼入れ
は、矢印２４のようにロール１０をコイル１６、１８に
向けて前進させ、ロール本体１２の表層部を９５０℃程
度に加熱して行なう。

【０００４】図９は、パーシャル電磁誘導加熱装置の概
略を示したものである。このパーシャル加熱装置３０
は、複数の加熱コイル３２（３２ａ〜３２ｃ）が上下方
向に同心に配置され、それぞれが対応するインバータか
らなる高周波電源３４（３４ａ〜３４ｃ）に接続してあ
る。そして、例えば炭素棒３６の先端（下端）を加熱コ
イル３２の中に挿入し、炭素棒３６の周囲にガスを供給
して加熱コイル３２により約１５００℃程度に加熱し、
ガスを反応させる。この場合、熱が上方に逃げるため、
より上側の加熱コイル３２の磁束密度を大きくするよう
に電源３４を制御する。また、各加熱コイル３２は、境
界部において温度の低下を防ぐために接するように近接
配置してある。

【０００５】図１０は、電磁誘導による容器加熱装置の
概略を示したものである。この誘導加熱装置４４は、例
えば炭素によって形成したルツボ４０の内部に炭化ケイ
素（ＳｉＣ）４２の粉末を入れ、これを加熱コイル４８
（４８ａ、４８ｂ）によって加熱し、炭化ケイ素４２を
蒸発させてワーク４６に堆積させるようにしている。そ
して、誘導加熱装置４４は、上下方向に同心に設けた２
つの加熱コイル４８ａ、４８ｂを有していて、それぞれ
をインバータからなる高周波電源５０（５０ａ、５０
ｂ）に接続し、下側の加熱コイル４８ｂが大きな磁束密
度の磁場を発生して炭化ケイ素４２を加熱するようにし
ている。

【０００６】図１１は、いわゆるバウムクーヘン型誘導
加熱装置の概略を示したものである。この誘導加熱装置
６０は、炭素などから形成したドーナツ状ステージ６２
を備えていて、ステージ６２の上面に複数の半導体ウエ
ハ６４を配置するようになっている。そして、ステージ
６２の下方には、加熱コイル６６が配置してあって、こ
の加熱コイル６６に通電することにより、半導体ウエハ
６４を加熱できるようにしてある。また、加熱コイル６
６は、外側コイル６６ａ、中央コイル６６ｂ、内側コイ
ル６６ｃからなっていて、これらをそれぞれ対応したイ
ンバータからなる高周波電源６８（６８ａ〜６８ｃ）に
接続し、ステージ６２の全体を均一に加熱できるように
している。そして、この場合においても、各コイル６６
ａ〜６６ｃを接触する程度まで接近させて配置し、コイ
ルの境界部において温度が低下しないようにしている。

【０００７】図１２は、押出し加工用の誘導加熱装置の
概略を示したものである。この誘導加熱装置７０は、横
方向に同心状に配置した複数の加熱コイル７２（７２ａ
〜７２ｃ）を有し、これらをインバータからなる対応し
た高周波電源７４（７４ａ〜７４ｃ）に接続し、加熱コ
イル７２の内部に配置した金属材料７６を、加工先端側
から加工後端側に向けて温度が低くなるように加熱す
る。そして、加熱コイル７２ａ〜７２ｃは、境界部にお
いて温度低下を生じないように近接させて配置してい
る。また、金属材料を液相と固相との共存状態で鍛造を
行うＳＳＦ（ＳｅｍｉＳｏｌｉｄＦｏｒｇｉｎｇ）の
場合にも同様の誘導加熱装置が用いられる。

【０００８】ところで、誘導加熱用のインバータには、
ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎ）インバータと共振回路を有するいわゆる共振型イン
バータなどとがある。そして、共振型のインバータは、
ＰＷＭ型のインバータより大きな電力効率が得られるた
め、上記の誘導加熱装置にしばしば用いられる。また、
上記したように、複数の加熱コイルを有する誘導加熱装
置は、各加熱コイル境界部における温度の低下を防ぐた
め、各コイルを近接して配置している。このため、１つ
の加熱コイルによって発生させた磁束が他の加熱コイル
に影響を与えて複数の加熱コイル間において相互誘導を
生じ、各加熱コイルに誘導起電力が発生して各加熱コイ
ルに流れる電流と電圧との間に位相差を生じ、インバー
タの転流失敗などが発生してインバータを運転すること
ができなくなる場合がある。

【０００９】すなわち、共振回路を持つ高周波インバー
タは、各コイルを流れる電流の周波数と位相とを合致さ
せないと、相互誘導現象により電圧、電流に歪が発生
し、インバータが運転できなくなる。また、各加熱コイ
ルを流れる電流の位相が一致していないと、各コイルの
境界部において磁束の打ち消しが発生し、境界部におい
て温度が低下するなどの加熱への悪影響を生ずる。さら
に、各インバータの出力電流と出力電圧との位相差を小
さくしないと、インバータ出力効率が悪く、インバータ
の容量低減および効率の低下を招く。

【００１０】そこで、各加熱コイル間に磁気遮蔽用のコ
イルを挿入して加熱コイルの端部において磁束を吸収
し、相互誘導を生じないようにする方法が提案されてい
る。また、２つの加熱コイルを１つの周波数変換器（高
周波インバータ）に並列に接続するとともに、１つの加
熱コイルに可変リアクトルを直列に接続し、可変リアク
トルのＬ分を調整して電圧値を変化させることが提案さ
れている（実公平３−３９４８２号公報）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した各加
熱コイルの境界部に磁気遮蔽用コイルを配置する方法
は、コイル端部における磁束が磁気遮蔽コイルに吸収さ
れ、その部分における温度低下を生じて均一な加熱をお
こなうことができない。また、実公平３−３９４８２号
公報に記載のように、１つの加熱コイルに可変リアクタ
を直列接続し、可変リアクトルによって電圧を変化させ
る方法は、可変リアクトルを制御すると、全体の周波数
が変わること、電力制御の時定数が長いこと、１台の電
力制御が系全体の各加熱コイルの電力値を変えてしま
い、各加熱コイルのそれぞれについて独立に温度制御困
難であること、などの欠点を有する。

【００１２】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、各加熱コイルの境界部における
温度低下を防止するとともに、相互誘導による影響を除
去できるようにすることを目的としている。また、本発
明は、各加熱コイルの電力を容易に制御できるようにす
ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る誘導加熱方法は、複数の加熱コイル
のそれぞれに対応させた共振型インバータによって前記
各加熱コイルに給電するとともに、各加熱コイルに供給
される電流に基づいて各加熱コイル間の電流位相を調整
し、各加熱コイルに供給する電流の周波数と位相とを同
期させて運転するようにしたことを特徴としている。

【００１４】また、本発明は、複数の加熱コイルのそれ
ぞれに対応させた共振型インバータによって前記各加熱
コイルに給電するとともに、前記各共振型インバータの
１つをマスタインバータ、他をスレーブインバータと
し、このスレーブインバータを前記マスタインバータの
駆動信号またはマスタインバータの出力周波数に同期し
て駆動し、かつスレーブインバータ側のリアクトルを制
御してスレーブインバータの出力電流と出力電圧との位
相差を調整することを特徴としている。

【００１５】スレーブインバータの出力電流と出力電圧
との位相差を調整したのちに、マスタ側の加熱コイルに
供給する電流とスレーブ側の加熱コイルに供給する電流
との位相差を求め、スレーブインバータの駆動を制御
し、マスタ側加熱コイルに流れる電流とスレーブ側加熱
コイルに流れる電流との電流位相差を調整することが望
ましい。

【００１６】また、本発明に係る第１の誘導加熱装置
は、複数の加熱コイルのそれぞれに対応させた共振型イ
ンバータと、各共振型インバータから各加熱コイルに供
給される電流の位相差を求める位相検出器と、この位相
検出器の求めた位相差に基づいて共振型インバータに駆
動信号を与え、各加熱コイル間の電流位相を調整して各
加熱コイルに供給する電流の周波数と位相とを同期させ
る駆動制御部を備えてなることを特徴としてなるもので
ある。

【００１７】本発明に係る誘導加熱装置は、共振型イン
バータからなるマスタインバータと、共振型インバータ
からなる１以上のスレーブインバータと、このスレーブ
インバータと前記マスタインバータとに対応して設けた
複数の加熱コイルと、前記マスタインバータと前記スレ
ーブインバータとに駆動信号を与える駆動制御部と、前
記スレーブインバータとこのスレーブインバータに対応
した前記加熱コイルとの間に設けた可変リアクトルと、
前記スレーブインバータの出力電流と出力電圧との位相
差を検出する位相検出部と、この位相検出部の出力信号
に基づいて、前記可変リアクトルを制御して前記スレー
ブインバータの出力電流と出力電圧との位相差を調整す
る位相調整部とを有することを特徴ととしている。

【００１８】さらに、本発明に係る誘導加熱装置は、共
振型インバータからなるマスタインバータと、このマス
タインバータに駆動信号を与える駆動制御部と、前記マ
スタインバータの出力周波数に同期して駆動される共振
型インバータからなる１以上のスレーブインバータと、
このスレーブインバータと前記マスタインバータとに対
応して設けた複数の加熱コイルと、前記スレーブインバ
ータとこのスレーブインバータに対応した前記加熱コイ
ルとの間に設けた可変リアクトルと、前記スレーブイン
バータの出力電流と出力電圧との位相差を検出する位相
検出部と、この位相検出部の出力信号に基づいて、前記
可変リアクトルを制御して前記スレーブインバータの出
力電流と出力電圧との位相差を調整する位相調整部とを
有することを特徴としている。

【００１９】なお、マスタ側の加熱コイルに流れる電流
と、スレーブ側の加熱コイルに流れる電流との位相差を
求め、この位相差に応じてスレーブインバータの駆動を
制御する負荷電流制御部を設けるとよい。また、マスタ
インバータとスレーブインバータとには、それぞれ対応
した出力電力制御部を接続することが望ましい。そし
て、駆動制御部には、マスタインバータの出力電圧また
は出力電流をフィードバックさせ、出力電圧と出力電流
との位相を揃えるようにする。

【００２０】

【作用】上記のごとく構成した本発明は、複数の加熱コ
イルに供給する電流の周波数と位相とを同期させるよう
にしているため、複数の加熱コイルを近接して配置した
としても、加熱コイル間に相互誘導現象を生ずることが
なく、各加熱コイルの境界部における磁束の打ち消しに
基づく温度の低下などを防止することができる。

【００２１】すなわち、本発明は、マスタインバータを
駆動する駆動信号をスレーブインバータにも与え、マス
タインバータとスレーブインバータとを同期して駆動す
るとともに、スレーブインバータ側のリアクトルを制御
し、スレーブインバータの出力電流と出力電圧との位相
を合致させる。従って、マスタインバータとスレーブイ
ンバータとの電流の周波数、位相を揃えることができ、
相互誘導による影響を防止して転流失敗などの運転不能
な状態をなくすことができる。しかも、スレーブインバ
ータは、出力電流と出力電圧との位相が合致するように
調整されるため、インバータの出力効率を高められ、効
率の低下を防止することができる。

【００２２】さらに、スレーブインバータの出力電流と
出力電圧との位相差を調整したのちに、マスタ側の加熱
コイルに供給する電流とスレーブ側の前記加熱コイルに
供給する電流との位相差を求め、電流制御部によりこの
電流位相差をなくすように調整すると、スレーブインバ
ータの電流と電圧との位相を制御した際に、スレーブ側
とマスタ側とで電流の位相がずれたときに、その位相ず
れを修正することにより、マスタ側加熱コイルとスレー
ブ側加熱コイルとの間における相互誘導の発生を完全に
なくすことができる。

【００２３】なお、マスタインバータを駆動する駆動信
号に代えて、マスタインバータの出力電流や出力電圧、
出力電力などの出力周波数をスレーブインバータの駆動
信号として与え、スレーブインバータをマスタインバー
タの出力周波数に同期させて運転しても同様の効果を得
ることができる。また、マスタインバータとスレーブイ
ンバータとのそれぞれに対応して出力電力制御部を設け
ることにより、各インバータの出力の大きさを自由に制
御することができ、加熱温度の管理を自由に、高精度で
行なうことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明に係る誘導加熱方法および
装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に
説明する。図１は、本発明の第１実施の形態に係る誘導
加熱装置の説明図である。この実施形態に係る誘電加熱
装置１００は、マスタ加熱ユニット１１０ｍとスレーブ
加熱ユニット１１０ｓとの一対から形成してある。各加
熱ユニット１１０ｍ、１１０ｓは、それぞれ電源部１１
２ｍ、１１２ｓと、これらの電源部１１２ｍ、１１２ｓ
から電力を供給される負荷コイル部１５０ｍ、１５０ｓ
とを備えている。

【００２５】各電源部１１２ｍ、１１２ｓは、サイリス
タによってブリッジ回路を形成した整流回路である順変
換部１１４ｍ、１１４ｓを有し、これらの順変換部１１
４ｍ、１１４ｓがそれぞれ三相交流電源１１６ｍ、１１
６ｓに接続してある。そして、順変換部１１４ｍ、１１
４ｓの出力側には、平滑リアクトル１１８ｍ、１１８ｓ
を介してインバータ（逆変換部）１２０ｍ、インバータ
１２０ｓが接続してある。実施形態の場合、マスタ加熱
ユニット１１０ｍ側のインバータ１２０ｍがマスタイン
バータであって、スレーブ加熱ユニット１１０ｓ側のイ
ンバータ１２０ｓがスレーブインバータとなっている。
そして、各インバータ１２０ｍ、１２０ｓは、実施形態
の場合、電流型であって、周知のようにダイオードとト
ランジスタとを直列接続した辺からなるブリッジ回路に
よって形成してある。

【００２６】インバータ１２０ｍ、１２０ｓの出力側に
接続した負荷コイル部１５０ｍ、１５０ｓは、負荷コイ
ルである加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓを有している。
そして、各加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓとその内部抵
抗１５６ｍ、１５６ｓとには、コンデンサ１５４ｍ、１
５４ｓが並列に接続してあって、加熱コイル１５２とコ
ンデンサ１５４とによって並列共振回路を形成してい
る。すなわち、実施形態の場合、インバータ１２０ｍ、
１２０ｓは、並列共振型インバータを構成している。ま
た、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓは、実施形態の場
合、相互に近接して配置してある。

【００２７】各負荷コイル部１５０ｍ、１５０ｓには、
コンデンサ１５４ｍ、１５４ｓと並列に変圧器１５８
ｍ、１５８ｓが設けてあって、インバータ１２０ｍ、１
２０ｓの出力電圧に対応した電圧値を得ることができる
ようにしてある。そして、マスタ加熱ユニット１１０ｍ
側の変圧器１５８ｍの出力電圧Ｖｍは、詳細を後述する
マスタ側の電力制御部１２２ｍと駆動制御部１２４ｍと
にフィードバックするようにしてある。また、スレーブ
加熱ユニット１１０ｓ側の変圧器１５８ｓの出力電圧Ｖ
ｓは、スレーブ側の電力制御部１２２ｍにフィードバッ
クするようにしてある。さらに、負荷コイル部１５０
ｍ、１５０ｓには、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓと直
列に変流器１６０ｍ、１６０ｓが設けてあって、その出
力電流Ｉｍ、Ｉｓが電力制御部１２２ｍ、１２２ｓにフ
ィードバックするようになっている。

【００２８】各電力制御部１２２ｍ、１２２ｓは、順変
換部１１４ｍ、１１４ｓを構成しているサイリスタに駆
動パルスを与えるもので、電力設定器１２６ｍ、１２６
ｓが接続してある。そして、マスタ側の駆動制御部１２
４ｍは、変圧器１５８ｍから入力する電圧Ｖｍのゼロク
ロスを検出し、このゼロクロスに同期してインバータ１
２０ｍを構成しているトランジスタＴＲｍＡ₁、ＴＲｍ
Ａ₂、ＴＲｍＢ₁、ＴＲｍＢ₂に駆動パルスを出力す
る。また、駆動制御部１２４ｍは、スレーブ側の駆動制
御部１２４ｓに前記の駆動パルスに同期した信号を入力
する。スレーブ側駆動制御部１２４ｓは、マスタ側駆動
制御部１２４ｍから入力する信号に基づいて、スレーブ
側インバータ１２０ｓを構成しているトランジスタＴＲ
ｓＡ₁、ＴＲｓＡ₂、ＴＲｓＢ₁、ＴＲｓＢ₂を駆動す
るパルスを生成してこれらのトランジスタに与える。

【００２９】スレーブ加熱ユニット１１０ｓには、位相
検出器２２０が設けてある。この位相検出器２２０は、
マスタ側負荷コイル１５２ｍに供給する負荷電流Ｉ
_lmと、スレーブ側負荷コイル１５２ｓに供給する負荷電
流Ｉ_lsとの位相差を求めるもので、変流器１６０ｍ、１
６０ｓによる検出電流が入力するうになっている。そし
て、位相検出器２２０は、負荷電流Ｉ_lmと負荷電流Ｉ_ls
との位相差を求めてスレーブ側の駆動制御部１２４ｓに
入力する。スレーブ側駆動制御部１２４は、詳細を後述
するように、位相検出器２２０の出力信号に基づいて、
負荷電流Ｉ_lm、Ｉ_lsの位相を一致させるように調整す
る。

【００３０】スレーブ加熱ユニット１１０ｓは、詳細を
後述するように、インバータ１２０ｓの出力電流Ｉｓと
出力電圧Ｖｓとの位相差を零にするための位相制御部１
７０を有している。この位相制御部１７０は、変圧器１
５４ｓと変流器１６０ｓとが出力する電圧Ｖｓ、電流Ｉ
ｓが入力する位相差検出部１７２と、この位相差検出部
１７２の出力信号に基づいて、インバータ１２０ｓと加
熱コイル１５２ｓとの間に設けた可変リアクトル部１６
２を制御する位相調整部１７４とから構成してある。そ
して、可変リアクトル部１６２は、実施形態の場合、加
熱コイル１５２ｓとコンデンサ１５４ｓとに並列接続し
た可変容量リアクタンス１６４と、加熱コイル１５２ｓ
に直列接続した可変誘導リアクタンス１６６とから構成
してある。

【００３１】上記のごとく構成した誘導加熱装置１００
は、マスタ加熱ユニット１１０ｍの加熱コイル１５２ｍ
と、スレーブ加熱ユニット１１０ｓの加熱コイル１５２
ｓとが接するように近接して配置してある。各電源部１
１２ｍ、１１２ｓは、順変換部１１４ｍ、１１４ｓのサ
イリスタが電力制御部１２２ｍ、１２２ｓの出力する駆
動パルスによって駆動し、三相電源１１６ｍ、１１６ｓ
の出力する交流電力を整流して直流電力に変換し、平滑
コイル１１８ｍ、１１８ｓを介してインバータ（逆変換
部）１２０ｍ、１２０ｓに与える。電力制御部１２２ｍ
は、図２に示したように構成してあって、スレーブ側の
電力制御部１２２ｓも同様な構成となっている。

【００３２】すなわち、電力制御部１２２ｍは、変圧器
１５８ｍの出力電圧Ｖｍと変流器１６０ｍの出力電流Ｉ
ｍとが入力される電力変換器１３０と、電力変換器１３
０の出力側に設けた電力比較器１３２と、電力比較器１
３２の出力側に接続した順変換位相制御器１３４、この
順変換位相制御器１３４の出力信号が入力する順変換ゲ
ートパルス発生器１３６とから構成してある。

【００３３】電力変換器１３０は、入力する電圧値Ｖｍ
と電流値Ｉｍとからインバータ１２０ｍの出力電力Ｐｍ
を求めて電力比較器１３２に出力する。電力比較器１３
２には、電力設定器１２６ｍが接続してあって、電力変
換器１３０が求めた電力値Ｐｍを電力設定器１２６ｍの
出力する設定値Ｐｍｃと比較し、両者の偏差に対応した
出力信号を順変換位相制御器１３４に送出する。そし
て、順変換位相制御器１３４は、電力比較器１３２の出
力信号に応じて順変換部１１４ｍを構成している各サイ
リスタに与えるゲートパルスの発生タイミングを調整
し、検出した電力値Ｐｍと設定値Ｐｍｃとの差が零とな
るサイリスタの駆動タイミングを求め、そのタイミング
に合わせて順変換ゲートパルス発生器１３６に駆動信号
を与える。順変換ゲートパルス発生器１３６は、順変換
位相制御器１３４の出力信号に同期してゲートパルスを
発生し、順変換部１１４ｍの各サイリスタに駆動信号と
して与える。なお、サイリスタの出力電力は、電力設定
器１２６の設定値Ｐｍｃを変えることによって変えるこ
とができる。

【００３４】インバータ１２０ｍ、１２０ｓを駆動する
駆動制御部１２４ｍ、１２４ｓは、図３に示したように
なっている。すなわち、駆動制御部１２４ｍと駆動制御
部１２４ｓとは、それぞれトランジスタ用ゲートパルス
発生器１４０ｍ、１４０ｓを有し、それぞれの出力側に
一対のゲートユニット１４２ｍＡ、１４２ｍＢ、１４２
ｓＡ、１４２ｓＢが接続してある。また、スレーブ側の
駆動制御部１２４sには、位相調整回路１４３が設けて
ある。この位相調整回路１４３は、負荷電流制御部とな
っていて、後述するように、マスタ側加熱コイル１５２
ｍとスレーブ側加熱コイル１５２ｓとを流れる負荷電流
Ｉ_Lm、Ｉ_Lsの位相を調整するためのもので、位相調整回
路１４３の出力側にトランジスタ用ゲートパルス発生器
１４０ｓが接続してある。さらに、位相調整回路１４３
には、マスタ側トランジスタ用ゲートパルス発生器１４
０ｍの出力パルスと、位相検出器２２０が求めた負荷電
流Ｉ_Lm、Ｉ_Lsの位相差φ_msとが入力するようになってい
る。そして、マスタ側の駆動制御部１２４ｍは、トラン
ジスタ用ゲートパルス発生器１４０ｍに変圧器１５８ｍ
の出力電圧Ｖｍがフィードバックするようになってお
り、図４に示したように、ゲートパルス発生器１４０ｍ
が電圧Ｖｍのゼロクロスを検出してトランジスタを駆動
するためのゲートパルスを発生し、ゲートユニット１４
２ｍＡ、１４２ｍＢに入力するとともに、スレーブ側の
トランジスタ用ゲートパルス発生器１４０ｓに同期信号
として与える。

【００３５】駆動制御部１２４ｍのトランジスタ用ゲー
トパルス発生器１４０ｍは、実施形態の場合、図４
（１）のように変化する電圧Ｖｍが入力すると、電圧Ｖ
ｍが下側からゼロクロスしたときに、同図（３）に示し
たように、Ａ相用トランジスタＴＲｍＡ₁、ＴＲｍＡ₂
を駆動するゲートパルスを生成してゲートユニット１４
２ｍＡとスレーブ側の位相調整回路１４３とに出力す
る。ゲートユニット１４２ｍＡは、ゲートパルス発生器
１４０ｍから入力したゲートパルスをトランジスタＴＲ
ｍＡ₁、ＴＲｍＡ₂のベースに駆動信号として与える。
また、ゲートパルス発生器１４０ｍは、電圧Ｖｍが上側
からゼロクロスしたときに、Ａ相用のゲートパルスの生
成を停止するとともに、同図（４）に示したように、Ｂ
相用トランジスタＴＲｍＢ₁、ＴＲｍＢ₂を駆動するゲ
ートパルスを生成し、ゲートユニット１４２ｍＢに出力
する。ゲートユニット１４２ｍＢは、入力したゲートパ
ルスをＢ相のトランジスタＴＲｍＢ₁、ＴＲｍＢ₂のベ
ースに与えてこれを駆動する。これにより、マスタ側の
インバータ１２０ｍは、固有の周波数で駆動され、図４
（５）に示したように、電圧Ｖｍに同期した電流Ｉｍが
出力され、同図（２）に示したように、加熱コイル１５
２ｍに負荷電流Ｉ_Lmが与えられる。

【００３６】一方、スレーブ側駆動制御部１２４ｓの位
相調整回路１４３は、マスタ側のゲートパルス発生器１
４０ｍが出力したパルスの立上がり、立下がりに同期し
て信号をトランジスタ用ゲートパルス発生器１４０ｓに
出力する。ゲートパルス発生器１４０ｂは、図４（６）
に示したように、位相調整回路１４３からパルスが入力
すると、これに同期してＡ相用パルスをＡ相用ゲートユ
ニット１４２ｓＡに出力する。ゲートユニット１４２ｓ
Ａは、入力したパルスを対応するトランジスタＴＲｓＡ
₁、ＴＲｓＡ₁のベースに駆動信号として与えて作動さ
せる。また、スレーブ側ゲートパルス発生器１４０ｓ
は、同図（７）に示したように、Ｂ相用パルスを生成し
てＢ相用ゲートユニット１４２ｓＢに与える。ゲートユ
ニット１４２ｓＢは、入力したパルスに基づいてトラン
ジスタＴＲｓＢ₁、ＴＲｓＢ₂を駆動する。これによ
り、インバータ１２０ｓから図４（８）に示したよう
に、マスタ側インバータ１２０ｍの出力する電流Ｉｍに
同期した電流Ｉｓが出力され、加熱コイル１５２ｓに負
荷電流Ｉ_Lsが供給される（図４（９）、（１０）参
照）。

【００３７】スレーブ加熱ユニット１１０ｓに設けた位
相制御部１７０の位相差検出部１７２には、スレーブ側
の負荷コイル部１５０ｓを流れ負荷電流Ｉ_Lsが変流器１
６０ｓによってＩｓとして検出され、印加される負荷電
圧が変圧器１５０ｓによってＶｓとして検出される。こ
れらの電流Ｉｓと電圧Ｖｓとは、スレーブ加熱ユニット
１１０ｓに設けた位相制御部１７０の位相差検出部１７
２に入力される。位相制御部１７０の位相調整部１７４
は、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓに負荷電流Ｉ_Lm、Ｉ
_Lsが流れ、両者間に相互誘導が生じてスレーブ側の負荷
コイル部１５０ｓ側に誘導起電力が発生し、スレーブ側
インバータ１２０ｓの出力電圧Ｖｓと出力電流Ｉｓとの
間に位相ずれを生ずると、電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの位相
が一致するように可変リアクトル部１６２を制御する。
図５は、位相制御部１７０の作用を説明するフローチャ
ートである。

【００３８】位相制御部１７０の位相差検出部１７２
は、スレーブ側の変圧器１５８ｓと変流器１６０ｓとか
ら電圧Ｖｓと電流Ｉｓとが入力すると、図５のステップ
１９０に示したように、両者の位相差を検出して位相角
φを求めて位相調整部１７４に送出する。位相調整部１
７４は、位相差検出部１７２が出力した位相角φが入力
すると、電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの位相が一致している
か、すなわちφ＝０であるか否かを判断する（ステップ
１９１）。そして、位相が一致している場合には、位相
差検出部１７２が出力する次の位相角φを読み込む。

【００３９】位相調整部１７４は、ステップ１９１にお
いて位相角φ＝０でないと判断した場合、ステップ１９
２に進んで電流Ｉｓの位相が電圧Ｖｓの位相より進んで
いるか遅れているかを判断する。位相調整部１７４は、
図４（８）の破線に示したように、電圧Ｖｓ（Ｖｓ₁）
が電流Ｉｓに対して位相角φ₁だけ位相が遅れている場
合、すなわち電流の位相が電圧の位相より進んでいる場
合、ステップ１９３に示したように、位相角φ₁に応じ
て可変リアクトル部１６２の可変容量リアクタンス１６
４のＣを減少、または可変誘導リアクタンスのＬを減
少、もしくは両方を減少させて電圧Ｖｓの位相を進めも
しくは電流Ｉｓの位相を遅らせ、図４（８）の実線に示
したように、電圧Ｖｓの位相を電流Ｉｓの位相と一致さ
せる。

【００４０】位相調整部１７４は、ステップ１９２にお
いて図４（８）の一点鎖線に示したように、電圧Ｖｓ
（Ｖｓ₂）が電流Ｉｓに対してφ₂だけ位相が進んでい
る（電流の位相が電圧の位相より遅れている）と判断し
た場合、ステップ１９２からステップ１９４に進み、位
相角φ₂に応じて可変容量リアクタンス１６４のＣを増
加、または可変誘導リアクタンス１６６のＬを増加、も
しくは両者を増加させて電圧Ｖｓの位相を遅らせ、もし
くは電流Ｉｓの位相を進め、電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの位
相を一致させる。

【００４１】このように、可変リアクトル部１６２を制
御してスレーブ側インバータ１２０ｓの出力電圧Ｖｓと
出力電流Ｉｓとの位相を調整したときに、マスタ側加熱
コイル１５２ｍに供給される負荷電流Ｉ_Lmと、スレーブ
側加熱コイル１５２ｓに供給される負荷電流Ｉ_Lsとの間
に、図７に示したような位相ずれを生ずることがある。
このため、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓとの間に相互
誘導が発生する。そこで、この実施形態においては、負
荷電流Ｉ_Lm、Ｉ_Lsの位相差φ_msを位相検出器２２０によ
って検出し、図３に示したように、スレーブ側駆動制御
部１２４ｓの位相調整回路１４３に入力する。位相調整
回路１４３は、例えば図７（３）のように、スレーブ側
負荷電流Ｉ_Lsがマスタ側負荷電流Ｉ_Lmに対してφ_ms1だ
け位相が遅れている場合、この位相差φ_ms1をなくすよ
うにゲートパルス発生器１４０ｓに与える信号の発生タ
イミングを進め、負荷電流Ｉ_Lmと負荷電流Ｉ_Lsとの位相
を一致させる。また、位相調整回路１４３は、スレーブ
側負荷電流Ｉ_Lsがマスタ側負荷電流Ｉ_Lmに対して、図７
（４）のようにφ_ms2だけ位相が進んでいる場合、この
位相差φ_ms2をなくすように、ゲートパルス発生器１４
０ｓに与える信号を遅らせ、負荷電流Ｉ_Lmと負荷電流Ｉ
_Lsとの位相を一致させる。

【００４２】これにより、負荷電流Ｉ_Lm、Ｉ_Lsの位相が
完全に一致し、マスタ側加熱コイル１５２ｍとスレーブ
側加熱コイル１５２ｓとの間に相互誘導が生ずるのを防
ぐことができる。従って、加熱コイル１５２ｍ、１５２
ｓを相互に近接して配置したとしても、相互誘導の影響
を受けることなく誘導加熱を行なうことができ、加熱コ
イル１５２ｍ、１５２ｓの境界部における加熱温度の低
下などの不都合をなくすことができる。そして、実施の
形態においては、マスタ加熱ユニット１１０ｍとスレー
ブ加熱ユニット１１０ｓとのそれぞれに電力制御部１２
２ｍ、１２２ｓを設け、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓ
に供給する電力を独立して調整をできるようにしたこと
により、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓ間で任意に加熱
温度を変えることができるとともに、高精度の温度制御
を行なうことができる。

【００４３】なお、前記第１実施形態においては、スレ
ーブ加熱ユニット１１０ｓを１つだけ設けた場合につい
て説明したが、スレーブ加熱ユニットは複数設けてもよ
い。そして、マスタとするものは、従来技術において説
明した誘導加熱装置における複数の加熱コイルのうち
の、任意の加熱コイルであってよい。また、第１実施形
態においては、スレーブ側の電流Ｉｓと電圧Ｖｓとの位
相を一致させる場合に、位相制御部１７０の位相差検出
部１７２に電流Ｖｓと電流Ｉｓとを入力させる場合につ
いて説明したが、電流Ｉｓの代わりにスレーブ側インバ
ータ１２０ｓのトランジスタに与えるゲートパルスを用
いてもよい。そして、前記実施の形態においては、加熱
コイル１５２ｍ、１５２ｓを近接配置する場合にて説明
したが、加熱コイル１５２ｍ、１５２ｓを近接配置しな
い場合にも適用できることはもちろんである。さらに、
前記第１実施形態においては、スレーブ側に設けた可変
リアクトル部１６２を可変容量リアクタンス１６４と可
変誘導リアクタンス１６６とによって構成した場合につ
いて説明したが、可変リアクトル部１６２は、可変容量
リアクタンス１６４または可変誘導リアクタンス１６６
のいずれか一方によって形成してもよい。

【００４４】図６は、第２実施形態の説明図である。第
２実施形態の誘導加熱装置２００は、マスタ加熱ユニッ
ト２１０ｍとスレーブ加熱ユニット２１０ｓとから構成
してある。そして、マスタ側の駆動制御部１２４ｍは、
マスタ側インバータ１２０ｍにのみゲートパルスを出力
するようになっている。また、スレーブ側の駆動制御部
２１２ｓは、マスタ側の変圧器１５８ｍの電圧Ｖｍが入
力し、この電圧Ｖｍに基づいて、スレーブ側インバータ
１２０ｓを構成しているトランジスタの駆動信号（ゲー
トパルス）を生成してインバータ１２０ｓに与えるよう
になっている。また、第２実施形態においては、図３に
破線で示したように、スレーブ側駆動制御部１２４ｓ
（２１２ｓ）の位相調整回路１４３に、マスタ側ゲート
パルス発生器１４０ｍの出力パルスに代えてマスタ側イ
ンバータ１２０ｍの出力電圧Ｖｍが入力するするように
してある。他の構成は、前記第１実施形態と同様であ
る。

【００４５】このように構成した第２実施形態において
は、スレーブ側駆動制御部２１２ｓがマスタ側の電圧Ｖ
ｍが入力すると、マスタ側駆動制御部１２４ｍと同様に
電圧Ｖｍのゼロクロスを検出し、このゼロクロスに同期
してＡ相用トランジスタゲートパルスとＢ相用トランジ
スタゲートパルスとを生成し、インバータ１２０ｓの各
トランジスタのベースに駆動信号として与える。これに
より、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。

【００４６】なお、スレーブ側の駆動制御部２１２に、
マスタ側の変流器１６０ｍの出力する電流Ｉｍ、または
マスタ側インバータ１２０ｍの出力電力を入力し、これ
らマスタ側の電流Ｉｍまたは電力に基づいてトランジス
タゲートパルスを生成し、これをスレーブ側インバータ
１２０ｓのトランジスタに与え、スレーブ側インバータ
１２０ｓをマスタ側の電流Ｉｓまたは電力に同期させて
運転をしてもよい。そして、前記各実施形態において
は、インバータ１２０ｍ、１２０ｓが電流型インバータ
である場合について説明したが、インバータは電流型で
なくともよい。さらに、本発明は、前記に説明した内容
に限定されるものではない。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は、複数
の加熱コイルのそれぞれに対応させた共振型インバータ
によって前記各加熱コイルに給電するとともに、各加熱
コイルの周波数電流位相を同期させて運転するように
し、より具体的には、マスタインバータを駆動する駆動
信号をスレーブインバータにも与え、マスタインバータ
とスレーブインバータとを同期して駆動するとともに、
スレーブインバータ側のリアクトルを制御し、スレーブ
インバータの出力電流と出力電圧との位相を合致させる
ことにより、マスタインバータとスレーブインバータと
の電流の周波数、位相を揃えることができ、相互誘導に
よる影響を防止することができ、転流失敗などの運転不
能な状態をなくすことができる。しかも、スレーブイン
バータは、出力電流と出力電圧との位相差が調整される
ため、インバータの出力効率を高められ、効率の低下を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態に係る誘導加熱装置の
説明図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る電力制御部の詳細説
明図である。

【図３】実施の形態に係る駆動制御部の詳細説明図であ
る。

【図４】実施の形態に係るインバータの動作を説明する
タイムチャートである。

【図５】実施の形態に係る位相制御部の作用を説明する
フローチャートである。

【図６】本発明に係る第２実施形態の説明図である。

【図７】実施の形態に係るマスタ側負荷電流とスレーブ
側負荷電流との位相差を調整する方法の説明図である。

【図８】誘導加熱によるロールの焼入れ方法の説明図で
ある。

【図９】パーシャル誘導加熱装置の概略説明図である。

【図１０】誘導加熱による容器の加熱を説明する図であ
る。

【図１１】いわゆるバウムクーヘン型誘導加熱装置の概
略説明図である。

【図１２】押出し成形用の誘導加熱装置の概略説明図で
ある。

【符号の説明】

１００、２００………誘導加熱装置、１１０ｍ、２１０
ｍ………マスタ加熱ユニット、１１０ｓ、２１０ｓ……
…スレーブ加熱ユニット、１１２ｍ、１１２ｓ………電
源部、１１４ｍ、１１４ｓ………順変換部、１１８ｍ、
１１８ｓ………平滑リアクトル、１２０ｍ、１２０ｓ…
……インバータ、１２２ｍ、１２２ｓ………電力制御
部、１２４ｍ、１２４ｓ、２１２ｓ………駆動制御部、
１４３………負荷電流制御部（位相調整回路）、１５０
ｍ、１５０ｓ………負荷コイル部、１５２ｍ、１５２ｓ
………加熱コイル、１５４ｍ、１５４ｓ………コンデン
サ、１６２………可変リアクトル部、１６４………可変
容量リアクタンス、１６６………可変誘導リアクタン
ス、１７０………位相制御部、１７２………位相差検出
部、１７４………位相調整部、２２０………位相検出
器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｈ０２Ｍ 7/48 ＡＨ０５Ｂ 6/44 Ｈ０５Ｂ 6/44 (72)発明者難波秀之岡山県玉野市玉３丁目１番１号三井造船株式会社玉野事業所内Ｆターム(参考） 3K059 AA02 AC03 AC07 AC14 AD15 AD23 4K042 AA20 BA03 DA01 DB01 EA01 4K063 CA03 FA34 5H007 AA17 BB04 CA01 CB02 CB05 CC12 DA03 DB01 DC02 DC04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の加熱コイルのそれぞれに対応させ
た共振型インバータによって前記各加熱コイルに給電す
るとともに、各加熱コイルに供給される電流に基づいて
各加熱コイル間の電流位相を調整し、各加熱コイルに供
給する電流の周波数と位相とを同期させて運転すること
を特徴とする誘導加熱方法。
【請求項２】複数の加熱コイルのそれぞれに対応させ
た共振型インバータによって前記各加熱コイルに給電す
るとともに、前記各共振型インバータの１つをマスタイ
ンバータ、他をスレーブインバータとし、このスレーブ
インバータを前記マスタインバータの駆動信号またはマ
スタインバータの出力周波数に同期して駆動し、かつス
レーブインバータ側のリアクトルを制御してスレーブイ
ンバータの出力電流と出力電圧との位相差を調整するこ
とを特徴とする誘導加熱方法。
【請求項３】請求項１に記載の誘導加熱方法におい
て、前記スレーブインバータの出力電流と出力電圧との
位相差を調整したのちに、マスタ側の前記加熱コイルに
供給する電流とスレーブ側の前記加熱コイルに供給する
電流との位相差を求め、前記スレーブインバータの駆動
を制御して前記電流位相差を調整することを特徴とする
誘導加熱方法。
【請求項４】複数の加熱コイルのそれぞれに対応させ
た共振型インバータと、各共振型インバータから各加熱
コイルに供給される電流の位相差を求める位相検出器
と、この位相検出器の求めた位相差に基づいて共振型イ
ンバータに駆動信号を与え、各加熱コイル間の電流位相
を調整して各加熱コイルに供給する電流の周波数と位相
とを同期させる駆動制御部を備えてなることを特徴とす
る誘導加熱装置。
【請求項５】共振型インバータからなるマスタインバ
ータと、共振型インバータからなる１以上のスレーブイ
ンバータと、このスレーブインバータと前記マスタイン
バータとに対応して設けた複数の加熱コイルと、前記マ
スタインバータと前記スレーブインバータとに駆動信号
を与える駆動制御部と、前記スレーブインバータとこの
スレーブインバータに対応した前記加熱コイルとの間に
設けた可変リアクトルと、前記スレーブインバータの出
力電流と出力電圧との位相差を検出する位相検出部と、
この位相検出部の出力信号に基づいて、前記可変リアク
トルを制御して前記スレーブインバータの出力電流と出
力電圧との位相差を調整する位相調整部とを有すること
を特徴とする誘導加熱装置。
【請求項６】共振型インバータからなるマスタインバ
ータと、このマスタインバータに駆動信号を与える駆動
制御部と、前記マスタインバータの出力周波数に同期し
て駆動される共振型インバータからなる１以上のスレー
ブインバータと、このスレーブインバータと前記マスタ
インバータとに対応して設けた複数の加熱コイルと、前
記スレーブインバータとこのスレーブインバータに対応
した前記加熱コイルとの間に設けた可変リアクトルと、
前記スレーブインバータの出力電流と出力電圧との位相
差を検出する位相検出部と、この位相検出部の出力信号
に基づいて、前記可変リアクトルを制御して前記スレー
ブインバータの出力電流と出力電圧との位相差を調整す
る位相調整部とを有することを特徴とする誘導加熱装
置。
【請求項７】請求項５または６に記載の誘導加熱装置
において、マスタ側の前記加熱コイルに流れる電流と、
スレーブ側の前記加熱コイルに流れる電流との位相差を
求め、この位相差に応じてスレーブインバータの駆動を
制御する負荷電流制御部を有していることを特徴とする
誘導加熱装置。
【請求項８】請求項５ないし７のいずれか１に記載の
誘導加熱装置において、前記マスタインバータと前記ス
レーブインバータとには、それぞれ対応した出力電力制
御部が接続してあることを特徴とする誘導加熱装置。