JP2005166621A - 誘導加熱装置の制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導加熱装置の直列共振回路に於いて、誘導性負荷領域での制御の場合では、電流位相が進み位相となり、容量性負荷となった場合、出力電流の制御ができなかった。従来は、共振周波数から少し離して動作発振周波数の領域を調整していたため、供給電圧と負荷電流に位相差があるため、効率が低下していた。また、複数個のコイルを１台の装置で使用するには、コイルのインダクタンスを同じにして発振周波数が一定になるよう、設計する必要があった。
【解決手段】直列共振回路の供給電圧・負荷電流の位相差を検出する位相差検出１７を設け、供給電圧ｖに比べ負荷電流ｉの位相が進み位相となった場合、発振周波数を調節して、直列共振回路の電圧・電流の位相差が同位相、または数マイクロ秒の遅れになるように制御する位相制御器２０を備えることにより、効率よく被加熱物を加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、誘導加熱装置に於ける、加熱効率の向上を目的とした、周波数制御に関するものである。

図２は、従来の誘導加熱装置の直列共振回路を含むブロック図である。従来の誘導加熱装置の直列共振回路に於ける発振は、駆動素子として、ハイパワー・バイポーラ・トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＩＰＭなどの電力半導体で制御されている。直列共振回路では、発振周波数を制御して、負荷に加わる電力を制御することができる。
駆動素子として、ＩＧＢＴを用いた回路で説明する。ゲート信号発生回路５からＩＧＢＴの１ａ・１ｂおよび２ａ・２ｂの各ＩＧＢＴのゲートへ、駆動信号パルスが交互に印加され、ＩＧＢＴによりスイッチングされる。素子のＯＮ動作が切り替わる時に、１ａ・２ｂおよび２ａ・１ｂが短絡しないようにするため、各ゲート信号ＯＦＦ状態の直後に数マイクロ秒の休止時間３２（ｔ１）、３３（ｔ２）を設ける。

図２の直列共振回路３の等価回路を図３に示す。
Ｒは、コイルや電流経路に含まれる抵抗分、Ｌはコイルのリアクタンス、Ｃはコンデンサのキャパシタンスを表すものとする。
等価回路における直列共振回路のインピーダンスＺは、式１によって表される。
Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ−ｊ（１／ωＣ）

式１

共振周波数において、２式が成り立ち、インピーダンスＺは、式３となる。
ｊωＬ＝ｊ（１／ωＣ）

式２

Ｚ＝Ｒ

式３

直列共振回路に交流電圧を印加した場合、周波数が共振周波数に比べて高い場合は、式４で表され、誘導性の負荷となり、電圧位相に比べ電流位相の方が遅れ位相となる。
ｊωＬ＞ｊ（１／ωＣ）

式４

逆に周波数が共振周波数に比べて低い場合は、式５で表され、容量性の負荷となり、電圧位相に比べ電流位相の方が進み位相となる。
ｊωＬ＜ｊ（１／ωＣ）

式５

直列共振回路に印加する交流電圧ｖとした場合、回路に流れる電流ｉは、式６となる。
ｉ＝ｖ／（Ｒ＋ｊωＬ−ｊ（１／ωＣ））

式６

交流電圧ｖを一定にし、周波数（ｆ）に対し、電流（ｉ）の関係をグラフに表すと、ｆ（周波数）−ｉ（電流）特性曲線 図７ようになる。直列共振回路のインピーダンスは、共振周波数ｆ０で最も小さくなり、電流ｉが最も流れやすくなる。共振周波数より離れるに従いインピーダンスが大きくなり、電流ｉは流れにくくなる。出力調整範囲は、図７に示した、ｆ（周波数）−ｉ（電流）特性曲線では、ｆ０（共振周波数）
より右側の誘導性負荷の領域で周波数範囲が設定される。図２の出力調整回路６の動作は、負荷電流ｉの電流制御を行い、負荷電流ｉを増加させるには周波数ｆを低くし、逆に負荷電流ｉを減少させるには周波数を高くなるように制御することにある。

よって、制御範囲を一定の範囲にすべく制限を設け、図７のＡ点で最大出力電流ｉ１が流れる下限周波数の位置であり、Ｂ点が、最小出力電流ｉ２が流れる上限周波数の位置として設定される。この誘導性負荷の領域では直列共振回路に印加する発振周波数を制御することにより、電流調整すなわち電力調整が行われている。しかし容量性負荷領域では誘導性負荷領域と比べて、周波数ｆと電流ｉが逆相関の関係にあるため、従来の方法では、供給電圧に比べ負荷電流位相が進み位相にならないように、少し余裕を設け、共振周波数と離れるように、下限発振周波数を調整していた。

図４（Ａ）のようにＩＧＢＴから出力された矩形波の供給電圧ｖが、コンデンサＣ１・Ｃ２とコイルＬで構成される直列共振回路３に加わり、正弦波の図４（Ｂ）の負荷電流ｉが流れる。図４（Ｂ）の波形３０は、図７での周波数ｆ１の最大電流の調整位置であるＡ点の電流波形を示し、波形３１は、図７での周波数ｆ２の最小電流の調整位置であるＢ点の電流波形を示す。

誘導加熱装置の用途が鍛造連続加熱のように、１個の加熱コイルに自動供給装置により常に新しい被加熱物が供給され、出口で一定の温度になるような加熱では、加熱コイルと被加熱物のインダクタンスの変化が少なく、負荷変動が少ない。この場合は、図６のｆ−ｉ特性曲線３６が発振周波数の変動も少なく誘導性負荷の領域で電流も安定する。

しかし、１個の加熱コイルを複数個に分割し、被加熱物の先端部のみを加熱する場合は、被加熱物の出し入れ、加熱の開始・終了時では、加熱コイルと被加熱物のインダクタンスが変化し、負荷変動も大きい。また、１種類の加熱コイルで、サイズの異なる被加熱物を加熱する場合も、次のような問題が発生する。図７において加熱の定常状態に動作点がＣ点であるものが、加熱初期には加熱コイルと被加熱物との総合的なインピーダンスの変化により、図６のように共振周波数が変動し、ｆ−ｉ特性曲線３７からｆ−ｉ特性曲線３８に移行する。この場合、動作点はＣ点の周波数ｆ３が出力調整回路６の制御により下限設定周波数ｆ１に移行するため、ｆ−ｉ特性曲線３８では、動作点がＤ点となる。ｆ−ｉ特性曲線３８に移行した状態では、下限周波数がｆ１であるために電流ｉ４と低下する。

ここで、より電流を流すために下限周波数ｆ１をｆ４まで設定を変更することにより、電流ｉ５まで流すことが可能になる。しかし、加熱条件が再び、ｆ−ｉ特性曲線３７に戻った場合は、下限周波数がｆ４に変更されているため、ｆ−ｉ特性曲線３７の動作点Ａは共振周波数ｆ０１を超え、Ｆ点まで低くなる。よって共振周波数ｆ０１より低くなった場合は、電流位相が進みとなり、図７のＰ点からＱ点の容量性負荷領域では、周波数ｆと電流ｉが逆相関の関係にあるため、出力制御ができなくなる。誘導性負荷領域での制御を目的とした周波数制御では、電流位相が進んだ場合は、容量性負荷領域となり出力電流の制御ができなかった。

また、複数個のコイルを切り替えて、１台の誘導加熱装置で使用するには、共振周波数を一定にするため、加熱コイルのインダクタンスも一定にする必要があった。設計時の加熱コイルの計算が複雑化し容易ではなかった。

問題を解決するための手段

本考案の回路構成を図１に示す。誘導加熱装置の出力端子、２１・２２から直列共振回路に加える、供給電圧ｖ・負荷電流ｉの位相差を検出する位相差検出１７を設け、設定範囲外の位相差のずれが発生した場合、出力調整回路６のＶ−Ｆ変換２３による発振周波数を調節して、直列共振回路の供給電圧ｖ・負荷電流ｉの位相差が設定範囲内になるように制御する

発明の効果

誘導性負荷状態から容量性負荷に移行して負荷電流ｉの位相が進んだ場合は、電圧と電流の位相が同位相、又は数マイクロ秒の遅れとなるように発振周波数にコントロールするため、従来の下限周波数設定が図９のｆ−ｉ特性曲線３９ではＸ点、ｆ−ｉ特性曲線４０ではＹ点と共振周波数の動作点まで設定でき、直列共振回路の負荷電流は、従来の方法に比べて約１５％程度の増加となり加熱時間の短縮ができ、加熱に最適なコイルが容易に設計できるようになった。また、従来は作業者が加熱の状態を見ながら、出力調整器で発振周波数を調整するような煩わしさからも開放された。

本考案の実施例として、図１に示す。位相制御器２０を設け、出力調整回路６の差動増幅器２４から出力された信号の一部を周波数制御信号９として取り出し、オペアンプから成るバッファアンプ１３に入力され、パルス幅変換１４に送られる。

直列共振回路の負荷電流ｉは、負荷電流検出器ＣＴ４により検出され変換機８により信号１２に変換され、波形整形１９を経て位相検出器１７に入力される。また、直列共振回路の供給電圧ｖの検出は出力端子２１・２２で行なっても良いが、高電圧であり、絶縁アンプを必要とするため、ゲート信号発生回路５より供給電圧ｖと同位相の信号１１を取り出し、波形整形１８を経て、位相検出器１７に入力される。

直列共振回路の図６（Ｂ）負荷電流ｉが図６（Ａ）供給電圧ｖに比べ位相が進み位相となった場合、位相検出器１７に入力された信号は、図６のように位相比較され、図６（Ｃ）の検出パルス波形３４・３５を検出し電圧波形４１として取り出す。検出電圧波形４１は、パルス幅変換器１４と周波数−電圧変換１５で、出力調整回路の制御電圧波形４２に変換される。

出力調整回路６に於いて、図６（Ｃ）制御電圧波形４２が差動増幅器２４から出力された信号をＶ−Ｆ変換２３により減算処理し発振周波数が制御されるフィードバック信号となり、負荷電流ｉの位相差をゼロにするように動作する。この場合、発振周波数が高い方向にシフトすることで、負荷電流ｉは減少するとともに、位相も遅れ方向にスライドし通常の誘導性負荷領域での制御状態に戻すことができる。結果として、図９に示すように、ｆ−ｉ特性曲線３９では下限周波数ｆ０１となり、下限動作点はＸ点となる。ｆ−ｉ特性曲線４０では下限周波数ｆ０２となり、下限動作点はＹ点となる。ｆ−ｉ特性曲線３９・４０ともに、誘導性負荷領域で安定して誘導加熱装置の発振が可能となった。

鍛造加熱において、１個の加熱コイルを複数個に分割し、被加熱物の先端部のみを加熱する場合は、被加熱物の出し入れ、加熱の開始・終了時では、加熱コイルと被加熱物のインダクタンスが大きく変動する加熱を行う場合、インダクタンスの変化に伴い、発振周波数も変化して直列共振回路の負荷電流の変化となる。被加熱物に供給される電力は、負荷電流の２乗に比例するため、電流が１／２になれば、供給電力は１／４になり、加熱効率は、極端に低下する。
今回の考案は、直列共振回路に供給する発振周波数における、電圧・電流位相の最良点で制御可能となるため、加熱効率が向上する。

本考案の実施方法を示したブロック図 従来の直列共振回路のブロック図 直列共振回路の等価回路図 直列共振回路の動作波形図 ＩＧＢＴにおける直列共振回路の動作波形 本考案の位相制御器の動作波形 直列共振回路の発振周波数ｆ−負荷電流ｉの特性曲線 従来の直列共振回路に於ける状態遷移を示すｆ−ｉ特性曲線 本考案の直列共振回路に於ける状態遷移を示すｆ−ｉ特性曲線

符号の説明

１ａ、１ｂ ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
２ａ、２ｂ ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
３ 直列共振回路
４ 負荷電流検出器 ＣＴ
５ ゲート信号発生回路
６ 出力調整回路
７ 出力調整器
８ 変換器
９ 周波数制御信号
１０ 周波数制御信号
１１ 直列共振回路の電圧検出
１２ 直列共振回路の電流検出
１３ バッファアンプ
１４ パルス幅変換
１５ 周波数−電圧変換
１６ レベル調整器
１７ 位相差検出
１８ 電圧検出・波形整形
１９ 電流検出・波形整形
２０ 位相制御器
２１・２２ ＩＧＢＴの出力端子
２３ Ｖ−Ｆ変換
２４ 差動増幅器
３０ 直列共振回路の負荷電流 最大設定波形
３１ 直列共振回路の負荷電流 最小設定波形
３２・３３ ＩＧＢＴの通電休止時間
３４・３５ 位相検出器の検出電圧
３６ 従来の動作領域での発振周波数ｆ−負荷電流ｉの特性曲線
３７・３８ 従来の動作遷移を示す、発振周波数ｆ−負荷電流ｉの特性曲線
３９・４０ 本考案の動作領域を示す、発振周波数ｆ−負荷電流ｉの特性曲線
４１ 本考案の位相検出器の検出電圧
４２ 本考案の出力調整回路の制御電圧

Claims (5)

1. 誘導加熱装置に於いて、直列共振回路の供給電圧・負荷電流の位相差を検出するための位相検出器を備え、設定範囲外の位相差のずれが発生した場合、発振周波数を、加減して直列共振回路の供給電圧・負荷電流の位相差が設定範囲内になるように制御する、位相制御器を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 誘導加熱装置のコイル・被加熱物の負荷条件が変動し、共振周波数が変動した場合、直列共振回路の供給電圧・負荷電流の位相差を検出して、位相制御器により、発振周波数の下限周波数設定を自動的に制御することを目的としたことを特徴とする、請求項１記載の誘導加熱装置
3. 誘導加熱装置に於いて、被加熱材料径が大きく異なる加熱コイルを使用したとき、下限周波数設定を自動的に制御することにより、加熱効率の向上を目的とする請求項１の誘導加熱装置
4. 誘導加熱装置に於いて、被加熱材料径が大きく異なる加熱コイルを使用したとき、共振用コンデンサの容量を切換えスイッチ等で切換えて共振周波数を合わせることなく、多種の加熱コイルに対応できることを目的とした、下限周波数の自動制御機能をもつ、請求項１記載の誘導加熱装置
5. 誘導加熱装置に於いて、出力調整回路のＶ−Ｆ変換器に位相制御器からの周波数制御信号を加え、下限周波数設定を自動的に制御することを目的とする請求項１の誘導加熱装置

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