JP2008111632A - Heat treatment furnace - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱処理炉の熱源に供給する電力を制御する電力制御装置に関する。 The present invention relates to a power control apparatus that controls power supplied to a heat source of a heat treatment furnace.
従来、熱処理炉におけるハロゲンランプなどの熱源が単相負荷の場合には、電源として単相交流電源を用い、単相交流電源からの出力を平滑化せず直接、PWM方式電圧制御(例えば、特許文献1参照)、位相制御、サイクル制御による電力、電圧、電流制御(例えば、特許文献2参照)により熱源に供給する電力を制御することが一般に行われている。また、電力フィードバックはPWM方式電圧制御の電力出力の半サイクル単位で検出が行われている。位相、サイクル制御はこの機能を付加していない。 Conventionally, when a heat source such as a halogen lamp in a heat treatment furnace is a single-phase load, a single-phase AC power source is used as a power source, and PWM system voltage control is directly performed without smoothing the output from the single-phase AC power source (for example, patent In general, the power supplied to the heat source is controlled by the power, voltage, and current control (see, for example, Patent Document 2) by phase control and cycle control. Further, the power feedback is detected in units of half cycle of the power output of PWM voltage control. Phase and cycle control do not add this function.
上述した技術によると、単相電源の直接制御は熱源に対する単なる熱出力の制御となっている。しかしながら、熱源においては、供給される電力が変化すると、熱出力が変化するだけでなく、熱源スペクトルも変化する。ここで、熱源であるハロゲンランプにおける熱出力と熱源スペクトルとの関係について図7を参照しつつ説明する。図7に示すように、ハロゲンランプにおける熱出力が100%のとき、熱源スペクトル波長が10μmがピークとなっているとき、熱出力が低下するに伴って、熱源スペクトルの波長が長くなる方向に変化する(図中(a)〜(c)参照)。一方、処理材は固有の熱吸収スペクトルを有している。例えば、処理材が、波長8〜12μmの熱吸収スペクトルを有している場合(図中(d)参照)、一般的に、熱源は100%の熱出力時における熱源スペクトルとこの処理材の熱吸収スペクトルとが一致するように決められている。このため、熱源が100%以下の熱出力となっているときの熱源スペクトルは、処理材の熱吸収スペクトルと一致しない。この場合、熱源からの放射熱が効率よく処理材に吸収されず、輻射熱によって処理材を加熱することになり熱応答が遅くなる。処理材は、処理全体が同一物質のとき、また個々に分布してもよい。 According to the technique described above, direct control of a single-phase power supply is simply control of heat output to a heat source. However, in the heat source, when the supplied power changes, not only the heat output changes, but also the heat source spectrum. Here, the relationship between the heat output and the heat source spectrum in the halogen lamp as the heat source will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, when the heat output in the halogen lamp is 100%, when the heat source spectrum wavelength is at a peak of 10 μm, the heat output spectrum changes in the direction of increasing the wavelength as the heat output decreases. (Refer to (a) to (c) in the figure). On the other hand, the treatment material has a unique heat absorption spectrum. For example, when the treatment material has a heat absorption spectrum with a wavelength of 8 to 12 μm (see (d) in the figure), the heat source generally has a heat source spectrum at 100% heat output and the heat of the treatment material. It is determined so that the absorption spectrum matches. For this reason, the heat source spectrum when the heat source has a heat output of 100% or less does not match the heat absorption spectrum of the treatment material. In this case, radiant heat from the heat source is not efficiently absorbed by the treatment material, and the treatment material is heated by radiant heat, resulting in a slow thermal response. The treatment materials may be distributed individually when the whole treatment is the same substance.
そこで、本発明は、処理材を効率よく加熱することができる熱処理炉における電力制御装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the electric power control apparatus in the heat processing furnace which can heat a processing material efficiently.
本発明の熱処理炉における電力制御装置は、熱処理炉が有する熱源を関数制御することで発熱スペクトルと処理材の熱吸収スペクトルとを一致させる。 The power control apparatus in the heat treatment furnace according to the present invention matches the heat generation spectrum and the heat absorption spectrum of the treatment material by function-controlling the heat source of the heat treatment furnace.
本発明によると、熱源の発熱スペクトルと処理材の熱吸収スペクトルとが一致するため、熱源からの放射熱が効率よく処理材に吸収される。これにより、処理材の熱応答が速くなり、処理材を効率よく加熱することができ、生産性及び品質を向上されることができる。さらに、熱処理炉における省電力化を図ることができる。 According to the present invention, since the heat generation spectrum of the heat source matches the heat absorption spectrum of the treatment material, the radiant heat from the heat source is efficiently absorbed by the treatment material. Thereby, the thermal response of a processing material becomes quick, a processing material can be heated efficiently, and productivity and quality can be improved. Furthermore, power saving in the heat treatment furnace can be achieved.
本発明においては、前記熱源に供給される電圧、電流及び電力のいずれかをフィードバック制御することが好ましい。これによると、熱源に供給される電力を正確に制御することができる。また、負荷が短絡したときなど瞬時に負荷対応するころができパワー素子などを安全に守ることができる。 In the present invention, it is preferable to perform feedback control of any one of voltage, current, and power supplied to the heat source. According to this, the electric power supplied to the heat source can be accurately controlled. Moreover, when the load is short-circuited, the roller can respond to the load instantaneously, and the power element can be safely protected.
また、本発明においては、複数の前記熱源に供給する電力を三相電源から生成してもよい。これによると、相バランス及び力率を改善することができるため、熱処理炉におけるさらなる省電力化を図ることができる。 In the present invention, power supplied to the plurality of heat sources may be generated from a three-phase power source. According to this, since the phase balance and the power factor can be improved, further power saving in the heat treatment furnace can be achieved.
さらに、本発明においては、前記処理材の材質変化、搬送速度変化、前記処理材の不連続な熱処理炉への挿入に対して、前記熱源に供給する電力をフィードフォワード制御することがより好ましい。これによると、処理材を適切(最適)に加熱することができる。 Furthermore, in the present invention, it is more preferable to feed-forward control the power supplied to the heat source in response to a change in the material of the treatment material, a change in conveyance speed, and insertion of the treatment material into a discontinuous heat treatment furnace. According to this, a processing material can be heated appropriately (optimally).
また、本発明においては、外部から指示を受信する受信手段と、内部データを外部に送信する送信手段とをさらに備えていてもよい。これによると、複数の電力制御装置を一箇所で電力関数発生器、各種パラメータの設定ができ制御することができる。また設定、負荷の電力などのデータを送信することができる。 The present invention may further include receiving means for receiving an instruction from the outside and transmitting means for transmitting the internal data to the outside. According to this, the power function generator and various parameters can be set and controlled at a single location for a plurality of power control devices. Data such as settings and load power can be transmitted.
加えて、本発明においては、スイッチング素子及び前記スイッチング素子を制御するマイクロプロセッサを備えていてもよい。これによると、熱源に供給する多群の電力を細かく平均化して3相電源の相バランス、力率を改善することができる。 In addition, the present invention may include a switching element and a microprocessor that controls the switching element. According to this, the multi-group electric power supplied to the heat source can be finely averaged to improve the phase balance and power factor of the three-phase power source.
本発明においては、前記処理材が太陽電池であってもよい。 In the present invention, the treatment material may be a solar cell.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る実施形態である熱処理炉における電力制御装置の概略ブロック図である。本熱処理炉は、太陽電池を処理材とする太陽電池用の熱処理炉である。電力制御装置1は、処理材を熱処理する熱処理炉において、熱源であるハロゲンヒータ(以下、負荷と称する)2に供給する電力を制御する装置であり、図1に示すように、RSTの三相交流電源に対して並列に複数接続されている。なお、負荷2は出力が100%のときに、負荷2の発熱スペクトルと処理材の熱吸収スペクトルとが一致するように決定されている。したがって、処理材の種類によって、発熱スペクトルが異なるキセノンランプ、ニクロムヒータ、炭化珪素ヒータなどの選択又は併用が可能となっている。各電力制御装置1は、複数の負荷2に対して供給する電力が制御可能となっており、各負荷2に接続された電力変換ユニット3と、各電力変換ユニット3を制御する制御部6とを有している。三相交流電源から供給された電力は、フィルタ7、整流器8及びコンデンサ(平滑コンデンサ)C1を介して直流電力に変換された後に、各電力変換ユニット3に供給される。そして、制御部6に制御された電力変換ユニット3が所望の電力を生成するとともに、生成した電力が負荷2に供給される。コンデンサC1は入力が3相電源、負荷2が抵抗負荷のとき削除してもよい。
FIG. 1 is a schematic block diagram of a power control apparatus in a heat treatment furnace according to an embodiment of the present invention. This heat treatment furnace is a heat treatment furnace for solar cells using a solar cell as a treatment material. The
電力変換ユニット3は、PAM変換器4及び極性変換インバータ5を含んでいる。PAM変換器4は、直流電力をPAM(Pulse Amplitude Modulation)変換するものであり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの2つのパワートランジスタG11、G12、コイルL11及びコンデンサC11を有している。PAM変換器4は、パワートランジスタG11、G12を一定の比率で交互にON、OFF制御されることによって、所望の出力波形を有する電力を生成する(図4参照)。極性変換インバータ5は、PAM変換器4において変換された電力が0になる毎に極性を変換させるものである。負荷2に供給する電力は、負荷2の熱源時定数により決定される所定の周期(図3におけるt11参照)で極性を反転させる必要がある。このため、PAM変換器4は、所定周期で電力が0となるような出力波形を生成する。これにより、極性変換インバータ5は、極性が所定周期で反転する出力波形を有する電力を生成することになる。極性変換インバータ5が生成した電力は負荷2に供給される。
The power conversion unit 3 includes a
制御部6について、図2〜図4をさらに参照しつつ説明する。図2は、制御部6の機能ブロック図である。図3は、制御部6の電力関数生成部11が生成する電力波形図である。図4は、負荷2に供給される電力波形図である。なお、以下の説明においては、制御部6と1つの電力変換ユニット3との関係についてのみ説明する。制御部6は、PAM変換器4の動作を制御するものである。図1及び図2に示すように、制御部6は、電力関数生成部11、ゲイン調整部12、パルス変換器13、フォトカプラ14、電力変換器15、上限電流設定部16、及び、比較器17を有している。点線で囲んだK01の係数設定ブロック18及びK02の係数設定ブロック19、主電力指令信号生成部20、フィードフォワード電力指令信号生成部21、及び、フィードフォワード開始信号生成部22を示す。K01、K02は複数の値を持ってもよい。また点線で囲んだ部分は制御部6の外部に設置してもよい。
The controller 6 will be described with further reference to FIGS. FIG. 2 is a functional block diagram of the control unit 6. FIG. 3 is a power waveform diagram generated by the
電力関数生成部11は、外部から無線、有線を介して操作されることによって、極性変換インバータ5に出力すべき電力関数波形を生成するものである。負荷2に供給すべき電力は、図3(a)に示すように、負荷の熱源時定数により決定される所定の周期t11で極性を反転させる必要があるため、電力関数生成部11は、周期t11毎に電力が0となるような電力関数波形を出力する。また、電力関数生成部11は、負荷2に供給する電力を主電力指令信号、フィードフォワード電力指令信号の加算に基づいて決定し、負荷2に供給する電力が100%となる時間を増減させる。例えば、図3(b)においては、負荷2に供給する電力がt21の間100%となっており、負荷2に供給する電力がt22の間30%となっている。このとき、負荷2に供給する電力が100%となる時間と30%となる時間との関係が維持されていれば、生成する電力波形は任意のパターンであってよい。例えば、図3(c)に示すように、負荷2に供給する電力が100%となる時間t31、t33及び負荷2に供給する電力が30%となる時間t32を組み合わせたものであってもよい(なお、t31+t32×2=t21、t32×3=t22)。このとき、負荷2の発熱スペクトルと処理材の熱吸収スペクトルとが一致する時間が最も長くなるように負荷2に供給する電力が100%となる時間を長く確保することが好ましい。また、処理材が移動するとき処理材温度が移動時間と同期して悪影響を及ぼすとき、図3(b)、(c)、図5(a)、(b)及び図6のように、熱出力を変化させ、熱出力を時間軸に対して位相を進めたり、遅らせたりすることによってこの同期を無くすことができる。
The power
電力変換器15は、電流検知42に検知される極性変換インバータ5に出力された電流I11、及び、極性変換インバータ5に出力される電圧E1を変換して、極性変換インバータ5に出力された電力を検知するものである。電力変換器15で検知された電力は、電力関数生成部11の出力端にフィードバックされる。そして、ゲイン調整部12が、電力関数生成部11の出力結果と、電力変換器15の検知結果との偏差に対してゲインKを掛けた電力を出力する。上限電流設定部16は、負荷2が短絡したときの電流制限を開始するときの上限電流I0を設定するものである。比較器17は、電流検知41に検知されたパワートランジスタG12のドレイン電流I10と、予め決定された上限電流I0とを比較し、ドレイン電流I10が上限電流I0を超えたときに、パルス変換器13に入力される電力が常にI0となるように、ゲイン調整部12からの出力を調整するこれにより、負荷2が短絡したときの電流制限を行うことができる。
The
パルス変換器13は、入力された電力に応じてパワートランジスタG11、G12をON、OFF制御するためのパルス信号を生成するものである。フォトカプラ14は、パルス変換器13からのパルス信号をゲート電圧GE11、GE12に伝達するためのものである。これら制御部6のシステム構成はマイクロプロセッサにより構成されている。
The
なお、制御部6は、図3に示すように、矩形パルスで変化するように負荷2に供給される電力を制御する構成について説明したが、図5(a)に示すように、各矩形パルスが正弦波となるように負荷2に供給される電力を制御してもよい(図4(b)参照)。この場合、各矩形パルスの出力と対応する正弦波の実行出力とが一致していることが好ましい。また、図5(b)及び図5(c)に示すように、波形パターンの少なくとも一部を時間的に入れ替え、また周波数を多く繰り入れてもよい。さらに、正弦波出力で熱源出力スペクトルを確保する方法を図6に示す。図6に示すように、正弦波による熱源出力スペクトルがフリッカーするとき正弦波周波数を上げフリッカーをなくす。このように電力関数生成器は負荷が要求する熱吸収スペクトルに対応した電力関数波形を発生がさせることができる。
In addition, although the control part 6 demonstrated the structure which controls the electric power supplied to the
以上、説明した本実施形態によると、制御部6が、負荷2の発熱スペクトルと処理材の熱吸収スペクトルとが一致するように負荷2の供給する電力を制御するため、負荷2からの放射熱が効率よく処理材に吸収される。これにより、処理材の熱応答が速くなり、処理材を効率よく加熱することができ、生産性及び品質を向上されることができる。さらに、熱処理炉における省電力化を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment described above, the control unit 6 controls the power supplied by the
また、制御部6が、負荷2に供給される電力をフィードバック制御しているため、負荷2に供給される電力を正確に制御することができる。
In addition, since the control unit 6 performs feedback control on the power supplied to the
さらに、制御部6が、各負荷2に供給する電力を三相電源から生成しているため、相バランス及び力率を改善することができるため、熱処理炉におけるさらなる省電力化を図ることができる。
Furthermore, since the control unit 6 generates power to be supplied to each
加えて、制御部6が、主電力指令信号、フィードフォワード指令信号に基づき関数制御することで熱源発熱スペクトルと処理材の吸収スペクトルが一致させることができ処理材を効率よく加熱することができる。このように、処理材の材質変化、搬送速度変化、処理材の不連続な炉への装入に対して、処理材を熱処理すべき温度に加熱する負荷2に供給すべき電力を決定するため、処理材を適切に加熱することができる。
In addition, the control unit 6 performs function control based on the main power command signal and the feedforward command signal, whereby the heat source heat generation spectrum and the absorption spectrum of the processing material can be matched, and the processing material can be efficiently heated. Thus, in order to determine the power to be supplied to the
また、制御部6が、外部との間でデータを送受信する通信手段を有しているため、複数の電力制御装置1を一箇所で制御することができる。
Moreover, since the control part 6 has a communication means which transmits / receives data between the exterior, the some
さらに、制御部6がマイクロプロセッサを含む構成となっているため、負荷2に供給する電力を細かく平均化を図る制御することができる。なお、制御部6の回路構成はソフトウェアのみならずハードウェアにより実現することが可能となっている。
Furthermore, since the control unit 6 includes a microprocessor, the power supplied to the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、上述した実施形態においては、制御部6が、負荷2に供給される電力をフィードバック制御する構成であるが、負荷2に供給される電流又は電圧をフィードバック制御する構成であってもよい。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. For example, in the embodiment described above, the control unit 6 is configured to feedback control the power supplied to the
また、上述した実施形態においては、制御部6が、各負荷2に供給する電力を三相電源から生成する構成であるが、単相電源から生成する構成であってもよい。
In the above-described embodiment, the control unit 6 is configured to generate the power supplied to each
さらに、上述した実施形態において、関数制御の中で矩形波を用いるとき(波形がどの部分でも不連続で上下するとき)、関数の立ち上がり、下がりにS字曲線を入れてもよい。これにより、サージの発生を抑制することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, when a rectangular wave is used in function control (when the waveform is discontinuous up and down in any part), S-shaped curves may be inserted at the rise and fall of the function. Thereby, generation | occurrence | production of a surge can be suppressed.
上述した実施形態においては、処理材が太陽電池である太陽電池用の熱処理炉の電力制御装置1について本発明を適用した例について説明したが、太陽電池以外の他の部材を処理材とする熱処理炉の電力装置についても本発明は適用可能である。
In embodiment mentioned above, although the example which applied this invention about the
また、上述した実施形態において、処理材を単一の部材として説明したが、太陽電池は複数種類の部材から構成されることがある。例えば、太陽電池が基材及び基材の表面に配置された端子を含む。この場合、熱処理工程において、太陽電池の表面に配置された端子のみを加熱することが要求されるときには、発熱スペクトルが端子の熱吸収スペクトルと一致するように負荷2に供給する電力を制御することが好ましい。これにより、端子のみを効率よく加熱することができ、基材に加えられる熱的な負荷を低減することができる。
Moreover, in embodiment mentioned above, although the processing material was demonstrated as a single member, a solar cell may be comprised from a multiple types of member. For example, a solar cell includes a substrate and a terminal disposed on the surface of the substrate. In this case, in the heat treatment step, when it is required to heat only the terminals arranged on the surface of the solar cell, the power supplied to the
1 電力制御装置
2 負荷
3 電力変換ユニット
4 PAM変換器
5 極性変換インバータ
6 制御部
7 フィルタ
8 整流器
11 電力関数生成部
12 ゲイン調整部
13 パルス変換器
14 フォトカプラ
15 電力変換器
16 上限電流設定部
17 比較器
18 係数設定ブロック
19 係数設定ブロック
20 主電力指令信号生成部
21 フィードフォワード電力指令信号生成部
22 フィードフォワード開始信号生成部
41、42 電流検知
G11 パワートランジスタ
G12 パワートランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
内部データを外部に送信する送信手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱処理炉における電力制御装置。 Receiving means for receiving instructions from the outside;
The power control apparatus for a heat treatment furnace according to any one of claims 1 to 4, further comprising transmission means for transmitting internal data to the outside.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006296154A JP2008111632A (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Heat treatment furnace |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006296154A JP2008111632A (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Heat treatment furnace |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2008111632A true JP2008111632A (en) | 2008-05-15 |
Family
ID=39444230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2006296154A Pending JP2008111632A (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Heat treatment furnace |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2008111632A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104034177A (en) * | 2014-06-06 | 2014-09-10 | 江苏宏宝工具有限公司 | Automatic protection device for intermediate frequency furnace |
JP7408953B2 (en) | 2019-09-02 | 2024-01-09 | 富士電機株式会社 | Induction furnace and how to operate it |
-
2006
- 2006-10-31 JP JP2006296154A patent/JP2008111632A/en active Pending
Cited By (2)
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