JP2010166634A - 誘導加熱用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを、負荷インピーダンスに応じて、自動的にインピーダンスマッチングを取ることで加熱コイルヘの有効電力を増やして、溶解時間の短縮を図った誘導加熱用電源装置を提供するものである。
【解決手段】商用電源に接続された直流を交流に変換する順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここで直流を交流に変換して負荷に供給する誘導加熱用電源装置において、計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、この時の自制周波数とゲートのラップ時間を記憶して、自制運転から他制運転に切換え、ここでインピーダンスに応じて他制周波数を上昇または下降させ、更に損失を基準損失データーと比較してラップ時間を調整し、次いで計測した他制周波数と設定した上下限値とを比較して、自制運転への復帰を判断するようにしたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、逆変換器のスイッチング素子のゲートオンする機構を改良した誘導加熱用電源装置に関するものである。

一般に誘導加熱用高周波インバータは誘導加熱用電源装置であり、その主回路は、商用電源に接続された順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここから負荷共振周波数に応じた電力を加熱コイルに供給する構成となっている。誘導加熱は加熱コイル内に主に被加熱材料を投入し、加熱コイルに電力を供給することで、被加熱材料に渦電流を発生させて溶解・加熱する電気加熱方式の一つである。

被加熱材料の加熱・溶解条件は常時変動しており、これに伴って共振周波数や負荷インピーダンスが変動するが、負荷共振周波数に同期して運転するインバータには常に高効率で安定した電力供給が要求される。インバータは電流形インバータであるため、加熱コイル内の溶解条件によって変化する負荷インピーダンスと、インバータの出力インピーダンスが同等の時に、加熱コイルに最大電力を印加することができ、これがインピーダンスマッチングの取れている状態である。

しかし負荷変動に伴って、負荷インピーダンスが低インピーダンス状態では電流先行となり、逆に負荷インピーダンスが高インピーダンス状態では電圧先行となり、加熱コイルヘの印加電力が減少する問題がある。特に誘導炉の操業開始時の冷炉冷材溶解では、負荷インピーダンス変動が大きく、これによるインピーダンスマッチングが大きく変化するため、加熱電力が変動することで、溶解時間が長くなる問題があり、負荷インピーダンスに応じて自動的にインピーダンスマッチングが取れれば、溶解時間は短縮することができる。

インピーダンスマッチングを取る方法には、整合装置内の整合変圧器のタップ電圧を変化させる方法や（特許文献１）、負荷共振周波数を変化させる方法があり、ここでは負荷共振周波数を変化させる方法として、加熱コイルのインダクタンスを変化させる方法がある。しかしながらこの方法は加熱コイルのインダクタンスを容易に変更できないので現実的な方法ではない。

また力率調整コンデンサの総容量を変化させる方法もあるが、自動調整する場合は切換器が必要となり、価格が上昇する問題がある。またインバータの出力周波数を変化させる方法もあるが、従来のインバータでは、逆変換器の転流余裕時間の制約から他制運転ができず、基本的に負荷共振周波数に応じて逆変換器が動作するため、インバータ側から負荷共振周波数を調整することはできない。

特開平１０−２４１８４６

本発明は上記問題を改善し、インバータを、負荷インピーダンスに応じて自動的に出力周波数を可変制御することにより負荷共振周波数を変化させて、自動的にインピーダンスマッチングを取ることで加熱コイルヘの有効電力を増やして、溶解時間の短縮を図った誘導加熱用電源装置を提供するものである。

本発明の請求項１記載の誘導加熱用電源装置は、商用電源に接続された直流を交流に変換する順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここで直流を交流に変換して負荷に供給する誘導加熱用電源装置において、
（１）自制運転時で負荷インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路と、（２）計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、この時の自制周波数を記憶する自制周波数記憶回路と、（３）計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、この時のゲートのラップ時間を記憶するラップ時間記憶回路と、（４）計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、自制運転を停止する自制運転停止回路と、（５）記憶した前記自制周波数とゲートのラップ時間を設定して他制運転を開始する他制運転開始回路と、（６）計測した前記負荷インピーダンスが上限値を超えている場合に、他制周波数を下降させる周波数下降回路と、（７）計測した前記負荷インピーダンスが下限値を未満の場合に、他制周波数を上昇させる周波数上昇回路と、（８）電力損失を計測し、出力電力に応じた電力損失データーと比較して、損失が大きい時に、前記ゲートのラップ時間を調整するラップ時間調整回路と、（９）計測した周波数が予め設定した上下限値を外れた時に他制運転を停止する他制運転停止回路と、（１０）他制運転を停止した後、自制運転に切換える自制運転開始回路と、からなることを特徴とするものである。

本発明の請求項２記載の誘導加熱用電源装置は、請求項１において、負荷が誘導溶解炉または誘導加熱炉であることを特徴とするものである。

本発明の請求項３記載の誘導加熱用電源装置は、請求項１において、スイッチング素子が、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴ、もしくはパワートランジスタで形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る請求項１記載の誘導加熱用電源装置によれば、インバータを負荷共振回路の周波数に同期して動作する自制運転から、インバータで設定した周波数で運転する他制運転に切換えて可変制御することにより、負荷共振周波数を変化させて、自動的にインピーダンスマッチングを取ることで加熱コイルヘの有効電力を増やして、溶解時間の短縮化を図ることができる。

また請求項２記載の誘導加熱用電源装置によれば、誘導溶解炉に限らず、板材や棒材などの被加熱材をコイル内に挿入して誘導加熱する加熱装置にも広く適用することができる。

また請求項３記載の誘導加熱用電源装置によれば、逆変換器を構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴの他、パワーＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタを使用することができる。

以下本発明の実施の一形態を図１ないし図４を参照して詳細に説明する。図１は誘導加熱用電源装置を示すもので、図において１は商用電源、２は商用電源１に接続された順変換器、３は直流リアクトル、４は逆変換器、５は力率改善用コンデンサ、６は加熱コイル、７は環流回路、８は直流電圧検出回路、９は制御回路、１０は制御装置、１１は計測用変流器、１２は計測用変圧器、１３はインバータである。

前記順変換器２は順変換器用サイリスタ２１〜２６で構成され、三相商用電源１から直流電圧を生成する装置で、直流電圧は制御回路９で設定されるゲートタイミングによって変化する。また直流リアクトル３は、順変換器２で生成された直流電圧のリプル分を除去するとともに、逆変換器４やインバータの負荷である力率調整用コンデンサ５や加熱コイル６の破損時に発生する過電流の急激な増加を抑制するものである。

また前記逆変換器４は逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４と逆変換器用逆阻止ダイオード４５〜４８とから構成され、負荷共振周波数に応じてＩＧＢＴ４１〜４４をオンオフさせることで電力を加熱コイル６に供給するものである。この電力を出力するＩＧＢＴ４１〜４４は逆阻止能力を持たないため、逆阻止ダイオード４５〜４８によって、ＩＧＢＴ４１〜４４のオフ時に電流がＩＧＢＴ４１〜４４を介して逆流することを防止している。

また力率改善用コンデンサ５は、誘導加熱装置が遅れ方向の低力率装置であるため、加熱コイル６の遅れ力率を進み方向に改善する作用をなすものである。また加熱コイル６は、コイル内に被加熱材料を投入されたとき、インバータから電力を供給されることで、炉内の被加熱材料にうず電流を発生させ、うず電流により発生するジュール熱によって、被加熱材料を加熱・溶解させるようになっている。

前記環流回路７は、限流リアクトル７１と環流動作を行うための環流回路用高速サイリスタ７２とで構成され、インバータ１３が停止する場合に高速サイリスタ７２がオンし、順変換器２が直流から交流に逆変換器領域で動作することで、主回路に蓄積している電力を電力系統側に回生させるようになっている。なお限流リアクトル７１は、環流回路用高速サイリスタ７２がオンした際に、急激に電流が立ち上がって同サイリスタ７２が破損することを防止している。

また前記直流電圧検出回路８は、逆変換器４のＰーＮ間に接続され、逆変換器４では一方のＩＧＢＴ４１と４４または４２と４３と、他方のＩＧＢＴ４２と４３または４１と４４が交互に動作しており、一方がオンしている状態で他方も所定のタイミングでオンした際、転流して電流が切れて発生する逆電圧を検出するものである。この検出した逆電圧は制御回路９に出力されるようになっている。

また制御回路９は、インバータ１３の運転・停止や、順変換器４のサイリスタや逆変換器のＩＧＢＴを点弧させるタイミング設定や、過電圧や過電流から主回路素子を保護するものである。

前記制御装置１０は、波誘導炉システムの運転・停止や出力調整など行うもので、計測用変流器１１と計測用変圧器１２の計測信号から、負荷インピーダンスを計測し、負荷インピーダンスが設定した上下限値インピーダンスから外れた場合に、インバータ１３を、負荷共振回路の周波数に同期して動作する自制運転から、インバータ１３で設定した周波数で運転する他制運転に切換え、負荷インピーダンスに応じて他制周波数を可変制御するものである。

上記制御装置１０の回路構成は、計測用変流器１１と計測用変圧器１２で、電流と電圧を計測して、図２に示すように自制運転時に負荷インピーダンス（％Ｒ）を計測するインピーダンス計測回路１５が、計測したインピーダンスを予め設定した上下限値と比較するインピーダンス比較回路１６に接続され、この上下限値を外れた時に、この時の自制周波数を記憶する自制周波数記憶回路１７と、この時のゲートのラップ時間を記憶するゲートラップ時間記憶回路１８が接続されている。

更にゲートラップ時間記憶回路１８に自制運転停止回路１９と、他制運転開始回路２０が接続されている。また他制運転開始回路２０に、計測したインピーダンスを予め設定した上限値と比較するインピーダンス比較回路２１が接続され、更に計測したインピーダンスを下限値と比較するインピーダンス比較回路２２が接続されている。また前記インピーダンス比較回路２１には、他制周波数を下降させる他制周波数下降回路２３が接続され、またインピーダンス比較回路２２には他制周波数を上昇させる他制周波数上昇回路２４が接続されている。

またインピーダンス比較回路２２には損失計測回路２５と、計測した損失と出力電力に応じた基準電力損失データーと比較する損失比較回路２６が接続され、ここに、損失が大きい時に、ラップ時間を調整するラップ時間調整回路２７が接続されている。また前記損失比較回路２６には、他制周波数計測回路２８が接続され、更に計測した周波数と、予め設定した上下限値を比較する他制周波数比較回路２９が接続され、上下限値から外れた時に他制運転を停止する他制運転停止回路３０が接続されている。また他制運転停止回路３０には、自制運転に切換える自制運転開始回路３１が接続されている。

上記構成の誘導加熱用電源装置についてその動作を説明する。図１に示すように、商用電源１に接続された順変換器２で交流電圧から直流電圧に変換し、直流リアクトル３を介して、逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４と逆変換器用逆阻止ダイオード４５〜４８とから構成され、逆変換器４で直流電圧を低周波または高周波電圧に変換して、この電力を加熱コイル６に供給し、炉内の被加熱材料にうず電流を発生させ、うず電流により発生するジュール熱によって、被加熱材料を加熱・溶解させる。

誘導炉の冷炉冷材溶解による負荷インピーダンス（％Ｒ）と共振周波数Ｆの特性変化は図３に示すようになる。定格電力・定格電圧時の負荷インピーダンスを１００％Ｒ（＝Ｖ^２ ／Ｐ）とすると、負荷インピーダンスは溶解初期では低インピーダンスであるが、被加熱材の温度が上昇するに従って上昇し、ある一定値まで上昇すると１００％まで下降し、被加熱材が全て溶け落ちて、溶解完了となる。

溶解初期のように１００％Ｒ未満となる場合、負荷インピーダンスと印加電圧・電流の関係は、図４に示すように、電流が流れ易い状態となるため、電流リミットが機能してインバータ出力電圧を抑えることで定格電流を超過しないようにする。逆に溶解材料が不足する場合、若しくは被加熱材がキュリー点温度以上では、磁束が通り難くなるため高インピーダンス状態となり、電流は流れ難く電圧が上昇する。

このように負荷共振回路の周波数に同期して動作する自制運転を行なっている状態で、計測用変流器１１と計測用変圧器１２で、電流と電圧を計測して、図２に示すように自制運転時に負荷インピーダンスをインピーダンス計測回路１５で常時計測する。計測したインピーダンスが予め設定した上限値（例えば１２０％Ｒ）と、下限値（例えば８０％Ｒ）と比較するインピーダンス比較回路１６に接続され、この上下限値を外れた時に、この時の自制周波数を自制周波数記憶回路１７で記憶すると共に、この時のゲートのラップ時間をゲートラップ時間記憶回路１８で記憶する。この後、急激に周波数を可変すると不要停止する可能性があるので、衝撃を和らげるために自制運転停止回路１９が作動して自制運転を停止する。

次に他制運転開始回路２０が作動し、他制運転が開始される。この時、インピーダンス比較回路２１、２２で計測したインピーダンスと上下限値と比較する。上限値を超えている場合には、他制周波数下降回路２３で他制周波数を下降させる。また下限値未満の場合には、他制周波数上昇回路２４で周波数を上昇させる。

誘導加熱は、電磁誘導によって被加熱材に渦電流を発生させ、そのジュール熱で加熱するものであるが、渦電流は被溶解材表面ほど大きく、その中心にいくに従って減少する傾向があり、周波数が高い程顕著になる。被加熱材表面で電流密度が一様に分布して流れると仮定すると、その電流の幅δで（浸透深さ）は下式で表される。
δ＝５．０３√（ρ／μｒ・ｆ）……式１
但しρ：被加熱材の抵抗率（μΩ・ｃｍ）、μｒ：比透磁率、ｆ：周波数

そのため、周波数を上昇させることで浸透深さは浅くなり、被加熱材表面に磁束が集中するために被加熱材全体としては電流が流れ難く、高インピーダンスの状態となる。逆に周波数を下降することで浸透深さは深くなり、被加熱材中心に磁束が集中することで、電流が流れ易い、低インピーダンス状態となる。つまり負荷共振周波数を可変することにより、負荷インピーダンスを調整することができる。

他制周波数は本来の共振周波数とは相違するので損失が増加する。負荷共振周波数を可変すると同時に、損失を計測して、逆変換器４の逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４のゲートのラップ時間を調整する。先ず損失計測回路２５で損失を計測し、これと出力電力に応じた基準電力損失データーとを損失比較回路２６で比較し、損失が基準電力損失値を超える場合には、ラップ時間調整回路２７でゲートのラップ時間を調整する。この周波数相違による一定レベルまで損失を抑制するには、逆変換器４のゲートのラップ（重なり）時間を可変させて調整することが有効である。

更に他制周波数計測回路２８で他制周波数を計測し、これと予め設定した上下限値を他制周波数比較回路２９で比較し、上下限値から外れた時に他制運転停止回路３０で他制運転を停止する。他制運転を一旦停止した後、自制運転開始回路３１により自制運転を再起動させる。上下限値内であれば、インピーダンス比較回路２１に戻って、再度調整が行なわれる。

つまり他制周波数を変更して損失が拡大しない場合は、更に他制周波数を変化させるが、もし他制周波数が上限周波数（上限値Ｆ：仮に１０５％Ｆ）以上になった場合、または下限周波数 （下限値Ｆ：仮に５０％Ｆ）未満になった場合は、一旦装置を停止して自制運転に切換える。

従って、他制運転により周波数を上昇させることにより、本来、低インピーダンス状態であったものが電流を抑制できる高インピーダンス方向になることで、電流リミット運転を防止して有効電力が上昇する。逆に周波数を下降することにより、本来、高インピーダンス状態であったものが、電流を流せる低インピーダンス方向になるため、有効電力が上昇する。

このように負荷共振周波数を可変制御することで、負荷インピーダンスを任意に変化させ、電源装置とのインピーダンスマッチングを自動的に取ることで加熱コイルヘの有効電力を増やして、溶解時間の短縮を図ることが可能となった。

なお上記説明では、誘導溶解炉に適用した場合について説明したが、板材や棒材などの被加熱材を、コイル内に挿入して誘導加熱する加熱装置にも適用することができる。この場合、整合変圧器のタップ切換器を用いずに、周波数を制御して負荷インピーダンス％Ｒを調整することにより、インバータとのインピーダンスマッチングを自動的に取ることができ、加熱コイルヘの有効電力を増やして、加熱時間を短縮することができる。また鉄等の磁性体を低温から加熱すると、磁気特性が変化する性質( 磁気変態点という) があり披加熱材が鉄の場合は磁気変態点が７５０℃付近にある。磁気変態点前後で大きく変化する負荷インピーダンス％Ｒを、周波数可変制御することにより、安定した電力供給が可能になる。

本発明の実施の一形態による誘導加熱用電源装置の回路図である。 図１に示す誘導加熱用電源装置の制御装置の構成を示す説明図である。 負荷インピーダンスと共振周波数特性の関係を示すグラフである。 印加電圧と印加電流の変化による負荷インピーダンスの状態を示すグラフである。

１ 商用電源
２ 順変換器
３ 直流リアクトル
４ 逆変換器
５ 力率改善用コンデンサ
６ 加熱コイル
７ 環流回路
８ 直流電圧検出回路
９ 制御回路
１０ 制御装置
１１ 計測用変流器
１２ 計測用変圧器
１３ インバータ
２１〜２６ インバータ順変換器用サイリスタ
４１〜４４ 逆変換器用ＩＧＢＴ
４５〜４８ 逆変換器用逆阻止ダイオード
１５ インピーダンス計測回路
１６ インピーダンス比較回路
１７ 自制周波数記憶回路
１８ ゲートラップ時間記憶回路
１９ 自制運転停止回路
２０ 他制運転開始回路
２１ インピーダンス比較回路
２２ インピーダンス比較回路
２３ 他制周波数下降回路
２４ 他制周波数上昇回路
２５ 損失計測回路
２６ 損失比較回路
２７ ラップ時間調整回路
２８ 他制周波数計測回路
２９ 他制周波数比較回路
３０ 他制運転停止回路
３１ 自制運転開始回路

Claims (3)

1. 商用電源に接続された直流を交流に変換する順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここで直流を交流に変換して負荷に供給する誘導加熱用電源装置において、
   （１） 自制運転時で負荷インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路と、
   （２） 計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、この時の自制周波数を記憶する自制周波数記憶回路と、
   （３） 計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、この時のゲートのラップ時間を記憶するラップ時間記憶回路と、
   （４） 計測したインピーダンスが、予め設定した上下限値を外れた時に、自制運転を停止する自制運転停止回路と、
   （５） 記憶した前記自制周波数とゲートのラップ時間を設定して他制運転を開始する他制運転開始回路と、
   （６） 計測した前記負荷インピーダンスが上限値を超えている場合に、他制周波数を下降させる周波数下降回路と、
   （７） 計測した前記負荷インピーダンスが下限値を未満の場合に、他制周波数を上昇させる周波数上昇回路と、
   （８） 電力損失を計測し、出力電力に応じた電力損失データーと比較して、損失が大きい時に、前記ゲートのラップ時間を調整するラップ時間調整回路と、
   （９） 計測した周波数が予め設定した上下限値を外れた時に他制運転を停止する他制運転停止回路と、
   （１０） 他制運転を停止した後、自制運転に切換える自制運転開始回路と、
   からなることを特徴とする誘導加熱用電源装置。
2. 負荷が誘導溶解炉または誘導加熱炉であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱用電源装置。
3. スイッチング素子が、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴ、もしくはパワートランジスタで形成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱用電源装置。