JP2011258316A - Controller for induction smelting furnace - Google Patents
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Abstract
Description
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置に関する。 The present invention relates to a control apparatus for an induction melting furnace that melts a material to be melted stored in a furnace by supplying electric power to a heating coil provided on the outer periphery of the furnace wall through power supply means.
従来、この種の誘導溶解炉の制御装置としては、下記特許文献1および2に示すように、順変換器と逆変換器とが並列共振型回路(電流型回路)を構成する電力変換部と、電力変換部の出力力率を検出し、検出された力率から電力変換部の周波数を制御することにより出力力率を所望の値に制御する制御装置が知られている。
Conventionally, as a control device of this type of induction melting furnace, as shown in
しかしながら、従来の誘導溶解炉の制御装置では、電力変換部が並列共振型回路(電流型回路)に構成されることにより、順変換器の位相制御によって出力調整可能に構成されるものの、この特性上、出力を小さくするほど力率が1より小さくなり、高力率を実現できないという問題がある。 However, in the conventional induction melting furnace control device, the power converter is configured as a parallel resonance type circuit (current type circuit) so that the output can be adjusted by the phase control of the forward converter. Further, there is a problem that the power factor becomes smaller than 1 as the output is reduced, and a high power factor cannot be realized.
特に、誘導溶解炉では、被溶解材の加熱調整のためには、広範囲で出力電圧を制御することが求められるが、電力変換部が並列共振型回路(電流型回路)に構成された従来の誘導溶解炉の制御装置では、出力を小さくした場合の力率をある程度は改善することができるものの、回路構成の特性上この問題を根本的に解決することは困難であった。 In particular, in induction melting furnaces, it is required to control the output voltage over a wide range in order to adjust the heating of the material to be melted, but the conventional power converter is configured as a parallel resonance type circuit (current type circuit). In the induction melting furnace control device, although the power factor when the output is reduced can be improved to some extent, it is difficult to fundamentally solve this problem due to the characteristics of the circuit configuration.
一方、このような回路の特性を解決するために、電力変換部を直列共振型回路(電圧型回路)に構成することも考えられるが、逆変換器をフルブリッジ式とした場合には、回路構成が複雑となり(回路部品の点数が増え)コストが嵩むという問題があり、逆変換器をハーフブリッジ式とした場合には、出力を小さく制御した場合に、無効電流が発生して電力損失が生じるという問題がある。 On the other hand, in order to solve the characteristics of such a circuit, it is conceivable to configure the power conversion unit as a series resonance type circuit (voltage type circuit), but when the inverse converter is a full bridge type, There is a problem that the configuration becomes complicated (the number of circuit parts increases) and the cost increases. When the inverter is a half-bridge type, when the output is controlled to be small, reactive current is generated and power loss is reduced. There is a problem that arises.
以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な回路構成で、出力を小さくした場合にも高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる誘導溶解炉の制御装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a control device for an induction melting furnace capable of maintaining a high power factor and suppressing power loss even when the output is reduced with a simple circuit configuration. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
順変換器と、第1および第2スイッチング素子が交互に動作するハーフブリッジ式の逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
前記力率検出部を介して検出される出力力率が1となる周波数で且つ前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅の、前記第1および第2スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an induction melting furnace for melting a material to be heated housed in a furnace by supplying electric power to a heating coil provided on the outer periphery of the furnace wall through power supply means. A control device of
A power converter in which a forward converter and a half-bridge inverse converter in which the first and second switching elements operate alternately constitute a series resonant circuit;
A power factor detector for detecting an output power factor of the power converter;
Generate control signals for the first and second switching elements having a pulse width at which the output power factor detected via the power factor detector is 1 and the output voltage of the power converter is a target voltage. And a control signal generation unit.
本発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、制御信号生成部により逆変換器の第1および第2スイッチング素子の制御信号を前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅にすることで、電力変換部の出力電圧を可変させることができる。さらに、制御信号生成部により逆変換器の第1および第2スイッチング素子の制御信号を電力変換部の出力力率が1となる周波数にすることで、電力変換部の出力電圧に拘らず、高力率を維持することができ、出力電圧を小さくした場合にも高力率を維持して無効電流が発生して電力損失が生じることを抑制することができる。 According to the control apparatus for an induction melting furnace of the present invention, the control signal generation unit sets the control signal of the first and second switching elements of the inverse converter to a pulse width in which the output voltage of the power conversion unit becomes a target voltage. Thus, the output voltage of the power converter can be varied. Furthermore, the control signal generating unit sets the control signals of the first and second switching elements of the inverse converter to a frequency at which the output power factor of the power conversion unit becomes 1, regardless of the output voltage of the power conversion unit. The power factor can be maintained, and even when the output voltage is reduced, the high power factor can be maintained to suppress generation of reactive current and power loss.
これにより、直列共振型回路(電圧型回路)の電力変換部において、逆変換器を回路構成が簡単なハーフブリッジ式に構成した場合に、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。 As a result, in a power converter of a series resonance type circuit (voltage type circuit), when the inverse converter is configured in a half-bridge type with a simple circuit configuration, a high power factor is maintained even when the output is reduced, and the power is maintained. It can suppress that loss arises.
図1を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被加熱材Xを溶解させるものである。 With reference to FIG. 1, the control apparatus of the induction melting furnace of this embodiment is demonstrated. The induction melting furnace melts the material to be heated X stored in the melting furnace.
具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、電源1と、高圧受電盤2と、変換装置用変圧器3と、電力変換装置4と、高周波整合装置5と、誘導加熱装置6と、制御回路(コントローラ)10とを備える。
Specifically, the induction melting furnace control device includes a
なお、電力変換装置4および高周波整合装置5が本発明の電力変換部に相当する。
The power conversion device 4 and the high
電源1は、定格の交流電源であって、高圧受電盤2に接続されている。
The
高圧受電盤2は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ2aと遮断機2bとを備える。パワーヒューズ2aは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機2bは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
The high-voltage power receiving
変換装置用変圧器3は、高圧受電盤2に接続され、電力変換装置4への入力電圧が所定の値となるように調整する。
The transformer for converter 3 is connected to the high voltage
電力変換装置4は、変換装置用変圧器3に接続され、50Hzまたは60Hzの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器41a,41bと、直流/交流変換器である逆変換器42a,42bとを備え、制御回路10からの出力制御信号により制御される。
The power conversion device 4 is a device for generating an arbitrary high-frequency current from a commercial power supply of 50 Hz or 60 Hz, connected to the transformer 3 for the conversion device, and is a
具体的に、電力変換装置4は、入力側にダイオード式順変換器41a,41bを備え、出力側にIGBT式逆変換器42a,42bを備え、順変換器41a,41bにはそれぞれ直列に平滑用リアクトル43a,43bが接続されると共に、順変換器41a,41bに並列に平滑用コンデンサ44aおよび44bが接続される。
Specifically, the power conversion device 4 includes diode-type
さらに、電力変換装置4は、順変換器41a,41bの出力側の直流電圧を検出して直流電圧信号(a)を出力する直流電圧検出器45と、直流電流を検出して直流電流信号(b)を出力する直流電流検出器46とを備え、直流電圧検出器45および直流電流検出器46の出力値は、制御回路10に出力される。
Further, the power conversion device 4 detects a DC voltage on the output side of the
なお、制御回路10による電力変換装置4の制御内容については詳細を後述する。
Details of the control content of the power conversion device 4 by the
高周波整合装置5は、電力変換装置4と誘導加熱装置6との間に設けられて、誘導加熱装置6が低力率であるため負荷力率を改善する。
The high-
具体的に、高周波整合装置5は、共振用コンデンサ51a,51bと、高周波整合装置5の出力電流を検出して出力電流信号(d)を出力する電流検出器52および出力電圧を検出して出力電圧信号(e)を出力する電圧検出器53等から構成される。
Specifically, the high-
誘導加熱装置6は、電力変換装置4と高周波整合装置5とから供給される高周波電流を加熱コイル61に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被加熱材Xにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Xを昇温させて溶解させる。
The induction heating device 6 generates an eddy current in the material X to be heated housed in the melting furnace body by energizing the
制御回路10は、誘導溶解炉の運転・停止、出力調整等の制御を行うと共に、誘導溶解炉の制御装置として出力力率を検出する力率検出部、IGBT式逆変換器42a,42bの制御を行う制御信号生成部としての機能を備える。
The
図2に示すように、具体的に制御回路10は、力率検出部11と、PLL制御部12とを備える。
As shown in FIG. 2, specifically, the
力率検出部11は、電流検出器52の出力値である高周波整合装置5の出力電流信号(d)と、電圧検出器53の出力値である高周波整合装置5の出力電圧信号(e)とから、高周波整合装置5から出力される交流電流・電圧の出力力率を算出する。
The
PLL制御部12は、基準周波数生成部13と、電圧制御発振器14と、分周器15とを備え、力率検出部11により算出された出力力率に基づいて、IGBT式逆変換器42a,42bの制御を行う制御信号を生成する。
The
具体的には、基準周波数生成部13により基準周波数を与えられ、この基準周波数に対して、力率検出部11により検出された出力力率に応じた値を加減させた周波数(制御周波数)を生成する。そして、この制御周波数を発振周波数とするパルス列を電圧制御発振器14により生成し、このパルス列を分周器15により分周することで、IGBT式逆変換器42a,42bのそれぞれの制御信号を生成する。
Specifically, a reference frequency is given by the reference
なお、このときのIGBT式逆変換器42a,42bは、制御信号は、出力基準信号にPLL制御部12により生成された制御信号を加減させた値を用いる。このときの出力基準信号は、直流電圧検出器45の出力値である順変換器41a,41bの出力側の直流電圧(a)と、直流電流検出器46の出力値である順変換器41a,41bの出力側の直流電流(b)とを積算した入力電力を一定に制御するための所定の基準信号である。
The IGBT
このようにして生成されたIGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)と、電流検出器52の出力値である高周波整合装置5の出力電流信号(d)と、電圧検出器53の出力値である高周波整合装置5の出力電圧信号(e)との関係を図3に示す。
The control signals (gate signals) of the
図3(a)は、力率検出部11を介して出力力率が1となるように、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)を生成した場合の電流検出器52の出力値である高周波整合装置5の出力電流(d)と、電圧検出器53の出力値である高周波整合装置5の出力電圧(e)との関係を示す。
FIG. 3A shows the
一方、図3(b)は、力率検出部11を介して出力力率が1となる制御を施さずに、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)を生成した場合の電流検出器52の出力値である高周波整合装置5の出力電流(d)と、電圧検出器53の出力値である高周波整合装置5の出力電圧(e)との関係を示す。
On the other hand, FIG. 3B shows a case where the control signals (gate signals) of the IGBT
なお、より正確には、図3(b)は、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)に対して、出力電圧が遅れ力率となる場合を示している。
More precisely, FIG. 3B shows a case where the output voltage becomes a delay power factor with respect to the control signals (gate signals) of the IGBT
図3(a)と図3(b)を比較すると、図3(a)に示すように、出力力率が1となる制御を施した場合には、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)に対して、これに対応する正規の電圧と共にその両端に出力電流に応じた電圧(図中斜線部)が等しい幅で出現する。
Comparing FIG. 3A and FIG. 3B, as shown in FIG. 3A, when the output power factor is controlled to be 1, the control of the IGBT
これに対して、図3(b)に示すように、出力力率が1となる制御を施さない場合には、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)に対して、これに対応する正規の電圧が遅れて出現すると共に、その両端に出現する出力電流に応じた電圧部分(図中斜線部)も左右で不均一となる。そのため、図中に示す領域では、無効電流が生じる。
On the other hand, as shown in FIG. 3 (b), in the case where the control with the output power factor of 1 is not performed, the control signals (gate signals) of the IGBT
このような無効電流は、出力を小さくした場合に顕著に現れるものであるが、力率検出部11を介して出力力率が1となるようにIGBT式逆変換器42a,42bのそれぞれの制御信号を生成することで、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。
Such a reactive current appears prominently when the output is reduced, but each control of the IGBT
具体的に、発生する無効電流について、制御角と出力電圧(e)との関係を図4に示す。なお、この制御角が、IGBT式逆変換器42a,42bの制御信号(ゲート信号)のパルス幅であり、出力電圧(e)の大きさに対応したものである。
Specifically, FIG. 4 shows the relationship between the control angle and the output voltage (e) for the reactive current generated. This control angle is the pulse width of the control signal (gate signal) of the IGBT
図4では、制御角を横軸として、出力電圧(e)の実効値を縦軸として、出力力率を0.7〜1.0の範囲で変化させた様子を示す。 FIG. 4 shows a state in which the output power factor is changed in the range of 0.7 to 1.0 with the control angle as the horizontal axis and the effective value of the output voltage (e) as the vertical axis.
出力力率が0.7に対して、力率を1に近づけることで、制御角を小さくした場合にも無効電流の発生を抑制することができ、出力を制御角に応じて確実に小さくさせることができる。 When the output power factor is 0.7 and the power factor is close to 1, even when the control angle is reduced, the generation of reactive current can be suppressed, and the output is reliably reduced according to the control angle. be able to.
以上説明したように、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置によれば、直列共振型回路(電圧型回路)の電力変換装置4において、逆変換器42a,42bを回路構成が簡単なハーフブリッジ式に構成した場合に、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。
As described above, according to the induction melting furnace control apparatus of the present embodiment, in the power converter 4 of the series resonance circuit (voltage circuit), the
1…電源、2…高圧受電盤、3…変換装置用変圧器、4…電力変換装置、5…高周波整合装置、6…誘導加熱装置、10…制御回路(コントローラ)、11…力率検出部、12…PLL制御部(制御信号生成部)、41a,41b…ダイオード式順変換器、42a,42b…IGBT式逆変換器、61…加熱コイル、X…被加熱材。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
順変換器と、第1および第2スイッチング素子が交互に動作するハーフブリッジ式の逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
前記力率検出部を介して検出される出力力率が1となる周波数で且つ前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅の、前記第1および第2スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備えることを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。 A control device for an induction melting furnace that melts a material to be heated stored in the furnace by supplying electric power to the heating coil provided on the outer periphery of the furnace wall through power supply means,
A power converter in which a forward converter and a half-bridge inverse converter in which the first and second switching elements operate alternately constitute a series resonant circuit;
A power factor detector for detecting an output power factor of the power converter;
Generate control signals for the first and second switching elements having a pulse width at which the output power factor detected via the power factor detector is 1 and the output voltage of the power converter is a target voltage. An induction melting furnace control device comprising: a control signal generating unit that performs the control.
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