JP2016116292A - 大電流電源装置および通電加熱システム - Google Patents

大電流電源装置および通電加熱システム Download PDF

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Abstract

【課題】大電流を出力する際の電流の制御性を従来の電源に比べて向上させる。【解決手段】交流電源100と、整流器200と、直流リアクトル300と、MERS400と、制御部500と、負荷の交流インダクタンス600と、被通電材である抵抗体700と、を有する通電加熱システムにおいて、通電パターンに従って、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのオン・オフを制御することにより、通電加熱中に、MERS400の出力電流Iの極性を交番させる。【選択図】図1

Description

本発明は、被通電材の通電加熱を行うために好適なものに関する。
大電流は多くの用途で用いられる。例えば磁場の発生、電動機の駆動、通電加熱による被通電材(導電材料)の熱処理・接合・焼結等、多くの産業に用いられている。この中で、通電加熱を行う際には、目的に応じて被通電材の発熱をさせるために電流の制御が求められる。
例えば、被通電材の発熱分布を制御する際には通電周波数の重畳が有効であることが知られており、特許文献1に記載の技術では、直流と交流を重畳させることで、被通電材の温度分布を均一に保つ技術が開示されている。周波数の異なる電流を重畳させることは、浸透深さの異なる電流を流すことになるため、被通電材の表皮に集中する周波数の高い電流と、被通電材内を均一に流れる周波数の低い電流との重畳は、被通電材の発熱分布の制御に有効である。
また、電流の極性の制御が通電加熱において有効であることが知られている。通電経路における異なる物質の界面では、ペルチェ効果により、電流の極性に応じた発熱吸熱が発生する。そのため、通電加熱のような抵抗発熱を利用する場合においては、電流の極性によって被通電材の昇温が変化する。したがって、電流の極性によって被通電材の通電後の性質は変化する場合がある。例えば特許文献2では正負それぞれの極性の電流を制御することで、正負それぞれの極性においても入熱が等しくなる技術が開示されている。
制御性の高い電源として、磁気回生エネルギースイッチを用いた電源があり、任意の通電周数数をソフトスイッチングで実現可能であることが、特許文献3で開示されている。
特開平03−126810号公報 特開平11−226747号公報 特許第4534007号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、二つの周波数を重畳させるために、二つの電源を用いることを前提としており、被通電材の寸法や目的に合った温度分布を得るためには条件の数だけの電源を準備しなければならない。さらに、極性の制御は全く考慮されていない。特許文献2に記載の技術では、正負それぞれの極性の制御は可能であっても、周波数を重畳させるには複数の電源が必要になる。特許文献3に記載の技術では、制御信号によって様々な電流パターンを出力できることが開示されているが、周波数の重畳と極性の制御に関しての検討はなされていない。
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、大電流を出力する際の電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることを目的とする。
本発明の通電加熱用大電流電源装置は、元電源より供給される電流を、磁気エネルギー回生スイッチを用いて、出力電流に変換する大電流電源装置であって、前記出力電流における電流の極性を、前記出力電流における通電周波数と異なる周波数で交番させる制御が可能な制御手段を有することを特徴とする。
本発明の通電加熱システムは、前記大電流電源装置を有し、前記大電流電源装置から出力された出力電流を、被通電材に通電することで、当該被通電材を加熱することを特徴とする。
本発明によれば、電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることができる。
通電加熱システムの構成の一例を示す図である。 スイッチングパターンと当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターンの第1の例を示す図である。 スイッチングパターンと当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターンの第2の例を示す図である。 スイッチングパターンの変形例を示す図である。 通電パターンの第1の例を示す図である。 通電パターンの第2の例を示す図である。
本実施形態では、磁気エネルギー回生スイッチ(Magnetic Energy Recovery Switch、以降、MERSと称する。)を用いることで、導電材料(被通電材)に与える電流の極性を、通電加熱時間内で制御することが可能な大電流通電用電源装置を提供する。
MERSについては、特許文献3等に記載されている。本実施形態では、特許文献3に記載のスナバーエネルギーを回生する電流スイッチの構成を利用している。しかしながら、特許文献3では大電流による通電中に、電流の極性を制御することについての検討はなされていない。かかる状況の下、本実施形態のように、本発明者らは、大電流による通電加熱の時間内での極性の制御を行えることを知見した。
以下で、本発明を実施するための一形態について説明する。本実施形態では、大電流の通電加熱を行う場合を例として説明する。
(通電加熱システムの構成)
図1は、通電加熱システムの構成の一例を示す図である。
本システムは本発明の技術を用いたシステムの一例であり、交流電源100と、整流器200と、直流リアクトル300と、MERS400と、制御部500と、負荷の交流インダクタンス600と、被通電材である抵抗体700と、を有する。
図1において、MERS400の入力側の接続関係は以下の通りである。
整流器200の入力端と、交流電源100とが相互に接続される。整流器200の出力端の一つと、直流リアクトル300の一端とが相互に接続される。整流器200の出力端の他の一つと、MERS400の直流端子cとが相互に接続される。直流リアクトル300の他端と、MERS400の直流端子bとが相互に接続される。
MERS400の出力側の接続関係は以下の通りである。
MERS400の交流端子aと交流端子dとが、負荷に接続される。本実施形態では負荷を交流インダクタンス600と抵抗体700の単純な構成としている。
交流電源100は、元電源の一例であり、交流電力を出力する。交流電源100は、単相交流電源であっても、三相交流電源であってもよい。
整流器200は、交流電源100から出力される交流電力を整流して直流電力にする。交流電源100が単相交流電源である場合、整流器200は単相整流回路を備えることになる。一方、交流電源100が三相交流電源である場合、整流器200は三相整流回路を備えることになる。
直流リアクトル300は、整流器200を通った直流電力を平滑化する。
MERS400は、MERSの一例であり、整流器200から直流リアクトル300を介して入力した直流電力を後述するようにして交流電力として出力する。
制御部500は、MERS400の動作を制御する。
本実施形態では、交流電源100、整流器200、直流リアクトル300、MERS400および制御部500を用いることにより、大電流電源装置が構成される。MERS400の動作の詳細については後述する。
抵抗体700は、通電性を有する導電材料であればよく、複数の導電材が接触したようなものでもよい。通電加熱に用いる際には必然的に大電流電源装置と被通電材との接続部が発生するが、大電流電源装置(MERS400の交流端子a、dの少なくとも何れか一方)が導電材で負荷と接続していれば、大電流電源装置と負荷との接続方法は特に指定されない。
(MERS400の構成)
次に、MERS400の構成の一例を説明する。
MERS400は、特許文献2等に開示されているMERSの一例である。
図1に示すように、MERS400は、ブリッジ回路と、コンデンサCとを含む。
ブリッジ回路は、2つの経路にそれぞれ2つずつ配置された4つの逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yによって構成される。コンデンサCは、ブリッジ回路の2つの経路の間に配置される。
具体的にブリッジ回路は、交流端子aから直流端子bを経由して交流端子dまで到達する経路である第1の経路と、交流端子aから直流端子cを経由して交流端子dまで到達する経路である第2の経路とを含む。第1の経路には、交流端子dと直流端子bとの間に逆導通型半導体スイッチV(第4の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子bと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチU(第1の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。第2の経路には、交流端子dと直流端子cとの間に逆導通型半導体スイッチY(第3の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子cと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチX(第2の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。コンデンサCは、直流端子bと直流端子cとの間に配置される。
逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのそれぞれは、ゲート端子GU、GV、GX、GYにオン信号が入力していないスイッチオフ時には、電流を一方向にのみ導通させ、ゲート端子GU、GV、GX、GYにオン信号が入力しているスイッチオン時には、電流を両方向に導通させる。すなわち、逆導通半導体スイッチU、V、X、Yは、スイッチオフ時には、エミッタ端子及びコレクタ端子間の一方向において電流を導通させるが、スイッチオン時には、エミッタ端子及びコレクタ端子間の両方向において電流を導通させる。尚、以下の説明では、「各逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yがスイッチオフ時に電流を流す方向」を、必要に応じて「順方向」と称し、スイッチオフ時に電流を流さない方向を、必要に応じて「逆方向」と称する。また、以下の説明では、「順方向及び逆方向の、回路に対する接続方向」を、必要に応じて「スイッチ極性」と称する。
また、各逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yは、それぞれスイッチの極性が以下のようになるように配置される。並列に接続された逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチXは逆方向のスイッチ極性を有し、同様に、並列に接続された逆導通型半導体スイッチVと逆導通型半導体スイッチYも、逆方向のスイッチ極性を有する。また、直列に接続された逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチVは、逆方向のスイッチ極性を有し、同様に、直列に接続された逆導通型半導体スイッチXと逆導通型半導体スイッチYも、逆方向のスイッチ極性を有する。よって、逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチYは、順方向のスイッチ極性を有し、逆導通型半導体スイッチVと逆導通型半導体スイッチXも、順方向のスイッチ極性を有す。また、逆導通型半導体スイッチU、Yのスイッチ極性と、逆導通型半導体スイッチV、Xのスイッチ極性は、逆方向となる。
尚、図1に示すスイッチ極性は、逆導通型半導体スイッチU、Yと、逆導通型半導体スイッチV、Xとの間で、反対に構成されてもよい。
また、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yには、様々な構成が考えられるが、本実施形態では、半導体スイッチSU、SV、SX、SYとダイオードDU、DV、DX、DYとの並列接続によって構成されるものとする。すわなち、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのそれぞれは、1つのダイオードDU、DV、DX、DYと、当該ダイオードに並列に接続された1つの半導体スイッチSU、SV、SX、SYとを有する。
また、半導体スイッチSU、SV、SX、SYのそれぞれのゲート端子GU、GV、GX、GYは、それぞれ制御部500と接続される。制御部500からMERS400への制御信号として、半導体スイッチSU、SV、SX、SYをオンするオン信号(ゲート信号)の入力を受ける。オン信号が入力されている間、半導体スイッチSU、SV、SX、SYはオン状態となり、両方向に電流を導通させる。しかしながら、オン信号が入力されない場合、半導体スイッチSU、SV、SX、SYはオフ状態となり、電流をどちらの方向にも導通させない。よって、半導体スイッチSU、SV、SX、SYのオフ時には、半導体スイッチSU、SV、SX、SYに並列に接続されたダイオードDU、DV、DX、DYの導通方向にのみ、電流は導通される。
また、MERS400に含まれる逆導通型半導体スイッチは、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yに限定されるものではない。すなわち、逆導通型半導体スイッチは、前述した動作を示す構成であればよく、例えば、パワーMOS FET、逆導通型GTOサイリスタ等であってもよく、IGBT等の半導体スイッチとダイオードとの並列接続であってもよい。
また、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのスイッチ極性を、ダイオードDU、DV、DX、DYに置き換えて説明すれば、以下のようになる。すなわち、順方向(スイッチオフ時に導通する方向)は、各ダイオードDU、DV、DX、DYの導通方向であり、逆方向(スイッチオフ時に導通しない方向)は、各ダイオードDU、DV、DX、DYの非導通方向である。また並列に接続されたダイオード同士(U・X又はV・Y)の導通方向は、相互に逆方向であり、直列に接続されたダイオード同士(U・V又はX・Y)の導通方向も、相互に逆方向である。また、ダイオードU、Yの導通方向は、相互に順方向であり、同様にダイオードV、Xの導通方向も相互に順方向である。よって、ダイオードU、Yと、ダイオードV、Xの導通方向は、相互に逆方向である。
以上のように、各逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yは、順方向が以下のようになるように配置される。すなわち、逆導通型半導体スイッチU及び逆導通型半導体スイッチYを第1のペアとし、逆導通型半導体スイッチV及び逆導通型半導体スイッチXを第2のペアとすると、第1のペアの逆導通型半導体スイッチU及び逆導通型半導体スイッチYは、順方向が同じ方向になるように配置され、第2のペアの逆導通型半導体スイッチV及び逆導通型半導体スイッチXは、順方向が同じ方向になるように配置され、第1のペアと第2のペアとは、順方向が相互に逆向きになるように配置される。したがって、ブリッジ回路で対角線上に配置された逆導通型半導体スイッチ(U・Y又はV・X)は、各順方向が同方向になるように配置される。
(MERS400の動作)
MERS400では、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチのうち、一方の逆導通型半導体スイッチがオンすると他方の逆導通型半導体スイッチもオンする。同様に、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチの一方の逆導通型半導体スイッチがオフすると他方の逆導通型半導体スイッチもオフする。例えば、逆導通型半導体スイッチUがオンすると逆導通型半導体スイッチYもオンし、逆導通型半導体スイッチUがオフすると逆導通型半導体スイッチYもオフする。これらのことは、逆導通型半導体スイッチV、Xについても同じである。
また、ブリッジ回路における2つの対角線のうち、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチがオンであるときには、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチはオフとなる。例えば、逆導通型半導体スイッチU、Yがオンであるときには、逆導通型半導体スイッチV、Xはオフとなる。
図2、図3は、スイッチングパターンと通電パターン(当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターン)の第1、第2の例を示す図である。具体的に図2、図3は、ゲート端子GU、GV、GX、GYに入力されるオン信号(ゲート信号)、コンデンサCの両端の電圧VC、及びMERS400の出力電流Iと、時間との関係の第1、第2の例を示す。ここで、本実施形態におけるスイッチングパターンとは、図2、図3に示す「U−Yゲート(ゲート端子GU、GY)」及び「ゲート端子GV、GX(V−Xゲート)」に入力されるゲート信号のオン・オフのパターンである。また、通電パターンとは、図2、図3に示す「MERS400の出力電流I」のパターンであって、一回の通電加熱時間(1パルス通電)におけるパターンである。
図2、図3において、U−Yゲートとは、ゲート端子GU、GYに入力されるオン信号(ゲート信号)を表す。また、V−Xゲートとは、ゲート端子GV、GXに入力されるオン信号(ゲート信号)を表す。U−Yゲートの波形が立ち上がっている期間に、逆導通型半導体スイッチU、Y(半導体スイッチSU、SY)はオンとなり、U−Yゲートの波形が立ち下がっている期間に、逆導通型半導体スイッチU、Y(半導体スイッチSU、SY)はオフとなる。同様に、V−Xゲートの波形が立ち上がっている期間に、逆導通型半導体スイッチV、X(半導体スイッチSV、SX)はオンとなり、V−Xゲートの波形が立ち下がっている期間に、逆導通型半導体スイッチV、X(半導体スイッチSV、SX)はオフとなる。
尚、以下の説明では、ゲート端子GU、GYにオン信号(ゲート信号)が入力され、逆導通型半導体スイッチU、Yがオンすることを必要に応じて「U−Yゲートがオン・オフする」と称する。また、ゲート端子GV、GXにオン信号(ゲート信号)が入力され、逆導通型半導体スイッチV、Xがオン・オフすることを必要に応じて「V−Xゲートがオン・オフする」と称する。
以下に、図2、図3に示す動作を説明する。
<図2に示す動作>
図2に示す例におけるスイッチングパターンは、ブリッジ回路における対角線のうち、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチU、Yのみをオン・オフと、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチV、Xのオン・オフとをそれぞれ3回ずつ繰り返すパターンである。ここで、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのオン時間及びオフ時間を変更しない。具体的に説明すると、図2に示すように、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yの1回のオン・オフの周期をT1にする。周期をT1については後述する。
ここで、逆導通型半導体スイッチU、Yのオン・オフを周期T1の半分の周期で繰り返している。他方、逆導通型半導体スイッチU、Yのオン・オフを行っている間においては、逆導通型半導体スイッチV、Xのオン・オフは行わない。
図2に示すように、逆導通型半導体スイッチU、Yの1回のオン・オフの周期T1は、MERS400の出力電流Iの周期に対応する。すなわち、逆導通型半導体スイッチU、Yの1回のオン・オフの周波数は、MERS400の出力電流Iの周波数(通電周波数)に対応する。このことは、図3〜図4に示す例においても同じである。
本実施形態では、この通電周波数として、MERS400の出力端から負荷側を見たときのインダクタンスと、コンデンサCのキャパシタンス(容量)とに基づく共振周波数以下の周波数を採用する。このようにすることにより、特許文献3に記載されているようにソフトスイッチングを行うことができるからである。また、大容量の電圧源コンデンサを用いる必要がなくなるので、コンデンサCのキャパシタンスを小さくすることができる。これらのことは、図3〜図4に示す例においても同じである。
また、周波数f1(=1/T1)が前記共振周波数になるようにする。このことは、図3〜図4に示す例においても同じである。尚、図3、図4において、周波数f2(=1/T2)は周波数f1よりも低い周波数である(すなわち、f1>f2である)。
以下の説明では、周期T1を必要に応じて共振周期T1と称する。
次に、図1及び図2を参照しながら、図2に示す例でのMERS400の動作を説明する。
(1a)U−Yゲート:オン、V−Xゲート:オフ
図2において、U−Yゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、V−XゲートもU−Yゲートもオフしているので、直流リアクトル300を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電されている。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
この状態でU−Yゲートがオンすると、コンデンサCの放電が開始し、MERS400の出力電流Iは、コンデンサC→逆導通型半導体スイッチU→抵抗体700→逆導通型半導体スイッチYの経路を流れる。したがって、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)から増加し、コンデンサCの両端の電圧VCは減少する。そして、コンデンサCの放電が完了すると、MERS400の出力電流Iは正の最大値を示すと共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最小値(0(ゼロ))になる。
(2a)U−Yゲート:オフ、V−Xゲート:オフ
周波数f1は前記共振周波数である。したがって、制御部500は、以上のようにコンデンサCの両端の電圧VCが0(ゼロ)になった時点で、U−Yゲートをオフする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
MERS400の出力電流Iは、ダイオードDV→コンデンサC→ダイオードDxの経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流Iは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。そして、コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
以上のように、U−Yゲート及びV−Xゲートをオン・オフするタイミングでコンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)になるので、ソフトスイッチングが実現される。
以上で、交番の周期の前半半分の動作が終了する。交番の周期の後半半分の動作は、前述した(1a)及び(2a)の説明において、「U−Yゲート」を「V−Xゲート」、
「V−Xゲート」を「U−Yゲート」、「正」を「負」、MERS400の出力電流Iの「増加」、「減少」をそれぞれ「減少」、「増加」に、「コンデンサC→逆導通型半導体スイッチU→抵抗体700→逆導通型半導体スイッチY」を「コンデンサC→逆導通型半導体スイッチV→抵抗体700→逆導通型半導体スイッチX」に、「ダイオードDV→コンデンサC→ダイオードDx」を「ダイオードDU→コンデンサC→ダイオードDY」に、それぞれ置き換えることにより実現される。
以上のように、図2では、通電中に、U−Yゲートのみを、共振周期T1(=1/f1)の周期の半分の時間でオン・オフさせること3回繰り返し、続けて、X−Vゲートのみを、共振周期T1(=1/f1)の周期の半分の時間でオン・オフさせること3回繰り返す、というパターンを繰り返している。このとき、交番の周期は6T1となるので、交番周波数は1/6T1(=f1/6)となる。このようにすれば、MERS400の出力電流Iは通電周波数f1と極性の交番周波数f1/6が重畳された電流となる。ちなみに、この場合は、交番の一周期(=6T1)において、正の極性と負の極性とが均等に含まれているので、ペルチェ効果による熱は無視できる。
周波数f2(=1/T2)は共振周波数f1よりも低い周波数である(すなわち、f1>f2である)として、ゲートのオン・オフのパターンを図2に示すパターンと同様にすると、通電の波形が少し歪むものの極性を固定した発振が可能である。その場合の出力電流Iの波形を図3に示す。
<図3に示す動作>
図3に示す例におけるスイッチングパターンは、ブリッジ回路における対角線のうち、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U・Y又はV・X)のオン・オフを3回繰り返した後、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(V・X又はU・Y)のオン・オフを3回繰り返すことを繰り返し行うパターンである。
ここで、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのオン時間及びオフ時間を変更しない。具体的に説明すると、図3に示すように、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yの1回のオン・オフの周期をT2にする。前述したように、周波数f2(=1/T2)は共振周波数f1よりも低い周波数である(すなわち、f1>f2である)。
また、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U・Y又はV・X)のオン時間及びオフ時間と、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(V・X又はU・Y)のオン時間及びオフの時間は、全て同じである。
次に、図1及び図3を参照しながら、図3に示す例でのMERS400の動作を説明する。
[期間t6A(=t6B)]
(1a)U−Yゲート:オン、V−Xゲート:オフ
U−Yゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、V−XゲートもU−Yゲートもオフしているので、直流リアクトル300を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電されている。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
U−Yゲートがオンすると、コンデンサCの放電が開始し、MERS400の出力電流Iは、コンデンサC→逆導通型半導体スイッチU→抵抗体700→逆導通型半導体スイッチYの経路を流れる。したがって、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)から増加し、コンデンサCの両端の電圧VCは減少する。そして、コンデンサCの放電が完了すると、MERS400の出力電流Iは正の最大値を示すと共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最小値(0(ゼロ))になる。
<図2の動作>で説明したように、周波数f2は前記共振周波数f1よりも低いので、コンデンサCの放電が完了しても、制御部500は、U−Yゲートをオフせず、U−Yゲートはオンされた状態のままである。したがって、MERS400の出力電流Iは、逆導通型半導体スイッチU→抵抗体700→ダイオードDVの経路と、逆導通型半導体スイッチY→ダイオードDX→抵抗体700の経路に並列に流れ、還流する。このMERS400の出力電流Iは、負荷の抵抗とインダクタンスから定まる時定数に従って減少する(0(ゼロ)に近づく)。
(2a)U−Yゲート:オフ、V−Xゲート:オフ
制御部500は、周波数f2の2倍の逆数の時間(周期T2の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオフする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
また、U−Yゲートをオフしたタイミングで、前述した還流が終了していないと(MERS400の出力電流Iが0(ゼロ)になっていないと)、MERS400の出力電流Iは、ダイオードDV→コンデンサC→ダイオードDxの経路を流れ、コンデンサCを充電するので急速に減少して0(ゼロ)になる。
その後、直流リアクトル300を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電される。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。
制御部500は、周波数f2の2倍の逆数の時間(周期T2の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオンする。このとき、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
以上の前記(1a)及び前記(2a)の動作で、周期T2(1周期)の動作が終了する。続けて、前記(1a)及び前記(2a)の動作を3回繰り返すと、期間t6Aの動作が終了する。
[期間t6B(=t6A)]
(1b)U−Yゲート:オフ、V−Xゲート:オン
V−Xゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、V−XゲートもU−Yゲートもオフしているので、直流リアクトル300を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電されている。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
V−Xゲートがオンすると、コンデンサCの放電が開始し、MERS400の出力電流Iは、コンデンサC→逆導通型半導体スイッチV→抵抗体700→逆導通型半導体スイッチXの経路を流れる。したがって、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)から増加し(0(ゼロ)から負の値になり)、コンデンサCの両端の電圧VCは減少する。そして、コンデンサCの放電が完了すると、MERS400の出力電流Iは負の最大値を示すと共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最小値(0(ゼロ))になる。
周波数f2は前記共振周波数f1よりも低いので、コンデンサCの放電が完了しても、制御部500は、U−Yゲートをオフせず、U−Yゲートはオンされた状態のままである。したがって、MERS400の出力電流Iは、逆導通型半導体スイッチV→抵抗体700→ダイオードDUの経路と、逆導通型半導体スイッチX→ダイオードDY→抵抗体700の経路に並列に流れ、還流する。このMERS400の出力電流Iは、負荷の抵抗とインダクタンスから定まる時定数に従って減少する(0(ゼロ)に近づく)。
(2b)U−Yゲート:オフ、V−Xゲート:オフ
制御部500は、周波数f2の2倍の逆数の時間(周期T2の1/2倍の時間)が経過すると、V−Xゲートをオフする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
また、V−Xゲートをオフしたタイミングで、前述した還流が終了していないと(MERS400の出力電流Iが0(ゼロ)になっていないと)、MERS400の出力電流Iは、ダイオードDU→コンデンサC→ダイオードDYの経路を流れ、コンデンサCを充電するので急速に減少して0(ゼロ)になる。
その後、直流リアクトル300を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電される。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。
制御部500は、周波数f2の2倍の逆数の時間(周期T2の1/2倍の時間)が経過すると、V−Xゲートをオンする。このとき、MERS400の出力電流Iは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
以上の前記(1b)及び前記(2b)の動作で、周期T2(1周期)の動作が終了する。続けて、前記(1b)及び前記(2b)の動作を3回繰り返すと、期間t6Bの動作が終了する。
そして、1回の抵抗スポット溶接の際に、以上の期間t6A、t6Bの動作が、少なくとも1回実行される。期間t6A、t6Bの動作が2回以上行われる場合には、期間t6A、t6Bの動作がこの順で繰り返し実行される。
以上のように、図3では、通電中に、U−YゲートあるいはV−Xゲートのどちらか一方のゲートのみを、共振周期T1(=1/f1)を上回る周期の半分の時間でオン・オフさせることをオン時間とオフ時間とを同じ長さにして繰り返す。この際、ゲート信号をオン・オフさせないもう一方のゲートをオフにし続ける。そして、このようにしてU−YゲートあるいはV−Xゲートのどちらか一方のゲートのみをオン・オフし、もう一方のゲートをオフし続ける周期(図4に示す例では周期T2)よりも長い周期(図3に示す例では周期T6)で、オン・オフするゲートとオフにしたままにするゲートとを入れ替える。 尚、図3に示す例では、周期T2の逆数(=1/T2)が通電周波数である。また、図3に示す例では、周期T6(=6×T2)の逆数(=1/T6)が交番周波数である。尚、通電周波数と交番周波数を同じにするには、U−YゲートとV−Xゲートのオン・オフを1回ずつ交互に行うようにする。
<図4に示す動作>
図4は、スイッチングパターンのその他の例を示す図である。具体的に図4は、ゲート端子GU、GV、GX、GYに入力されるオン信号(ゲート信号)と、時間との関係を示す。
図4に示す例におけるスイッチングパターンは、逆導通型半導体スイッチU、Yのオン・オフを図3に示した周期T2で4回行った後、逆導通型半導体スイッチV、Xのオン・オフを図3に示した周期T2で3回行うパターンである。
図4に示すように、逆導通型半導体スイッチU、Yの複数回のオン・オフと、逆導通型半導体スイッチV、Xの複数回のオン・オフとを交互に行う際に、逆導通型半導体スイッチU、Yのオン・オフの回数と、逆導通型半導体スイッチU、Yのオン・オフの回数とを異ならせてもよい。
尚、図4に示すスイッチングパターンにおけるMERS400の動作は、<図3に示す動作>における前記(1a)及び前記(2a)の繰り返し数を変更することにより実現されるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
また、図4に示す例では、周期T2の逆数(=1/T2)が通電周波数である。また、図4に示す例では、周期7×T2の逆数(=1/(7×T2))が交番周波数である。したがって、U−Yゲートのオン・オフ時に流れる電流の向きを正とすれば、交番の1周期の前半の4/7の期間は正の極性、交番の1周期の後半の3/7の期間は負の極性、の電流となっている。
また、例えば、図3に示すスイッチングパターンと図4に示すスイッチングパターンを組み合わせることで、一回の通電加熱時間(1パルス通電)において交番周波数を変更することができる。
<通電パターンの設定>
通電加熱を行うことにより得られる被通電材の品質に影響を与える所定の1つ又は複数の因子により定まる溶接条件に応じた適切な通電パターンを、例えば模擬実験を行って特定し、特定した通電パターンを制御部500に記憶する。このようにして通電パターンを特定することを複数の通電条件のそれぞれについて行い、複数の通電条件のそれぞれについての通電パターンを制御部500に記憶する。尚、前記因子としては、例えば、被通電材の材質、通電面積となる被通電材の断面積等が挙げられる。
図5と図6は、通電パターンの第1、第2の例を示す図である。
図5は、通電中に、共振周波数f1以下の一定の通電周波数(=1/Tc)、及び当該通電周波数よりも低い一定の交番周波数(=1/Tp)で、MERS400の出力電流Iの極性を交互に均等に変更する場合の通電パターンの一例を示す。一方、図6に示す通電パターンでは、図5に示す通電パターンよりも、正の極性の電流を多く、負の極性の電流を少なくして通電している。ペルチェ効果による発熱が、被通電材側で起こるような極性の比率を多くすると、被通電材への入熱は抵抗発熱にペルチェ効果による入熱が加わることとなり、大電流電源装置と被通電材との接続部における入熱効果を増大させることができる。
通電加熱に際し、前記通電条件が入力されると、制御部500は、当該溶接条件に対応する通電パターンを複数の通電パターンの中から選択して読み出す。そして、制御部500は、通電加熱が行われている間に、読み出した通電パターンに基づくスイッチングパターンを決定し、決定したスイッチングパターンに従って、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yに対してオン信号(ゲート信号)を出力する。制御部500は、このようなスイッチングパターンに従う逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yの制御を、通電加熱が終了するまで行う。
以上のように本実施形態では、通電パターンに従って、逆導通型半導体スイッチU、V、X、Yのオン・オフ(オン・オフ信号を入れる逆導通型半導体スイッチと、当該オン・オフ信号を入れるタイミング)を制御することにより、通電中に、MERS400の出力電流Iの極性あるいは極性の交番を制御する。そして、このようにして制御されるMERS400から出力される出力電流Iを、抵抗体700に出力する。
したがって、例えば、図2及び図3に示す例では、周期T6の低周波に、周期T2の高周波を重畳させた電流を、通電中に、MERS400の出力電流Iとして出力することができる。
以上のように本実施形態では、MERS400の動作を制御部500で制御することにより、通電加熱中に、出力電流における電流Iの極性を、通電周波数(図2では1/T1、図3、図4では1/T2、図5、図6では1/Tc)未満の周波数(図2では1/(6×T1)、図3では1/(6×T2)、図4では1/(6×T2)、図5、図6では1/Tp)で交番させる。さらに、この際に、交番の一周期内で正負それぞれの極性の通電時間(実効値)を制御する。したがって、単一の電源に対する電源制御信号の制御のみで、電流の極性を制御することができる。また、極性を交番させる周波数が通電周波数に重畳することで発熱分布を制御することができる。これにより、電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることができる。また、通電中に、交番周波数を制御した極性の制御が可能となる。これにより、例えば、被通電材の材質や形状に合わせて、通電後の材料特性を、通電領域を含めて制御することができる。したがって、被通電材の電流分布により熱分布の制御を行うことが可能になり、極性の制御によるペルチェ効果の発熱吸熱を制御することで、被通電材への入熱の制御性を向上させることができる。本実施形態のように、通電加熱用の大電流電源装置を、相互に接触した複数の導体を通電加熱させることに用いれば、当該複数の導体の改質だけでなく、条件によっては、当該複数の導体同士を接合させることも可能である。また、通電加熱による入熱で被通電材の一部を溶融させるプロセスも可能である。なお、本技術を用いた通電加熱の条件は連続的な通電であっても、パルス通電のような短時間の通電であってもよい。
本実施形態では、本発明の装置および制御方法を、単純な誘導と抵抗から構成される負荷に適用する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、出力電流Iを変圧器により昇圧・降圧してから、負荷に供給することも可能である。
尚、以上説明した本発明の実施形態における制御部500の処理は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
100:交流電源、200:整流器、300:直流リアクトル、400:MERS、500:制御部、600:交流インダクタンス、700:抵抗体(被通電材)

Claims (6)

  1. 元電源より供給される電流を、磁気エネルギー回生スイッチを用いて、出力電流に変換する大電流電源装置であって、
    前記出力電流の極性を、前記出力電流における通電周波数と異なる周波数で交番させる制御が可能な制御手段を有することを特徴とする大電流電源装置。
  2. 前記制御手段は、前記出力電流の極性を、前記通電周波数と異なる周波数で交番させる際に、交番の一周期内における正負それぞれの極性の通電時間を制御することを特徴とする請求項1に記載の大電流電源装置。
  3. 前記磁気エネルギー回生スイッチは、
    第1の逆導通型半導体スイッチと第4の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第1の経路に直列に配置されると共に、第2の逆導通型半導体スイッチと第3の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第2の経路に直列に配置されたブリッジ回路であって、前記第1の逆導通型半導体スイッチと前記第3の逆導通型半導体スイッチのスイッチオフ時の導通方向が同じであるブリッジ回路と、
    前記第1の経路の領域のうち、前記第1の逆導通型半導体スイッチと前記第4の逆導通型半導体スイッチとの間の領域と、前記第2の経路の領域のうち、前記第2の逆導通型半導体スイッチと前記第3の逆導通型半導体スイッチとの間の領域との間に接続されたコンデンサと、
    を有し、交流電源と被通電材との間に配置され、
    前記制御手段は、
    前記第1の逆導通型半導体スイッチおよび前記第3の逆導通型半導体スイッチの2つのスイッチの組と、前記第2の逆導通型半導体スイッチおよび前記第4の逆導通型半導体スイッチの2つのスイッチの組の、どちらか一方の組にのみにオン・オフ信号を入れて片方の極性に固定された通電を行うことと、もう片方の組にのみにオン・オフ信号を入れてもう片方の極性に固定された通電を行うことと、を繰り返し実行することで、前記出力電流の極性を交番させることを繰り返すことを特徴とする請求項1または2に記載の大電流電源装置。
  4. 前記出力電流の極性を交番させる周波数は、前記通電周波数未満であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の大電流電源装置。
  5. 前記通電周波数は、前記磁気エネルギー回生スイッチの出力端から負荷側を見たときのインダクタンスと、前記磁気エネルギー回生スイッチに備わるコンデンサのキャパシタンスとにより定まる共振周波数以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の大電流電源装置。
  6. 請求項1〜5の何れか1項に記載の大電流電源装置を有し、
    前記大電流電源装置から出力された出力電流を、被通電材に通電することで、当該被通電材を加熱することを特徴とする通電加熱システム。
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